Elektrownie atomowe

Rozwój techniki w drugiej połowie XIX wieku i powstanie ogromnej ilości urządzeń elektrycznych wymusił rozwój elektrowni, których zadaniem jest dostarczać prąd elektryczny do poszczególnych odbiorców. Elektrownie mogą pobierać energię potrzebną do wytworzenia prądu z różnych źródeł. Mogą być to elektrownie cieplne, które ciepło wytworzone podczas spalania paliw kopalnych zamieniają na energię prądu; mogą być wiatrowe, słoneczne, geotermalne itd. W latach czterdziestych w związku z powstaniem pierwszych reaktorów powstał nowy typ elektrowni - elektrownie jądrowe. W elektrowni jądrowej enegię uzyskujemy nie ze spalania paliw kopalnych, lecz z rozszczepiania jąder atomowych. Kocioł zostaje tu zastąpiony reaktorem jądrowym, czyli urządzeniem, w którym wytwarzana jest energia jądrowa. W reaktorze przebiega kontrolowana reakcja łańcuchowa, podczas której rozszczepiane jest tyle jąder, ile potrzeba do wytworzenia energii elektrycznej.
Reaktor wodny wrzący
W reaktorze wodnym wrzącym zamieniamy wodę w parę za pomocą energii jądrowej. Następuje to w zbiorniku ciśnieniowym reaktora. Para pod ciśnieniem około 7MPa napędza turbinę, która dostarcza generatorowi energii potrzebną do wytworzenia prądu. We wspomnianym zbiorniku ciśnieniowym reaktora, który w omawianym przykładzie posiada ścianki o grubości 16 cm, znajduje się rdzeń reaktora, przez który przepływa woda doprowadzana do wrzenia. Rdzeń reaktora składa się z około 800 elementów paliwowych. Każdy element paliwowy znajduje się w blaszanym pojemniku, do którego woda dostaje sie przez otwór w spodzie. Woda wypełnia pojemnik i styka się z 64 prętami paliwowymi, czyli prętami wykonanymi np. z rozszczepialnego uranu. Pręty składają się zazwyczaj ze wzbogaconego uranu w postaci dwutlenku uranu (UO2). Podczas rozszczepiania jąder uranu wydziela się duża ilość energii, którą w formie ciepła odbiera woda chłodząca (chłodziwo). Woda służy też jednocześnie jako moderator (hamuje więc do tego stopnia prędkie neutrony, powstałe podczas każdego rozszczepienia jądra, że same mogą powodować dalsze rozszczepienia). Gdyby wszystkie powstałe w tej reakcji neutrony przyczyniały się do dalszego rozszczepiania, reaktor wyszedłby spod kontroli i wytwarzałby za dużo energii - stałby się wybuchającą bombą atomową. Aby temu zapobiec, każdy reaktor zawiera takie materiały, jak bor lub kadm, które absorbują (pochłaniają) neutrony, w takim stopniu, aby reakcja nie wymknęła się spod kontroli, ale też by nie \"zgasła\". Neutrony pochłaniane są przez wspomniane materiały, które tworzą pręty sterujące, które są wsuwane do reaktora mniej lub bardzej głęboko - w zależności od potrzeb. Bardziej wysunięte to mniejsze pochłanianie i większa ilość rozszczepień. Mniej wysunięte to spowolniona reakcja. Wsuwaniem i wysuwaniem prętów łatwo można kontrolować reakcję, a w razie potrzeby zadusić. Pręty, ze względu na znaczną szybkość reakcji jądrowych i konieczność jeszcze szybszego reagowania, posiadają sterowanie automatyczne. Podczas pierwszego uruchomienia reaktora trzeba dostarczyć neutronów z zewnętrznego źródła. Po chwilowym zatrzymaniu reakcji nie jest to konieczne. Elementy paliwowe dostarczają wtedy dostatecznej ilości neutrnów, aby uruchomić reakcję jądrową przez wysunięcie prętów sterujących.
