Πυρηνικός αντιδραστήρας

Πυρηνικός αντιδραστήρας ονομάζεται η διάταξη εκείνη εντός της οποίας παράγεται ενέργεια με ελεγχόμενη αντίδραση σχάσης. Ο Πυρηνικός αντιδραστήρας θα μπορούσε να χαρακτηρισθεί σαν μια μεγάλη δεξαμενή όπου το πυρηνικό καύσιμο υφίσταται πυρηνική σχάση απελευθερώνοντας έτσι θερμότητα. Τα άτομα του εν λόγω καυσίμου υπό ορισμένες συνθήκες διασπώνται αυθόρμητα εκπέμποντας νετρόνια, τα οποία στη συνέχεια προκαλούν τη διάσπαση άλλων ατόμων, με τελικό αποτέλεσμα μια γεωμετρικά αυξανόμενη αλυσιδωτή αντίδραση.

Στην "καρδιά του αντιδραστήρα" φέρονται επιβραδυντικό υλικό και ρυθμιστικές ράβδοι (ή "ράβδοι ελέγχου" ή "ράβδοι ρύθμισης") που συγκρατούν την αλυσιδωτή αντίδραση σε σταθερό ρυθμό ανάπτυξης έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η ομαλή ροή της θερμότητας. Ένα "ψυκτικό μέσο" (που μπορεί να είναι αέριο ή υγρό όπως το νερό) κυκλοφορεί μέσα στον αντιδραστήρα και θερμαίνεται. Στη συνέχεια αυτό οδηγείται σε ένα "εναλλάκτη θερμότητας" όπου προκαλεί βρασμό σε νερό που υπάρχει εκεί. Ο παραγόμενος ατμός στη συνέχεια θέτει σε κίνηση στροβίλους που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα αλλά και κινητική ενέργεια (πυρηνοκίνητα πλοία).

Ο Πυρηνικός αντιδραστήρας εκπέμπει έντονη ακτινοβολία που αξιοποιείται στη παραγωγή ραδιοϊσοτόπων. Η διαρροή της ακτινοβολίας αυτής εμποδίζεται από τα προστατευτικά στρώματα της "θωράκισης" του αντιδραστήρα. Όλοι όσοι εργάζονται σε τέτοιους χώρους υποχρεούνται να είναι εφοδιασμένοι με ειδικούς φορητούς ανιχνευτές ραδιενέργειας.

Λειτουργία

Συνοπτικά, σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα σχάσης η ενέργεια που απελευθερώνεται από τη σχάση του πυρηνικού καυσίμου, χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού, με τον οποίο τίθεται σε λειτουργία ένας στρόβιλος που με τη σειρά του περιστρέφει μια γεννήτρια ηλεκτρισμού.

Στην πλειοψηφία τους, οι σύγχρονοι πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούν ως καύσιμο είτε φυσικό Ουράνιο (U), είτε εμπλουτισμένο Ουράνιο. Το εμπλουτισμένο ουράνιο, περιέχει το ισότοπο U235 σε μεγαλύτερο ποσοστό από ότι το φυσικό ουράνιο. Υπάρχουν και αντιδραστήρες σχάσης που χρησιμοποιούν ως καύσιμα είτε το Πλουτώνιο Pu239 είτε το U233.

Το καύσιμο βρίσκεται σε ειδικούς φορείς (containers), σε μορφή ράβδων καυσίμου (fuel pins). Αυτές οι ράβδοι τοποθετούνται με καθορισμένη διάταξη μέσα στον επιβραδυντή (moderator), ο οποίος είναι γραφίτης ή νερό και σκοπός του είναι να επιβραδύνει τα νετρόνια που παράγονται από τις σχάσεις. Οι ρυθμιστικές ράβδοι, που χρησιμεύουν στη διατήρηση ενός σταθερού ρυθμού σχάσης, εισέρχονται στον πυρήνα του επιβραδυντή και η θέση τους μεταβάλλεται έτσι ώστε να επιτευχθεί ο επιθυμητός ρυθμός σχάσης· όταν οι ράβδοι είναι βαθύτερα μέσα στον πυρήνα, επιβραδύνουν περισσότερα νετρόνια κι έτσι μειώνεται ο ρυθμός σχάσεων. Το αντίθετο συμβαίνει όταν οι ράβδοι αποσύρονται.

