Kodolreaktors: definīcija, darbības princips, pielietojums un riski

Kodolreaktors: skaidrojums, darbības princips, pielietojumi un riski — vēsture, avārijas, drošība un ietekme uz elektroenerģijas ražošanu.

Kodolreaktors ir iekārta, kas siltuma ražošanai izmanto kodola skaldīšanu. Ir dažādas konstrukcijas, kurās izmanto dažādu kurināmo. Visbiežāk šo kurināmo galvenās sastāvdaļas ir urāns-235 vai plutonijs-239.

Lielākā daļa kodolreaktoru tiek izmantoti elektroenerģijas ražošanai. Kodolspēkstacijās siltums, ko rada reaktorā notiekošās skaldīšanās reakcijas, pārvērš ūdeni tvaikā. Tvaiku pēc tam izmanto, lai darbinātu elektriskās turbīnas, kas ražo elektroenerģiju. Tāpat kā citos tvaika dzinējos, turbīnas iegūst enerģiju no tvaika kustības.

Daži reaktori tiek izmantoti citiem mērķiem. Daži reaktori ražo neitronus zinātniskiem pētījumiem, bet citi - radioaktīvus izotopus. Dažās universitātēs ir nelieli kodolreaktori, lai studentiem mācītu, kā darbojas reaktori.

Pirmo kodolreaktoru 1942. gadā uzbūvēja Enriko Fermi vadīta zinātnieku komanda. Tas bija daļa no Manhetenas projekta, kam bija nepieciešama reaktora degviela atombumbas izgatavošanai. Pirmais kodolreaktors, kurā tika ražota elektrība, bija neliels eksperimentāls reaktors, kas 1951. gadā tika uzbūvēts Aidaho štatā. Tas saražoja tikai tik daudz elektrības, cik tās pietiktu četrām spuldzēm.

Kodolreaktoru būvniecība ir dārga, jo tiem ir nepieciešami daudzi drošības elementi. Problēma ir arī milzīgais radioaktīvo atkritumu daudzums, kas rodas no reaktoriem. Tomēr tie ražo elektroenerģiju lēti un nepiesārņo gaisu. Vairākos kodolreaktoros ir notikušas nopietnas avārijas: Vindskelē (Apvienotā Karaliste) 1957. gadā, Majakā (PSRS) 1957. gadā, Trīs jūdžu salā (ASV) 1979. gadā, Černobiļā (PSRS) 1986. gadā un Fukušimā (Japāna) 2011. gadā. Bažas par drošību ir ierobežojušas kodolenerģijas izaugsmi. Pasaulē darbojas aptuveni 437 reaktori, kas nodrošina aptuveni 5 % no pasaules elektroenerģijas.

Darbības princips

Kodolreaktorā notiek ķēdes reakcija — neitroni, kas rodas viena kodola atoma skaldīšanās laikā, var triecienā sadalīt citus kodolus. Lai ķēdes reakcija būtu kontrolēta (nevis sprādziena veidā), reaktoros izmanto vairākus elementus:

• Kurāmais: parasti kodolšķidrumā vai peletēs ievietots urāns-235 vai plutonijs-239.
• Moderators: viela (piem., ūdens, smagais ūdens, grafīts), kas lēnina neitronus, palielinot izredzes izraisīt skaldīšanos.
• Aukstēšanas šķidrums (coolant): noņem siltumu no ķermeņa un pārvada to uz tvaika ģeneratoru vai tieši uz turbīnu.
• Kontroles stieņi: absorbē neitronus (piem., boru vai kadmija sakausējumi) un ļauj regulēt reakcijas ātrumu vai apturēt to pilnībā.
• Drošības apvalks: cieta struktūra, kas paredzēta, lai neļautu radioaktivitātei izplatīties vides ārpusē kritiskās situācijās.

Atkarībā no konstrukcijas, reaktori var būt spiediena ūdens reaktori (PWR), vārstu ūdens reaktori (BWR), RBMK tipa (grafīta-moderētie spiediena reaktori), CANDU (smagā ūdens reaktori) u.c. Ir arī ātrā neitrona reaktori (fast reactors), kas izmanto nedaudz atšķirīgus principus un ļauj labāk izmantot urāna resursus.

Pielietojums

• Elektrības ražošana: lielākā daļa komerciālo reaktoru darbojas elektrību ražošanai, izmantojot tvaiku un turbīnas (kā minēts iepriekš par kodolspēkstacijām).
• Jūras kuģu un zemūdeņu dzinēji: kodolenerģija nodrošina ilgu autonomiju un lielu jaudu militālo un pētniecības kuģu vajadzībām.
• Zinātniskie un izglītības reaktori: universitātēs un pētniecības centros izmanto neitronu avotus, materiālu pārbaudei un studentu apmācībai.
• Medicīnas izotopi un rūpniecība: reaktori ražo radioaktīvus izotopus diagnostikai, ārstēšanai (piem., onkoloģijā) un ražošanas procesiem.
• Desalinizācija un apkures sistēmas: siltumu no reaktoriem var izmantot jūras ūdens attīrīšanai vai pilsētplānojumā kā siltumapgādes avotu.

