Jako palivo se v tepelných reaktorech nejčastěji používá obohacený uran, který obsahuje vyšší procento nuklidu než uran přírodní. Výroba tohoto paliva obohacováním uranu vyžaduje náročnou technologii a zabývá se jí jen několik průmyslově vyspělých států světa. Palivo (resp. palivové články) jsou uranové tyče s ochranným pokrytím. Ty se vyrábějí tak, že se prášek z keramiky slisuje a pak se zapeče. