Kryteria klasyfikacji reaktorów jądrowych

Ze względu na zróżnicowanie cech charakteryzujących różnego rodzaju reaktory jądrowe, opartych na odmiennych koncepcjach fizykalnych konieczne jest wprowadzenia pewnej systematyki w ich podziale. Kryteriów klasyfikacji reaktorów jądrowych może być bardzo wiele. Do najważniejszych kryteriów klasyfikacji należą:

A.      Przeznaczenie

B.     Rodzaj dominującej grupy neutronów powodujących rozszczepienie

C.     Konstrukcja

D.     Eksploatacja

E.     Właściwości paliwa

F.     Rodzaj moderatora i chłodziwa

G.    System odprowadzania ciepła

Ad A. Klasyfikacja reaktorów ze względu na przeznaczenie

Ze względu na przeznaczenie reaktory można podzielić na:

• Reaktory energetyczne przeznaczone do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach komercyjnych,
• Reaktory badawcze przeznaczone do prowadzenia prac badawczych, a w szczególności badań, podczas których wykorzystuje się wiązki neutronów do badań struktury ciał stałych oraz badań materiałów i paliw jądrowych dla reaktorów energetycznych,
• Reaktory szkoleniowe przeznaczone do celów dydaktycznych (tzw. reaktory uniwersyteckie),
• Reaktory wytwórcze przeznaczone do produkcji plutonu (z reguły są to reaktory wojskowe pracujące na potrzeby przemysłu zbrojeniowego),
• Reaktory ciepłownicze przeznaczone do produkcji ciepła do celów ogrzewczych w ciepłowniach jądrowych,
• Reaktory napędowe przeznaczone do napędu statków, lodołamaczy, łodzi podwodnych itp.,
• Reaktory wysokotemperaturowe przeznaczone do produkcji ciepła w celach technologicznych,
• Reaktory do celów specjalnych przeznaczone do produkcji np. radioizotopów, odsalania wody morskiej itp.

Adn. B. Klasyfikacja reaktorów ze względu na rodzaj dominującej grupy neutronów powodujących rozszczepienie

Jest to jedno z najważniejszych kryteriów podziału reaktorów tworzące podział na reaktory:

-        Prędkie,

-        Termiczne.

Powyższe nazwy pochodzą od energii dominującej grupy neutronów powodujących rozszczepienia. Neutrony ze względu na energię, podzielono umownie na trzy grupy:

• Neutrony termiczne (E £ 0,1 eV),
• Neutrony epitermiczne (0,1 eV £  E £ 1 MeV ),
• Neutrony prędkie (E ³ 1 MeV).

Uwagi:

- Wartości graniczne 0,1 eV i 1 MeV są wartościami umownymi.

- W reaktorach termicznych zdecydowana większość rozszczepień wynika z pochłonięcia przez jądra U-235 neutronów o energiach termicznych.

- W reaktorach prędkich praktycznie nie ma neutronów termicznych (co wynika z braku ośrodków moderujących).

- Jedynie niewielka część rozszczepień (ok. 3%) zachodzi w wyniku pochłonięcia neutronów prędkich przez jądra ²³⁵U i ²³⁸U.

Adn. C. Klasyfikacja reaktorów ze względu na konstrukcję

Rozróżnia się dwa rozwiązania konstrukcji reaktorów energetycznych:

• Zbiornikowe (reaktory typu PWR, BWR), których rdzeń zamknięty jest w grubościennym zbiorniku stalowym (przystosowanym do wytrzymywania wysokich ciśnień (dla reaktora PWR są to ciśnienia rzędu 15 MPa),
• Kanałowe (reaktory typu CANDU, RBMK), zawierające ciśnieniowe kanały paliwowe o niewielkiej średnicy.

Adn. D. Klasyfikacja reaktorów ze względu na eksploatację

Rozróżnia się dwa sposoby wymiany paliwa reaktorowego:

• Ciągły (paliwo wymieniane jest w czasie pracy reaktora bez konieczności jego odstawiania), np. reaktory gazowe, wysokotemperaturowe oraz kanałowe (CANDU, RBMK),
• Okresowy (paliwo wymieniane jest po zakończeniu kampanii paliwowej i odstawieniu reaktora) np. reaktory zbiornikowe.

Adn. E. Klasyfikacja reaktorów ze względu na właściwości paliwa

Rozpatrując właściwości paliwa, reaktory można podzielić ze względu na:

E.1. Rodzaj paliwa:

• Uranowe (²³⁵U oraz ²³³U),
• Plutonowe (²³⁹Pu),
• Uranowo-plutonowe (MOX),
• Torowe (²³²Th).

