πυρηνικός αντιδραστήρας

Συσκευή η οποία επιτρέπει την ελεγχόμενη εξέλιξη μιας αλυσιδωτής πυρηνικής αντίδρασης, κατά την οποία πραγματοποιείται σχάση του ουρανίου ή άλλων σχάσιμων στοιχείων, με αποτέλεσμα παραγωγή ενεργείας (πυρήνας ατομικός) και ενός μεγάλου αριθμού νετρονίων. Η ενέργεια που παράγεται από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα μπορεί να εφαρμοστεί κατευθείαν ως θερμότητα ή να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα νετρόνια χρησιμοποιούνται είτε για την παραγωγή τεχνητών ραδιενεργών ισοτόπων είτε για πειραματικούς σκοπούς. Τα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν χάρη στη στήλη του Φέρμι, αν και αρχικά χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για πολεμικούς σκοπούς (ατομική βόμβα), αποδείχτηκαν πολύτιμα για τη μελέτη και κατασκευή π. α. Για ορισμένα χρόνια εξακολούθησαν να ονομάζουν στήλες όλες τις διατάξεις για την ελεγχόμενη παραγωγή της ενέργειας που προκύπτει από τη σχάση· μετά προτιμήθηκε οι διατάξεις αυτές να ονομάζονται αντιδραστήρες, ενώ το αρχικό όνομα διατηρήθηκε στη συσκευή που κατασκευάστηκε από τον Φέρμι, η οποία ήταν μια στήλη με την κυρίως έννοια της λέξης· η διάταξη αυτή προέκυπτε από την υπέρθεση τμημάτων γραφίτη και ουρανίου. Στη στήλη του Φέρμι και στους νεότερους π.α., η παραγόμενη ενέργεια από τη σχάση εμφανίζεται με τη μορφή της θερμότητας, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να θέσει σε κίνηση θερμικές μηχανές (στροβίλους ηλεκτροπαραγωγών σταθμών, ναυτικούς κινητήρες). Επειδή παρουσιάζει κάποια αναλογία με τα κλασικά καύσιμα, το σχάσιμο υλικό που προκαλεί αντιδράσεις οι οποίες απελευθερώνουν ενέργεια, ονομάζεται γενικά πυρηνικό καύσιμο. Το θεμελιώδες πρόβλημα για την ειρηνική χρήση της πυρηνικής ενέργειας συνίσταται στην περισυλλογή της θερμικής ενέργειας στο εξωτερικό μέρος του αντιδραστήρα, με απομάκρυνση του κινδύνου ραδιενεργής μόλυνσης· εξάλλου, η θερμοκρασία στο εσωτερικό του αντιδραστήρα πρέπει να είναι πολύ υψηλή, ώστε να εξασφαλίζει καλή λειτουργία και καλή απόδοση στη χρήση της παραγόμενης θερμότητας. Οι προσπάθειες, να επιλυθούν κατά ικανοποιητικό τρόπο τα προβλήματα της ασφάλειας και της υψηλής απόδοσης των εγκαταστάσεων οδήγησαν στην κατασκευή διαφορετικών τύπων αντιδραστήρων ως προς το σχάσιμο υλικό και την κατασκευή του κεντρικού τμήματος (πυρήνα), όπου πραγματοποιείται η αντίδραση, ως προς την επιλογή των επιβραδυντών και του συστήματος εναλλαγής της θερμότητας. Όσον αφορά στα πυρηνικά καύσιμα, χρησιμοποιείται φυσικό ουράνιο, εμπλουτισμένο ουράνιο (που λαμβάνεται με την πρόσθεση ουρανίου 235 στο φυσικό ουράνιο), σε μορφή μεταλλική ή οξειδίου, το πλουτώνιο μόνο του ή σε κράμα με το ουράνιο. Ως επιβραδυντές χρησιμοποιούνται, εκτός από τον γραφίτη, το κανονικό ύδωρ, το βαρύ ύδωρ, το βηρύλλιο και οργανικά υλικά. Οι επιβραδυντές είναι αναγκαίοι μόνο στους θερμικούς αντιδραστήρες, και όχι στους ταχείς, για να επιβραδύνουν τα νετρόνια (νετρόνια βραδέα ή θερμικά), αυξάνοντας την πιθανότητα των αντιδράσεων σχάσης με σύγκρουση. Το ψυκτικό μέσο, που διατηρεί τη θερμοκρασία του αντιδραστήρα σε σταθερά όρια και απάγει τη θερμότητα στον εξωτερικό χώρο, μπορεί να είναι ένα αέριο (π.χ. αέρας, διοξείδιο του άνθρακα), ύδωρ ή βαρύ ύδωρ ή ένα τετηγμένο μέταλλο (νάτριο, κράματα νατρίου-καλίου, βισμούθιο) ή ρευστές οργανικές ενώσεις (φαινόλη). Μερικές φορές, το ίδιο ρευστό χρησιμοποιείται ως επιβραδυντής και ως ψυκτικό. Για τον ανακλαστήρα (είδος κατόπτρου, που περιβάλλει τον πυρήνα της συσκευής και χρησιμεύει για να επιστρέφει τα νετρόνια που ξεφεύγουν από τον αντιδραστήρα) χρησιμοποιούνται υλικά με χαμηλή πιθανότητα νετρονικής σύγκρουσης, όπως το βηρύλλιο, ο σίδηρος, ο μόλυβδος κλπ. Το ίδιο υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως ανακλαστήρας και ως επιβραδυντής. Ως προς τη δομή τους, οι αντιδραστήρες μπορούν να διακριθούν σε ομογενείς και ετερογενείς: στους