Rodzaje reaktorów dla elektrowni jądrowych (klasyfikacja)

Obecnie eksploatowane reaktory zbiornikowe najczęściej spotykane w energetyce zawodowej to to reaktory wodne ciśnieniowe – Pressurized Water Reactor (PWR), reaktory z wodą wrzącą Boiling Water Reactor (BWR) i zaawansowane reaktory chłodzone gazem Advanced Gas Reactor (AGR). Natomiast do reaktorów kanałowych zaliczyć można kanadyjski reaktor pracujący na uranie naturalnym chłodzony i moderowany ciężką wodą Canadian Deuterium Uranium (CANDU) i wycofywany z eksploatacji reaktor kanałowy dużej mocy Rieaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj (RBMK). W reaktorze zbiornikowym rdzeń zamknięty jest w grubościennym stalowym zbiorniku, przystosowanym do wytrzymania odpowiednio wysokiego ciśnienia sięgającego od 7 do 16 MPa. Tak wysokie ciśnienie wymagane jest po to, aby chłodziwo wodne mogło osiągać wysoką temperaturę, co ma wpływ na sprawność wytwarzania energii elektrycznej. Reaktory tego typu charakteryzują się stosunkowo prostą konstrukcją rdzenia oraz niewielkimi rozmiarami. Wymiana paliwa odbywa się po zakończeniu kampanii paliwowej; niezbędne jest wówczas odstawienie/wyłączenie reaktora. Ta konstrukcja przeważa w świecie energetyki jądrowej. Natomiast reaktor typu kanałowego pozbawiony jest zbiornika, pod ciśnieniem są jedynie kanały o niewielkiej średnicy. Cechą charakterystyczną tych reaktorów jest fakt, iż wymiana paliwa może odbywać się w sposób ciągły, bez przerywania pracy.

Patrząc na powyższą tabelę można wywnioskować, że w większości przypadków chłodziwem w reaktorach jądrowych jest woda. Woda jest bardzo dobrym nośnikiem energii cieplnej, posiada dużą wartość ciepła właściwego, nie jest toksyczna, charakteryzuje się stałymi właściwościami fizykochemicznymi w szerokim spektrum zmian temperatury. Ponadto jest to medium łatwe do pozyskania, a jej koszt jest niski – głównym kosztem jest jej oczyszczenie z zanieczyszczeń. Poważną jej wadą jest natomiast silne działanie korozyjne zwłaszcza w wysokich temperaturach.

Chłodziwo gazowe stosowane jest rzadziej i w reaktorach starszego typu. Jego zastosowanie pozwala zwiększyć temperaturę chłodziwa na wylocie z rdzenia reaktora bez potrzeby zwiększania ciśnienia. Możliwa jest zatem w tym przypadku praca reaktora z bardzo wysoką temperaturą chłodziwa i przy umiarkowanym ciśnieniu. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wysokich parametrów pary w obiegu wtórnym. Uwzględniony w tabeli hel jest najlepszym chłodziwem ze względu na brak aktywności chemicznej i bardzo mały przekrój czynny na pochłanianie neutronów. Jednakże z powodu wysokich kosztów nie jest powszechnie stosowany. Ponadto, podstawową wadą chłodziw gazowych są niekorzystne właściwości cieplne gazu, które wymagają stosowania dużych powierzchni wymiany ciepła, a więc i wymiarów samego reaktora, oraz duży pobór mocy niezbędnej do przetłaczania gazu przez rdzeń.

Ciężka woda jako chłodziwo stosowana jest tylko w reaktorach CANDU. W reaktorach prędkich zachodzi potrzeba stosowania chłodziwa o jak najmniejszych zdolnościach spowalniających. Sód posiada wysoką temperaturę wrzenia (887 °C) i bardzo dobre własności odprowadzania ciepła. Pozwala to na utrzymywanie w obiegu pierwotnym ciśnienia atmosferycznego. Do zalet sodu można zaliczyć również bardzo mały przekrój czynny na rozpraszanie i absorpcję neutronów oraz niską korozyjność. Do wad tego chłodziwa należy jednak zaliczyć wysoką aktywność chemiczną, z wodą reaguje gwałtownie, co przy choćby minimalnie niestarannym wykonaniu wymiennika ciepła może być katastrofalne oraz to, że ma wysoką temperaturę topnienia (98 ^oC), przez co system chłodzenia musi być stale podgrzewany, nawet przy wyłączonym reaktorze, by nie dopuścić do jego zakrzepnięcia.

Zwykła woda jest również dobrym moderatorem, czyli spowalniaczem neutronów. Spowalnianie jest niezbędne, by wywołać reakcję rozszczepienia w reaktorach termicznych. Zwykła woda spełnia te warunki bardzo dobrze, jednak posiada ona również stosunkowo duży przekrój czynny na absorpcję neutronów termicznych, co wymaga stosowania paliwa lekko wzbogaconego. Najlepszym z możliwych moderatorów jest ciężka woda. Ciężka woda posiada bardzo mały przekrój czynny na pochłanianie neutronów termicznych. Dzięki temu warunki krytyczne mogą być osiągnięte już na uranie naturalnym. Wadą takiego rozwiązania jest jej bardzo wysoki koszt. Grafit natomiast ma gorsze własności spowalniające niż ciężka woda, ale lepsze niż zwykła. Posiada znaczną odporność na wysokie temperatury, dzięki czemu znalazł zastosowanie w reaktorach chłodzonych gazem. Powoli jednak odchodzi się od tego rodzaju moderatora głównie z uwagi na jego zdolności do absorpcji neutronów jak i faktu, że jego własności mechaniczne pogarszają się w wyniku napromieniowania.