zařízení, ve kterém probíhá řízená řetězová jaderná reakce From Wikipedia, the free encyclopedia
Jaderný reaktor je zařízení, které umožňuje řízené uvolnění jaderné energie, která je následně využívána pro výrobu elektrické energie, výzkum, vzdělávání atd. V principu lze jadernou energii uvolnit 2 rozdílnými způsoby a podle nich lze reaktory rozdělit na:
Následující popis se zaměřuje pouze na štěpný jaderný reaktor jako nejběžnějšího zástupce jaderných reaktorů.
Jaderný reaktor pracující na principu štěpení těžkých jader je zařízení, ve kterém se uskutečňuje samovolně se udržující řízená štěpná řetězová reakce.[pozn. 1] Tento fyzikální stav zajišťuje vhodné prostorové uspořádání všech hlavních součástí reaktoru (palivo, moderátor, chladivo, řídící tyče atd.). Uvolněná jaderná energie následně zahřívá palivové soubory. Z nich je teplo odváděno chladivem takovým způsobem, aby nedošlo k přehřátí souborů a byla tak zajištěna bezpečnost provozu reaktoru.
K uvolnění jaderné energie dochází při štěpení jader paliva (nejčastěji 235U) neutrony. Rozštěpením jádra 235U vznikají: [2]
Neutrony při svém vzniku ze štěpení mají relativně vysokou energii, která jim jen s obtížemi dovoluje štěpit palivo (záleží na izotopu použitého paliva). Naopak pomalé neutrony, zpravidla nazývané „tepelnými neutrony“, jsou 235U schopny štěpit s mnohem větší pravděpodobností. Z tohoto neutronově-fyzikálního hlediska dělíme reaktory na:
Popsat zjednodušený cyklus neutronů lze na základě obrázku nalevo. V reaktoru je za provozu velké množství neutronů s různými energiemi v různých místech. Popis takové situace lze zjednodušit, pokud budeme uvažovat, že neutrony vznikají v tzv. generacích, kdy vždy naráz vznikne velké množství neutronů v palivu a až poslední z nich zanikne, vzniká generace nová. Toto zjednodušení můžeme použít za předpokladu, že neutrony v reaktoru neinteragují mezi sebou a neovlivňují tak svoji energii a směr letu (tvoří tím osamostatněné skupiny neutronů = generace neutronů). Vzhledem k tomu, že množství atomů na jednotkový objem v reaktoru značně převyšuje hustoty toku neutronů bude většina interakcí připadat na neutron-atom a interakcí neutron-neutron bude velmi málo, je toto zanedbání ospravedlnitelné.
V generaci „N“ nechť je M rychlých neutronů vzniklých ze štěpení. Některé z rychlých neutronů zasáhnou jádra 238U, které díky své vysoké energii rozštěpí a vznikne tak o M(-1) více neutronů a tím jejich celkový počet vzroste na M. P1 část těchto neutronů má takovou rychlost a směr, že i když se srazí s jinými jádry konstrukčních materiálů reaktoru, udrží se v soustavě a mohou teoreticky v budoucnu štěpit. Zbylá část M(P1-1) ze soustavy vyletěla a je nenávratně ztracena. Neutrony, které se v soustavě udržely, jsou dalšími srážkami zpomalovány na tepelné energie. Při tomto zpomalování musí ale překonat tzv. „rezonanční oblast“ 238U určenou koeficientem „p“, což jsou intervaly energie, při kterých srážka neutronu s 238U téměř výhradně vede k neštěpné absorpci. Počet neutronů, které se úspěšně zpomalí a vyhnou se tak rezonancím je roven MP1p. Nyní jsou už všechny neutrony v generaci tepelné, část z nich však dokáže během difúze uniknout ze soustavy a zbývá jich pouze MP1pP2, které v reaktoru musí nějakým způsobem zaniknout. Ta část, která se absorbuje v palivu (235U i 238U) je dána koeficientem využití tepelných neutronů, ostatní z nich jsou absorbovány v atomech moderátoru, řídicích tyčí a dalších konstrukčních prvcích. Ze všech MP1pP2f neutronů absorbovaných v palivu pak vznikne MP1pP2f nových rychlých neutronů nové generace „N+1“ a cyklus se opakuje.
Poměr mezi počtem neutronů současné generace MN a generace předchozí MN-1 se označuje kef a nese název efektivní koeficient násobení či efektivní multiplikační koeficient.
Tento koeficient udává jakým způsobem se počet neutronů v čase mění, tomu je úměrný i počet štěpení a tedy i uvolněná energie. V závislosti na velikosti kef se následně uvádí, v jakém stavu se reaktor (potažmo jakýkoliv jaderný materiál, například i kontejner s vyhořelým palivem) nachází.