Riski un drošība

Kodolenerģijas izmantošana saistīta ar vairākām risku kategorijām:

• Avārijas un radioaktīvie izmeši: smagas avārijas (piem., Černobiļa, Fukušima) ir parādījušas, ka sistēmas kļūmes, cilvēkfaktors un ārkārtas dabas apstākļi var izraisīt plašu radiācijas izplatīšanos.
• Kodola kušana (core melt): ja siltums netiek adekvāti novadīts, kodols var pārkarsēt un sabrukt, izraisot radioaktīvo vielu atbrīvošanos.
• Atkritumi: izlietotais kodoldegviela un citi radioaktīvie atkritumi prasa drošu apsaimniekošanu un ilgtermiņa glabāšanu.
• Proliferācija: tehnoloģijas un materiāli, kas saistīti ar kodolenerģiju, var tikt izmantoti kodolieroču izgatavošanai, ja nav atbilstošas kontroles.
• Terorisms un drošība: kodolobjekti prasa stingru fizisko un kiberdrošību pret ļaunprātīgu iejaukšanos.

Lai samazinātu riskus, modernas iekārtas izmanto daudzlīmeņu drošības sistēmas — gan aktīvās (piem., ūdens sūknēšana, dzesēšanas sistēmas), gan pasīvās (fiziskā ģeometrija un materiāli, kas darbojas bez ārējas enerģijas). Starptautiskas un nacionālas aģentūras (piem., Starptautiskā Atomenerģijas aģentūra) nosaka drošības standartus, kuriem seko regulatori un operators.

Radioaktīvie atkritumi un to apsaimniekošana

Radioaktīvie atkritumi iedala trīs galvenajās kategorijās: zema, vidēja un augsta aktivitāte. Visproblemātiskākie ir augstas aktivitātes atkritumi, īpaši izlietotā kodoldegviela:

• Pagaidu uzglabāšana: izlietotā degviela parasti glabājas baseinos reaktora teritorijā dažus gadus, lai samazinātu siltumu un īslaicīgo aktivitāti.
• Sauss uzglabāšana: pēc atdzišanas degvielu var pārvietot uz hermētiskām tvertnēm uz ilgesku termiņu uzglabāšanu.
• Reprocesēšana: dažās valstīs izmanto ķīmisku apstrādi, lai atdalītu lietderīgas sastāvdaļas (piem., plutoniju) un samazinātu atkritumu apjomu.
• Galīgās noliktavas: ilgtermiņā tiek plānotas dziļas ģeoloģiskas noliktavas, kur bīstamie atkritumi tiek izolēti no cilvēces un vides uz tūkstošiem gadu.

Vēsture un nākotnes perspektīvas

Kā minēts, pirmais reaktors tika izveidots Enriko Fermi komandā 1942. gadā, un kopš tā laika tehnoloģija ir attīstījusies. Mūsdienās tiek attīstīti jauni risinājumi, lai padarītu kodolenerģiju drošāku un ilgtspējīgāku:

• Generation IV reaktori: projektēti ar uzlabotu drošību, efektivitāti un atkritumu pārvaldību (piem., ātrie reaktori, smagas metāla dzesētāji).
• Mazie modulārie reaktori (SMR): mazākas jaudas, ražošanas laikā standartizētas vienības, potenciāli zemākas izmaksas un īsāks būvniecības laiks.
• Partiju tehnoloģijas un dekontaminācija: uzlabojumi materiālos un monitoringa sistēmās samazina vides riskus un atvieglo ekspluatāciju.
• Fūzija: ilgtermiņā viena no solītākajām alternatīvām ir kodolfūzijas tehnoloģija, kas sola praktiski neizsīkstošu degvielu un mazāk radioaktīvo atkritumu, taču praktiska un komerciāla ekspluatācija joprojām ir izaicinājums.

Kopsavilkums

Kodolreaktori ir jaudīgs un efektīvs enerģijas avots, kas spēj ražot lielu elektroenerģijas daudzumu ar relatīvi nelieliem oglekļa emisiju apjomiem. Tajā pašā laikā tie prasa augstas drošības prasības, rūpīgu atkritumu apsaimniekošanu un stingru regulāciju. Nākotnē tehnoloģiju attīstība — īpaši SMR un Generation IV risinājumi — var samazināt riskus un padarīt kodolenerģiju elastīgāku un drošāku globālām enerģētikas vajadzībām.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir kodolreaktors?

J: Kā kodolreaktors ražo elektroenerģiju?

J: Kādiem citiem mērķiem kalpo daži reaktori?

J: Kas uzbūvēja pirmo kodolreaktoru?

J: Kad tika izmantots pirmais kodolreaktors, lai ražotu elektrību?

J: Kāpēc to celtniecība ir dārga?

J: Kādas problēmas rodas, tos izmantojot?

Meklēt pēc burta