Sterowanie reakcją łańcuchową

W poprzednich rozdziałach o budowie reaktora jądrowego można było dowiedzieć się o tym, co mieści się w elektrowni jądrowej: materiał rozszczepialny, moderator służący do spowalniania prędkich neutronów, chłodziwo, pręty kontrolne i pozostałe elementy elektrowni. W niniejszym rozdziale dowiemy się, jak te elementy ze sobą współpracują.

Zaczyna się…

Rozruch reaktora energetycznego nie następuje tak szybko jak uruchomienie samochodu: wzrost liczby rozszczepień jest powolny, trwa kilka dni, podczas gdy stan i zachowanie reaktora na bieżąco podlega dokładnym obserwacjom.

W celu rozruchu reaktora podwyższa się w nim najpierw ciśnienie wody w obiegu pierwotnym do około 30 barów (3 MPa, czyli ok. 30 atm.) Następnie uruchomione zostają pompy układu chłodzenia. Pręty sterujące znajdują się jeszcze wówczas w rdzeniu reaktora - elementy paliwowe czekają zatem na swoją kolej; reakcja łańcuchowa w elementach paliwowych jeszcze nie zachodzi - reaktor nie został jeszcze włączony.

Dopiero od około 260 ºC pręty sterujące są stopniowo wyciągane z rdzenia i reakcja łańcuchowa powoli się rozpędza. Moc reaktora reguluje się zarówno poprzez układ prętów sterujących, jak i poprzez pompy układu chłodzenia, gdyż zmiana parametrów fizycznych chłodziwa w rdzeniu reaktora pociąga za sobą zmianę zawartości pęcherzyków pary w obrębie rdzenia, co z kolei skutkuje zmianą działania moderatora i tym samym wpływa na reakcję łańcuchową w rdzeniu reaktora.

Normalna praca reaktora

Podczas normalnej pracy elektrowni jądrowej wartość efektywnego współczynnika mnożenia k-eff wynosi około 1, to oznacza, że reaktor jest “w stanie krytycznym”, w trakcie rozruchu reaktora wartość k-eff powinna być wyższa niż 1 (“stan nadkrytyczny”).

W ramach przypomnienia: wartość k-eff, czyli efektywnego współczynnika mnożenia, określa stosunek liczby neutronów w danej generacji neutronów do liczby neutronów poprzedniej generacji, czyli określa stan reaktora.

Źródłem energii pracującego reaktora energetycznego jest reakcja rozszczepienia m.in. jąder izotopu uranu U-235. Zawartość tego izotopu w elementach paliwowych stale więc maleje – nazywamy to „wypalaniem” paliwa. Co pewien czas - 3 do 5 lat - elementy paliwowe muszą więc zostać wymienione. Reaktor w trakcie pracy zmienia więc swoje parametry. Skład wody chłodzącej też może się zmieniać (między innymi pod wpływem promieniowania), a współpraca tak wielu części składowych i tak powoduje wciąż niewielkie zmiany w parametrach pracy reaktora.

Reasumując, efekty te prowadzą do konieczności ciągłych korygujących ingerencji załogi w pracę reaktora. W szczególności pręty sterujące stale muszą być nieco podnoszone i opuszczane. W elektrowni reguluje się to automatycznie pod stałą kontrolą personelu.

Wyłączenie reaktora

Reaktora nie wyłącza się tak, jak nocnej lampki. Jeżeli pracę reaktora kończy się w sposób kontrolowany, np. w celu przeprowadzenia prac konserwacyjnych, to w rzeczywistości trwa to kilka godzin. Procesem tym kieruje się poprzez układ prętów sterujących oraz strumień chłodziwa.

Jednak w przypadku awarii zakończenie pracy reaktora musi nastąpić dużo szybciej. Wówczas należy zareagować jak najszybciej i natychmiast wprowadzić wszystkie pręty sterujące i pręty bezpieczeństwa do rdzenia reaktora. Inna metoda szybkiego wyłączenia reaktora, to tzw. zatrucie reaktora borem. Polega ono na wprowadzeniu do wody obiegu pierwotnego roztworu kwasu borowego H₃BO₃, a izotop boru B-10 jest silnym pochłaniaczem neutronów.

Zazwyczaj reaktorem steruje się przy pomocy prętów sterujących.