Reaktor wodny ciśnieniowy
W reaktorze wodnym ciśnieniowym woda stykająca się z rdzeniem reaktora nie gotuje się. Unie możliwia jej to ogromne ciśnienie - rzędu 15 MPa. Woda ta krąży w obiegu pierwotnym i w odpowiedniej wytwornicy pary ogrzewa wodę obiegu wtórnego, a zatem nie styka się z nią bezpośrednio. Woda obiegu pierwotnego schładza się przy tym z 330C do 290C. Podczas gdy woda obiegu wtórnego wrze i wytworzoną parą napędza turbinę i generator, to woda obiegu pierwotnego, ciągle w stanie ciekłym, jest pompowana do rdzenia, gdzie ponownie ogrzewa się do 330C. Odpowiedni regulator ciśnienia zapewni stałe ciśnienie tej wody. Typowy reaktor wodny ciśnieniowy o mocy 1300 MW ma rdzeń zawierający około 200 elementów paliwowych po 300 prętów paliwowych każdy. Sterowanie reaktorem odbywa się z jednej strony przez zmianę stężenia roztworu boru (pochłaniającego neutrony) w wodzie obiegu pierwotnego, z drugiej strony zaś przez pręty regulacyjne, zawierające kadm, które, jak już poprzednio jest wspomniane, można wsuwać i wysuwać. Woda także jest tu spowalniaczem. Gdy reaktor nadmiermie się nagrzewa, to gęstość wody maleje. Tym samym prędkie neutrony są słabiej wyhamowywane, liczba rozszczepień dostarczających energii maleje i cały układ się ochładza. Reaktor taki, podobnie jak i wrzący, nosi nazwę lekkiego ponieważ stosuje się w nim \"zwykłą\" wodę, a nie \"ciężką\".
Reaktor powielający
Jądra U-238 mogą wchłaniać neutrony, przemieniając się przy tym w jądra plutonu, które można łatwo rozszczepić i wykorzystać do produkcji energii. Reaktor powielając wykorzystuje tą własność. Jako materiał rozszczepialny jest w nim stosowany Pu-239, który podczas rozpadu produkuje 2 lub 3 neutrony. Jeden z nich jest potrzebny do podtrzymania reakcji łańcuchowej, podczas gdy pozostałe są przekazywane do jąder U-238, które przemieniają się w Pu-239. Tak powstaje nowe paliwo. Reaktor wytwarza w ten sposób nowe paliwo. W optymalnym przypadku może wytworzyć nawet więcej paliwa niż sam zużył. Ten proces zachodzi także w innnych typach reaktorów, ale w marginalnych ilościach. Zasoby U-238 są znaczne, więc powszechnie uważa się, że w przyszłości takie reaktory odegrają duża role w wytwarzaniu energii. Technika ta, dzięki wykorzystywaniu nierozszczepialnego U-238, jest sześćdziesięciokrotnie bardziej wydajna od tradycyjnej uranowej. Przemiana U-238 w Pu przebiega lepiej z neutronami prędkimi niż wolnymi. W reaktorze prędkim powielającym wykorzystuje się właśnie te prędkie neutrony do procesu powielania. Przy małej zawartości plutonu proces przebiegiałby ze zbyt małą wydajnością, stąd w owych reakcjach elementy paliwowe zajmują 20-30% plutonu i 70-80 % U-238. Jest prawie 10-krotnie więcej materiału rozszczepialnego niż we wcześniejszych typach reaktorów, więc istnieje wiele niebezpieczeństw i trudności technicznych związanych z budową i eksploatacją takich siłowni. Reaktor składa się z elementów paliwowych, w których wytwarzana jest energia oraz z elementów powielających, gdzie powstaje nowe paliwo. Z powodu obecności dużej ilości materiału rozszczepialnego wytwarzanie ciepła w elementach paliwowych jest bardziej intensywne. Dlatego ochładza się taki reaktor ciekłym sodem, który dobrze przewodzi ciepło, ale w przeciwieństwie do wody słabo hamuje neutrony. Są więc one ciągle prędkie. Obieg pierwotny ciekłego sodu ogrzewa ciekły sód w obiegu wtórnym. Ten doprowadza do wrzenia, a wytworzona para napędza urządzenia produkujące prąd.
