Integralnym elementem elektrowni jądrowej jest reaktor jądrowy, w którym następuje proces inicjacji, kontroli oraz podtrzymywania reakcji łańcuchowych rozpadu jądrowego. W wyniku reakcji rozszczepienia w rdzeniu reaktora jądrowego wytwarza się promieniowanie jądrowe (głównie neutrony i promieniowanie gamma) oraz ciepło. Podczas tej reakcji zostaje utworzonych także wiele nuklidów.
Przekrój rdzenia reaktora jądrowego
Gdy liczba neutronów powstających w reaktorze w jednostkowym czasie dt jest równa liczbie neutronów traconych w tym samym czasie w wyniku pochłaniania i ucieczki, stan pracy reaktora określa się jako tzw. stan krytyczny. Jest to normalny stan pracy reaktora, stan pracy ustalonej, którego osiągnięcie zależy od poziomu wytwarzania oraz strat neutronów. Sterowanie reaktorem polega więc na regulacji poziomu neutronów w reaktorze tak, by znajdował się on w stanie krytycznym. Do tego wykorzystuje się fakt istnienia materiałów silnie pochłaniających neutrony, czyli takich które mają duży przekrój czynny na pochłanianie neutronów (bor, kadm). Za pomocą wykonanych z takich materiałów prętów sterujących utrzymuje się pożądany poziom neutronów poprzez odpowiednie zakłócenie ich bilansu, prowadzące do osłabienia lub wygaszenia reakcji łańcuchowej, a w konsekwencji do zmniejszenia produkcji ciepła. Analogiczne jest działanie prętów bezpieczeństwa, przy czym, są one używane wyłącznie do awaryjnego wyłączenia reaktora.
Odpowiednio sterując prętami regulacyjnymi można uzyskać stan krytyczny reaktora przy różnym poziomie mocy, ograniczonym jedynie wydajnością odprowadzania ciepła. Uzyskana moc zależy od wielkości strumienia neutronów w rdzeniu, tak więc jeśli pręty zostaną podniesione i pozwoli się na zaistnienie przez pewien czas stanu nadkrytycznego, wartość strumienia neutronów ulegnie zwiększeniu, natomiast po opuszczeniu prętów do początkowego poziomu jego wartość ustali się na wyższym poziomie dając odpowiednio wyższą moc ustaloną. Sytuacja ta dotyczy przypadku, gdy reaktor ma tzw. zapas paliwa, tj. jego masa jest większa od masy krytycznej. Strumień neutronów i moc reaktora nie zależą zatem od położenia prętów regulacyjnych, prętami reguluje się tylko prędkość zmian mocy [2].
Jako paliwo jądrowe stosuje się substancje zawierające izotopy rozszczepialne tj. izotopy ciężkie, których jądra łatwo ulegają rozszczepieniu w wyniku bombardowania neutronami o małych energiach (najczęściej są to np. 235U, 233U, 239Pu, 241Pu).
Aby nie dopuścić do wydostania się na zewnątrz reaktora produktów rozszczepienia, paliwo jądrowe jest zamknięte wewnątrz elementów paliwowych mających najczęściej postać walcowych, kulistych lub płytkowych prętów.
Walcowy element paliwowy składa się ze szczelnej, cienkościennej rurki tzw. koszulki (stopy cyrkonu, stal nierdzewna) oraz z umieszczonych w jej wnętrzu pastylek paliwowych. Zestawy (kilkudziesięciu lub więcej) elementów paliwowych tworzą zespoły - tzw. kasety paliwowe, stanowiące zasadniczą część rdzenia reaktora.
 |  |
| Porównanie rozmiarów pastylek paliwowych do spinacza | Zespół prętów reaktora jądrowego |
W trakcie reakcji rozszczepienia powstają nowe jądra - tzw. fragmenty rozszczepienia, które zapoczątkowują łańcuchy rozpadów promieniotwórczych. Elementy tych łańcuchów stanowią produkty rozszczepienia (większość z nich - to izotopy promieniotwórcze).
