Kun atomia jakava reaktori a ydinvoima laitos toimii normaalisti, sen sanotaan olevan "kriittinen" tai "kriittisessä" tilassa. Se on välttämätön tila prosessille, kun olennaista sähköä tuotetaan.
Termin "kriittisyys" käyttäminen voi tuntua intuitiiviselta tapana kuvata normaalia. Arkikielessä sana kuvaa usein tilanteita, joissa voi olla katastrofi.
Ydinvoiman yhteydessä kriittisyys tarkoittaa, että reaktori toimii turvallisesti. Kriittisyyteen liittyy kaksi termiä - ylikriittisyys ja alikriittisyys, jotka ovat molemmat normaaleja ja välttämättömiä asianmukaiselle ydinvoimantuotannolle.
Kriittisyys on tasapainoinen tila
Ydinreaktorit käyttävät uraani polttoainesauvat – pitkiä, ohuita, zirkoniummetalliputkia, jotka sisältävät halkeamiskelpoisen materiaalin pellettejä energian tuottamiseksi fissiolla. Fissio on prosessi, jossa uraaniatomien ytimet halkeavat vapauttamaan neutroneja, jotka puolestaan jakavat lisää atomeja vapauttaen enemmän neutroneja.
Kriittisyys tarkoittaa, että reaktori ohjaa jatkuvaa fissioketjureaktiota, jossa jokainen fissiotapahtuma vapauttaa riittävän määrän neutroneja ylläpitämään jatkuvaa reaktiosarjaa. Tämä on ydinvoimantuotannon normaali tila.
Ydinreaktorin sisällä olevat polttoainesauvat tuottavat ja menettävät vakiomäärän neutroneja, ja ydinenergiajärjestelmä on vakaa. Ydinvoimateknikoilla on käytössä menettelyt, joista osa on automatisoituja siltä varalta, että syntyy tilanne, jossa syntyy ja katoaa enemmän tai vähemmän neutroneja.
Fissio tuottaa paljon energiaa erittäin suuren lämmön ja säteilyn muodossa. Siksi reaktorit sijoitetaan rakenteissa, jotka on suljettu paksujen metallivahvisteisten betonikupujen alle. Voimalaitokset hyödyntävät tämän energian ja lämmön tuottaakseen höyryä sähköä tuottavien generaattoreiden käyttämiseksi.
Kriittisyyden hallinta
Reaktorin käynnistyessä neutronien määrää lisätään hitaasti hallitusti. Reaktorin sydämessä olevia neutroneja absorboivia säätösauvoja käytetään neutronien tuotannon kalibroimiseen. Säätösauvat on valmistettu neutroneja absorboivista elementeistä, kuten kadmiumista, boorista tai hafniumista.
Mitä syvemmälle sauvat lasketaan reaktorin sydämeen, sitä enemmän sauvat absorboivat neutroneja ja sitä vähemmän tapahtuu fissiota. Teknikot nostavat tai laskevat ohjaussauvoja reaktorin sydämeen riippuen siitä, halutaanko enemmän vai vähemmän fissiota, neutronien tuotantoa ja tehoa.
Jos toimintahäiriö ilmenee, teknikot voivat upottaa ohjaussauvat etänä reaktorin sydämeen imeäkseen nopeasti neutroneja ja sammuttaakseen ydinreaktio.
Mikä on ylikriittisyys?
Käynnistettäessä ydinreaktori asetetaan hetkeksi tilaan, joka tuottaa enemmän neutroneja kuin häviää. Tätä tilaa kutsutaan ylikriittiseksi tilaksi, joka mahdollistaa neutronipopulaation lisääntymisen ja lisää tehon tuottamista.
Kun haluttu tehontuotanto saavutetaan, reaktori asetetaan kriittiseen tilaan, joka ylläpitää neutronitasapainoa ja tehontuotantoa. Toisinaan, kuten huoltoseisokkeja tai tankkausta varten, reaktorit asetetaan alikriittiseen tilaan, jolloin neutronien ja sähkön tuotanto vähenee.
Kaukana nimestään vihjailevasta huolestuttavasta tilasta kriittisyys on toivottava ja välttämätön tila johdonmukaista ja tasaista energiavirtaa tuottavalle ydinvoimalaitokselle.