Jedrski reaktor: definicija, delovanje, uporaba, varnost in nesreče

Definicija in osnovno delovanje

Jedrski reaktor je naprava, ki za pridobivanje toplote uporablja cepitev. Obstajajo različne konstrukcije, ki uporabljajo različna goriva. Najpogosteje sta glavni sestavini teh goriv uran-235 ali plutonij-239.

Jedrski reaktor nadzoruje verižno cepitveno reakcijo, pri kateri nevtroni sprožijo cepitev jeder atomov v gorivu. Pri tem nastaja velika količina toplote in dodatnih nevtronov. Za varno in stabilno delovanje reaktorja so potrebni:

• moderator (npr. voda, težka voda ali grafit), ki upočasni nevtrone in poveča verjetnost cepitve pri določenih gorivih;
• hladilni sistem, ki odvaja toploto iz jedra (npr. voda, plin ali tekoče kovine);
• regulatorske palice (control rods), ki lahko vpijejo nevtrone in uravnavajo hitrost reakcije;
• tlačno ohišje ali zatesnjena zgradba, ki zagotavlja fizično pregrado med radioaktivnimi snovmi in okoljem.

Reaktorji se razlikujejo po zasnovi (npr. tlačni vodni reaktor – PWR, vreli vodni reaktor – BWR, težkovodni CANDU, hitro reaktorski koncepti) in po uporabljenem gorivu oziroma stopnji obogatitve urana. Gorivne elemente sestavljajo palične ali ploščate kasete, ki vsebujejo gorivne tabletke (npr. UO2).

Proizvodnja električne energije

Večina jedrskih reaktorjev se uporablja za proizvodnjo električne energije. V jedrskihelektrarnah toplota, ki nastane pri cepitvenih reakcijah v reaktorju, spremeni vodo v paro. Para se nato uporablja za pogon električnih turbin, ki proizvajajo električno energijo. Tako kot drugi parni stroji tudi turbine črpajo energijo iz gibanja pare.

V praksi to pomeni, da reaktor proizvaja toploto, ta toplota segreje delovno sredstvo (pogosto v zaprtem krogu), para poganja turbino, turbinni generator pa pretvori mehansko energijo v električno. Tipične jedrske elektrarne imajo izkoristek okoli 30–40 %, delujejo kot stacionarni viri z veliko stabilnostjo (base-load). Upoštevati je treba tudi sekundarne sisteme za varnost, kondenzacijo pare in upravljanje toplote.

Druga uporaba

Nekateri reaktorji se uporabljajo za druge namene. Nekateri reaktorji proizvajajo nevtrone za znanstvene raziskave, drugi pa radioaktivne izotope. Nekatere univerze imajo majhne jedrske reaktorje, da bi študente naučile, kako reaktorji delujejo.

Raziskovalni reaktorji so ključni za proizvodnjo medicinskih izotopov (npr. 99mTc, I-131), za materialne teste, neutronografijo in navzkrižno preverjanje materialov v visokih neutronskih tokovih. Poleg tega obstajajo specializirani reaktorji za proizvodnjo plutonija ali za testiranje goriv in struktur pri visokih temperaturah in izpostavljenosti sevanju.

Zgodovina

Prvi jedrski reaktor je leta 1942 zgradila skupina znanstvenikov pod vodstvom Enrica Fermija. To je bil del projekta Manhattan, ki je gorivo iz reaktorja potreboval za izdelavo atomske bombe. Prvi jedrski reaktor za proizvodnjo električne energije je bil majhen poskusni reaktor, zgrajen leta 1951 v Idahu. Proizvedel je le toliko električne energije, da je zadostovala za štiri svetlobne krogle.

Po drugi svetovni vojni se je razvoj jedrske energije pospešil: zgradile so se prve komercialne elektrarne (npr. Obninsk v ZSSR 1954, prvi serijski reaktorji v 50. in 60. letih), sledila pa je široka mednarodna razprava o vojaški in civilni uporabi tehnologije. Napredek v inženirstvu, pogostejša testiranja in razvoj regulativ so izboljšali varnost, vendar so velike nesreče močno vplivale na javno percepcijo in politiko.

Varnost, nesreče in vplivi

Gradnja jedrskih reaktorjev je draga zaradi številnih varnostnih elementov, ki jih morajo imeti. Težava je tudi velika količina radioaktivnih odpadkov iz reaktorjev. Vendar pa proizvajajo poceni električno energijo in ne onesnažujejo zraka. V več jedrskih reaktorjih je prišlo do resnih nesreč: V teh jedrskih reaktorjih so se zgodile naslednje nesreče: Windscale (Združeno kraljestvo) 1957, Majak (ZSSR) 1957, Three Mile Island (ZDA) 1979, Černobil (ZSSR) 1986 in Fukušima (Japonska) 2011. Zaskrbljenost zaradi varnosti je omejila rast jedrske energije. Na svetu je približno 437 reaktorjev, ki zagotavljajo približno 5 % svetovne električne energije.

