Chłodziwo
Energia jądrowa jest wyzwalana w reaktorze w postaci energii kinetycznej fragmentów rozszczepienia, neutronów oraz promieniowania gamma. Bezpośrednia przemiana tej energii w energię elektryczną nie jest możliwa. Pręty paliwowe oraz inne elementy reaktora ogrzewane przez przemiany jądrowe należy więc chłodzić w klasyczny sposób, np. za pomocą odpowiedniego „chłodziwa”.
Aby chłodziwo działało wydajnie, musi spełniać szereg wymagań. Zasadniczo musi posiadać dobre własności wymiany ciepła. Chłodziwo musi być również płynem, który może wypełnić szczeliny rdzenia i zostać przepompowany do generatora pary lub turbiny. Chłodziwo powinno być stabilne chemicznie w wysokich temperaturach, niekorodujące i w minimalnym stopniu pochłaniać neutrony, a także powinno być łatwo dostępne w przystępnej cenie.
Należy również zauważyć, że chłodziwo wpływa na istotne aspekty samego reaktora, takie jak temperatura i ciśnienie robocze, wielkość rdzenia i metody załadunku paliwa do rdzenia.
Żadna substancja nie kwalifikuje się jako idealne chłodziwo. Dlatego w opracowanych dotychczas konstrukcjach reaktorów stosuje się jako chłodziwa gazy, ciecze, ciekłe metale, a także stopy odpowiednich soli.
Woda
Dwa główne typy reaktorów chłodzonych wodą to: reaktor wodny ciśnieniowy (PWR) i reaktor wodny wrzący (BWR). Oba używają lekkiej (normalnej) wody, ale z nieco innymi mechanizmami chłodzenia. W reaktorze BWR woda w rdzeniu reaktora wrze i w postaci pary jest pompowana bezpośrednio do turbin napędzających generator prądu elektrycznego. W reaktorze PWR woda przepływa przez rdzeń w obiegu pierwotnym pod bardzo wysokim ciśnieniem, dzięki temu pozostaje cieczą. Następnie w wytwornicy pary przekazuje ciepło do wody we wtórnym obiegu chłodzenia, która odparowuje i obraca turbiny. Woda w reaktorach PWR i BWR jest także moderatorem, czyli spowalnia neutrony. Dlatego lekka woda jest dobrym chłodziwem dla reaktorów termicznych (tzn. takich, w których reakcja rozszczepienia wywoływana jest przez neutrony termiczne, czyli takie których energia wynosi około 0,025 eV), ale nie dla reaktorów prędkich powielających (tzn. takich, w których reakcja rozszczepienia wywoływana jest przez neutrony prędkie, których energia jest większa od 100 keV).
Jeszcze skuteczniejszym chłodziwem i moderatorem jest ciężka woda, czyli D2O (D – deuter, inne oznaczenie izotopu wodoru H-2), ponieważ absorbuje neutrony z prawdopodobieństwem o trzy rzędy wielkości mniejszym niż wodór (H-1). Jest jednak również bardzo droga. Cena ciężkiej wody wynosi około 2400 USD/litr.
Stopiony metal: sód
W przypadku reaktorów prędkich powielających preferowanym chłodziwem jest stopiony sód, ponieważ ma znikome właściwości moderujące neutrony. Sód jest jednym z najtańszych dostępnych metali. Stopiony sód umożliwia uzyskanie wysokiej gęstości mocy w rdzeniu i nie powoduje korozji stali nierdzewnej. Reaktor prędki chłodzony sodem posiada obieg chłodziwa pierwotnego – sodu, który odbiera ciepło z rdzenia, a następnie oddaje do sodu w obiegu pośrednim. Z kolei sód z obiegu pośredniego oddaje ciepło w wytwornicy pary do wody, która zamienia się w parę napędzającą turbinę. Sód chłodzący rdzeń staje się silnie radioaktywny. Dochodzi do reakcji aktywacji sodu neutronami i powstaje promieniotwórczy sód-24. Reakcję tę można zapisać następująco:
Na-24 ma krótki okres połowicznego rozpadu wynoszący około 15 godzin i pozostaje w obiegu pierwotnym reaktora.
Jednak płynny sód ma również istotne wady: zapala się samoczynnie w kontakcie z powietrzem i gwałtownie reaguje z wodą. Poza tym sód wystawiony na działanie powietrza wytwarza aerozole, które są wysoce toksyczne i mogą powodować uszkodzenia sprzętu na powierzchniach, na których się osadzają. Problemem podczas pracy reaktora jest nieprzezroczystość takiego chłodziwa, co utrudnia obsługę i monitorowanie paliwa.
Stopione sole
Alternatywą dla ciekłego metalu jest stopiona sól. To chłodziwo może pracować w wysokich temperaturach dla lepszej wydajności termodynamicznej, ale pozostaje przy niskim ciśnieniu pary, co zmniejsza skutki naprężeń mechanicznych i zwiększa bezpieczeństwo reaktora. Ponieważ przenoszenie ciepła przez stopioną sól jest bardzo wydajne, reaktory można zaprojektować z mniejszymi rdzeniami i mniej skomplikowanymi systemami rurociągów. Strukturalnie największą różnicą jest to, że paliwo – mieszanina fluorków sodu, cyrkonu i uranu – może być rozpuszczone w samym płynie chłodzącym, co eliminuje potrzebę wytwarzania paliwa i wady związane ze zmiennymi proporcjami izotopów w prętach paliwowych.
Gazy
W początkowych konstrukcjach reaktorów stosowano jako chłodziwo powietrze, które miało jednak dużą wadę – podczas pracy reaktora ulegało jednak aktywacji neutronami. Szczególnie szerokie zastosowanie znalazł w praktyce dwutlenek węgla, zwłaszcza przy niezbyt wysokich temperaturach pracy. W obecnie rozwijanych reaktorach wysokotemperaturowych czynnikiem chłodzącym jest hel.
Warto wiedzieć!
Chłodziwem obecnie pracujących i planowanych reaktorów HTR (High Temperature Reactor) jest hel. Hel może być stosowany przy wysokich temperaturach bez potrzeby zwiększania ciśnienia i bez ryzyka zaplenia się. Za pomocą helu można uzyskać wysoką sprawność przejmowania energii cieplnej.
Rzadziej braną pod uwagę koncepcją jest reaktor wysokotemperaturowy chłodzony stopionymi solami LS-VHTR (Liquid-Salt-cooled Very High Temperature Reactor). Najczęściej jako chłodziwo pierwotne brane są pod uwagę fluorki. Stopione sole, podobnie jak hel, umożliwiają pracę w bardzo wysokich temperaturach.