Poznaj atom

Jak są chłodzone reaktory jądrowe?

Wtorek 27 marca 2012

Pierwszy na świecie eksperymentalny reaktor jądrowy uruchomiono pod koniec 1942 r. pod… trybunami kortów do squasha na Uniwersytecie w Chicago w Stanach Zjednoczonych. Nie był on wyposażony w układy chłodzenia, ani osłony – jego moc była na tyle mała, że te układy nie były potrzebne. Po uruchomieniu działał przez zaledwie 28 minut. Pierwszy reaktor, który wytwarzał energię elektryczną, powstał w Stanach Zjednoczonych niedaleko Idaho Falls w 1953 r. Był to reaktor badawczy na neutrony prędkie (EBR-1) z paliwem plutonowym chłodzony ciekłym metalem.

W celu poznania procesów zachodzących w elektrowni warto zajrzeć jednak do wnętrza reaktora. Jednym z produktów reakcji zachodzącej w reaktorze jądrowym jest ciepło. Podobnie jak w przypadku elektrowni węglowej czy gazowej wykorzystuje się je do wytworzenia energii elektrycznej. Niezbędna do tego jest turbina. Ciepło trafia do niej za pośrednictwem chłodziwa, czyli substancji chłodzącej (najczęściej jest nim woda). Przenosi ono energię cieplną reakcji z rdzenia do wymiennika ciepła, czyli do tzw. wytwornicy pary (kocioł, w którym powstaje para wodna). W zależności od typu reaktora chłodziwem może być także dwutlenek węgla, bądź ciekły sód.  Reaktor musi być chłodzony nie tylko w czasie pracy, ale również przez pewien czas po wyłączeniu. Gdyby ciepło powstające w czasie reakcji zachodzących w reaktorze nie było odprowadzane, temperatura by rosła i mogłoby dojść do stopienia rdzenia (a przede wszystkim prętów paliwowych). Konsekwencją byłoby poważne uszkodzenie, bądź nawet zniszczenie reaktora. Z jednej strony więc chłodzenie służy produkcji energii elektrycznej, a z drugiej gwarantuje bezpieczną pracę elektrowni jądrowej.

W reaktorach z wrzącą wodą BWR (z ang. Boiling-Water Reactor) i reaktorach ciśnieniowych PWR (z ang. Pressurized-Water Reactor) woda jest jednocześnie chłodziwem i moderatorem. Ta druga rola polega na spowalnianiu szybko poruszających się swobodnych neutronów w reaktorze jądrowym. Dzięki temu rośnie prawdopodobieństwo rozszczepienia atomów uranu-235 (jeśli neutron pędzi zbyt szybko, może przeszyć jądro uranu na wylot, ale nie rozerwie go i nie dojdzie do reakcji rozszczepienia, przy której wydziela się ciepło). Chłodziwo służy w reaktorach BWR do napędzania turbiny.

W reaktorach PWR do chłodzenia i moderowania stosowana jest lekka woda pod wysokim ciśnieniem (ok. 15 MPa, megapascali). Zapobiega ono wrzeniu wody w obiegu chłodzenia rdzenia (odparowanie w rdzeniu nie powinno przekroczyć 5 proc.). Ponieważ neutrony są w znacznym stopniu pochłaniane przez wodór, niezbędne jest użycie jako paliwa lekko wzbogaconego uranu (3-5 proc.). Reaktory ciśnieniowe pracują w układzie dwuobiegowym. Zbiornik reaktora, wytwornica pary (jako wymiennik ciepła), główne pompy obiegowe i stabilizator ciśnienia tworzą obieg pierwotny. Natomiast w obiegu wtórnym znajdują się wytwornica pary (sprzęgająca oba obiegi), turbina parowa, skraplacz i układ regeneracyjnego podgrzewania wody zasilającej.

W reaktorach na neutrony prędkie nie ma moderatora. Temperatura jest w nich wyższa niż w BWR, a jako chłodziwo stosuje się ciekły sód. Taki typ reaktora oznacza się skrótem FBR (z ang. Fast-Breeder Reactor). Takie instalacje mają trzy obiegi chłodzenia: pierwotny – zawierający skażone chłodziwo w postaci ciekłego metalu lub gazu, pośredni – zawierający takie samo lecz nieskażone chłodziwo i wtórny (roboczy) obieg parowo-wodny. Pierwszym działającym komercyjnie reaktorem prędkim był uruchomiony we Francji w 1985 r. Super Phenix o mocy elektrycznej 1200 MW. W reaktorach chłodzonych gazem chłodziwem jest zwykle dwutlenek węgla, a w reaktorach chłodzonych metalem – sód, ołów lub mieszanina ołowiu i bizmutu.

Warto również zwrócić w tym miejscu uwagę, że chłodzenia reaktora nie należy mylić ze schładzaniem wypalonego paliwa wypalonego w basenie na terenie elektrowni. Wypalone paliwo po wyjęciu z reaktora jest silnie promieniotwórcze i emituje duże ilości ciepła, dlatego wymaga studzenia przez kilka lat w specjalnym basenie. Po tym okresie czasu jego aktywność zmniejsza się i można dalej kierować je do przerobu (jako surowiec wtórny) lub do stałego przechowalnika na wiele lat, zanim ostatecznie trafi do składowiska podziemnego.

Facebook