Kako rade nuklearni reaktori?

U nuklearnim reaktorima se pod dejstvom kontrolisane fisije atomskih jezgara stvara toplota iz koje se zatim stvara električna energija.

Svi hemijski elementi koji su teži od gvožđa oslobađaju energiju prilikom cepanja njihovih atomskih jezgara na manje fragmente, što je posledica činjenice da je suma masa fragmenata na koje se raspalo određeno jezgro (teže od gvožđa) manja od mase tog atomskog jezgra, a ova razlika u masama se u skladu sa Ajnštajnovom jednačinom E=mc2 pretvara u toplotnu energiju.

Nasuprot ovome, suma masa atomskih jezgara elemenata lakših od gvožđa je uvek veća od mase jezgra koje bi nastalo stapanjem ovih jezgara u jedno jezgro, što je i razlog zašto svi elementi lakši od gvožđa oslobađaju energiju u procesu fuzije.

Nuklearni reaktor – Krokus

U slučaju kada masa fisionog materijala prevazilazi tzv. kritičnu masu, fisija je lančana reakcija, jer se u svakom procesu fisije oslobađa nekoliko neutrona koji sudaranjem sa drugim atomskim jezgrima iniciraju cepanja sve većeg broja jezgara, pa tako dovode i do eksplozivne reakcije. Neposredno ispod kritične mase za dati fisioni materijal, svaka fisija pojedinačnog jezgra stvara još samo jednu fisiju, tako da se u tom slučaju reakcija fisije odigrava konstantnom brzinom, a upravo se ovolike količine fisionog materijala održavaju u jezgrima nuklearnih reaktora.

Naime, ubacivanjem ploča (tzv. kontrolnih ploča koja se najčešće sastoje od natrijum borata, jer jezgra bora odlično zahvataju neutrone) koje apsorbuju neutrone (koji iniciraju pojedinačne procese fisije), u jezgrima reaktora se brzina fisije održava konstantnom. Sa povećanjem broja kontrolnih ploča u jezgru reaktora, smanjuje se verovatnoća da će pojedinačni neutron inicirati pojedinačnu fisiju, pa se tako i smanjuje brzina fisije, dok se sa smanjenjem broja ovih ploča u jezgru reaktora, povećava verovatnoća neutronskog iniciranja fisije, a time se povećava i brzina fisije, odnosno brzina oslobađanja toplotne energije.

Svako jezgro uranijuma-235 (koje se najčešće koristi kao fisioni materijal u nuklearnim reaktorima) tokom fisionog raspada oslobodi u proseku 2,47 neutrona koji za manje od hiljaditog dela sekunde indukuju novu fisiju, dok fisija U-235 stvara i neke atome koji se takođe radioaktivno raspadaju i oslobađaju neutrone, tako da fisija jednog atoma U-235 oslobodi u proseku i 0,0064 zakasnelih neutrona kojima je nakon fisije U-235 potrebno nekoliko sekundi ili minuta da bi se pojavili i inicirali novu fisiju, a upravo se o ovoj zakasneloj reakciji mora voditi računa prilikom ubacivanja ili vađenja kontrolnih ploča iz jezgra reaktora jer ne možemo očekivati da će odgovor reaktora, odnosno brzina fisije trenutno opasti čim ubacimo ploče ili trenutno porasti čim izvadimo neke od ploča.

Neki nuklearni reaktori poseduju automatsku kontrolu postavljanja ploča u jezgru kako bi kontrolisali brzinu odigravanja fisije. Fisioni materijal koji se nalazi u jezgrima najvećeg broja nuklearnih reaktora na našoj planeti je prirodni uranijum (koji se sastoji od 99 % U-238 i 0,71 % U-235, a samo U-235 lako podleže procesu fisije) i supstance koja se zove moderator (vodonik, deuterijum, helijum ili grafit između čijih atoma se neutroni elastično odbijaju tako da se usporavaju i iz moderatora izlaze posedujući tzv. termalnu brzinu, odnosno prosečnu brzinu za datu temperaturu) i koja ima zadatak da uspori neutrone koje oslobađaju fisiona jezgra, jer U-235 najbolje zahvata neutrone koji se kreću veoma sporo.

Kada se ne bi koristio moderator, tada ni prirodni uranijum ne bi mogao da se koristi u reaktorima (već samo čisti U-235 ili eventualno prirodni uranijum obogaćen sa 25-50 % U-235 što se i koristi u tzv. brzim fisionim reaktorima), jer U-238 znatno bolje zahvata brže neutrone od U-235, pretvarajući se ponekad pri tome (ukoliko su zahvaćeni neutroni dovoljno brzi da se u zahvaćenom jezgru U-238 pretvore u po jedan proton i elektron) u plutonijum-239, jedan od uvek prisutnih nus-produkata reakcije fisije koji je takođe sklon fisiji.

Jezgro tipičnog nuklearnog reaktora se sastoji od niza naizmenično poređanih poluga uranijum dioksida (UO2) i moderatora, pri čemu na svakih nekoliko poluga dolazi prazno mesto na kome se može ubaciti kontrolna ploča. U najvećem broju reaktora, veoma brze vodene struje se propuštaju kroz cevi koje prolaze kroz jezgro reaktora. Voda koja se greje pod dejstvom toplote oslobođene fisijom, pod pritiskom se odvodi iz jezgra reaktora u posebnu komoru u kojoj ključa (kod nekih reaktora voda ključa u samom jezgru, a ova voda tada često predstavlja i sam moderator) tako da njena para pokreće turbinu električnog generatora koja stvara električnu energiju koja se vodi direktno kod potrošača.

Add a Comment

Vaša email adresa neće biti objavljivana. Neophodna polja su označena sa *