19.7: Energetyka jądrowa

Kontrolowane reakcje rozszczepienia jądra atomowego są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej. Każdy reaktor jądrowy, który wytwarza energię poprzez rozszczepienie uranu lub plutonu przez bombardowanie neutronami, składa się z sześciu elementów: paliwa jądrowego składającego się z materiału rozszczepialnego, moderatora jądrowego, źródła neutronów, prętów kontrolnych, chłodziwa reaktora oraz systemu osłony i bezpieczeństwa.

Paliwa jądrowe

Paliwo jądrowe składa się z rozszczepialnego izotopu, takiego jak uran-235, który musi być obecny w wystarczającej ilości, aby zapewnić samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową. W większości reaktorów wodnych ciśnieniowych każdy zespół paliwowy składa się z prętów paliwowych, które zawierają wiele granulek paliwa z wzbogaconego uranu (zwykle UO₂) wielkości naparstka, otoczonych ceramiką. Nowoczesne reaktory jądrowe mogą zawierać nawet 10 milionów granulek paliwa.

Uran-235 jest użytecznym paliwem, ponieważ wytwarza średnio więcej niż jeden neutron na rozszczepienie, ale jego naturalna obfitość wynosi około 0,7 procent masy. Większość reaktorów energetycznych wymaga, aby ich paliwo było wzbogacone do co najmniej 3 do 5 procent wagowo uranu-235.

Moderatorzy nuklearni

Neutrony wytwarzane w reakcjach jądrowych poruszają się zbyt szybko, aby niezawodnie spowodować rozszczepienie U-235. Najpierw muszą zostać spowolnione, aby zostały wchłonięte przez paliwo i wytworzyły dodatkowe reakcje jądrowe. Modor jądrowy to substancja, która spowalnia neutrony do prędkości, która jest wystarczająco niska, aby spowodować rozszczepienie. Wczesne reaktory wykorzystywały grafit o wysokiej czystości jako moderator. Nowoczesne reaktory zazwyczaj wykorzystują ciężką wodę lub lekką wodę jako moderatory.

Ponieważ neutrony mają rozmiar podobny do jąder wodoru, kiedy uderzają w atomy wodoru w cząsteczkach wody, tracą znaczną ilość energii kinetycznej. Ciężka woda jest lepszym moderatorem, ponieważ deuter ma już neutron i jest mało prawdopodobne, aby wchłonął inny neutron w taki sposób, jak czasami robi to wodór-1. Moderatory, takie jak woda i grafit, działają również jako reflektor neutronów, utrzymując neutrony w jądrze w równomiernym rozkładzie energii.

Źródło neutronów

Chociaż uran-238 i uran-235 ulegają rozszczepieniu spontanicznie, proces ten jest nieprzewidywalny, a te wewnętrzne źródła generują bardzo mało neutronów. Tak więc reaktor wymaga emitera neutronów, aby zainicjować reakcję łańcuchową rozszczepienia. Źródło neutronów, takie jak beryl-9 w połączeniu z emiterem alfa, takim jak ameryk-249 lub pluton-239, jest instalowane w reaktorze w celu wytworzenia neutronów do zainicjowania reakcji łańcuchowej.

Pręty sterujące

Poziom mocy reaktora jest opisany przez współczynnik mnożenia neutronów, oznaczony przez k. Jest to stosunek liczby neutronów wytworzonych w wyniku rozszczepienia w pokoleniu do liczby neutronów wytworzonych w wyniku rozszczepienia w poprzednim pokoleniu.

Gdy k jest mniejsze niż 1, reaktor jest podkrytyczny i wydajność energetyczna maleje; gdy k jest równe 1, reaktor jest krytyczny, a moc wyjściowa jest stała; a gdy k jest większe niż 1, reaktor jest nadkrytyczny i moc wyjściowa rośnie.

Reaktory jądrowe wykorzystują pręty kontrolne do kontrolowania szybkości rozszczepienia paliwa jądrowego poprzez dostosowanie liczby obecnych wolnych neutronów, aby utrzymać szybkość reakcji łańcuchowej na bezpiecznym poziomie. Pręty sterujące wykonane są z boru, kadmu, hafnu lub innych pierwiastków, które są w stanie pochłaniać neutrony.

Kiedy zespoły prętów sterujących są umieszczane w elemencie paliwowym w rdzeniu reaktora, pochłaniają one większą część powolnych neutronów, spowalniając w ten sposób szybkość reakcji rozszczepienia i zmniejszając wytwarzaną moc. I odwrotnie, jeśli pręty kontrolne zostaną usunięte, mniej neutronów zostanie pochłoniętych, a szybkość rozszczepienia i produkcja energii wzrosną. W sytuacji awaryjnej reakcja łańcuchowa może zostać wyłączona poprzez całkowite włożenie wszystkich prętów sterujących do rdzenia jądrowego między prętami paliwowymi.

Chłodziwa reaktora

W reaktorze wodnym ciśnieniowym chłodziwo reaktora służy do przenoszenia ciepła wytwarzanego w reakcji rozszczepienia do zewnętrznego kotła i turbiny, gdzie jest przekształcane w energię elektryczną. Często stosuje się dwie pętle chłodziwa wymieniające ciepło, aby zapobiec przenoszeniu zanieczyszczonego chłodziwa do turbiny parowej i chłodni kominowej. Najczęściej jako chłodziwo stosuje się wodę. Inne chłodziwa w specjalistycznych reaktorach to stopiony sód, ołów, mieszanina ołowiu i bizmutu lub stopione sole. Duża, hiperboloidalna wieża chłodnicza skrapla parę w wtórnym obiegu chłodzenia i często znajduje się w pewnej odległości od właściwego reaktora.

System osłon i zabezpieczeń

Reaktory wodne ciśnieniowe są wyposażone w system obudowy (lub osłonę), który zwykle składa się z trzech części: (i) stalowej powłoki o grubości 3–20 centymetrów; moderator w powłoce pochłania większość promieniowania neutronowego wytwarzanego przez reaktor; (ii) główna tarcza z 1–3 metrów betonu o dużej gęstości, która pochłania γ promienie i promienie rentgenowskie; (iii) dodatkowe ekranowanie w celu pochłaniania promieniowania padającego z procesów ekranowania określonych w ppkt (i) i (ii). Ponadto reaktory wodne ciśnieniowe są często przykryte stalową lub kopułą, która jest zaprojektowana tak, aby pomieścić wszelkie materiały radioaktywne, które mogą zostać uwolnione w wyniku awarii reaktora.

Ten tekst jest adaptacją <a href=”https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/21-4-transmutation-and-nuclear-energy”>Openstax, Chemia 2e, Sekcja 21.4: Transmutacja i energia jądrowa.