Jadrový reaktor

Jadrový reaktor je zariadenie, ktoré slúži na spustenie a riadenie jadrovej reťazovej reakcie. Jadrové reaktory sú používané v atómových elektrárňach a ako pohon plavidiel. Niektoré reaktory sa používajú na produkciu izotopov pre lekárske a priemyselné použitie, alebo na produkciu plutónia, ktoré sa používa na vojenské účely. Niektoré reaktory slúžia iba na výskumné účely.

Dejiny, úvod 
Prvý jadrový reaktor (uránovo-grafitový) bol uvedený do prevádzky v roku 1942 v Chicagu pod vedením Enrica Fermiho – Chicago Pile-1. Využitie jadrovej energie na pohon lodí a ponoriek je myšlienkou dr. Rossa Gunna.

Prvá energetická jadrová elektráreň na svete bola pripojená k sieti v roku 1954 v Obninsku pri Moskve. Jej tepelný výkon je 30 MW a elektrický 5 MW. Do roku 2004 bolo postavených viac ako 438 jadrových reaktorov na výrobu elektrickej energie v tridsiatich krajinách sveta, s celkovou kapacitou 370,000 MWe, čo predstavovalo 16 % celkovej výroby elektrickej energie na Zemi. Počet inštalovaných reaktorov stále narastá, zároveň však dochádza k vyraďovaniu starých reaktorov. Okrem toho 56 krajín používa 284 výskumných reaktorov a ďalších 220 reaktorov je inštalovaných na lodiach a ponorkách. K augustu 2020 bolo na svete v prevádzke približne 440 reaktorov na výrobu elektrickej energie, pričom zabezpečovali asi 10 % celkovej výroby elektrickej energie na planéte (10,2 % v roku 2017). Viac než polovicu elektrickej energie vo svojom mixe vyrábajú z jadra Francúzsko, Slovensko, Maďarsko a Ukrajina.

Jadrové elektrárne sú v podstate tepelné elektrárne, ktoré používajú namiesto parného kotla jadrový reaktor s parným generátorom. Rozdiel je iba v použitom druhu paliva a spôsobe jeho premeny na teplo. Reaktor využíva väzbovú energiu jadra, ktorá sa uvoľňuje pri štiepení jadier ťažkých prvkov. Opakom je uvoľňovanie energie pri fúzii (spájaní) jadier ľahkých prvkov.

V energetických jadrových elektrárňach sa štiepi urán, ktorý sa v prírode nachádza ako minerál smolinec (uraninit). Jadrové palivo je veľmi efektívne v porovnaní napr. s uhlím, biomasou alebo obnoviteľnými zdrojmi energie. Z 1 gramu 235U vznikne úplným štiepením až 75 600 MJ tepelnej energie.

Pre energetické účely sa využíva štiepna reakcia, ktorá je dobre technologicky zvládnutá. Vieme ju bezpečne riadiť a regulovať. Momentálne sa pracuje na snahe o zvládnutie riadenia aj termonukleárnej reakcie – fúzie, do ktorej sú zásoby paliva na rozdiel od uránu prakticky nevyčerpateľné.

Časti jadrového reaktora 

1)	palivo – palivové články

 prírodný urán obsahuje 0,72 % 235U a 99,274 % 238U 
 obohacovaním sa zvyšuje podiel 235U, pre energetické reaktory obvykle na 2,5-3,5 %, v niektorých prípadoch až na 5 % 

 235U sa nazýva štiepnym (energetickým) materiálom - záchytom neutrónu dochádza k rozštiepeniu na dve časti
 238U sa nazýva množivým materiálom - záchytom neutrónu nedochádza k rozštiepeniu, atómové číslo sa zvyšuje a následnými rádioaktívnymi premenami jadro prechádza na Pu, ktorý sa využíva na vojenské účely
 plutónium 239Pu je tiež možné v reaktore použiť ako palivo, zmes plutónia s uránom sú takzvané MOX palivá (mixed/metall oxid fuel)

