1. Wstęp i klasyfikacja reaktorów jądrowych 
2. Pressurized Water Reactor (PWR)
3. Boiling Water Reactor (BWR)
4. CANDU

Wstęp i klasyfikacja reaktorów jądrowych

W części poświęconej reaktorowi "Maria" została przedstawiona w sposób bardziej szczegółowy budowa wewnętrzna reaktora jądrowego, w tej części przedstawiony jest natomiast wstęp do tego, w jaki sposób reaktory są używane do celów użytkowych i to na skalę przemysłową. Celem tej części nie jest omawianie podstaw energetyki jądrowej bo nie jest to tematem niniejszego opracowania, a jedynie przedstawienie klasyfikacji reaktorów jądrowych i trzech przykładów - pierwsze dwa to reaktory typu PWR i BWR które są w chwili obecnej najpopularniejszymi konstrukcjami na świecie, trzeci przykład natomiast jest ciekawy ze względu na oryginalność swojej konstrukcji . Poniżej podany sposób klasyfikacji reaktorów pochodzi z [5]:

Kryteria: 

1. przeznaczenie - energetyczne, ciepłowniane, badawcze, szkoleniowe, wytwórcze (tzw. breedery), napędowe, specjalne, wysokoenergetyczne

2. energia neutronów - 

3. rodzaj i charakterystyka paliwa - uranowe (metaliczny uran, dwutlenek uranu, węglik uranu), plutonowe, mox, torowe

4. konstrukcja reaktora - zbiornikowe (PWR,BWR), kanałowe (CANDU)

5. rodzaj chłodziwa i moderatora - wodne, ciężkowodne, gazowe, sodowe, helowe, grafitowe

6. system odprowadzania ciepła - jedno- dwu- bądź trzybiegowy             

Powyższa charakterystyka, choć podana bez konkretnych przykładów daje obraz różnorodności reaktorów jądrowych skonstruowanych przez człowieka. Poniżej przedstawione jest zapowiedziane wyżej krótkie omówienie trzech przykładowych typów reaktorów jądrowych, przy czym przedstawione schematy ukazują także sposób przyłączenia tychże do  turbin wytwarzający prąd elektryczny - są to więc reaktory energetyczne. Jest to zamierzone gdyż część ta ma tez pokazać przykłady wykorzystania użytkowego potęgi zawartej w jądrze atomowym.

powrót

PWR

PWR czyli Pressurized Water Reactor (ciśnieniowy reaktor wodny) jest reaktorem w którym ciepło odprowadza się do wytwornicy pary za pomocą lekkiej wody pod wysokim ciśnieniem nie pozwalającym na wrzenie wody w obiegu chłodzenia rdzenia. Woda ta w reaktorze PWR spełnia potrójną role: jest zarówno chłodziwem, jak i moderatorem i reflektorem. Jako moderator woda spełnia dobrze swoje zadanie, lecz ze względu na znaczne pochłanianie neutronów przez jądra wodoru nie można w PWR stosować uranu naturalnego (trzeba stosować paliwo 3-4% U-235). Reaktory PWR były na początku stosowane do celów wojskowych, pierwsza elektrownia z reaktorem tego typu powstała w Shippingport w Stanach Zjednoczonych w 1957 roku. W chwili obecnej jest to najbardziej rozpowszechniony typ reaktora na świecie (jego odpowiednikiem jest reaktor typu WWER skonstruowany w dawnym Związku Radzieckim). Schemat połączenia PWR z turbiną i generatorem w typowej elektrowni pokazuje poniższa ilustracja [a] : 

Jak widać reaktor typu PWR charakteryzuje się tym, że pracuje systemie dwuobiegowym (różne kolory na schemacie), W obiegu pierwotnym (różowy) krążąca wrząca woda powoduje zamianę w parę wody krążącej w obiegu wtórnym (niebieski), która to para porusza turbinę podłączoną do generatora. Cechą charakterystyczną natomiast samej budowy reaktora jest fakt, że jego rdzeń , wraz z zestawem prętów regulacyjnych, oprzyrządowaniem i innymi konstrukcjami jest zamknięty w ciśnieniowym zbiorniku reaktora. Górna część zbiornika jest zdejmowana tylko w czasie przeładowywania paliwa, względnie remontu (oczywiście na ten czas reaktor jest zatrzymywany i wychładzany), co jest przedstawione na zdjęciu w części traktującej o cyklu paliwowym (podobnie jak zdjęcie elementu paliwowego).  W pokrywie znajdują się wpusty (odpowiedni uszczelnione) umożliwiające napęd zestawów prętów regulacyjnych podczas pracy reaktora. Obecnie największe moce uzyskiwane z reaktorów typu PWR są rzędu 1500MW, ale na przeszkodzie do uzyskania mocy jeszcze większych stoi trudność wykonania odpowiedniej wielkości zbiornika ciśnieniowego.

