Palivový súbor

Palivové tablety sa vyrábajú z oxidu uraničitého UO₂. Do reaktora ich však nemožno vkladať samostatne. Zostavujú sa z nich palivové súbory, ktoré uľahčujú manipuláciu s palivom počas jeho výmeny alebo pri zmene usporiadania aktívnej zóny reaktora. Zároveň umožňujú chladenie paliva a odvod tepla a v niektorých konštrukciách poskytujú priestor na zasúvanie regulačných a bezpečnostných prvkov. Pokrytie palivových prútikov zabraňuje priamemu kontaktu chladiva s palivom a zadržiava rádioaktívne štiepne produkty, aby sa neuvoľňovali do chladiva.

Každý typ reaktora vyžaduje vlastný typ paliva. Pre jednotlivé konštrukcie reaktorov sa preto vyrábajú osobitne navrhnuté palivové súbory.

 

Vedeli ste, že...?

Palivový súbor reaktora PWR musí počas približne štyroch rokov odolávať teplote okolo 300 °C na povrchu palivových prútikov a až približne 2 000 °C vnútri palivových tabliet, tlaku približne 15 MPa a veľmi intenzívnemu toku neutrónov.

 

Palivový súbor reaktora PWR

Najrozšírenejším typom energetického reaktora je tlakovodný reaktor PWR, ktorý využíva mierne obohatený urán a obyčajnú vodu ako chladivo aj moderátor. Palivo pre reaktor PWR tvoria valcové uránové tablety s dĺžkou približne 1 cm a priemerom asi 8 mm. Každá z nich váži približne 5 gramov.

Palivové tablety sa ukladajú do tenkostennej rúrky zo zirkóniovej zliatiny, ktorá tvorí pokrytie palivového prútika, napríklad zo zliatiny Zircaloy. Zirkóniové zliatiny obsahujú malé množstvá ďalších prvkov, ktoré zlepšujú ich mechanické vlastnosti a odolnosť proti korózii. Pokrytie zabraňuje priamemu kontaktu chladiacej vody s palivom a zároveň musí mať nízku schopnosť pohlcovať neutróny. Úzka medzera medzi palivovými tabletami a pokrytím je zvyčajne vyplnená héliom, ktoré zlepšuje prenos tepla. Medzera zároveň poskytuje priestor na tepelnú rozťažnosť palivových tabliet a na plyny vznikajúce počas štiepenia.

Stĺpec palivových tabliet uzavretý v pokrytí zo zirkóniovej zliatiny sa nazýva palivový prútik. Jeho dĺžka je zvyčajne 4 až 5 metrov a obsahuje približne 350 až 400 palivových tabliet. Jeden palivový súbor obsahuje približne 179 až 264 palivových prútikov a jeho vonkajší rozmer je približne 20 cm.

Palivové prútiky sú upevnené v nosnej konštrukcii tak, aby sa pôsobením tepelných, hydraulických a mechanických síl v aktívnej zóne navzájom neposúvali. Na miestach niektorých prútikov sa nachádzajú vodiace rúrky, do ktorých možno zasúvať regulačné a bezpečnostné tyče. Celkové množstvo paliva v aktívnej zóne, ktoré môže tvoriť približne 121 až 193 palivových súborov, sa nazýva palivová náplň. V aktívnej zóne sa môže nachádzať spolu približne 18 miliónov palivových tabliet.

Palivové súbory reaktorov PWR majú spravidla štvorcový prierez, zatiaľ čo palivové súbory ruských tlakovodných reaktorov typu VVER majú tradične šesťuholníkový prierez.

 

Vedeli ste, že...?

Jeden palivový súbor reaktora PWR váži približne 600 kg.

 

Palivo pre ďalšie typy reaktorov

BWR

Reaktor BWR je chladený obyčajnou vodou, ktorá vrie priamo v tlakovej nádobe reaktora a vytvára paru. Jeho palivové súbory sú podobné palivovým súborom reaktora PWR. Každý súbor je uložený vo vlastnom palivovom kanáli, ktorý usmerňuje prúdenie chladiacej vody.

CANDU

Kanadský reaktor CANDU využíva ťažkú vodu ako chladivo aj moderátor. Jeho valcovité palivové súbory, označované aj ako palivové zväzky, sú dlhé približne pol metra a majú priemer asi 10 cm. Štandardný palivový zväzok CANDU 6 obsahuje 37 palivových elementov, hoci pri niektorých konštrukciách sa používa aj väčší počet.

Keďže sú tieto zväzky pomerne krátke, nepotrebujú dodatočnú nosnú konštrukciu. Jeden zväzok váži približne 20 kg. V každom tlakovom kanáli sa nachádza približne 12 zväzkov. Reaktor s elektrickým výkonom okolo 790 MW môže obsahovať 480 kanálov, teda približne 5 760 palivových zväzkov a päť miliónov palivových tabliet.

Magnox

Reaktor Magnox je plynom chladený reaktor s grafitovým moderátorom. Palivový element je dlhý približne 1 meter a má priemer asi 3 cm. Jeho pokrytie je vyrobené zo zliatiny horčíka, podľa ktorej dostal tento typ reaktora svoje označenie. Palivový súbor sa skladá z niekoľkých palivových elementov a má priemer približne 24 cm.

AGR

Pokročilý plynom chladený reaktor AGR využíva oxid uhličitý ako chladivo a grafit ako moderátor. Pokrytie palivových prútikov je vyrobené z nehrdzavejúcej ocele, čo umožňuje prevádzku pri vyšších teplotách, hoci oceľ zároveň pohlcuje časť neutrónov. Jeden palivový zväzok pozostáva z 36 palivových prútikov, váži približne 43 kg a je uložený v grafitovom puzdre.

RBMK

Reaktor RBMK je vodou chladený kanálový reaktor s grafitovým moderátorom, ktorý bol vyvinutý a prevádzkovaný v bývalom Sovietskom zväze. Dva palivové zväzky s dĺžkou približne 3,5 metra, z ktorých každý pozostáva z 18 palivových prútikov, sú upevnené na spoločnej nosnej tyči. Takto vytvorený palivový súbor sa zavádza do tlakového kanála dlhého približne 10 metrov s priemerom asi 8 cm.

HTR a PBMR

Vysokoteplotné reaktory HTR a reaktory s guľôčkovým lôžkom PBMR používajú hélium ako chladivo a grafit ako moderátor. Drobné guľovité palivové častice s priemerom približne 0,5 mm majú jadro z uránovej zlúčeniny a sú pokryté niekoľkými vrstvami pyrolytického uhlíka a karbidu kremíka. Ide o palivové častice typu TRISO.

Tieto častice sú uložené v grafitovej guli približne veľkej ako tenisová loptička. Jedna palivová guľa obsahuje približne 15 000 až 20 000 častíc TRISO a asi 9 gramov uránu. Palivové gule sa priebežne zavádzajú do aktívnej zóny a postupne sa odoberajú z jej spodnej časti.

 

Vedeli ste, že...?

Jedna palivová tableta váži približne 4,8 g a môže uvoľniť porovnateľné množstvo energie ako tona uhlia. Počas približne štyroch rokov pobytu v reaktore sa z nej môže vyrobiť množstvo elektrickej energie zodpovedajúce približne 25-ročnej spotrebe štvorčlennej domácnosti.