Nesreče pri reaktorjih so lahko posledica kombinacije dejavnikov: konstrukcijske pomanjkljivosti, človeških napak, napačnega vodenja, pomanjkljivega reguliranja in zunanjih dogodkov (npr. potresi, tsunamiji). Posledice so lahko lokalne ali obsežnejše izpuste radioaktivnih snovi, kontaminacija okolja, dolgoročni zdravstveni učinki ter veliki stroški sanacije in premestitev prebivalstva.

Za zmanjševanje tveganj se uporabljajo večslojni varnostni sistemi: redundanca opreme, avtomatizirani sistemi za izklop in hlajenje, zatesnjene zgradbe (containment), strogi operativni postopki in neodvisni nadzorni organi. Po resnih nesrečah se običajno spreminjajo standardi in predpisi, pridobi pa se nova znanja o obvladovanju tveganj.

Radioaktivni odpadki in upravljanje

Jedrska elektrarna ustvarja različne vrste radioaktivnih odpadkov: nizkoaktivne materiale iz vzdrževanja, srednjeaktivne in visokoaktivne odpadke, vključno z izrabljenim gorivom. Visokoaktivno izrabljeno gorivo vsebuje dolgotrajno radioaktivne elemente in zahteva posebno upravljanje.

• Izrabljeno gorivo se sprva hladi v bazenih za hlajenje (spent fuel pools), nato pa se lahko premakne v suhe zalogovne posode (dry casks) za začasno skladiščenje.
• Nekatere države izvajajo ponovno predelavo goriva (reprocessing) za ločitev urana in plutonija, kar zmanjša prostornino visokoaktivnih odpadkov, a hkrati ustvari tekoče in trdne stranske produkte, ki jih je treba varno obdelati.
• Dolgotrajna rešitev za visokoaktivne odpadke je globoko geološko odlaganje, kjer bi se odpadki shranili v stabilnih geoloških formacijah za tisoče do sto tisoč let.

Razgradnja in zapravljanje reaktorjev

Deaktivacija (decommissioning) reaktorja je dolg in drag proces, ki vključuje odvajanje radioaktivnih komponent, odstranjevanje opreme, dekontaminacijo in urejanje lokacije za prihodnjo rabo. Proces lahko traja desetletja, pri čemer so potrebna stroga varnostna in okoljska merila.

Prihodnost jedrske energije

Raziskave se usmerjajo v nove koncepte, ki naj bi izboljšali varnost, gospodarstvo in trajnost jedrske energije:

• Manjši modularni reaktorji (SMR) — prinašajo prednosti serijske proizvodnje, nižjih začetnih stroškov in možnosti postavitve bolj decentraliziranih enot.
• Gen IV reaktorji — vključujejo hitre reaktorje, reaktorje na plin ali natrij, napredne sisteme za pasivno varnost in učinkovitejšo izrabo goriva.
• Torijev cikel — obeta se alternativo uranu z manjšim nastankom določenih dolgotrajno radioaktivnih produktov.
• Nuklearna fuzija — čeprav še vedno v eksperimentalni fazi, je dolgoletni cilj za energijo z veliko energijsko gostoto in brez dolgotrajnih visokoradioaktivnih odpadkov iz cepitve.

Jedrska energija ima pomembno vlogo pri zmanjševanju emisij CO2 v energetskem sektorju, vendar njena širša uporaba zahteva rešitve za varno ravnanje z odpadki, zmanjšanje stroškov, izboljšanje odpornosti na nesreče in pridobitev družbene podpore.

Zaključek

Jedrski reaktorji so kompleksne naprave, ki omogočajo učinkovito proizvodnjo toplote in električne energije ter nudijo pomembne aplikacije v znanosti in medicini. Prednosti vključujejo visoko gostoto energije in nizke emisije pri obratovanju; izzivi pa so varnost, upravljanje radioaktivnih odpadkov, veliki začetni stroški in javna zaskrbljenost. Razvoj novih tehnologij in strožji varnostni standardi bodo močno vplivali na prihodnost jedrske energije v svetovnem energetskem mešanju.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je jedrski reaktor?

V: Kako jedrski reaktor proizvaja električno energijo?

V: Za katere druge namene služijo nekateri reaktorji?

V: Kdo je zgradil prvi jedrski reaktor?

V: Kdaj je bil prvi jedrski reaktor uporabljen za proizvodnjo električne energije?

V: Zakaj je njihova gradnja draga?

V: Kakšne težave se pojavljajo pri njihovi uporabi?

Išči po črki