BWR czyli Boiling Water Reactor  (reaktor z wrzącą wodą) charakteryzuje się tym, że woda go chłodząca spełnia nie tylko te trzy zadania jak w PWR, ale jest  też substancją roboczą w cyklu parowo-wodnym.  Jak to przedstawia  poniższy schemat [a], reaktor ten pracuje w trybie jednoobiegowym (tzw. obieg bezpośredni), a role wytwornicy pary spełnia tutaj sam reaktor, gdyż wytworzona w nim para jest kierowana bezpośrednio do turbiny:

Widać więc, że reaktor typu BWR ma dużo prostszą konstrukcje od PWR, gdyż dzięki temu że dopuszczalne jest doprowadzenie wody do wrzenia znika konieczność stosowania stabilizatora ciśnienia (nie potrzebne są wysokie ciśnienia), dzięki czemu ta sama co w PWR temperatura pary może być osiągnięta przy niższej średniej temperaturze paliwa. Cena za to jest jednak mniejsza gęstość mocy w rdzeniu, co jednak można skompensować tym, że obudowa reaktora BWR może być zbudowana z cieńszej warstwy materiału. Podstawową jednak wada BWR jest to, że zanieczyszczona izotopami promieniotwórczymi woda przechodzi przez wszystkie elementy obiegu i dlatego eksploatacja tego typu reaktora jest utrudniona przez wprowadzanie dużej ilości osłon przed promieniowaniem. Rdzeń reaktora stanowi zestaw dużej liczby pionowo ustawionych w siatce kwadratowej zespołów paliwowych zawierających 49 lub 64 pręty paliwowe (pręty są bardzo podobne do tych stosowanych w PWR). Różnicą jest natomiast to, że zespoły paliwowy umieszcza się w kasetach cyrkonowych, otwartych od dołu i góry, aby umożliwić swobodny przepływ wody wzdłuż rdzenia. Ze względu na mniejszą gęstość mocy niż w PWR, paliwo dłużej może przebywać w rdzeniu, choć osiągana jest taka sama moc wyjściowa (tj. elektryczna). Reaktory typu BWR są drugimi pod względem popularności reaktorami energetycznymi na świecie. 

CANDU jest cieżkowodnym reaktorem kanałowym skonstruowanym i produkowanym w Kanadzie (stąd nazwa). Reaktor kanałowy to taki ( przeciwieństwie do reaktorów zbiornikowych),  w którym nie cały rdzeń, a tylko kanały o niewielkiej średnicy, zawierające pojedyncze zestawy paliwowe są pod wysokim ciśnieniem. CANDU jest ponadto reaktorem ciężkowodnym, a to znaczy, że moderatorem i chłodziwem jest w nim ciężka woda, ma ona bardzo mały przekrój czynny na pochłanianie neutronów, dlatego tez można w nim stosować jako paliwo uran naturalny. Należ tu zauważyć,  że rdzeń CANDU jest kilkakrotnie większy niż rdzeń reaktora lekkowodnego a to z powodu faktu, że do spowolnienia neutronu rozszczepieniowego do energii termicznej potrzeba większej ilości wody ciężkiej niż lekkiej, dlatego też w reaktorach ciężkowodnych stosunek  moderatora do paliwa jest 5-8 razy większy niż w lekkowodnych. Reaktory typu CANDU pracują w systemie dwuobiegowym, z ciśnieniowym obiegiem pierwotnym podobnie jak PWR (schemat poniżej [a] ):

Rdzeń znajduje się w cylindrycznym ułożonym na boku stalowym zbiorniku niskociśnieniowym zwanym calandria (rysunek obok [a]). Zbiornik ten jest wypełniony ciężką wodą jako moderatorem. Przez calandrię przechodzi kilkaset poziomych ciśnieniowych kanałów paliwowych zawierających paliwo uranowe, które również jest chłodzone ciężką wodą. Chłodziwo to jest następnie przepompowywane przez kanał ciśnieniowy i odbierając wytworzone w paliwie ciepło przenosi je poza rdzeń do wymienników ciepła. Tam jest ono oddawane do drugiego obiegu zawierającego lekką wodę. Jak już było wspomniane w części traktującej o cyklu paliwowym, CANDU charakteryzuje się tym, że można dokonywać przeładunku paliwa w czasie pracy reaktora. Ma to oczywiste zalety, począwszy od zwiększenia dyspozycyjności reaktora a na skończywszy na zapewnieniu optymalnego czasu przebywania paliwa w rdzeniu, różnego dla różnych kanałów. Średnio codziennie wymienia się około 15 wiązek paliwa. Bowiem  w CANDU pręty paliwowe są łączone w wiązki liczące po kilkadziesiąt prętów. Wiązki te są wsuwane do kanałów paliwowych z obu stron reaktora (widok wiązki paliwowej i maszyny służącej do przeładowywania paliwa można zobaczyć w części traktującej o cyklu paliwowym). Pomimo swych oczywistych zalet reaktory CANDU nie są tak rozpowszechnione jak PWR i BWR, głównie ze względu na to, że jest to konstrukcja stosunkowo nowa, a fakt, że korzysta ze znacznie tańszego uranu naturalnego jest kompensowany przez konieczność użycia znacznych ilości drogiej ciężkiej wody.