Energia wydzielona w procesie rozszczepienia jest głównie energią kinetyczną fragmentów rozszczepienia, po czym, w oddziaływaniu z atomami paliwa, zamienia się w energię cieplną. Wartość tej energii zwiększają dodatkowo neutrony prędkie, które wytracają prędkość w moderatorze. W materiale moderatora neutron zmniejsza swoją energię ponad 20 milionów razy w wyniku zderzeń sprężystych z jądrami moderatora, podczas których neutron oddaje im część swojej energii. Po kilku zderzeniach, średnia prędkość neutronów zostaje zredukowana do wartości, która jest zbliżona do średniej energii kinetycznej atomów i cząsteczek z tego ośrodka. Neutrony o takiej energii nazywamy neutronami termicznymi. Neutrony o wyższych energiach - neutronami epitermicznymi. [2]
Przekazywanie energii najbardziej skutecznie zachodzi przy zderzeniach neutronów z lekkimi jądrami ( grafit, beryl, woda, ciężka woda). Zatem idealny moderator powinien mieć niską liczbę masową, aby odebrać jak najwięcej energii w każdym zderzeniu z neutronem, a jednocześnie mieć jak najniższy przekrój czynny na pochłanianie, aby jak najmniej neutronów było traconych w materiale moderatora w procesie spowalniania.
W celu odprowadzenia wydzielonego ciepła, między prętami przepływa chłodziwo - substancja mająca mały przekrój czynny na chwytanie neutronów. Jako chłodziwa używa się np. wody - zwykłej lub ciężkiej, ciekłego sodu, helu lub dwutlenku węgla. Przepływ chłodziwa przez reaktor jest wymuszany przystosowanymi do tego celu pompami.
Basen zawierający zużyte elementy paliwowe
Do produkcji energii jądrowej w elektrowniach jądrowych, można wykorzystywać nie tylko reakcję rozszczepienia, lecz także reakcję syntezy jąder. Jest to jednak znacznie trudniejsze zadanie, gdyż trudno jest zbudować pomieszczenie do otrzymywania i przechowywania bardzo gorącej plazmy. Stosuje się w tym celu specjalne pułapki magnetyczne, w których w odpowiednio dobranych polach magnetycznych więzi się gorące jony. Buduje się specjalne urządzenia zwane tokamakami, w których pracuje się nad syntezą jądrową [9].
Tokamak Jest zbudowany z pierścieniowej komory próżniowej, która obejmuje rdzeń potężnego transformatora. Komora wypełniona jest zjonizowanym gazem (deuterem albo deuterem i trytem). Pole magnetyczne pochodzące z transformatora indukuje prąd elektryczny w pierścieniu gazu. Przepływ prądu powoduje wyładowania w gazie w wyniku czego następuje jeszcze większa jego jonizacja i ogrzewanie. W końcu tworzy się gorąca plazma, która dzięki silnemu polu magnetycznemu, utrzymywana jest w zwartym słupie wewnątrz pierścienia.
Pierwszy tokamak powstał w roku 1950 w Instytucie Energii Atomowej w Moskwie. W Wielkiej Brytanii istnieje potężny tokamak JET. 9 listopada 1991 roku przeprowadzono w nim eksperyment, w którym dokonano reakcji syntezy deuteru i trytu:
Pierwszy tokamak powstał w roku 1950 w Instytucie Energii Atomowej w Moskwie. W Wielkiej Brytanii istnieje potężny tokamak JET. 9 listopada 1991 roku przeprowadzono w nim eksperyment, w którym dokonano reakcji syntezy deuteru i trytu:
Reakcja ta była utrzymywana przez około 2 godziny, a wytworzona w jej wyniku energia elektryczna wynosiła ok. 1 MW.
Schemat cieplny elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym ciśnieniowym
1. Blok reaktora 2. Komin chłodzący 3. Reaktor 4. Pręty kontrolne 5. Zbiornik wyrównawczy ciśnienia 6. Generator pary 7. Zbiornik paliwa 8. Turbina 9. Prądnica 10. Transformator 11. Skraplacz 12. Stan gazowy 13. Stan ciekły 14. Powietrze 15. Wilgotne powietrze 16. Rzeka 17. Układ chłodzenia 18. I obieg 19. II obieg 20. Para wodna 21. Pompa
Animowany schemat elektrowni z reaktorem wodnym BWR (Boilt Water Reactor)
