Rdzeń reaktora jądrowego

Rdzeń małego reaktora używanego do badań

Rdzeń reaktora jądrowego – zasadnicza część konstrukcji reaktora, w której następują przemiany jądrowe, będące źródłem energii w formie promieniowania oraz ciepła.

Na budowę rdzenia składają się:

• pręty paliwowe, najczęściej związki wzbogaconego uranu (np. dwutlenek uranu)
• pręty kontrolne sterujące szybkością wymuszonych reakcji jądrowych poprzez częściowe pochłanianie neutronów
• pręty awaryjne zatrzymujące reakcje jądrowe poprzez silne pochłanianie neutronów
• moderator, spowalniający neutrony
• chłodziwo, odbierające produkowane wewnątrz rdzenia ciepło

Zasada pracy

W prętach paliwowych, w których znajduje się uran zachodzą reakcje jądrowe:

• rozszczepienie spontaniczne jąder atomowych inicjujące reakcję rozszczepienia wymuszonego,
• wymuszony rozpad jąder atomów uranu pod wpływem neutronów,
• przekształcanie się fragmentów jąder powstałych w wyniku rozszczepienia na jądra atomowe w stanie podstawowym,
• rozpad promieniotwórczy powstałych jąder atomowych,
• emisja wymuszona, zderzeniami jąder atomowych z wysokoenergetycznymi produktami rozpadu, głównie neutronów,
• pochłanianie neutronów, przez jądra paliwa jak i powstałe w wyniku rozszczepienia jądra,
• rozpad promieniotwórczy radionuklidów, będących kolejnymi produktami rozpadu uranu (zgodnie z szeregiem promieniotwórczym), w zasadzie do pominięcia,

Reakcje te powodują wydzielanie energii w formie promieniowania gamma oraz energii kinetycznej produktów rozpadu. Energie te przekształcają się w energię cieplną, której ilość może być oszacowana na podstawie deficytu masy.

W wyniku pojedynczego rozszczepienia atomu uranu powstają 2–3 wolne neutrony, w elektrowniach opartych na neutronach termicznych spowalniane są przez moderator, inicjują kolejne atomy uranu do rozpadu, tworząc tym samym reakcję łańcuchową.

Za pomocą prętów kontrolnych, zbudowanych z substancji pochłaniających neutrony (cyrkon, hafn) steruje się szybkością takiej reakcji, a więc pośrednio szybkością wydzielania się ciepła.

Chłodziwo, pełniące w niektórych konstrukcjach jednocześnie rolę moderatora odbiera wydzielające się ciepło bezpośrednio z rdzenia i umożliwia przekazanie na zewnątrz reaktora atomowego, które następnie wykonuje pracę użytkową (np. napęd turbiny elektrycznej).

Bezpieczeństwo

W wyniku małego wzbogacenia uranu nie jest możliwa eksplozja jądrowa rdzenia czy samego reaktora w wyniku np. błędu obsługi, wady konstrukcyjnej czy sabotażu.

W przypadku jakiegokolwiek odstępstwa od nominalnej pracy reaktora, stosuje się do awaryjnego wyłączania reaktora pręty awaryjne. Pręty te wykonane są z materiałów silnie pochłaniających neutrony lub (w nowszych rozwiązaniach) z materiałów słabiej pochłaniających neutrony, lecz rozmieszczonych w rdzeniu w zoptymalizowany sposób. Po wsunięciu (lub najczęściej zrzuceniu z elektromagnetycznych zaczepów) prętów awaryjnych do rdzenia reaktora, ustają w nim reakcje rozczepień wymuszonych. Odrębną sprawę stanowi natomiast chłodzenie rdzenia reaktora. Awaryjne zatrzymanie reaktora nie powoduje jego natychmiastowego wychłodzenia. Zwykle po wyłączeniu moc reaktora spada po minucie czasu do 7 procent, a po godzinie do 1 procenta. W związku z tym przez okres kilku/kilkunastu godzin po wyłączeniu musi być zapewniony obieg chłodziwa. Współczesne reaktory buduje się w taki sposób by nawet w przypadku poważnych awarii w systemie chłodzenia zapewniać oddawanie ciepła poprzez systemy pomocnicze lub tzw. pasywne systemy bezpieczeństwa. W tym ostatnim przypadku konstrukcja reaktora umożliwia samowychładzanie rdzenia bez zasilania elektrycznego systemu bezpieczeństwa.

W bombie atomowej jej moc niszcząca jest tworzona poprzez wydzielenie ciepła w bardzo krótkim okresie powodujące wzrost temperatury powietrza rzędu milionów stopni Celsjusza, gwałtowny wzrost ciśnienia powodującego wytworzenie fali uderzeniowej.

Wzrost temperatury rdzenia nie jest aż tak spektakularny – potencjalnie istnieje możliwość stopienia rdzenia i przetopienia się do warstw gruntowych w przypadku reaktorów starszej generacji. Doszło do tego w historii cywilnej energetyki jądrowej dwukrotnie: w elektrowni Three Mile Island w 1979 (częściowe stopienie rdzenia) i w 1986 w elektrowni w Czarnobylu jednakże konstrukcje reaktorów najnowszej (III) generacji wykluczają taką możliwość.

Zobacz też

• reaktor jądrowy