Ponadto, np. w reaktorach z wodą wrzącą (BWR) można, poprzez zróżnicowanie cyrkulacji wody, spowodować, że wokół prętów paliwowych wydziela się mniej lub więcej pary. Skutek: moderator działa silniej lub słabiej, a reaktor produkuje mniej lub więcej pary. Reaktor BWR posiada dlatego dwa „hamulce” - pręty sterujące i pompy układu chłodzenia.

Bor odgrywa dużą rolę w elektrowniach jądrowych, zwłaszcza, jeśli wyłączenie reaktora ma nastąpić szybko. Pręty sterujące, które mogą być wsunięte do reaktora również wtedy, gdy wyłączenie ma być natychmiastowe, najczęściej zawierają bor. W razie konieczności chłodziwo można także wzbogacić w kwas borowy - awaryjny hamulec reaktora.

Dlaczego pierwiastek chemiczny bor jest takim hamulcem reaktora? Po prostu dlatego, że jeden z jego izotopów intensywnie wychwytuje neutrony. Jądro boru może wychwycić neutron i przekształcić się w jądra litu i helu. Ponadto emitowane jest promieniowanie gamma. Wychwycone przez bor neutrony nie prowadzą już do rozszczepień jąder uranu i tym sposobem reakcja łańcuchowa zostaje zahamowana.

Rys. Systemy wyłączania reaktora, źródło: opracowanie własne

Bezpieczeństwo

Podczas eksploatacji reaktora sprawą priorytetową jest ochrona ludzi i środowiska przed promieniowaniem. Praca dobrze zbudowanej i właściwie sterowanej elektrowni jądrowej nie dopuszcza do rozproszenia w środowisku jakichkolwiek dodatkowych substancji promieniotwórczych, a otoczenie reaktora i personel tam pracujący nie może zostać narażony na działanie dodatkowego promieniowania jonizującego. Gigantyczne ciśnienia i wysoka temperatura chłodziwa w reaktorach lekkowodnych również muszą być pod kontrolą - konieczne są urządzenia i systemy zabezpieczające.

Więcej szczegółów na temat urządzeń i systemów zabezpieczających można znaleźć w rozdziale →Bezpieczeństwo w elektrowni jądrowej.

Symulacja: sterowanie reaktorem jądrowym

Sterowanie reaktorem jądrowym

Instrukcja obsługi:

1. Zacznij od wsuniętych prętów i obserwuj współczynnik mnożenia k oraz moc.
2. Powoli wysuwaj pręty, aby dojść do stanu krytycznego: k ≈ 1,000.
3. Gdy k > 1, moc rośnie; gdy k < 1, moc maleje.
4. Aby ustabilizować moc na wybranym poziomie (np. 80%), wróć do k ≈ 1,000.

Uwaga: pręt centralny ma 2× większą wagę niż pręty boczne.

Model dydaktyczny (uproszczony): symulacja pokazuje zależność k-moc w sposób jakościowy. Nie odwzorowuje pełnej kinetyki reaktora (m.in. opóźnionych neutronów, sprzężeń temperaturowych i rzeczywistych systemów zabezpieczeń).

Schemat rdzenia i prętów kontrolnych

Paliwo (pręt paliwowy) Pręt kontrolny Woda / chłodziwo

Sterowanie prętami kontrolnymi

lewy 0% centralny 0% prawy 0%

RESET

Współczynnik mnożenia k

0,9000

Stan podkrytyczny

Moc reaktora

0,001%

Moc źródłowa

Komunikaty i alarmy

Reaktor wyłączony. Powoli wysuwaj pręty kontrolne z rdzenia, aby osiągnąć stan krytyczny (k=1,0).

Historia zmian mocy i współczynnika k

Oś X: czas [s]

Moc [%] Współczynnik k Linia k=1,000 Linia alarmu k=1,006

Przewijanie osi czasu

---

Zapamiętaj!

Reaktor jądrowy różni się od bomby atomowej tym, że w reaktorze reakcja łańcuchowa rozszczepienia jest pod pełną kontrolą! Możemy nią sterować za pomocą prętów sterujących (inaczej kontrolnych), zawartości boru w wodzie, a w przypadku reaktora BWR także przy udziale pomp układu chłodzenia.