Kodolreaktors

Lēno neitronu heterogēnā kodolreaktora shematisks attēls
1 — vadības stienis;
2 — bioloģiskā aizsardzība;
3 — siltumaizsardzība;
4 — neitronu palēninātājs;
5 — kodoldegviela;
6 — siltumnesējs.

Kodolreaktors jeb atomreaktors ir iekārta, kurā norisinās vadāma kodolu dalīšanās ķēdes reakcija. Kā kodoldegvielu izmanto materiālu, kurš satur urāna vai plutonija izotopus. Kodolreaktorus izmanto pētnieciskām vajadzībām vai arī enerģijas iegūšanai (sk. atomelektrostacija). Kodolreaktorā sākas kodolreakcijas, ja aktīvajā zonā novietotās kodoldegvielas daudzums pārsniedz kritisko masu.

Kodolreaktorus iedala pēc izmantotās kodoldegvielas, pēc kodolreakciju izraisīšanā izmantojamo neitronu enerģijas (kodoltermiskais, lēno neitronu, ātro neitronu kodolreaktors), neitronu palēninātāja (ūdens, grafīts, berilijs, citi) un siltumnesēja (ūdens, gāze, šķidrie metāli, un citi).

Latvijā Salaspilī 1961.—1998. gadā darbojās Latvijas Zinātņu akadēmijas Fizikas institūta atomreaktors, kā arī nulles jaudas kodolreaktors — Rīgas kritiskais stends.

Darbība

Kodolreaktora darbības princips ir līdzīgs kā citos enerģijas ieguves avotos — tiek ģenerēts siltums, kas silda ūdeni vai kādu citu siltumnesēju. Tas tiek pārvērsts tvaikā, kas savukārt griež turbīnu, kas ģenerē elektrību.

Kodolu dalīšanās

Lai notiktu kodolu dalīšanās reakcija, ir nepieciešams skaldmateriāls, kā piemēram urāns-235 vai plutonijs-239. Šiem izotopiem absorbējot neitronus, notiek kodoldalīšanās reakcija, kuras rezultātā kodols sabrūk par vieglākiem kodoliem un atsevišķiem neitroniem. Kodoldalīšanās reakcijā, kurā sadalās urāns-235, tas sadalās, piemēram, kriptonā-92 un bārijā-141, kā arī tiek izstaroti 3 neitroni. Aprēķinot kopējo dalīšanās produktu masu, iegūst, ka sākuma masa ir lielāka par produktu summāro masu. To sauc par masas defektu. Alberts Einšteins izstrādāja formulu E=mc², pierādot, ka šī iztrūkstošā masa ir pārvērsta enerģijā, galvenokārt kinētiskajā enerģijā, kas piemīt procesā iegūtajiem neitroniem un dalīšanās produktiem. Salīdzinot enerģijas daudzumu, kas izdalās šādā procesā, ar ķīmiskajām reakcijām, piemēram, ogļu degšanu, var konstatēt, ka kodolreakcijās iegūst miljons reizes vairāk enerģijas uz masas vienību.

Ķēdes reakcija

Apskatot U-235 piemēru, mēs iegūstam 3 papildu neitronus katrā kodoldalīšanās aktā, tādējādi teorētiski katrs neitrons varētu sašķelt 3 citus kodolus. Bet dabā tā nenotiek. Katram atomam ir noteikta varbūtība tikt sašķeltam, ko raksturo ar kodolreakcijas efektīvo šķērsgriezumu un to mēra barnos. Šis kodolreakcijas raksturlielums nav konstants, bet ir atkarīgs no daļiņas veida un enerģijas. Tipiskā kodolreaktorā izmanto siltumneitronus, kuru enerģija ir 0,025 eV, jo pie šīs enerģijas ir relatīvi liela varbūtība izraisīt jaunas kodolreakcijas, tādējādi samazinot nepieciešamo degvielas daudzumu, lai reaktors spētu nodrošināt kontrolētu ķēdes reakciju. Atomelektrostacijās tiek strikti kontrolēts reakciju daudzums, turpretim atomieroču mērķis ir iegūt pēc iespējas vairāk reakcijas laika momentā, tādējādi radot sprādzienu. Lai nodrošinātu kontrolētu ķēdes rekciju, reaktoros izmanto neitronu palēninātājus, kā piemēram, ūdeni, grafītu vai citus materiālus.

Reaktora ar ūdeni zem spiediena degvielas stienis

Kodoldegviela

Katras atomelektrostacijas centrā atrodas kodolreaktors, kas sastāv no apvalka, degvielas stieņiem, kontroles stieņiem un palēninātāja. Kodoldegvielas stieņi parasti ir veidoti no cirkonija sakausējuma un šajos stieņos ievieto urāna oksīda tabletes. Tipiskā reaktorā ar ūdeni zem spiediena, kas ir visvairāk izmantotais reaktors pasaulē, jauns degvielas stienis sastāv no aptuveni 96,7% U-238 un 3,3% U-235. Stienis skaitās izmantots, kad U-235 daudzums ir aptuveni 0,8%.

Urāna oksīda tabletes (UO₂)

Kodolatkritumi

Izmantotā kodoldegviela ūdens baseinā

Viena no kodolindustrijas problēmām ir kodolatkritumi. Pēc tam kad kodoldegviela ir izņemta no reaktora, tā tiek ievietota ūdens baseinos. Pirmkārt tas ir nepieciešams, jo izņemtā kodoldegviela joprojām ir karsta un turpina silt, otrkārt, šī degviela joprojām ir ievērojami radioaktīva un ūdens darbojas kā labs radiācijas absorbētājs, tāpēc šim uzdevumam izmanto 20 m dziļus baseinus, kuru virspusē praktiski ir fona radiācijas līmenis.

Parastas izlietotas degvielas stienī joprojām ir 94,3% U-238, ko ir iespējams bagātināt un iegūt U-235, ko var atkal izmantot reaktorā. Tomēr daudzās pasaules vietās U-238 tiek pieskaitīts pie kodolatkritumiem, tādējādi ievērojami palielinot atkritumu daudzumu un krietni samazinot urāna izmantošanas efektivitāti. Ir iespējama šo atkritumu pārstrāde, kuras procesā atbrīvojas no radioaktīvajiem blakusproduktiem un attīra U-238 ko tālāk ir iespējams bagātināt, vai izmantot kā degvielu bagātinošajā kodolreaktorā, kā piemēram, ceturtās paaudzes šķidro sāļu reaktoros.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Kodolreaktors.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)
• Encyclopædia Universalis raksts (franciski)
• Enciklopēdijas Krugosvet raksts (krieviski)