Ydinreaktori
Wikipedia
Ydinreaktori on tekninen laite, jolla tuotetaan ja ylläpidetään ydinreaktioita. Ydinreaktorin käyttötarkoituksia ovat mm. tutkimus, säteilyn tuottaminen (esim. sädehoitoon), isotooppien valmistaminen (mm. lääketieteen käyttöön), toimiminen kulkuneuvon (laiva tai sukellusvene) voimanlähteenä ja ennen kaikkea sähkön tuotanto.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Ydinvoimareaktori
Ydinvoimalaitoksissa reaktorin tehtävänä on tuottaa lämpöä ydinpolttoaineesta. Tämä tapahtuu ylläpitämällä, säätämällä ja valvomalla reaktorissa tapahtuvaa ketjureaktiota, jossa polttoaineen (tavallisesti uraanin) atomien fissio tuottaa lämpöä.
Maailman voimalaitosreaktorit ovat pääosin kevytvesireaktoreita, joko painevesi- tai kiehutusvesityyppiä. Varsinkin uudet voimalaitokset käyttävät lähes yksinomaan kevytvesireaktoreita.
Reaktoriin ladataan ydinpolttoainetta yleensä 3–5 vuoden ajaksi huoltoseisokkien yhteydessä, paitsi eräissä harvinaisissa reaktorityypeissä (mm. CANDU ja RBMK), jotka sallivat polttoaineen vaihdon reaktorin ajon aikana. Reaktorin käydessä polttoaineessa tapahtuu fissioketjureaktio, joka pitää itseään yllä. Reaktorin säätö tapahtuu ketjureaktiota ylläpitävää neutronivuota hallitsemalla.
[muokkaa] Reaktorin säätö
Kevytvesireaktorin käynnissä pysyminen vaatii kolmea asiaa:
- rikasta ydinpolttoainetta joka reagoi,
- neutroneja jotka aiheuttavat fissiot sekä
- hidastinainetta joka jarruttaa neutroneja niin etteivät ne karkaa reaktorista aiheuttamatta fissiota.
Tätä voi verrata tulisijaan, jossa tarvitaan polttoainetta, kuumuutta ja happea tulen ylläpitämiseksi. Jos yksikin menetetään, reaktio ei kykene jatkumaan.
Kevytvesireaktori on suunniteltu siten, että sen toimiessa nämä kolme ehtoa täyttyvät juuri ja juuri. Reaktorin säätöä varten reaktorisydämestä voidaan poistaa tai sinne voidaan käytön aikana lisätä neutroneja absorboivia säätösauvoja. Täten reaktorin teho voidaan valita vapaasti suunnitellulta tehoalueelta ja ydinvoimalan energiantuotantoa voidaan säätää kulutuksen mukaisesti. Toisaalta reaktori voidaan sammuttaa milloin tahansa työntämällä tarpeeksi säätösauvoja reaktoriin. Sammuttaminen kestää noin sekunnin.
Kevytvesireaktorin luonteeseen kuuluu, että se on itsestään, fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta vakaa. Vaikka operaattori tai automatiikka ei hallitsisi reaktoria, syystä tai toisesta tapahtuva ketjureaktion kiihtyminen johtaisi lämpötilan nousuun, joka aiheuttaisi lämpölaajenemista polttoaineessa ja höyrystymistä hidastinaineena toimivassa vedessä. Koska ketjureaktio pysyy käynnissä vain juuri ja juuri, nämä riittävät hillitsemään reaktion. Tästä syystä kevytvesireaktorin ketjureaktion on fysikaalisesti mahdotonta "karata käsistä". (Choppin et al., 2002)
[muokkaa] Reaktorityypit
Ydinreaktoreita voidaan jaotella monella eri tavalla. Yksi tapa on käyttötarkoituksen mukaan tutkimusreaktoreihin, lääketieteellisiin reaktoreihin, isotooppien tuotantoreaktoreihin, voimalaitosreaktoreihin, laivareaktoreihin, avaruusreaktoreihin jne. Toinen tapa on neutronien nopeuden mukaan hitaisiin ja nopeisiin reaktoreihin. Suurimmassa osassa reaktoreita fissioissa syntyviä neutroneita täytyy jarruttaa hidastinaineella, etteivät liian monet karkaa reaktorista synnyttämättä uusia fissioita. Nopeissa reaktoreissa hidastamista ei tehdä, vaan reaktion jatkuminen varmistetaan muuten, esimerkiksi käyttämällä väkevämpää polttoainetta. Kolmas tapa jaotella reaktoreita onkin hidastinaineen mukaan lähinnä kevytvesireaktoreihin, raskasvesireaktoreihin ja grafiittihidasteisiin reaktoreihin. Neljäs tapa jaotella reaktoreita on jäähdytyksen mukaan mm. kaasujäähdytteisiin ja kiehutus- ja painevesireaktoreihin. Suurin osa maailman voimalaitosreaktoreita on kevytvesireaktoreita, joko painevesi- tai kiehutusvesityyppiä.