2)	moderátor 

 moderátorom je látka, ktorá spomaľuje sekundárne neutróny, čím prispieva k udržaniu multiplikačného faktora neutrónov na konštantnej hodnote 1 – vznik stacionárnej reakcie, ovládnutie reťazovej reakcie; ako moderátor sa používa ľahká voda H2O alebo ťažká voda D2O či grafit
 moderátor sa zrážkami s neutrónmi zahrieva a pri väčších ako zanedbateľných výkonoch reaktora sa musí chladiť
 moderátor nie je nevyhnutnou súčasťou jadrového reaktora, reaktory s rýchlymi neutrónmi moderátor nepotrebujú

3)	riadiace (regulačné) tyče

 vsúvajú sa do prostredia jadrového štiepenia, ich úlohou je pohlcovať sekundárne neutróny a udržať multiplikačný faktor na hodnote 1; regulačné tyče sú zliatiny ocele a kadmia Cd alebo bóru B

4)	bezpečnostné (havarijné) tyče

 majú rovnakú funkciu ako regulačné tyče, využívajú sa na zastavenie štiepnej reakcie predovšetkým v nebezpečných situáciach

5)	reflektor neutrónov

 látka, ktorá obklopuje reakčné prostredie reaktora, býva zhotovená prevažne z grafitu; dokáže odrážať neutróny

6)	betónové tienenie

 chráni okolie jadrového reaktora v prípade havárie, straty kontroly nad štiepnou reakciou a následným únikom ionizujúceho žiarenia

Princíp činnosti 

V jadrových reaktoroch sa ako štiepny materiál používa izotop uránu - 235U. 235U sa záchytom neutrónu mení na 236U, ktorý je nestabilný, v dôsledku čoho sa jeho jadro štiepi najčastejšie na dve časti (fragmenty). Po každom štiepení sa uvoľní presne 188MeV energie (vyplýva zo zákona zachovania energie). Pre zjednodušenie uvažujeme s 200MeV, ktoré sa rozdelia medzi štiepne fragmenty 160MeV a energiu rádioaktívnych premien 40MeV (beta častice 8MeV, gama fotóny 15MeV, neutróny 7MeV, neutrína 10MeV).

Palivo v podobe palivových kaziet je umiestnené v tlakovej nádobe reaktora, do ktorého prúdi chemicky upravená voda. Voda preteká kanálikmi v palivových kazetách a odvádza teplo, ktoré vzniká pri štiepnej reakcii. Voda z reaktora vystupuje s teplotou asi 297°C a prechádza horúcou vetvou primárneho potrubia do tepelného výmenníka - parogenerátora. V parogenerátore preteká zväzkom rúrok a odvádza teplo vode, ktorá je privádzaná zo sekundárneho okruhu s teplotou 222°C. Ochladená voda primárneho okruhu sa vracia späť do aktívnej zóny reaktora.

Voda sekundárneho okruhu sa v parogenerátore odparuje a cez parný kolektor sa para odvádza na lopatky turbín. Hriadeľ turbíny je mechanicky spojený s rotorom generátora, ktorý je budený budičom jednosmerného napätia. Vďaka tomu tam vzniká magnetické pole a na troch statorových cievkach generátora sa tam následne indukuje striedavé napätie 15,6 kV.

Transformátor, elektrický netočitý stroj, premieňa – transformuje vyrobené napätie 15,6 kV na napätie vysoké alebo veľmi vysoké (110 kV alebo 400 kV).

Para sa kondenzuje v kondenzátore, tepelnom výmenníku, a vracia sa späť do parogenerátora vo vodnom skupenstve.

Platí rovnica:

Počet neutrónov vzniknutých z prechádzajúceho štiepenia = Počet neutrónov, ktoré vyvolajú nové štiepenia + Počet neutrónov zachytených v konštr. materiáloch, moderátore, absorbátore.Jadrový reaktor sa počas prevádzky nachádza v troch stavoch:

a)	podkritický stav

 Multiplikačný koeficient < 1

 Počet predchádzajúcich štiepení > Počet nasledujúcich štiepení

 Dôsledok - znižovanie počtu štiepení, znižovanie počtu voľných neutrónov, znižovanie výkonu reaktora

b)	kritický stav

 Multiplikačný koeficient = 1

 Počet predchádzajúcich štiepení = Počet nasledujúcich štiepení

 Dôsledok - stabilizovaný stav, stabilizovaný výkon reaktora

c)	nadkritický stav

 Multiplikačný koeficient > 1

 Počet predchádzajúcich štiepení < Počet nasledujúcich štiepení

 Dôsledok - zvyšovanie počtu štiepení, zvyšovanie počtu voľných neutrónov, zvyšovanie výkonu reaktora

