Prva i osnovna stvar prije nego li uopće objašnjavati procesa u nuklearki koju moramo objasniti jesu pojmovi moderiranje i hlađenje. Reakcija fisije je po samoj prirodi lančani proces i u reaktoru se ostvaruje bombardiranjem urana neutronima. Kako bismo zadržali kontrolu nad reakcijom potrebno ju je moderirati i tu nam uskaču materijali kao što su voda, teška voda ili materijali koji sadrže veliku količinu ugljika koji usporavaju neutrone te materijali poput bora (borna kiselina) ili kadmija (od kojeg se rade kontrolne šipke - control rods) koji upijaju neutrone i tako smanjuju izloženost urana bombardiranju.

Isto tako, proces fisije proizvodi velike količine topline, tako da se za hlađenje koristi voda, kod kanadaskog (CANDU) tipa reaktora teška voda (koja ujedno i moderira reakciju), a postoji koncept i plinom hlađenih reaktora. Kod takozvanih oplodnih reaktora koji rade kod vrlo visokih temperatura reakcija se hladi i tekućim metalima (npr. natrij). Najčešće korišteni komercijalni reaktori u svijetu, čije ću funkcioniranje objasniti ovdje, hlade se običnom vodom.

Naizgled jednostavan koncept nuklearnog reaktora

Dakle, prvo na slici potražimo reaktor koji se nalazi lijevo na slici u reaktorskoj posudi (reactor vessel), a cijela stvar se nalazi u betonskoj zaštitnoj zgradi zvanoj kontejnment (containment structure). Ako pratimo tok vode, ona se zagrijava i pretvara u paru u reaktoru, pokreće turbinu i nakon toga dolazi u kondenzator (condenser) u kojem izmjenjuje toplinu sa pojnom vodom (koja se pumpa iz rijeke, jezera, mora ili na neki drugi način hladi reakciju) i pretvara nazad u vodu. Sljedeće što vidite, a na slici nije naznačeno jest pumpa koja vraća tu vodu nazad u reaktor gdje se ona opet grije do zasićene pare i ciklus se vrti u krug. Rečena turbina pak pokreće generator koji proizvodi električnu energiju koja se dovodi do vaših domova. Snagom reaktora upravlja se uvlačenjem ili izvlačenjem kontrolnih šipki (iako uglavnom nuklearke rade ili na punoj ili blizu pune snage ili ne rade), no kad ju želimo upaliti ili ugasiti laički rečeno izvlačimo ili uvlačimo šipke.

Ovaj ciklus je vrlo sličan ciklusu u termoelektrani, s tom razlikom da se umjesto reaktora u termoelektrani koristi parni kotao na ugljen ili plin. Ovaj koncept reaktora naziva se “boiling water reactor” ili skraćeno BWR budući da para nastaje u samom reaktoru i iako ovako djeluje jednostavan, dizajn BWR reaktora je poprilično kompliciran pa ovaj koncept nije toliko rasprostranjen. Još jedna zanimljivost jest da je voda u prvom krugu radioaktivna, tako da se nakon završetka upotrebe, zbog radioaktivnosti trebaju zbrinjavati ne samo reaktor, već i turbina i kondenzator.

Naizgled kompliciraniji, ali rasprostranjeniji tip nuklearnog reaktora

Ovdje se radi o reaktoru u dva stupnja, to jest sa dvije odvojene petlje. Zbog razdvojenosti petlji radioaktivna voda se ovdje nalazi samo u prvom krugu, tako da radijacija ne završava u turbini i kondenzatoru, za razliku od prethodnog koncepta.

• U prvoj (crvenoj), reaktorskoj petlji nalazi se voda pod visokim tlakom, koja se u reaktoru grije, ali ne ključa, tlačnik (pressurizer), generator pare (steam generator) u kojem se voda i reaktorska pumpa (nije označena, ali ju je moguće prepoznati). Dakle jednom ugrijana voda pod tlakom izmjenjuje toplinu s vodom turbinskog kruga u generatoru pare te potom ohlađena uz pomoć reaktorske pumpe opet završava. Naravno, reakcijom se opet upravlja uvlačenjem (smanjivanje snage) i izvlačenjem (povećavanje snage) šipki.

• U drugoj (plavoj), turbinskoj petlji, prepoznajemo prethodni model. Dakle, para nastaje izmjenom topline s vodom reaktorske petlje u generatoru pare koji je zajednički objema petljama, potom pokreće turbinu da bi se u kondenzatoru višak topline prelazio na pojnu vodu. Ohlađena voda opet se uz pomoć pumpe (nije označena, ali ju je lako prepoznati) ubacuje u generator pare. Naravno, turbina pokreće generator koji proizvodi električnu energiju, koja prijenosnim i distribucijskim sustavm dolazi do naših domova.

Ovaj tip reaktora, zbog vode pod tlakom u reaktorskoj petlji naziva se “pressurized water reactor” ili PWR i iako se koncept čini ovako kompliciranijim, izvedba samog reaktora nešto je jednostavnija, pa je ovaj koncept najrasprostranjeniji među svih 440-ak nuklearnih reaktora koji trenutno rade na svijetu, a takvog PWR tipa je i polu-naše Krško.

Drugi koncepti izgradnje reaktora…

Oba tipa reaktora inače su američki koncepti, no sovjetski/ruski RBMK (Černobil) i VVER (Mochovce, Bohunice, Páks…), novi europski EPR (koji se gradi u Finskoj), stari engleski plinom hlađeni reaktori, te svi ostali, osim kanadskog CANDU koncepta su, laički gledano, uglavnom varijacija na temu.

Sve u svemu, nije to baš neka nuklearna fizika, zar ne? :-))

Resursi

• U.S. Nuclear Regulatory Comission - Nuclear Reactors (most illustrations from this site)

Povezani članci

• Renesansa nuklearne energetike… u novom Planu B!
• Produljen vijek rada NE Páks do 2032., no Mađari trebaju još nuklearki…
• Nuklearci na putovanju: NE Mochovce - Bratislava - Beč
• Povodom ratifikacije protokola iz Kyota, poklanjam linkove…
• Misle li oni stvarno još za ove vlasti ratificirati Kyoto protokol?!
• Hoćemo li graditi nuklearku? - 11.01.2008. u 16:45 na Radiju 101.