E.2. Stopień wzbogacenia

Stopień wzbogacenia uranu zależy od konstrukcji rdzenia i rodzaju materiałów w nim zawartych (w szczególności od zdolności pochłaniania neutronów). Stąd rozróżnia się reaktory pracujące na uranie:

• Naturalnym (reaktory gazowe, ciężkowodne),
• Nisko wzbogaconym (zawartość ²³⁵U wynosząca 2-5%; należą tu wszystkie energetyczne reaktory lekkowodne oraz niektóre reaktory gazowe),
• Średnio wzbogaconym (większość reaktorów badawczych),
• Wysoko wzbogaconym (zawartość ²³⁵U wynosząca ponad 90%; należą tu reaktory wysokotemperaturowe oraz niektóre reaktory badawcze).
   

E.3.Postać chemiczna:

• Uran metaliczny (wykorzystywany w niskotemperaturowych reaktorach gazowych oraz w reaktorach badawczych),
• Dwutlenek uranu UO₂ (wykorzystywany we wszystkich energetycznych reaktorach wodnych, niektórych reaktorach wysokotemperaturowych oraz niektórych niskotemperaturowych reaktorach gazowych),
• Węglik uranu UC (wykorzystywany w niektórych reaktorach wysokotemperaturowych).

E.4. Konstrukcja elementów paliwowych:

Elementy paliwowe mogą mieć kształt:

• Prętów,
• Cylindrów,
• Pastylek,
• Rurek,
• Płytek,
• Kół.

"Koszulki", w których zamknięte jest paliwo, w zależności od stawianych wymagań (temperatura pracy, odporność na utlenianie, trwałość mechaniczna, wysoka przewodność i stabilność cieplna), mogą być wykonywane ze:

• Stali nierdzewnej (reaktory prędkie),
• Stopów cyrkonu (energetyczne reaktory wodne),
• Stopów magnezu (niektóre reaktory gazowe),
• Powłok pirowęglowych (niektóre reaktory wysokotemperaturowe),
• Stopów aluminium (niektóre reaktory badawcze).

Adn. F. Klasyfikacja reaktorów ze względu na rodzaj moderatora i chłodziwa

Jako moderator może służyć ciężka woda, lekka woda, grafit, beryl. Jako chłodziwa używa się natomiast: lekkiej lub ciężkiej wody, dwutlenku węgla, helu, gazów dysocjujących, ciekłego sodu, substancji organicznych itd. Wywodzą się stąd często spotykane określenia reaktorów:

• Wodne,
• Ciężkowodne,
• Gazowe,
• Sodowe,
• Helowe,
• Grafitowe itd.

W lekkowodnych reaktorach energetycznych woda spełnia jednocześnie dwie funkcje: moderatora i chłodziwa. W innych typach reaktorów funkcje te są rozdzielone.

Jeśli ciekłe chłodziwo (lekka woda, ciężka woda) jest doprowadzane w rdzeniu do wrzenia, to reaktory takie zwie się wrzącymi (np. BWR).

Adn. G. Klasyfikacja reaktorów ze względu na system odprowadzania ciepła

Rozróżnia się trzy systemy pracy reaktorów energetycznych:

• Jednobiegowy (np. BWR)  - para wytworzona w zbiorniku reaktora doprowadzana jest bezpośrednio do turbiny parowej, a po skropleniu za turbiną wraca do reaktora,
• Dwubiegowy (np. PWR) - obieg wody chłodzącej rdzeń reaktora jest zamknięty, a ciepło z niego jest przekazywane w wytwornicy pary do drugiego obiegu, w którym znajduje się turbina parowa,
• Trzybiegowy (np. reaktor prędki chłodzony sodem) - między pierwszy sodowy obieg chłodzący rdzeń reaktora i trzeci, wodno-parowy obieg doprowadzający parę do turbiny, wstawiony jest pośredni obieg sodowy.

Reaktory jądrowe można, jak widać, klasyfikować na wiele sposobów, biorąc za podstawę różne kryteria podziału.

Pomimo podanego powyżej podziału, często reaktory spełniają podwójną a nawet potrójną rolę, np. wiele reaktorów energetycznych spełnia rolę reaktora elektrycznego i ciepłowniczego, dostarczając prąd oraz ogrzewając dodatkowo pobliskie miejscowości.