Kada reaktor za cijepanje atoma a nuklearna elektrana postrojenje radi normalno, kaže se da je "kritično" ili u stanju "kritičnosti". To je nužno stanje za proces kada se proizvodi esencijalna električna energija.
Korištenje izraza "kritičnost" može se činiti kontraintuitivnim kao način da se opiše normalnost. U svakodnevnom govoru ta riječ često opisuje situacije s potencijalom katastrofe.
U kontekstu nuklearne energije, kritičnost označava da reaktor radi sigurno. Postoje dva pojma povezana s kritičnošću - superkritičnost i subkritičnost, koji su također normalni i bitni za ispravnu proizvodnju nuklearne energije.
Kritičnost je uravnoteženo stanje
Korištenje nuklearnih reaktora urana gorivne šipke—duge, vitke, cirkonijeve metalne cijevi koje sadrže pelete fisijskog materijala za stvaranje energije fisijom. Fisija je proces cijepanja jezgri atoma urana kako bi se oslobodili neutroni koji zauzvrat dijele više atoma, oslobađajući više neutrona.
Kritičnost znači da reaktor kontrolira trajnu lančanu reakciju fisije, gdje svaki događaj fisije oslobađa dovoljan broj neutrona za održavanje niza reakcija u tijeku. Ovo je normalno stanje proizvodnje nuklearne energije.
Gorivne šipke unutar nuklearnog reaktora proizvode i gube konstantan broj neutrona, a nuklearni energetski sustav je stabilan. Nuklearni tehničari imaju procedure, od kojih su neke automatizirane, u slučaju da dođe do situacije u kojoj se proizvodi i gubi više ili manje neutrona.
Fisija proizvodi veliku količinu energije u obliku vrlo visoke topline i zračenja. Zato su reaktori smješteni u konstrukcije zapečaćene ispod debelih metalno armiranih betonskih kupola. Elektrane koriste ovu energiju i toplinu za proizvodnju pare za pogon generatora koji proizvode električnu energiju.
Kontroliranje kritičnosti
Kada se reaktor pokreće, broj neutrona se polako povećava na kontroliran način. Kontrolne šipke koje apsorbiraju neutrone u jezgri reaktora koriste se za kalibraciju proizvodnje neutrona. Kontrolne šipke su izrađene od elemenata koji apsorbiraju neutrone kao što su kadmij, bor ili hafnij.
Što su šipke dublje spuštene u jezgru reaktora, to više neutrona štapovi apsorbiraju i dolazi do manje fisije. Tehničari povlače gore ili spuštaju kontrolne šipke u jezgru reaktora ovisno o tome želi li se više ili manje fisije, proizvodnje neutrona i snage.
Ako dođe do kvara, tehničari mogu daljinski uroniti kontrolne šipke u jezgru reaktora kako bi brzo apsorbirali neutrone i isključili reaktor nuklearna reakcija.
Što je superkritičnost?
Prilikom pokretanja, nuklearni reaktor se nakratko dovodi u stanje koje proizvodi više neutrona nego što se gubi. Ovo stanje se naziva superkritično stanje, koje omogućuje povećanje populacije neutrona i proizvodnju veće snage.
Kada se postigne željena proizvodnja energije, vrše se prilagodbe kako bi se reaktor smjestio u kritično stanje koje održava ravnotežu neutrona i proizvodnju energije. S vremena na vrijeme, kao što je za zaustavljanje održavanja ili punjenje gorivom, reaktori se stavljaju u podkritično stanje, tako da se proizvodnja neutrona i energije smanjuje.
Daleko od zabrinjavajućeg stanja koje sugerira njegovo ime, kritičnost je poželjno i nužno stanje za nuklearnu elektranu koja proizvodi dosljedan i stalan tok energije.