Sterowanie reakcją łańcuchową
W poprzednich rozdziałach o budowie reaktora jądrowego można było dowiedzieć się o tym, co mieści się w elektrowni jądrowej: materiał rozszczepialny, moderator służący do spowalniania prędkich neutronów, chłodziwo, pręty kontrolne i pozostałe elementy elektrowni. W niniejszym rozdziale dowiemy się, jak te elementy ze sobą współpracują.
Zaczyna się…
Rozruch reaktora energetycznego nie następuje tak szybko jak uruchomienie samochodu: wzrost liczby rozszczepień jest powolny, trwa kilka dni, podczas gdy stan i zachowanie reaktora na bieżąco podlega dokładnym obserwacjom.
W celu rozruchu reaktora podwyższa się w nim najpierw ciśnienie wody w obiegu pierwotnym do około 30 barów (3 MPa, czyli ok. 30 atm.) Następnie uruchomione zostają pompy układu chłodzenia. Pręty sterujące znajdują się jeszcze wówczas w rdzeniu reaktora – elementy paliwowe czekają zatem na swoją kolej; reakcja łańcuchowa w elementach paliwowych jeszcze nie zachodzi – reaktor nie został jeszcze włączony.
Dopiero od około 260 ºC pręty sterujące są stopniowo wyciągane z rdzenia i reakcja łańcuchowa powoli się rozpędza. Moc reaktora reguluje się zarówno poprzez układ prętów sterujących, jak i poprzez pompy układu chłodzenia, gdyż zmiana parametrów fizycznych chłodziwa w rdzeniu reaktora pociąga za sobą zmianę zawartości pęcherzyków pary w obrębie rdzenia, co z kolei skutkuje zmianą działania moderatora i tym samym wpływa na reakcję łańcuchową w rdzeniu reaktora.
Normalna praca reaktora
Podczas normalnej pracy elektrowni jądrowej wartość efektywnego współczynnika mnożenia keff wynosi około 1, to oznacza, że reaktor jest „w stanie krytycznym”, w trakcie rozruchu reaktora wartość keff powinna być wyższa niż 1 („stan nadkrytyczny”).
W ramach przypomnienia: wartość keff, czyli efektywnego współczynnika mnożenia, określa stosunek liczby neutronów w danej generacji neutronów do liczby neutronów poprzedniej generacji, czyli określa stan reaktora.
Źródłem energii pracującego reaktora energetycznego jest reakcja rozszczepienia m.in. jąder izotopu uranu U-235. Zawartość tego izotopu w elementach paliwowych stale więc maleje – nazywamy to „wypalaniem” paliwa. Co pewien czas – 3 do 5 lat – elementy paliwowe muszą więc zostać wymienione. Reaktor w trakcie pracy zmienia więc swoje parametry. Skład wody chłodzącej też może się zmieniać (między innymi pod wpływem promieniowania), a współpraca tak wielu części składowych i tak powoduje wciąż niewielkie zmiany w parametrach pracy reaktora.
Reasumując, efekty te prowadzą do konieczności ciągłych korygujących ingerencji załogi w pracę reaktora. W szczególności pręty sterujące stale muszą być nieco podnoszone i opuszczane. W elektrowni reguluje się to automatycznie pod stałą kontrolą personelu.
Wyłączenie reaktora
Reaktora nie wyłącza się tak, jak nocnej lampki. Jeżeli pracę reaktora kończy się w sposób kontrolowany, np. w celu przeprowadzenia prac konserwacyjnych, to w rzeczywistości trwa to kilka godzin. Procesem tym kieruje się poprzez układ prętów sterujących oraz strumień chłodziwa.
Jednak w przypadku awarii zakończenie pracy reaktora musi nastąpić dużo szybciej. Wówczas należy zareagować jak najszybciej i natychmiast wprowadzić wszystkie pręty sterujące i pręty bezpieczeństwa do rdzenia reaktora. Inna metoda szybkiego wyłączenia reaktora, to tzw. zatrucie reaktora borem. Polega ono na wprowadzeniu do wody obiegu pierwotnego roztworu kwasu borowego H3BO3, a izotop boru B-10 jest silnym pochłaniaczem neutronów.
Zazwyczaj reaktorem steruje się przy pomocy prętów sterujących.
Ponadto, np. w reaktorach z wodą wrzącą (BWR) można, poprzez zróżnicowanie cyrkulacji wody, spowodować, że wokół prętów paliwowych wydziela się mniej lub więcej pary. Skutek: moderator działa silniej lub słabiej, a reaktor produkuje mniej lub więcej pary. Reaktor BWR posiada dlatego dwa „hamulce” – pręty sterujące i pompy układu chłodzenia.
Bor odgrywa dużą rolę w elektrowniach jądrowych, zwłaszcza, jeśli wyłączenie reaktora ma nastąpić szybko. Pręty sterujące, które mogą być wsunięte do reaktora również wtedy, gdy wyłączenie ma być natychmiastowe, najczęściej zawierają bor. W razie konieczności chłodziwo można także wzbogacić w kwas borowy – awaryjny hamulec reaktora.
Dlaczego pierwiastek chemiczny bor jest takim hamulcem reaktora? Po prostu dlatego, że jeden z jego izotopów intensywnie wychwytuje neutrony. Jądro boru może wychwycić neutron i przekształcić się w jądra litu i helu. Ponadto emitowane jest promieniowanie gamma. Wychwycone przez bor neutrony nie prowadzą już do rozszczepień jąder uranu i tym sposobem reakcja łańcuchowa zostaje zahamowana.
Bezpieczeństwo
Podczas eksploatacji reaktora sprawą priorytetową jest ochrona ludzi i środowiska przed promieniowaniem. Praca dobrze zbudowanej i właściwie sterowanej elektrowni jądrowej nie dopuszcza do rozproszenia w środowisku jakichkolwiek dodatkowych substancji promieniotwórczych, a otoczenie reaktora i personel tam pracujący nie może zostać narażony na działanie dodatkowego promieniowania jonizującego. Gigantyczne ciśnienia i wysoka temperatura chłodziwa w reaktorach lekkowodnych również muszą być pod kontrolą – konieczne są urządzenia i systemy zabezpieczające.
Więcej szczegółów na temat urządzeń i systemów zabezpieczających można znaleźć w rozdziale →Bezpieczeństwo w elektrowni jądrowej.
Zapamiętaj!
Reaktor jądrowy różni się od bomby atomowej tym, że w reaktorze reakcja łańcuchowa rozszczepienia jest pod pełną kontrolą! Możemy nią sterować za pomocą prętów sterujących (inaczej kontrolnych), zawartości boru w wodzie, a w przypadku reaktora BWR także przy udziale pomp układu chłodzenia.