Reaktor wysokotemperaturowy

Reaktor taki zużywa jako urowiec energetyczny obok uranu także tor-232, który w trakcie pracy reaktora pochłania neutrony i przemienia się z rozszczepialny U-233. Stosowane paliwo ma postać drobnych granulek, które następnie zasklepia się w kulach grafitowych wielkości piłki tenisowej. Grafit służy jako moderator hamujący neutrony. Wytworzone w reaktorze ciepło podgrzewa gaz - na przykład obojętny chemicznie hel - do około 900C. Gaz ten z kolei odparowywuje wodę, która napędza turbinę. Reaktor taki posiada wysoką sprawność.
Reaktor niejednorodny ze spowalniaczem stałym
Procesy reakcji jądrowych przeprowadza się w tzw. reaktorach jądrowych. Paliwem do reaktorów jądrowych są pręty, ruru, blachy uranowe lub plutonowe (92233U, 92235U, 94239Pu). Paliwo jądrowe w takich reaktorach rozmieszczone jest w masie ciekłego (np. wody lub ciężkiej) wody lub stałego spowalniacza, tworząc rdzeń lub strefę aktywną reaktora. Gdy paliwo tworzy ze spowalniaczem niejednorodną masę, wtedy taki reaktor nazywamy niejednorodnym (heterogenicznym). Rdzeń otoczony jest warstwą materiału odbijającego neutrony - tzw. zwierciadłem lub neutronem. Jako zwierciadło może służyć grafit, woda, woda ciężka, BeO). Zadaniem zwieciadła jest zmniejszenie masy paliwa jądrowego do wartości mniejszej od masy krytycznej, która byłaby potrzebna w reaktorze bez zwierciadła. Osłona wykonana z betonu ma chronić obsługę przed szkodliwym promieniowaniem. Ciepło wytwarzane w reaktorze jest odprowadzane za pośrednictwem cieczy chłodzącej (ciało ogrzewane w reaktorze to chłodziwo). Aby zapobiec przedostawania się produktów rozszczepiania do chłodziwa pręty paliwowe są umieszczone w osłonie wykonananej z materiałów możliwie jak najmniej pochłaniającej neutrony (magnez, cyrkon i stopy). Chłodziwo oddaje ciepło w wymienniku ciepła innej łatwo wrzącej substancji. Chłodziwem może być woda, powietrze, dwutlenek węgla, oraz ciekłe metale (sód, rzadziej potas i ich stopy). Do pompowania ciekłych metali stosowane są pompy elektromagnetyczne, działające na zasadzie oddziaływania magnetycznego na ciekły metal, przez który płynie prąd elektryczny. Zaletą tych pomp jest to, że nie posiadają częściruchomych, podatnych na uszkodzenia. Do kierowania pracą reaktora służą pręty sterujące. Są one wykonane z metali o dużym przekroju czynnym ( silnie pochłaniające neutrony), np. kadmu, baru lub hafnu. Mogą być wsuwane do wnętzra reaktora lub wysuwane. Gdy pręty są wsunięte, to wówczas na wskutek silnego pochłaniania neutronów reakcja zostaje zahamowana. Im bardziej są wysunięte tym szybsza i gwałtowniejsza reakcja jądrowa. Reakcje jądrowe zachodzą bardzo szybko, więc potrzebna jest automatyczna regulacja wysunięcia prętów w zależności od liczby powstałych neutronów. W każdym reaktorze są kanały do wytwarzania izotopów promieniotwórczych. W reaktorach, których głównym zadaniem jest wytwarzanie energii jest to uboczny produkt, ale niektóre reaktory (np. polskie Świerk i Ewa), służą głównie do tego.
Reaktor jednorodny
W tym przypadku rdzeń reaktora jest wypełniony roztworem wodnym jakiegoś pierwiastka, będącego paliwem jądrowym, np siarczanu uranylu UO2SO4, lub inną cieczą, a nawey proszkiem. Zaletami takiego reaktora uniknięcie trudnej i kosztownej produkcji prętów paliwowych i kłopotów związanych z wymianą prętów. We wszystkich tych reaktorach występują dwa obiehi, co ma chronić obsługę reaktora przed promieniowaniem: pierwotny-przechodzący przez reaktor i wtórny z turbiną parową