Na reguláciu rýchlosti štiepenia sa používa tzv. moderátor napr. ťažká voda, grafit, berýlium a absorbátor napr. H3BO3 (kyselina boritá).

Energia, ktorá zo štiepnej reakcie vzíde, výrazne zvyšuje kinetickú energiu molekúl vody či oxidu uhličitého v primárnom chladiacom okruhu. Tá sa pri výmene tepla vo výmenníku prenáša na vodu či oxid uhličitý v sekundárnom okruhu. V dôsledku toho sa táto voda mení na paru s obrovskou Ek a svojou vlastnou silou roztáča turbínu, ktorá poháňa elektrický generátor.

Typy jadrových reaktorov 

Existuje viacero kritérií, na základe ktorých sa jednotlivé typy jadrových reaktorov od seba líšia. Ide napr. o rozdelenie:
 Podľa typu jadrovej reakcie:
 Reaktory s tepelnými neutrónmi
 Reaktory s rýchlymi neutrónmi (nemajú moderátor, vyžadujú vyššie obohatenie paliva)
 Fúzne reaktory (zatiaľ len teoretické, vo výstavbe je projekt ITER

 Podľa druhu moderátora:
 Grafitom-moderované reaktory
 Vodou-moderované reaktory
 Ľahkovodné reaktory (LWR)
 Ťažkovodné reaktory
 Reaktory moderované ľahkými prvkami
 Moderátor roztavená soľ (MSR)
 Moderátor tekutý kov (BeO)

 Podľa chladiva:
 Tlakové reaktory (PWR)
 Varné reaktory (BWR)
 Plynom chladné reaktory (AGR v Spojenom kráľovstve)

 Podľa generácie:
V súčasnosti sú známe 4 generácie reaktorov, I. predstavuje úplné začiatky a prvé výskumné reaktory, II. väčšinu svetových reaktorov, ktoré vznikali medzi rokmi 1965-1999, III. technické vylepšenia II. generácie po roku 1996 a III+. generácia ďalšie vylepšenia po roku 2017.

Bezpečnosť 

Základný princíp bezpečnosti jadrových reaktorov a celých jadrových elektrární je založený na tzv. princípe ochrany do hĺbky. Ochrana do hĺbky je u prevádzkovaných elektrární založená na 4 fyzických bariérách a 5 úrovniach ochrany. Moderné bezpečnostné štandardy, pravidelne sa sprísňujúce po jadrových haváriách na Three Mile Island, v Černobyli a Fukušime, požadujú potrebu zabezpečenia jadrových elektrární voči možnému úniku rádioaktívneho odpadu do okolia. Bežný jadrový reaktor, napr. typ VVER-440, využívaný na Slovensku, má štyri úrovne bariér: 
 Prvou bariérou úniku radiácie je obal palivových článkov
 Druhou bariérou je tlaková nádoba
 Treťou bariérou je samotná ochranná nádoba, v ktorej je reaktor uložený alebo tlakový systém primárneho okruhu. Pri úniku chladiaceho média z primárneho okruhu by vzniklo množstvo rádioaktívnej pary. Jej úniku do okolia bráni ochranná nádoba.
 Štvrtou bariérou je tzv. kontajnment, cca 1,5 m hrubá betónová konštrukcia, ktorej funkciu pri elektrárňach VVER-440 spĺňa obal primárneho okruhu, t.j. hermetické boxy spolu s barbotážnou vežou.

Pozri aj 
 Moderátor neutronov
 Jadrová elektráreň
 Jadrová energia
Regulačná tyč

Referencie

Iné projekty 

Jadrová technológia
Jadrová energia