πρώτους το καύσιμο και ο επιβραδυντής βρίσκονται στην ίδια φάση (για παράδειγμα, το καύσιμο είναι ένα διαλυμένο άλας ουρανίου σε νερό και ο επιβραδυντής είναι το νερό)· στους δεύτερους, το καύσιμο και ο επιβραδυντής βρίσκονται σε διάφορες φάσεις (για παράδειγμα, το καύσιμο αποτελείται από ράβδους ουρανίου με κατάλληλο σχήμα βυθισμένες σε νερό, το οποίο ενεργεί ως επιβραδυντής). Γενικά, όποια και αν είναι τα χαρακτηριστικά του αντιδραστήρα, το σχήμα λειτουργίας του είναι το εξής: στον πυρήνα της συσκευής, η αντίδραση της σχάσης παράγει ενέργεια θερμική, η οποία θερμαίνει το ψυκτικό ρευστό, καθώς αυτό κυκλοφορεί σε ένα σύστημα σωλήνων. Για να αποφευχθούν οι ραδιενεργοί μολύνσεις, το ψυκτικό ρευστό πρέπει να είναι αυστηρά χωρισμένο από τα ενεργά τμήματα του αντιδραστήρα· η θερμότητα συλλέγεται από το ψυκτικό και παράγει τον αναγκαίο ατμό για τη λειτουργία ενός στροβίλου, ο οποίος μπορεί να θέσει σε κίνηση μια ηλεκτρική γεννήτρια ή την έλικα ενός πλοίου. Ένας ιδιαίτερα ενδιαφέρων τύπος αντιδραστήρα είναι ο λεγόμενος μπρίντερ (breeder) ή αναπαραγωγικός. Σε αυτόν, ένα μέρος των νετρονίων που παράγονται κατά τη σχάση χρησιμοποιείται για να μετατρέψει σε σχάσιμους πυρήνες αυτούς οι οποίοι δεν είναι· ιδιαίτερα το ουράνιο 238 μπορεί να μετασχηματιστεί σε πλουτώνιο και το θόριο σε ουράνιο 233 (το ουράνιο 238 και το θόριο λέγονται επωάσιμα υλικά). Στους κυρίως αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες, για κάθε πυρήνα ο οποίος υφίσταται σχάση παράγεται ένας ή περισσότεροι πυρήνες πλουτωνίου ή ουρανίου 233. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι κατά τη διαδικασία της αναπαραγωγής δεν προκύπτει ενέργεια μεγαλύτερη από αυτήν που καταναλώνεται, αλλά απλώς γίνεται χρησιμοποιήσιμη η ενέργεια των πυρήνων του ουρανίου 238 και του θορίου, οι οποίοι μετατρέπονται σε σχάσιμα υλικά. Η αναπαραγωγή του ουρανίου 238 είναι δυνατή με ταχέα νετρόνια, αλλά όχι με τα αργά νετρόνια, τα οποία χρησιμοποιούνται συνήθως. Με αυτά η απόδοση σε πλουτώνιο προκύπτει μικρότερη της μονάδας. Οι αντιδραστήρες που μετατρέπουν ένα επωάσιμο υλικό σε σχάσιμο (πλουτώνιο, ουράνιο 233), με λόγο μικρότερο προς τη μονάδα, λέγονται μετατροπείς και σε πολλές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται ως αντιδραστήρες ισχύος (δηλαδή είναι αντιδραστήρες με διπλό σκοπό). Η αιτία που ώθησε στη χρήση των ενδιάμεσων αντιδραστήρων για την παραγωγή του πλουτωνίου (πλουτωνιοπαραγωγοί αντιδραστήρες) είναι η μεγαλύτερη ευκολία του χημικού διαχωρισμού του πλουτωνίου σε σχέση με τον διαχωρισμό των διαφόρων ισοτόπων του ουρανίου. Η υψηλή τοξικότητα του πλουτωνίου περιορίζει παρ’ όλα αυτά τη χρήση του αποκλειστικά σε πολεμικούς σκοπούς. Μεγαλύτερο ενδιαφέρον, από την άποψη της παραγωγής ενέργειας παρουσιάζει η μετατροπή θορίου σε ουράνιο 233, για την οποία ερευνώνται μέθοδοι με οικονομικά πλεονεκτήματα. Οι δυνατοί τύποι αντιδραστήρων είναι πολυάριθμοι, και σε όλο τον κόσμο εξελίσσεται μια εργασία πειραματισμού για την έρευνα των πιο αποδοτικών λύσεων από τεχνικής και οικονομικής άποψης. Τοποθέτηση στοιχείων ελέγχου στον αντιδραστήρα πυρηνικού εργοστασίου στην Τσεχία (φωτ. ΑΠΕ). Το ψυκτικό υγρό εισέρχεται στον πυρήνα του αντιδραστήρα στη θερμοκρασία Τin και βγαίνει με υψηλότερη θερμοκρασία Tus.To ίδιο άλμα θερμοκρασίας, αλλά με αντίστροφη έννοια, στο πρωτεύον τμήμα του συστήματος παραγωγής ατμού. Στο δευτερεύον τμήμα του, παράγεται μια ροή Ws ατμού υψηλής πίεσης, η οποία αποστέλλεται σ’ ένα στρόβιλο, ο οποίος προκαλεί την κίνηση της γεννήτριας του ρεύματος. 0 ατμός, με χαμήλη πίεση στην έξοδο του στροβίλου, συμπυκνώνεται και μετά μια αντλία επανακυκλοφορίας τον μεταφέρει στη γεννήτρια ατμού. 0 συμπιεστής, ο οποίος αποτελείται από μια μάζα νερού στη θερμοκρασία κορεσμού σε ισορροπία με μια μάζα ατμών, περιορίζει τις μεταβολές της πίεσης του ψυκτικού ρευστού, οι οποίες οφείλονται στη μεταβολή της θερμοκρασίας.