Kako deluje jedrski reaktor?

    Kako deluje jedrski reaktor? Iz česa je? Koliko jih je na svetu?

    Glavna razlika med jedrsko in npr. termično elektrarno je v tem, kako dobimo energijo, ki jo potem porabimo za segrevanje vode. Če lahko odmislimo to začetno stopnjo, sta si nato obe elektrarni precej podobni. S paro poganjamo turbine, le te pa pretvarjajo energijo, ki jo nosi curek pare, v električno energijo.

    jed_elektr2
    Skica tipične jedrske elektrarne, ki kaže posamezne sestavne dele

    Zanimiv je tako pri jedrski elektrarni predvsem začetni del v procesu pridobivanja električne energije, to je način po katerem deluje jedrski reaktor. Osnova je cepitev težkih radioaktivnih jeder, na primer uranovega izotopa 235 (prav tako bi lahko uporabili transuranski element 239Pu, vendar pa tega ne najdemo v naravi, poleg tega je tudi strupen). Jedro urana lahko razpade na več manjših jeder (se cepi) spontano, ali pa ga cepijo termični (to je dovolj počasni) nevtroni. Ob razpadu se sprosti energija, le to pa želimo pretvoriti v termično energijo vode in v nadaljnjem postopku električno energijo.

    Ob posameznem razcepu nastanejo tudi prosti nevtroni, v povprečju ob enem razpadu 2.47 nevtronov. Da ob posameznem razcepu nastane več kot en nevtron je posebno pomembno, saj bomo tako vzdrževali verižno reakcijo. Če bi bili ti nevtroni počasni, bi namreč lahko naprej cepili jedra urana 235 U, v naslednjem koraku bi zopet dobili več nevtronov in tako naprej. Če bi v vsakem koraku res dobili več termičnih nevtronov kot prej, bi sproščena energija skokovito narasla, dobili bi atomsko bombo.

    Vendar pa celotna stvar ni tako preprosta, kot smo jo prikazali zgoraj. Nevtroni, ki se sprostijo ob razcepu imajo namreč precej veliko energijo, okoli 1 MeV. Ti hitri nevtroni ne cepijo urana 235 U, ter tako neposredno ne morejo vzdrževati reakcije. Še slabše, absorbira jih izotop 238 U, ki pa ob tem ne razpada. V naravnem uranu je kar 99.27% izotopa 238 U in le 0.72% izotopa 235 U, pomembnega za cepitev v jedrskem reaktorju. Razmerje je tako veliko, da se lahko ob nerodni konstrukciji reaktorja absorbira tolikšen del sproščenih nevtronov, da cepitev urana 235 U sploh ne moremo vzdrževati na dovolj veliki aktivnosti.

    Taktika, ki jo lahko uberemo je sledeča. Hitre nevtrone, ki nastanejo ob razcepu čim hitreje ohladimo prek trkov z jedri, ki z nevtroni ne reagirajo. S tem dobimo dovolj veliko število termičnih nevtronov, da se reakcija vzdržuje sama od sebe. Kose jedrskega goriva tako obdaja moderator, snov ki ne absorbira nevtrone, na primer grafit, težka voda, berilij,… Poleg tega v sredico reaktorja dodajo tudi palice absorberja, ki absorbira nevtrone. Na ta način lahko kontrolirano vzdržujemo reakcijo v ravnovesnem stanju, tako da imamo v danem trenutku ravno toliko prostih nevtronov, da lahko vzdržujemo dano aktivnost reaktorja.

    jed_elektr

    Gorivni elementi in moderator tako sestavljajo sredico reaktorja. Le to obdaja še plast reflektorja, ki vrača iz sredice izhajajoče nevtrone. Okoli reflektorja je ščit, navadno je to debel zid iz betona, ki ščiti okolico pred radioaktivnim sevanjem. Ob razcepu nastali produkti so namreč radioaktivni, saj so to navadno vzbujena jedra, ki nato s sevanjem gama ali razpadoma beta oz. alfa prehajajo v osnovna stanja. Ta rezidualna radioaktivnost je tudi največji problem jedrskih reaktorjev.

    Sredica reaktorja z gorivnimi elementi in modrim sevanjem Čerenkova, ki se širi iz obdajajoče vode.

    Kako torej pretvorimo energijo, ki se sprosti ob razcepu, v električno? Ob razcepu sproščeno energijo odnesejo razpadni produkti v obliki kinetične energije. Le ta se prek trkov prenese na atome vode, ki obdaja sredico kot dodatni moderator (hladilo). Segreta voda kroži skozi toplotni izmenjevalnik (uparjalnik), ki uparja vodo iz drugega krožnega sistema, ki je vezan na turbine. Dobljena para poganja turbine ravno tako kot pri termični elektrarni.

    Skica raziskovalnega jedrskega reaktorja

    In koliko je jedrskih elektrarn po svetu? Na žalost natančnega odgovora na to vprašanje ne poznam, vendar pa lahko za okus povem, da na primer Francija kot ena bolj jedrsko naravnanih držav kar 70% svojih potreb po električni energiji krije z energijo iz jedrskih elektrarn, tako da jih na njenih tleh stoji kar okoli 60. Nekoliko podrobnejšo predstavo o številu elektrarn pa si lahko ustvariš iz naslednje slike:

    jed_elektr

    Še več informacij o jedrskih elektrarnah lahko dobiš na naslovu Nuklearne elektrarne v Krškem ali na Izobraževalnem centru za jedrsko tehnologijo Milana Čopiča kjer lahko najdeš tudi najnovejše informacije v zvezi z jedrskimi elektrarnami po svetu.

    Vabim te tudi, da se preizkusiš kot operater prave jedrske elektrarne, ki jo boš krmilil preko interneta!

    Vir:
    J. Strnad, Fizika, Četrti del, DMFA, Ljubljana 1986.

    (Jure Zupan in Milan Kranjc Pavlica)