ROZDZIAŁY
Rodzaje reaktorów dla elektrowni jądrowych (klasyfikacja)
Obecnie eksploatowane reaktory zbiornikowe najczęściej spotykane w energetyce zawodowej to to reaktory wodne ciśnieniowe - Pressurized Water Reactor (PWR), reaktory z wodą wrzącą Boiling Water Reactor (BWR) i zaawansowane reaktory chłodzone gazem Advanced Gas Reactor (AGR). Natomiast do reaktorów kanałowych zaliczyć można kanadyjski reaktor pracujący na uranie naturalnym chłodzony i moderowany ciężką wodą Canadian Deuterium Uranium (CANDU) i wycofywany z eksploatacji reaktor kanałowy dużej mocy Rieaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj (RBMK). W reaktorze zbiornikowym rdzeń zamknięty jest w grubościennym stalowym zbiorniku, przystosowanym do wytrzymania odpowiednio wysokiego ciśnienia sięgającego od 7 do 16 MPa. Tak wysokie ciśnienie wymagane jest po to, aby chłodziwo wodne mogło osiągać wysoką temperaturę, co ma wpływ na sprawność wytwarzania energii elektrycznej. Reaktory tego typu charakteryzują się stosunkowo prostą konstrukcją rdzenia oraz niewielkimi rozmiarami. Wymiana paliwa odbywa się po zakończeniu kampanii paliwowej; niezbędne jest wówczas odstawienie/wyłączenie reaktora. Ta konstrukcja przeważa w świecie energetyki jądrowej. Natomiast reaktor typu kanałowego pozbawiony jest zbiornika, pod ciśnieniem są jedynie kanały o niewielkiej średnicy. Cechą charakterystyczną tych reaktorów jest fakt, iż wymiana paliwa może odbywać się w sposób ciągły, bez przerywania pracy.
Klasyfikacja reaktorów jądrowych
Dział zatytułowany „Klasyfikacja reaktorów jądrowych”Reaktory można klasyfikować na wiele sposobów. Współcześnie w większości przypadków w użyciu są reaktory termiczne, wyłączając reaktory prędkie. W poniższej tabeli uszeregowano je pod względem podstawowych materiałów rdzenia, tj. chłodziwa, moderatora i paliwa.
| Grupa | Typ reaktora | Chłodziwo | Moderator | Paliwo |
|---|---|---|---|---|
| Grafitowo - gazowe (Gas Cooled Reactor - GCR) | Zaawansowany reaktor chłodzony gazem (Advanced Gas-cooled Reactor - AGR) | gaz - CO2 | grafit | UO2 wzbogacony |
| Magnoxowe | gaz - CO2 | grafit | U naturalny | |
| Reaktor wysokotemperaturowy (High-temperature reactor - HTR) | hel | grafit | UO2, UC, ThO2 | |
| Ciężkowodne | Reaktor ciężkowodny ciśnieniowy (Pressurized Heavy Water Reactor - PHWR) | ciężka woda / reaktor ciśnieniowy | ciężka woda | UO2 naturalny lub wzbogacony |
| Lekkowodne (Light Water Reactor - LWR) | Reaktor wodny wrzący (Boiling Water Reactor - BWR) | lekka woda (wrząca) | lekka woda | UO2 wzbogacony |
| PWR | lekka woda / reaktor ciśnieniowy | lekka woda | UO2 wzbogacony i MOX | |
| Wodno-wodny reaktor energetyczny (Water-water energetic reactor - WWER) | lekka woda / reaktor ciśnieniowy | lekka woda | UO2 wzbogacony | |
| Wodno-grafitowe | Reaktor Kanałowy Dużej Mocy (Реактор Большой Мощности Канальный - RBMK) | lekka woda wrząca | grafit | UO2 wzbogacony |
| Reaktor wodny moderowany grafitem (Light Water Graphite Reactor - LWGR) | lekka woda / reaktor ciśnieniowy | grafit | UO2 wzbogacony | |
| Lekko-ciężkowodne | Reaktor wrzący chłodzony lekką wodą moderowany wodą ciężką (Heavy Water Light Water Reactor - HWLWR) | lekka woda wrząca | ciężka woda | UO2 naturalny lub wzbogacony |
| Prędkie | Reaktor prędki powielający (Fast Breeder Reactor - FBR) | sód, stopione sole metali | brak moderatora | UO2 wzbogacony - PuO2 |
Patrząc na powyższą tabelę można wywnioskować, że w większości przypadków chłodziwem w reaktorach jądrowych jest woda. Woda jest bardzo dobrym nośnikiem energii cieplnej, posiada dużą wartość ciepła właściwego, nie jest toksyczna, charakteryzuje się stałymi właściwościami fizykochemicznymi w szerokim spektrum zmian temperatury. Ponadto jest to medium łatwe do pozyskania, a jej koszt jest niski – głównym kosztem jest jej oczyszczenie z zanieczyszczeń. Poważną jej wadą jest natomiast silne działanie korozyjne zwłaszcza w wysokich temperaturach.
