Podstawy fizyczne i techniczne

Reakcja rozszczepienia

Najważniejszym procesem fizycznym zachodzącym w elektrowni jądrowej jest reakcja rozszczepienia jąder atomowych, głównie jąder atomów uranu a w mniejszym zakresie również plutonu.

Reakcja rozszczepienia to reakcja jądrowa polegająca na podziale ciężkiego jądra atomu na dwa (rzadziej więcej) mniejsze fragmenty o porównywalnych masach (fragmenty te stają się natychmiast atomami innych, lżejszych pierwiastków np. baru i kryptonu). Oprócz fragmentów rozszczepienia (czyli tych właśnie jąder lekkich pierwiastków) emitowane są także neutrony (czyli cząstki „neutralne” - nie posiadające ładunku elektrycznego) i kwanty γ (gamma).

Rdzeń reaktora ATR (Advanced Test Reactor) w instytucie Argonne National Laboratory w USA (fot. na licencji CC)

Reakcja rozszczepienia może zachodzić samorzutnie lub w wyniku bombardowania jądra atomu różnymi cząstkami: neutronami, protonami (czyli cząstkami o ładunku elektrycznym dodatnim), deuteronami (proton i neutron), cząstkami α (2 protony i 2 neutrony), kwantami γ. Najczęściej wykorzystuje się do takiego bombardowania neutrony ponieważ nie posiadają one ładunku elektrycznego co umożliwia im w łatwy sposób wniknięcie do jądra atomowego.

W reakcji rozszczepienia wyzwalana jest duża ilość energii. W przypadku rozszczepienia jadra U-235 wydziela się około 207 MeV. Energia ta pochodzi z różnicy między masą jądra przed jego rozszczepieniem, a masami produktów rozszczepienia, czyli nowo powstałych jąder pierwiastków (jest to tzw. defekt masy), ponieważ łączna masa produktów rozszczepienia jest mniejsza od masy jądra przed jego rozszczepieniem. Fragmenty rozszczepienia są jądrami nietrwałymi, powstają one głównie w stanach wzbudzonych i ulęgają dalszym rozpadom β. Emitują także neutrony i kwanty γ. Przykładowa reakcja rozszczepienia jądra przedstawia się w następujący sposób:

n + 235U → 236U* → 141Ba + 92Kr + 3n + Q

(Gwiazdka przy symbolu pierwiastka oznacza stan wzbudzony. Jest on niestabilny i ulega rozpadowi. Q jest wydzieloną energią.)

Ważną cechą reakcji rozszczepienia jest emisja swobodnych neutronów (czyli wolnych, występujących poza jądrem atomu, biegnących z ogromnymi prędkościami w różnych kierunkach). W przypadku U-235 w każdym rozszczepieniu powstaje (zostaje wydzielonych z jądra atomu) około 2-3 neutronów - średnio 2,5 neutronu na każde rozszczepienie. Oprócz neutronów emitowanych w procesie rozszczepienia (tzw. neutrony natychmiastowe) pojawiają się także tzw. neutrony opóźnione. Są one wyrzucane z fragmentów rozszczepienia, które są jądrami z nadwyżką (nadmiarem) neutronów – a więc nie są wydzielane w czasie reakcji rozszczepienia, ale dopiero później, z już powstałych lżejszych jąder. Jeśli średnia liczba neutronów powstałych w wyniku rozszczepienia jądra jest większa od 1 (dla U-235 mamy średnio 2,5) to istnieje możliwość zrealizowania tzw. łańcuchowej reakcji rozszczepienia. W takiej reakcji neutrony powstałe z rozszczepienia mogą powodować rozszczepienia kolejnych jąder. Prowadzi to do gwałtownego wzrostu liczby neutronów, co w konsekwencji powoduje wyzwolenie ogromnej ilości energii (z powodu lawinowego, masowego rozszczepiania wielu kolejnych jąder w ułamku sekundy – a przypomnijmy, że w jednej tylko reakcji rozszczepienia wydziela się znaczna energia).

Aby zaszła samopodtrzymująca się łańcuchowa reakcja rozszczepienia potrzebna jest tzw. masa krytyczna, czyli pewna minimalna ilość materiału rozszczepialnego, mierzona w kilogramach jego masy. Zależy ona nie tylko od masy, ale także od: rodzaju materiału rozszczepialnego, kształtu bryły z materiału rozszczepialnego, stopnia wzbogacenia, związku chemicznego zawierającego materiał rozszczepialny, ciśnienia zewnętrznego, obecności lub braku tzw. reflektora. Dla bomb masa krytyczna wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu kilogramów. W reaktorach jądrowych osiąga wartości rzędu kilkuset ton. Jeśli ilość materiału rozszczepialnego jest mniejsza od masy krytycznej reakcja rozszczepienia po pewnym czasie wygasa.