Hodnota kef může ze své definice nabývat hodnot v intervalu . 0 v případě, že zkoumaný objem neobsahuje žádný materiál, který by mohl podléhat štěpení. V reaktorové fyzice se však nejčastěji setkáváme s hodnotami mezi kef=0,95, kdy je možno, dle legislativy, měnit konfigurace soustavy = měnit palivo a skladovat jej[3], kef=0,98, při které je reaktor považován za odstavený a kef=1 kdy je reaktor v ustáleném stavu.
Hodnota, o níž efektivní koeficient násobení převyšuje jedničku, se nazývá přebytek multiplikačního koeficientu a obvykle se značí :[4]
Další důležitou veličinou, s níž pracuje kinetika reaktorů, je reaktivita reaktoru. Obvykle se značí a je definována jako relativní přebytek multiplikačního koeficientu, tedy:[4]
Reaktivita je bezrozměrná veličina, která se v praxi vyjadřuje dvěma způsoby:
Konstrukce obou typů štěpného reaktoru je, až na použití moderátoru, relativně podobná. Veškerý následující popis se zaměřuje na tepelný typ reaktoru. V případě velkých odlišností od rychlého reaktoru bude tento fakt zmíněn.
Aby mohl být jaderný reaktor úspěšně a bezpečně provozován, jeho konstrukce musí zaručovat několik základních funkcí: [6]
Jaderný reaktor se proto sestává z:
Skladba hlavních částí reaktoru a výběr jednotlivých materiálů umožňuje sestavit mnoho variant, ale pouze malá část z nich se v jaderné energetice uplatnila. Jedná se o následující základní typy tepelných reaktorů rozlišované zejména podle materiálu použitého jako moderátor a chlazení:
U tepelných reaktorů lze s výhodou využít dobré moderační schopnosti vody, díky čemuž je možné aplikovat vodu jako moderátor i chladivo zároveň. Tento fyzikální stav zajišťuje vhodné prostorové uspořádání všech hlavních součástí reaktoru (palivo, moderátor, chladivo, řídící tyče atd.). Tyto typy reaktorů (tj. tlakovodní reaktory a varné reaktory) jsou na světě nejpoužívanější. Koncepce starších reaktorů s grafitovým moderátorem typu MAGNOX, AGR a RBMK je obecně pokládána za překonanou (havárie ve Windscale, Černobylu) a nové reaktory tohoto typu již nejsou plánovány.[pozn. 3] Mezi perspektivní reaktory naopak patří např. rychlé množivé reaktory, vysokoteplotní reaktory a některé další. Malý modulární reaktor (SMR) je vyráběn v továrně a transportuje se na potřebné místo. Produkuje ale více jaderného odpadu na danou poskytnutou energii než velké reaktory.[8]
Jaderné reaktory pracující na principu štěpení těžkých jader se uplatnily zejména v energetice. Jaderné elektrárny v celosvětovém měřítku vyrábí 19% (2012) elektrické energie. Na konci roku 2013 fungovalo ve světě 437 reaktorů. Ale využití reaktorů je širší a lze je shrnout následovně:
V budoucnu se také uvažuje o jaderných teplárnách, výrobě vodíku, využití vysokopotenciálního tepla pro technologické procesy apod.
Na území ČR se vyskytuje zatím deset jaderných reaktorů:
Jaderný reaktor není pouze lidskou vymožeností, protože na Zemi existovaly i přírodní jaderné reaktory (místa, kde se dokázala po určitý čas udržet štěpná řetězová reakce) již před 2 miliardami let[15]. Tyto reaktory byly objeveny v oblasti Oklo v Gabonu v Africe. K závěru, že zde byl nalezen přírodní reaktor, vedly dva důležité fakty, které by jinak nebylo možné vysvětlit.
Jednalo se o typ štěpného tepelného reaktoru. Vznik takového reaktoru umožnila vyšší přírodní koncentrace 235U, která v té době dosahovala více než 3 %. Důvodem dnešní nižší koncentrace přírodního uranu je kratší poločas rozpadu 235U než 238U. Vyšší obohacení paliva tohoto reaktoru společně s dostatečným množstvím vody vedlo k vytvoření kritického až nadkritického stavu. Reaktor pracoval v 3hodinových cyklech. Během nadkritického stavu se z reaktoru uvolňovalo velké množství energie po dobu asi 30 minut. Uvolňovaná energie postupně ohřála vodu, která se z reaktoru vypařila a ztratila tak své moderační schopnosti, čímž se reaktor dostal do podkritického stavu. Po 150 minutách se do reaktoru opět dostala voda a štěpná reakce pokračovala do té doby, dokud se voda neodpařila. Reaktor měl "instalovaný" výkon 100 kW a fungoval po dobu několika desetitisíců let dokud koncentrace 235U nebyla příliš nízká.[16]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.