Ένα ψυκτικό υλικό κυκλοφορεί υπό πίεση μέσα στα λεγόμενα "κανάλια" του επιβραδυντή. Σκοπός της κυκλοφορίας του ψυκτικού είναι η απαγωγή της θερμικής ενέργειας και η μεταφορά της σε εναλλάκτη θερμότητας. Ο επιβραδυντής βρίσκεται στο εσωτερικό χαλύβδινου προστατευτικού περιβλήματος, κατασκευασμένο έτσι ώστε να αντέχει στις υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες στο εσωτερικό του αντιδραστήρα. Γύρω από το χαλύβδινο περίβλημα, υπάρχει θωράκιση από σκυρόδεμα που εμποδίζει τη ραδιενέργεια να φτάσει στους χειριστές του αντιδραστήρα και το περιβάλλον, τόσο σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας όσο και σε περίπτωση ατυχήματος.

Βασικές διαδικασίες

Η διαδικασία που λαμβάνει χώρα στο εσωτερικό ενός πυρηνικού αντιδραστήρα κατά τη διάρκεια παραγωγής σταθερού ποσού ισχύος μπορεί να συνοψιστεί στα παρακάτω στάδια:

1. Η σχάση κάθε πυρήνα U235 παράγει θραύσματα σχάσης μεταξύ των οποίων και νετρόνια. Τα θραύσματα της σχάσης μεταφέρουν το μεγαλύτερο ποσοστό της κινητικής ενέργειας που απελευθερώνεται από τον πυρήνα του ουρανίου. Αυτήν την κινητική ενέργεια την αποδίδουν σε άλλα άτομα με τα οποία συγκρούονται και έτσι οι ράβδοι των καυσίμων θερμαίνονται.

2. Τα νετρόνια της σχάσης εξέρχονται των ράβδων καυσίμου με κινητική ενέργεια της τάξης των MeV. Εισέρχονται στον χώρο του επιβραδυντή και συγκρούονται με τα άτομά του, μεταφέροντας έτσι την κινητική τους ενέργεια σε αυτά. Έτσι τα άτομα του επιβραδυντή αποκτούν ενέργεια και τα νετρόνια επιβραδύνονται έως ότου η μέση κινητική ενέργειά τους είναι περίπου ίση με αυτήν των ατόμων του επιβραδυντή καθώς αυτά ταλαντώνονται στο κρυσταλλικό του πλέγμα. Αυτά τα νετρόνια λέγονται θερμικά νετρόνια επειδή δεν χάνουν (κατά μέσο όρο) άλλη ενέργεια, μοιράζοντάς την στα άτομα του επιβραδυντή.

3. Τα νετρόνια που έχουν επιβραδυνθεί πλέον εισέρχονται ξανά στις ράβδους του καυσίμου και προκαλούν νέες σχάσεις πυρήνων U235 και έτσι επαναλαμβάνεται η διαδικασία.

Ιστορία

Παρά το γεγονός ότι οι επιστήμονες μόλις τις τελευταίες δεκαετίες κατάφεραν να κατασκευάσουν τεχνητούς πυρηνικούς αντιδραστήρες όπου γίνεται ελεγχόμενη σχάση, εντούτοις φυσικοί πυρηνικοί αντιδραστήρες προϋπήρξαν περίπου ενάμισι δισεκατομμύριο χρόνια πριν. Ανακαλύφθηκαν το 1972 από τον Γάλλο φυσικό Φράνσις Περέν στα ορυχεία ουρανίου του Όκλο, στην Γκαμπόν της Δυτικής Αφρικής. Σε περίπου δεκαπέντε τοποθεσίες, η αναλογία μεταξύ U235 και U238, αλλά και άλλων ραδιενεργών ισοτόπων σε σχέση με τις κανονικές τους συγκεντρώσεις στο φλοιό της γης, οδήγησε στο συμπέρασμα ότι κάποτε στα συγκεκριμένα σημεία έλαβαν χώρα πυρηνικές αντιδράσεις σχάσης πολύ παρόμοιες με αυτές που συμβαίνουν στο εσωτερικό ενός σύγχρονου αντιδραστήρα. Οι αντιδραστήρες αυτοί "λειτούργησαν" για περίπου 150 εκατομμύρια χρόνια, "παράγοντας" περίπου 100 kW ενέργειας σε αυτό το διάστημα.

Ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας κατασκευάστηκε στα πλαίσια του σχεδίου Μανχάτταν, το 1942, υπό την καθοδήγηση του Ενρίκο Φέρμι στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Το καύσιμο που χρησιμοποιήθηκε ήταν φυσικό ουράνιο, το οποίο περιέχει σε ποσοστό μικρότερο του 1% το ισότοπο του ουρανίου U-235 και κατά 99% αποτελείται από U-238 το οποίο δε σχάζεται εύκολα.

