1. Informacje podstawowe
2. Rdzeń reaktora

Informacje podstawowe

Poprzednie rozdziały przedstawiały procesy fizyczne zachodzące w reaktorach, ogólne zasady budowy i  jego uproszczony schemat. Niniejszy rozdział ukazuje budowę reaktora atomowego w sposób nieco bardziej szczegółowy na przykładzie reaktora badawczego "MARIA", znajdującego się w Polsce, w Instytucie Energii Atomowej w Świerku. 

Powrót

Rdzeń reaktora

Rdzeń reaktora składa się z ciśnieniowych kanałów paliwowych, prętów regulacyjnych i matrycy złożonej z bloków berylowych. Wokół rdzenia umieszczone są bloki grafitowe spełniające rolę reflektora. Całość umieszczona jest w obudowie zwanej koszem. Kosz ten zamocowany jest na specjalnej podstawie umieszczonej na dnie basenu reaktora. Obok basenu reaktora znajduje się basen przechowawczy (paliwowy) przeznaczony głównie do okresowego przechowywania wypalonego paliwa i różnego rodzaju sond. Pełni on również rolę podwodnej drogi transportowej do komór gorących, a w szczególności do tzw. komory demontażowej. Baseny oddzielone są śluzą. Przekroje:  podłużny [4] i poprzeczny [4] pokazane są na schematach. W rdzeniu, w zależności od potrzeb, umieszczane są instalacje użytkowe, tj. kanały pionowe do produkcji izotopów promieniotwórczych oraz sondy i pętle. Ponadto, z matrycy grafitowej są wyprowadzone kanały poziome do badań na wiązkach neutronów. Poniżej przedstawiony został spis najważniejszych elementów rdzenia, wraz ze schematami i komentarzem:

Kanały paliwowe- zajmują one główną część rdzenia . Pod pojęciem "kanał paliwowy" należy rozumieć konstrukcję mechaniczną w formie rury  (tzw. rury Fielda) i zaopatrzoną w element paliwowy. Kanał jest instalowany w rdzeniu reaktora,  w wycięciach między blokami berylowymi. Kanały paliwowe posiadają indywidualne podłączenia układu chłodzącego. Każdy kanał paliwowy posiada oddzielne zawory odcinające na wejściu i wyjściu wody chłodzącej,  przepływającej pod ciśnieniem. W reaktorze "MARIA" wykorzystane są dwa rodzaje kanałów paliwowych: stacjonarny [4] i z ruchomym elementem paliwowym [4]. Część stacjonarna charakteryzuje się tym, że pręt paliwowy jest mocowany za pomocą zamka kulowego, którym  mocuje się i uszczelnia kanał paliwowy w gnieździe. Element paliwowy przymocowany jest do wewnętrznej rury kanału. Konstrukcja kanału z ruchomym elementem paliwowym  różni się od wyżej opisanego głównie tym, że jest on dłuższy, a wewnętrzna rura zawieszona jest na pręcie wyprowadzonym poprzez dławicę na zewnątrz. Rozwiązanie to umożliwia przemieszczanie elementu paliwowego w kanale. Gdy reaktor jest w stanie wyłączonym, ruchome elementy paliwowe znajdują się pod rdzeniem, a przed rozruchem są podnoszone i wprowadzane do rdzenia. Elementy paliwowe są wprawiane w ruch za pomocą dwóch silników o mocy 40W każdy. 

Elementy paliwowe- Element paliwowy (schemat [4]) składa się z pięciu lub sześciu koncentrycznych rur, zawierających paliwo w postaci:

- dyspersji UAl_x w matrycy aluminiowej z uranem o wzbogaceniu 80% izotopem U-235 (paliwo MR-6/80%) lub

- dyspersji UO₂ w matrycy aluminiowej z uranem o wzbogaceniu 36% izotopem U-235 (paliwoMR-6/36%), charakterystyki tych materiałów podaje poniższa tabela :

Układ chłodzenia- w reaktorze "MARIA" układ ten jest zintegrowany z elementem paliwowym, woda chłodząca element paliwowy wpływa z góry w dół odbierając ciepło od trzech zewnętrznych rur paliwowych i powraca do góry chłodząc trzy wewnętrzne rury paliwowe, jak to pokazuje schemat [4]. Natomiast zdjęcie [ f ] pokazuje na modelu wejścia kanałów układu chłodniczego.