Chłodziwo gazowe stosowane jest rzadziej i w reaktorach starszego typu. Jego zastosowanie pozwala zwiększyć temperaturę chłodziwa na wylocie z rdzenia reaktora bez potrzeby zwiększania ciśnienia. Możliwa jest zatem w tym przypadku praca reaktora z bardzo wysoką temperaturą chłodziwa i przy umiarkowanym ciśnieniu. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wysokich parametrów pary w obiegu wtórnym. Uwzględniony w tabeli hel jest najlepszym chłodziwem ze względu na brak aktywności chemicznej i bardzo mały przekrój czynny na pochłanianie neutronów. Jednakże z powodu wysokich kosztów nie jest powszechnie stosowany. Ponadto, podstawową wadą chłodziw gazowych są niekorzystne właściwości cieplne gazu, które wymagają stosowania dużych powierzchni wymiany ciepła, a więc i wymiarów samego reaktora, oraz duży pobór mocy niezbędnej do przetłaczania gazu przez rdzeń.
Ciężka woda jako chłodziwo stosowana jest tylko w reaktorach CANDU. W reaktorach prędkich zachodzi potrzeba stosowania chłodziwa o jak najmniejszych zdolnościach spowalniających. Sód posiada wysoką temperaturę wrzenia (887 °C) i bardzo dobre własności odprowadzania ciepła. Pozwala to na utrzymywanie w obiegu pierwotnym ciśnienia atmosferycznego. Do zalet sodu można zaliczyć również bardzo mały przekrój czynny na rozpraszanie i absorpcję neutronów oraz niską korozyjność. Do wad tego chłodziwa należy jednak zaliczyć wysoką aktywność chemiczną, z wodą reaguje gwałtownie, co przy choćby minimalnie niestarannym wykonaniu wymiennika ciepła może być katastrofalne oraz to, że ma wysoką temperaturę topnienia (98 °C), przez co system chłodzenia musi być stale podgrzewany, nawet przy wyłączonym reaktorze, by nie dopuścić do jego zakrzepnięcia.
Zwykła woda jest również dobrym moderatorem, czyli spowalniaczem neutronów. Spowalnianie jest niezbędne, by wywołać reakcję rozszczepienia w reaktorach termicznych. Zwykła woda spełnia te warunki bardzo dobrze, jednak posiada ona również stosunkowo duży przekrój czynny na absorpcję neutronów termicznych, co wymaga stosowania paliwa lekko wzbogaconego.
Warto wiedzieć!
Reaktory jądrowe można klasyfikować ze względu na energię neutronów wywołujących rozszczepienie, postać paliwa jądrowego, jego rozmieszczenie, typ moderatora oraz chłodziwa. Najbardziej popularne są reaktory termiczne, tj. wykorzystujące neutrony termiczne o energiach poniżej ok. 100 eV, pracujące na uranie wzbogaconym, z lekką wodą jako moderatorem i chłodziwem.