branduolinis reaktorius

suslėgto vandens branduolinis reaktorius: 1 – valdymo strypų kreipiamosios, 2 – aktyvioji zona, 3 – reaktoriaus korpusas

branduolnis reãktorius, atòminis reãktorius, įrenginys, branduolinę energiją verčiantis šiluma arba neutronų srautu ir gama spinduliais. Svarbiausia branduolinio reaktoriaus dalis yra aktyvioji zona, kurioje vyksta branduolių dalijimosi valdomoji grandininė reakcija. Aktyviąją zoną gaubia neutronų atšvaitas, atspindintis dalį išlekiančių neutronų, o aktyviąją zoną kartu su atšvaitu gaubia apsauginis sluoksnis, mažinantis jonizuojančiąją spinduliuotę iki biologiškai nekenksmingos. Pagal branduolius dalijančių neutronų energiją skiriami lėtųjų (šiluminių) neutronų (apie 0,025 eV energijos), tarpinių (keliolikos keV) ir greitųjų (daugiau kaip 100 keV) neutronų branduoliniai reaktoriai. Lėtųjų ir tarpinių neutronų reaktoriuose neutronai lėtinami neutronų lėtikliu – lengvųjų branduolių terpe; greitųjų neutronų branduoliniai reaktoriai lėtiklio neturi. Veikiant branduoliniam reaktoriui didžioji branduolių dalijimosi energijos dalis virsta šiluma, kurią perima aktyviąją zoną aušinantis šilumnešis, pvz., vanduo. Šilumnešis dažnai būna ir neutronų lėtiklis.

Pagal branduolinio kuro ir lėtiklio pasiskirstymą aktyviojoje zonoje skiriami homogeniniai (branduolinis kuras ir lėtiklis sudaro vienalytį mišinį) ir heterogeniniai (lėtiklis yra tarp branduolinio kuro blokų) reaktoriai.

Branduolinio kuro blokas kartu su jį gaubiančiu apvalkalu vadinamas šiluminiu elementu. Pagal konstrukciją skiriami korpusiniai, kanaliniai ir baseininiai branduoliniai reaktoriai. Korpusinis branduolinis reaktorius turi storasienį nerūdijančio plieno arba iš anksto įtempto gelžbetonio korpusą. Jis išlaiko didelį šilumnešio slėgį (7–8 MPa) – tai suslėgtojo vandens branduolinis reaktorius. Kanaliniai branduoliniai reaktoriai tokio tvirto korpuso neturi. Juose suslėgtas šilumnešis teka lėtiklyje esančiais technologiniais kanalais. Baseininio branduolinio reaktoriaus aktyvioji zona įrengta vandens baseine. Branduolinis reaktorius, kurio šilumnešio temperatūra daugiau kaip 700 °C, vadinamas aukštos temperatūros reaktoriumi. Grafito-dujų reaktoriaus lėtiklis yra grafitas, o šilumnešis – dujos. Grafito-vandens reaktoriaus lėtiklis yra grafitas, o šilumnešis vanduo.

branduolinio reaktoriaus patalpa

Organinio reaktoriaus šilumnešis yra organinė medžiaga. Sunkiojo vandens reaktoriaus lėtiklis yra sunkusis vanduo. Verdančiojo vandens reaktoriuje aktyviąją zoną aušina verdantis vanduo. Svarbiausias branduolinio reaktoriaus rodiklis yra jo šiluminė galia. 1 MW šiluminė galia atitinka reakciją, kurios metu per 1 s įvyksta apie 3·10¹⁶ dalijimųsi. Brandulinio reaktoriaus aktyviosios zonos būsena apibūdinama efektyviuoju neutronų daugėjimo koeficientu k_ef arba reaktyvumu ρ = (k_ef – 1) / k_ef. Kai k_ef > 1 (reaktyvumas ρ > 0), grandininė reakcija ilgainiui stiprėja, galia didėja. Kai k_ef < 1 (reaktyvumas ρ < 0), grandininė reakcija ilgainiui silpnėja, galia mažėja. Kai k_ef = 1 (ρ = 0), tai grandininės reakcijos greitis ilgainiui nekinta, galia pastovi, režimas stacionarus. Branduolinio reaktoriaus galia keičiama keičiant k_ef. Jis priklauso nuo neutronų atsiradimo, sugerties, nuotėkio iš aktyviosios zonos ir branduolių dalijimosi greičio. Neutronų atsiradimo greitis keičiamas sodrinant branduolinį kurą, keičiant lėtiklio lengvųjų branduolių koncentraciją arba sudėtį. Neutronų sugėrimo ir branduolių dalijimosi greitis keičiamas į aktyviąją zoną įkišant arba iš jos ištraukiant specialius įtaisus – judamuosius strypus ar kasetes su intensyviai neutronus sugeriančia medžiaga (B, Cd, Eu) – neutronų sugėriklį, t. p. keičiant šilumnešio sudėtį. Neutronų nutekėjimo iš aktyviosios zonos greitis keičiamas keičiant neutronų atšvaito storį ar efektyvųjį plotą. Mažiausias branduolinio kuro kiekis ir mažiausi aktyviosios zonos matmenys, kuriems esant galima grandininė branduolių dalijimosi reakcija, vadinami kritine mase ir kritiniu tūriu. Pvz., urano ²³⁵U kritinė masė yra 0,8 kg, plutonio ²³⁹Pu – 0,5 kg, kalifornio ²⁵¹Cf – 10 g. Neutronų nuotėkiui sumažinti iš aktyviosios zonos, ji gaminama cilindro, kurio aukštis beveik lygus skersmeniui, arba kubo formos.

Pirmasis branduolinis reaktorius paleistas 1942 Čikagos universiteto stadione. Ignalinos atominėje elektrinėje (uždaryta 2010) veikė kanaliniai lėtųjų neutronų verdančiojo vandens reaktoriai. Jie buvo galingiausi pasaulyje, vieno bloko elektrinė galia 1500 MW.

1430