Klasifikace jaderných reaktorů

Podle základního jaderného procesu, který probíhá v jaderném zařízení, lze jaderné reaktory rozdělit na dvě základní skupiny:

l. štěpné jaderné reaktory,

2. termojaderné reaktory.

Do první skupiny zahrnujeme jaderné reaktory, ve kterých základním jaderným procesem je štěpení těžkých jader neutrony v tzv. štěpné řetězové reakci. Do druhé skupiny zařazujeme jaderné reaktory, které pracují na principu termojaderné (termonukleární) syntézy lehkých jader. Další skupinu tvoří hybridní reaktory.

Na rozdíl od termojaderných reaktorů, jsou dnes štěpné jaderné reaktory jak po fyzikální, tak i technické stránce vyřešeným problémem. Od r. 1942, kdy v laboratoři Chicagské univerzity dosáhl pod vedením profesora E. Fermiho kritického stavu první jaderný reaktor, došlo k velmi rychlému vývoji jaderných reaktorů. Důkazem toho je skutečnost, že během posledních šedesáti dvou let byly ve světě uvedeny do provozu stovky experimentálních a energetických reaktorů.

Štěpné jaderné reaktory můžeme třídit podle různých hledisek. Mezi nejdůležitější hlediska patří:

1) průměrná energie neutronů při štěpení,

2) konzistence a koncentrace jaderného paliva,

3) druh moderátoru,

4) geometrické uspořádání paliva a moderátoru v aktivní zóně,

5) druh chladiva v aktivní zóně.

Jiné hledisko, které není svázáno s vnitřní strukturou jaderného reaktoru, je hledisko účelové. Je to hledisko univerzálnější, protože vychází z poslání reaktoru (např. reaktor experimentální, energetický a pod.).

Rozebereme nyní podrobněji jednotlivá hlediska.

ad 1) Podle průměrné energie neutronů při štěpení dělíme reaktory obvykle na tři typy:

a) tepelné,

b) střední,

c) rychlé.

Tepelné reaktory (někdy také nazývané reaktory pomalé) pracují s neutrony zpomalenými na energii, která je srovnatelná s energií molekul prostředí, tj. E_n~0,025 eV.

Poznámka:
V atomové a jaderné fyzice se energie neměří v joulech (J), ale elektronvoltech (eV). 1 eV je energie, kterou získá elektron, projde-li mezi dvěma místy elektrického pole s napětím 1 V. Většími jednotkami jsou kiloelektronvolt (1 keV = 1 000 eV) a megaelektronvolt (1 MeV = 1 000 000 eV).
Platí převodní vztah 1 eV = 1,6.10^-19 J.

V reaktorech se středními neutrony je štěpení vyvolávané z největší částí neutrony s energií kolem 10² eV. V rychlých reaktorech dochází ke štěpení paliva neutrony s energií blízkou energii štěpení, tj. E_n > 10⁵ eV. Často se setkáváme také s pojmem epitermální reaktory. Jsou to reaktory, ve kterých je štěpení vyvolávané převážně neutrony se střední energií kolem 1 eV. Na obr.1.1 je znázorněno relativní energetické rozložení neutronů vyvolávajících štěpení pro uvedené tři typy reaktorů.

Obr. 1.1 Energetické spektrum (tepelných, středních a rychlých) neutronů vyvolávajících štěpení v reaktorech.

.

ad 2) Podle druhého hlediska dělíme reaktory na:

a) reaktory s tuhým palivem (tyče, desky, trubky,..),

b) reaktory s tekutým palivem (suspenze, roztok).

V reaktorech se používá nejčastěji přírodního nebo obohaceného uranu. Obohacení může být nízké, asi do 5% ²³⁵U, střední nebo vysoké (nad 90% ²³⁵U). Pokud jde o chemické složení paliva, používá se nejčastěji přírodního kovového uranu, kysličníku uranu U0₂, nebo karbidu uranu UC. V perspektivních transmutačních systémech (ADTT - Accelerator driven transmutation technology) se uvažuje použít palivo ve formě roztavených fluoridových solí.

ad 3) Podle druhu moderátoru třídíme pouze tepelné reaktory a to na:

a) reaktory s tuhým moderátorem (grafit, Be, Be0, UC),

b) reaktory s kapalným moderátorem (H₂0, D₂0, organické látky).

ad 4) Podle uspořádání paliva a moderátoru v aktivní zóně (hledisko je kombinací

předcházejících dvou) dělíme reaktory na:

a) homogenní,

b) heterogenní.

Homogenní reaktory mají palivo rovnoměrně rozptýleno nebo rozpuštěno v moderátoru. Tyto reaktory se jevily na začátku vývoje jako velice perspektivní, zejména pro technickou jednoduchost, protože neobsahují palivové články, které patří k nejnáročnějším konstrukčním částem heterogenních reaktorů. V dalším vývoji však jejich přednosti převážilo veliké množství negativních vlastností jako jsou koroze, eroze, těžkosti při regulaci, usazování palivové suspenze atd. Proto se začaly stále více uplatňovat reaktory heterogenní, tj. reaktory s blokovým uspořádáním paliva.

ad 5) Podle použitého chladiva rozeznáváme reaktory chlazené:

a) plynem (C0₂, helium, vodní pára, vzduch),

b) kapalinou (H₂0, D₂0, organické látky),

c) tekutými kovy (sodík, NaK), tekutými solemi (UF₄).

Jak již bylo uvedeno, univerzálnějším hlediskem třídění jaderných reaktorů je hledisko účelové. Podle tohoto hlediska můžeme reaktory rozdělit na čtyři skupiny:

1. energetické ‑ pro výrobu tepelné nebo elektrické energie,

2. experimentální ‑ pro ověření zvolené koncepce energetických jaderných zařízení,

3. výzkumné ‑ pro experimentální práce v oblasti neutronové a reaktorové fyziky,

4. speciální ‑ např. množivé, chemické, dvojúčelové, transmutační a pod.

Jaderné reaktory, které produkují nové palivo, tzv. množivé nebo plodivé reaktory, se obvykle dělí na:

· breedery,

· konvertory.

V konvertorech se vyrábí palivo, které se liší od paliva používaného pro provoz reaktoru. V reaktorech tohoto druhu dochází k radiačnímu záchytu neutronů v jádrech ²³⁸U nebo ²³²Th a v důsledku tohoto záchytu vznikají štěpitelné materiály ²³⁹Pu nebo ²³³U. I když breedery a konvertory zajišťují pouze část štěpitelných materiálů potřebných pro provoz jaderných zařízení, přesto patří k důležitým zdrojům těchto materiálů.

Bylo by možné najít ještě další speciální hlediska pro klasifikaci jako např. reaktorová nádoba (tlaková nádoba, tlakové trubky), poloha palivových článků v aktivní zóně (horizontální, vertikální), typ reaktorové mříže (čtvercová, trojúhelníková,...) a jiné.

Z uvedeného rozboru hledisek je zřejmé, že je možné teoreticky vytvořit veliký počet kombinací. Ovšem pouze některé z nich se dají realizovat.

V další části se budeme zabývat fyzikální teorií štěpných tepelných jaderných reaktorů, které jsou ve světě zatím nejrozšířenější, a jsou v současné době základem i naší jaderné energetiky.