Ο Φέρμι είχε παρατηρήσει ότι η σχάση αυξανόταν όταν κάποιο μέσο επιβράδυνε τα νετρόνια, και έτσι στον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα που κατασκεύασε χρησιμοποιήθηκαν επιβραδυντές αποτελούμενοι από γραφίτη. Το ουράνιο που αποτελούσε το καύσιμο λαμβανόταν από οξείδιο του ουρανίου που τοποθετούνταν σε μεγάλες ποσότητες πάνω στους στύλους του γραφίτη. Ρυθμιστικές ράβδοι καδμίου που εισέρχονταν στον αντιδραστήρα χρησίμευαν στο να προλαμβάνεται η αλυσιδωτή αντίδραση όταν αυτή δεν ήταν επιθυμητή. Ο Φέρμι, πριν τη λειτουργία του αντιδραστήρα, έδωσε εντολή να αφαιρεθούν όλες οι ρυθμιστικές ράβδοι εκτός από μία η οποία ήταν ικανή να σταματήσει τη δημιουργία αλυσιδωτής αντίδρασης. Μετά αφαιρέθηκε και αυτή σταδιακά και σε κάθε στάδιο ελεγχόταν ο ρυθμός της σχάσης για να διαπιστωθεί αν ήταν ίδιος με αυτόν που είχε υπολογιστεί θεωρητικά. Όταν αφαιρέθηκε και το τελευταίο τμήμα της ρυθμιστικής ράβδου, η έκλυση της ενέργειας ανοδικά έφτασε σε ένα σταθερό επίπεδο και υπήρξε ο πρώτος τεχνητός έλεγχος πυρηνικής σχάσης.

Εικόνα 38 από το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας των ΗΠΑ με αριθμό 2,708,656. Το δίπλωμα απονεμήθηκε στους Φέρμι και Σζιλάρντ για την κατασκευή του πρώτου πυρηνικού αντιδραστήρα.

Είδη πυρηνικών αντιδραστήρων

* Οι Πυρηνικοί αντιδραστήρες παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος ονομάζονται Πυρηνικοί αντιδραστήρες ισχύος ή Πυρηνικοί σταθμοί ισχύος και διακρίνονται σε τέσσερις βασικούς τύπους στους οποίους όλοι χρησιμοποιούν νερό ως ψυκτικό μέσο και κατηγοριοποιούνται ανάλογα με το είδος του νερού που χρησιμοποιούν ως επιβραδυντή. Αυτοί οι τύποι είναι:

* Α. Αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος (LWR - Light-Water Reactors). Αυτοί διακρίνονται στους δύο επιμέρους τύπους:

1. Πιεσμένου ύδατος (PWR - Pressurized-Water Reactors) και

2. Ζέοντος ύδατος (BWR - Boilling-Water Reactors).

* Β. Αντιδραστήρες βαρέως ύδατος (HWR - Heavy-Water Reactors) που με τη σειρά τους διακρίνονται σε:

1. Πιεσμένου ύδατος (HPWR - και Heavy Pressurized-Water Reactors)

2. Ζέοντος ύδατος (HBWR - (Heavy Boilling-Water Reactors).

Οι τύποι Α1 και Α2 αποτελούν το 72% των εγκατεστημένων Πυρηνικών Σταθμών ισχύος. Επίσης τύπου Α1 (που είναι μικρότερου όγκου) είναι εκείνοι που φέρονται στα πυρηνοκίνητα πλοία.

Υπάρχουν επίσης οι αερόψυκτοι πυρηνικοί αντιδραστήρες που χρησιμοποιούν ως επιβραδυντή γραφίτη και ως ψυκτικό μέσο διοξείδιο του άνθρακα. Δε χρησιμοποιούνται εκτεταμένα πλέον και γίνονται προσπάθειες ώστε να εγκαταλειφθεί η χρήση τους για λόγους ασφάλειας και ελαχιστοποίησης του κινδύνου επιβάρυνσης του περιβάλλοντος.

Ένας άλλος τύπος πυρηνικών αντιδραστήρων που έχουν κατασκευαστεί είναι οι Αναπαραγωγικοί αντιδραστήρες (Breeder reactors). Αυτοί δε χρησιμοποποιούνται για παραγωγή ενέργειας αλλά ο σκοπός της λειτουργίας τους είναι η παραγωγή εκμεταλλεύσιμων ραδιενεργών για χρήση από τους πυρηνικούς αντιδραστήρες ισχύος. Σε αυτούς χρησιμοποιείται το Th232 και το U238 για παραγωγή U233 και Pu239 αντίστοιχα.

Βιβλιογραφία

* Young, D. Hugh (1994). ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΗ ΦΥΣΙΚΗ. Όγδοη Έκδοση. Αθήνα: Εκδόσεις Παπαζήση, ISBN 960-02-1088-8

* Breithaupt Jim (1990). Understanding Physics for Advanced Level, Second Edition. Leckhampton, Cheltenham, England: Stanley Thornes (Publishers) Ltd., ISBN 0-7487-0510-4'