struka(e): nuklearna tehnika
ilustracija
NUKLEARNI REAKTOR s vodom pod tlakom, reaktorska posuda s jezgrom – 1. kontrolne šipke, 2. poklopac reaktorske posude, 3. vodilice kontrolnih šipki, 4. i 5. ulaz i izlaz rashladnoga sredstva, 6. reaktorska jezgra s gorivim elementima
ilustracija
NUKLEARNI REAKTOR, Nuklearna elektrana Krško, pogled u reaktorsku jezgru

nuklearni reaktor, uređaj u kojem se zbivaju kontrolirane nuklearne lančane reakcije. Svi današnji reaktori primjenjuju reakciju fisije, dok su reaktori zasnovani na nuklearnoj fuziji u fazi razvoja i njihova se, za sada još upitna, realizacija ne očekuje prije 2050.

Povijest razvoja

Otkrića Otta Hahna, Lise Meitner i Fritza Straßmanna iz 1938. i 1939. predvidjela su mogućnost da neutroni oslobođeni bombardiranjem uranija mogu biti pokretači nuklearne lančane reakcije.

Prvi nuklearni reaktor sagradili su 1942. u SAD-u Enrico Fermi i Leó Szilárd. Isprva su nuklearni rektori služili za proizvodnju plutonija za nuklearno oružje, a danas se najviše rabe u nuklearnim elektranama. U pogonu je i velik broj nuklearnih reaktora drugih namjena, npr. za proizvodnju radionuklida za medicinsku i industrijsku uporabu, za pogon brodova, podmornica i svemirskih letjelica, za centralno grijanje, za desalinizaciju morske vode. Radom nuklearnoga reaktora nastaju radioaktivni produkti, ispuštanje kojih bi ugrozilo stanovništvo i okoliš. Nakon nesreća na nuklearnim elektranama Otok tri milje u SAD-u (1979) i Černobilj u Ukrajini (1986) velika se pozornost pri njihovu projektiranju, izgradnji i pogonu posvećuje sigurnosti. Prednost uporabe nuklearnoga reaktora je što se ne onečišćuje okoliš ispuštanjem dima i plinova, a nedostatci su toplinsko opterećenje okoliša i stvaranje radioaktivnog otpada. Najveći je sigurnosni problem zbrinjavanje visoko radioaktivnoga otpada, koji je potrebno izolirati od okoliša više tisuća godina.

Građa i načelo rada nuklearnog reaktora

Nuklearni reaktor sastoji se od reaktorske posude u kojoj se nalaze nuklearno gorivo, moderator, reflektor, rashladno sredstvo i kontrolne šipke. U nuklearnom se gorivu nakon apsorpcije neutrona fisibilna atomska jezgra (npr. uranij) raspada na dvije lakše atomske jezgre (npr. barij i kripton) i dva ili tri brza neutrona, npr. 235U + n → 140Ba + 94Kr + 2n i 235U + n → 139Ba + 94Kr + 3n. Nuklearna reakcija postaje lančana ako barem jedan od oslobođenih neutrona uzrokuje novu nuklearnu reakciju. Energija oslobođenih neutrona relativno je visoka (prosječno oko 2 MeV) i, kako bi oni sudjelovali u lančanoj reakciji, mora se smanjiti sudaranjem s atomskim jezgrama nuklearnoga goriva (proces termalizacije). Pritom se neutroni mogu izgubiti nefisijskom apsorpcijom ili bijegom u okoliš. Termalizacija neutrona djelotvornija je ako se gorivu dodaju laki elementi (moderatori) i ako se oko goriva postavi materijal koji reflektira neutrone natrag u gorivo. Za moderatore i reflektore rabe se materijali koji sadržavaju atome lakih jezgara, npr. voda, teška voda, berilij i grafit. Nuklearnim reakcijama oslobođenu toplinu potrebno je odvoditi iz nuklearnoga goriva kako se ono ne bi pregrijalo i rastalilo. Toplina se odvodi kruženjem rashladnoga sredstva, što je najčešće obična voda (koja može biti vrela ili pod tlakom), teška voda, rastaljeni (tekući) natrij i ugljikov dioksid. Rashladno sredstvo zagrijava radni fluid (vodu ili plin), koji pokreće parnu turbinu povezanu s osovinom električnoga generatora ili brodskim propelerom. Brzina odvijanja lančane reakcije regulira se kontrolnim šipkama od materijala koji jako apsorbiraju neutrone (kadmij, hafnij, bor), tj. njihovim uvlačenjem ili izvlačenjem iz reaktorske jezgre. (→ nuklearna energija)

Vrste nuklearnih reaktora

Prema vrsti goriva nuklearni reaktori mogu biti: uranijski (uranij-235), torijski (torij-232), plutonijski (plutonij-239) i oksidni (mješavina uranij-dioksida i plutonij-dioksida), prema energiji neutrona nuklearni reaktori mogu biti: termički (sa sporim neutronima), intermedijarni (s neutronima srednjih energija) i brzi (s brzim neutronima); prema rashladnom sredstvu nuklearni reaktori mogu biti: lakovodni (s običnom vodom koja može biti kipuća ili pod tlakom), teškovodni (s teškom vodom), metalni (s tekućim natrijem) i plinski (s ugljikovim dioksidom); prema namjeni nuklearni reaktori mogu biti: energetski (proizvodnja topline), istraživački (dobivanje neutrona za istraživanja) i oplodni (konvertori), u kojima se od nefisibilnoga materijala konverzijom dobiva fisibilni materijal (239Pu i 241Pu od 238U, a 233U od 232Th). Postoje i mnoge druge rjeđe primjenjivane vrste nuklearnih reaktora: za posebne primjene, u fazi istraživanja i vrste nuklearnih reaktora od kojih se odustalo.

Iznimno rijetko nuklearni reaktor može nastati i prirodno, što se dogodilo u regiji Oklo u Gabonu prije oko dvije milijarde godina gdje se prirodna fisija održavala oko 500 000 godina. Preduvjet za nastanak prirodne fisije veći je udio izotopa uranij-235 u uraniju nego što je danas (tada je u tom području iznosio oko 3%, danas je oko 0,7%).

Citiranje:

nuklearni reaktor. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2013. – 2025. Pristupljeno 19.2.2025. <https://www.enciklopedija.hr/clanak/nuklearni-reaktor>.