Lehkovodní reaktor

Lehkovodní reaktory (anglicky: LWR, Light Water Reactor) jsou nejvíce rozšířeným typem jaderných reaktorů na celém světě. Jedná se o heterogenní tepelný reaktor pracující s tepelnými neutrony. Jako moderátor neutronů je zde použita obyčejná lehká voda, která se využívá zároveň jako chladivo. Ve světě jsou provozovány energetické i výzkumné lehkovodní reaktory.

Schématický princip tlakovodního reaktoru

Schématický princip varného reaktoru

V současnosti (1/2018) je na světě provozováno celkem 448 jaderných energetických reaktorů, přičemž lehkovodních reaktorů je 367 (započteny tlakovodní (291) a varné reaktory (76)). Energetické lehkovodní reaktory existují ve dvou základních typech - tlakovodní reaktory a varné reaktory. Návrhem lehkovodních reaktorů IV. generace jsou super kritické vodní reaktory.

Historie

Objevem štěpení v roce 1938 Otto Hahnem a Fritzem Strassmannem odstartovala jaderná éra rozvoje jaderné fyziky. První jaderný reaktor uvedl do provozu Enrico Fermi 12. prosince 1942 - reaktor CP-1 (Chicago Pile -1).

První lehkovodní reaktory neexperimentálního využití byly vyvinuty jako zdroj energie pro vojenské ponorky, z důvodu kompaktnosti aktivní zóny. Pro pohon ponorek byly vyvinuty tlakovodní reaktory, první ponorka s jaderným pohonem byla USS Nautilus SSN-571. Po zvládnutí vývoje byly projekty tlakovodních reaktorů zpřístupněny pro průmyslové využití a první jaderná elektrárna s tlakovodním reaktorem byla spuštěna v roce 1957 v USA - Shippingport o elektrickém výkonu 100 MW. Vývoj tlakovodních reaktorů probíhal paralelně jak v USA tak v bývalém SSSR (s mírným zpožděním oproti USA). Sovětské tlakovodní reaktory bývají označovány pomocí ruské zkratky VVER (водо-водяной энергетический реактор - vodo-vodní energetický reaktor). První elektrárna s tlakovodním reaktorem v SSSR - Novovoroněžská 1, byla spuštěna v roce 1964 a měla elektrický výkon 210 MW.

Vývoj varných reaktorů probíhal pouze v USA - program BORAX. Po základních experimentech a vyvrácení obav z produkce páry přímo v aktivní zóně reaktoru (pokusy byly prováděny na experimentálním varném reaktoru EBWR)  se v roce 1960 uvedla do provozu první elektrárna s varným reaktorem Dresden-1.

Konstrukce

Energetický jaderný reaktor, ve kterém se uvolňuje tepelná energie díky štěpení jaderného paliva, se skládá z jaderného paliva, moderátoru, systému odvodu tepla - chladiva, reflektoru, systému řízení reaktoru a bezpečnostních systémů.

Jaderné palivo s trojúhelníkovou mříží pro tlakovodní reaktory VVER

Jaderné palivo je nejčastěji ve formě palivových tyčí, které se seskupují do tzv. palivového souboru. Palivové soubory mohou být konstruovány v různých geometriích - západní koncepce reaktorů využívá čtvercové mříže, východní koncepce trojúhelníkové mříže. Každá z těchto geometrií má své výhody a své nevýhody. Vzhledem k tomu, že vývoj varných reaktorů probíhal pouze v USA, využívají pouze čtvercovou mříž. Palivo pro varné reaktory má obálku, která slouží k lepšímu odvodu tepla z aktivní zóny. Palivem je nejčastěji obohacený uran s obsahem izotopu uranu 235 od 2% do 5%, lze však využít i MOX palivo či plutoniové palivo.

Moderátorem je zde obyčejná lehká voda. Moderátor je látka, která intenzivně zpomaluje neutrony vzniklé při štěpení - tzv. rychlé neutrony na neutrony tzv. tepelné - neutrony, které mají tepelnou energii (od 0,002 eV do 0,5 eV). Pro použití v reaktoru je nutné vodu demineralizovat - daná voda je zhruba 1000x čistší než destilovaná voda. Lehká voda zde kromě moderace plní i funkci chladiva, které proudí aktivní zónou reaktoru a ohřívá se. V tlakovodních reaktorech se teplo z ohřáté vody následně předává v parogenerátorech do páry sekundárního okruhu, která poté pohání parní turbínu. Ve varných reaktorech dochází k tvorbě páry přímo v aktivní zóně.

Systémem řízení reaktoru se rozumí bezpečnostní a regulační orgány, vyhořívající absorbátory a rozpustné absorbátory. Regulační a bezpečnostní orgány - řídící a bezpečnostní tyče slouží k řízení a zastavení štěpné řetězové reakce v reaktoru. Během provozu jsou bezpečnostní tyče zcela vysunuty mimo aktivní zónu s palivem, regulační tyče slouží k změnám výkonu - v praxi bývají zhruba ve 2/3 své výšky. U varných reaktorů se regulační tyče i bezpečnostní tyče zasunují zespodu reaktoru, protože v horní části reaktoru jsou separátory páry a další konstrukční součásti reaktoru. Vyhořívající a rozpustné absorbátory se používají pro potlačení kladného přebytku reaktivity při zavezení čerstvého paliva. Společně s vyhoříváním paliva, které tvoří kladnou zásobu reaktivity, vyhořívají i absorbátory, které tvoří zápornou zásobu reaktivity. Pokud bychom nevyužívali těchto absorbátorů, nebylo by možné reaktor provozovat po dobu 12 a více měsíců při vysokých výkonových parametrech - neměli bychom dostatek paliva v reaktoru. Jako rozpustný absorbátor se u tlakovodních reaktorů používá kyselina trihydrogen boritá, u varných se rozpustných absorbátorů standardně nevyužívá. Jako vyhořívající absorbátor se používají nejčastěji materiály jako oxid gadolitný Gd₂O₃, oxidy hafnia či bór.

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Lehkovodní reaktor na Wikimedia Commons