Pręty bezpieczeństwa i kompensacyjne- są one umieszczone w kanałach [4] znajdujących się w blokach berylowych. Konstrukcja napędów i kanałów dla wszystkich trzech rodzajów prętów jest jednakowa, co umożliwia najkorzystniejszy wybór funkcji pracy każdego z zainstalowanych prętów. Zmiana funkcji odbywa się przez przełączenie kabli na polu złącz. Zdjęcia widocznej części prętów są dostępne tutaj [ f ].

Matryca rdzenia i reflektor-Matryca rdzenia składa się z bloków berylowych, a reflektor z bloków grafitowych. Jedne i drugie bloki mają te same wymiary zewnętrzne. Widok z góry na rdzeń pokazany jest na schemacie [4]. Bloki grafitowe są ściętymi ostrosłupami o podstawie kwadratowej z tym, że część z nich ma ścięte naroża (schemat [4]) . Górny wymiar bloku (nakładki) wynosi 140 mm, dolny zaś 120 mm. Wysokość bloków wraz z nakładkami wynosi 1585 mm. Taki układ stożkowy pozwala na zainstalowanie nad rdzeniem znacznie większych gabarytowo elementów reaktora (napędy) i urządzeń doświadczalnych. Bloki grafitowe są koszulkowane tj. osłonięte cienką blachą aluminiową . Ze względu na możliwość pracy bloku w temperaturze przekraczającej 800^oC, grafit został odpowiednio przygotowany tj. odgazowany w próżni w temperaturze około 800^oC i nasycony azotem. Szczelina między koszulką, a grafitem jest wypełniona azotem. Analogiczną geometrię mają bloki berylowe, z tym, że nie są one koszulkowane. Dzięki takiemu ułożeniu bloków w reaktorze, że między blokami znajdują się szczeliny ok. 1.5mm, może pomiędzy nimi swobodnie przepływać chłodziwo.

Kanały poziome- Wiązki neutronów wyprowadzane są z reaktora MARIA za pomocą 6 kanałów poziomych (H3, H4, H5, H6, H7 i H8). Kanały H3, H4, H6 i H8 mają początek w tzw. wielokrotnych blokach grafitowych. Wszystkie są widoczne na schemacie przedstawiającym widok z góry na rdzeń (poprzedni podpunkt).

Dodatkowe elementy- To głównie kanały izotopowe i kanały poczty hydraulicznej do napromieniania materiałów tarczowych.

Na zakończenie tego podpunktu wypadałoby wspomnieć o wymaganiach stawianych materiałom konstrukcyjnym rdzenia (paliwo, beryl i grafit). Najważniejszym parametrem, charakteryzującym elementy konstrukcyjne rdzenia z punktu widzenia ich czasu pracy, jest odporność radiacyjna. W zależności od funkcji, jaką pełni dany element w rdzeniu, określa się jego odporność radiacyjną z punktu widzenia różnych parametrów. I tak, w przypadku paliwa jądrowego decydującym parametrem jest szczelność koszulki,a w przypadku berylu - generacja helu-3 i trytu; w graficie - efekt wydłużenia bloków.

Podana wyżej charakterystyka podaje tylko parametry mechaniczne reaktora. Dla pełności obrazu należałoby też bliżej przyjrzeć się charakterystyce neutronowej rdzenia (tj. widmu neutronów w poszczególnych częściach reaktora), jednakże  analiza taka wybiegałaby znacznie poza ramy niniejszego opracowania.