W bombach atomowych realizowana jest niekontrolowana łańcuchowa reakcja rozszczepienia, która przy odpowiednich warunkach prowadzi do ogromnej eksplozji. Do produkcji bomb wymagany jest proces wzbogacania, czyli zwiększania w materiale ilości izotopu rozszczepialnego (ponieważ uran naturalny zawiera tylko 0,7% rozszczepialnego izotopu U-235).

Istnieje także możliwość kontrolowania reakcji rozszczepienia – taki proces przeprowadzamy w reaktorach jądrowych. Umożliwiają one produkcję energii w bardzo wydajny sposób. Wymagane jest wtedy użycie tzw. moderatora, czyli substancji służącej do spowalniania (wyhamowywania) neutronów. Spowolnione neutrony mają większe prawdopodobieństwo rozszczepienia jąder U-235 niż neutrony prędkie (które są głównie pochłaniane przez jądra bez ich rozszczepienia, albo wywołują inne reakcje jądrowe). W energetyce jądrowej najczęściej wykorzystuje się takie materiały rozszczepialne jak: U-233, U-235, Pu-239.

Teoria rozszczepienia dobrze opisywana jest przez tzw. kroplowy model jądra atomowego. Wykorzystuje on analogie między jądrem atomowym, a kroplą cieczy.

Reaktor jądrowy

Urządzeniem, w którym zachodzi reakcja rozszczepienia, jest reaktor jądrowy. Reaktory mają różne konstrukcje i zastosowania ale wszystkie posiadają kilka wspólnych elementów projektowych:

• Obudowa - w postaci zbiornika ciśnieniowego (PWR, BWR, PHWR, FBR), basenu (FBR, reaktory badawcze) lub studni (RBMK). W elektrowniach jądrowych najczęściej stosuje się zbiornik ciśnieniowy (PWR, BWR). Zbiorniki ciśnieniowe w reaktorach PWR zaprojektowane są do pracy z ciśnieniem roboczym ponad 15 MPa, w razie sytuacji awaryjnej mogą wytrzymać ciśnienie dochodzące nawet do 18 MPa.
• Paliwo jądrowe  – najczęściej w postaci specjalnych kaset z prętami paliwowymi. Paliwo jądrowe może być w różnej postaci. W elektrowniach jądrowych (głównie PWR i BWR) najczęściej stosuje się pręty zawierające tlenek uranu UO₂, z uranem o wzbogaceniu w izotop U-235 na poziomie 3-5% (proces wzbogacania omówiono szerzej w zakładce Cykl Paliwowy). Spieczony tlenek uranu zapakowany jest w pastylki o długości 1,5 cm i średnicy 1 cm, które następnie umieszcza się w koszulkach (rurkach) ze stopu cyrkonu. Wypełnione i szczelnie zaspawane koszulki stanowią pręt paliwowy. Pręty grupuje się w zestawach po kilkaset sztuk (najczęściej 20 x 20), dołączając do nich pręty sterujące (o których mowa poniżej)
• Moderator – jest to substancja spowalniająca neutrony. Spowolnienie neutronów jest konieczne aby mogła zajść reakcja rozszczepienia (spowolnione neutrony nazywa się neutronami termicznymi). Moderatora nie stosuje się jednak z reaktorach na neutronach prędkich (FR i FBR), jednak ten typ reaktorów wejdzie na większą skalę do energetyki jądrowej około roku 2030. Najczęściej stosowanym moderatorem jest woda destylowana (PWR i BWR) lub ciężka woda D₂O (CANDU). W reaktorach RBMK eksploatowanych jedynie w Rosji stosuje się grafit.
• Pręty sterujące i pręty bezpieczeństwa – pręty zawierające substancje pochłaniające nadmiar neutronów (najczęściej kadm) i pozwalające w ten sposób kontrolować reakcję rozszczepienia. Pręty te wsuwa się do rdzenia od góry (PWR) lub od dołu (BWR). Ich całkowite wsunięcie powoduje zatrzymanie reakcji łańcuchowej (czyli kolejno po sobie następujących reakcji rozszczepień) a całkowite wysunięcie – osiągnięcie przez reaktor pełnej mocy.

Wykorzystano fragment artykułu Piotra Hytrosia pt. "Reakcja rozszczepienia", opublikowanego na stronie www.atom.edu.pl