Tässä reaktorit on luokiteltu hidastinaineen mukaan.
[muokkaa] Kevytvesireaktorit
Ydinvoimareaktorien selkeä pääosa on kevytvesireaktoreita. Varsinkin uusissa voimalaitoksissa miltei kaikissa on kevytvesireaktori, joita on kahta tyyppiä:
- painevesireaktori (PWR (engl.)/VVER (ven.))
- kiehutusvesireaktori (BWR)
[muokkaa] Grafiittihidasteiset reaktorit
Lähinnä Britanniassa käytetään kaasujäähdytteisiä, grafiittihidasteisia reaktoreita. RBMK-reaktori on vesijäähdytteinen grafiittihidasteinen reaktori, jota käytetään lähinnä Venäjällä. RBMK on surullisenkuuluisa Tšernobylin onnettomuusreaktorina. RBMK:ssa on useita vain sille tyypillisiä suunnittelupuutteita, jotka osaltaan mahdollistivat onnettomuuden. Esimerkiksi toisin kuin kevytvesireaktorit, se ei ole kaikilla tehoalueilla luonnostaan vakaa mikä Tšernobylissä mahdollisti onnettomuuden käynnistäneen nopean tehopiikin.
- kaasujäähdytteinen reaktori (GCR)
- grafiittihidasteinen vesijäähdytteinen kanavareaktori (RBMK)
- nestemäisellä metallilla jäähdytetty reaktori (LMR), käytetään usein hyötöreaktoreissa
[muokkaa] Raskasvesireaktorit
Kanadassa kehitetty CANDU voi käyttää luonnonuraania polttoaineenaan, joten uraanin rikastamista ei vaadita. Toisaalta reaktori tarvitsee miltei yhtä vaikeasti valmistettavaa raskasta vettä. CANDUn polttoainetta voi vaihtaa reaktorin käytön aikana, mikä tekee ydinaineiden valvonnasta kevytvesireaktoreita hankalampaa.
- paineistettu raskasvesireaktori (CANDU)
[muokkaa] Kehittyneet reaktorit
Maailmalla tutkitaan eräitä edistyksellisiä reaktorityyppejä, joita ei vielä ole laajalti käytössä. Pisimmällä ollaan nopean hyötöreaktorin kehityksessä. Niitä on ollut sähköntuotantokäytössä mm. Japanissa sekä Ranskassa ja Venäjällä tuottaa energiaa tälläkin hetkellä hyötöreaktori. Nopean reaktorin suurin etu on polttoainetaloudellinen: reaktori itse asiassa tuottaa uutta polttoainetta käydessään, jopa enemmän kuin kuluttaa. Tämä perustuu transmutaatiolle, eli alkuaineen muuttamiselle toiseksi.
Nopeassa reaktorissa ei käytetä hidastinainetta. Fuusioreaktorin toiminta perustuu fission sijasta fuusioon.
[muokkaa] Katso myös
[muokkaa] Lähteet
- Choppin et al.: Principles of Nuclear Power, 19. luku kirjasta
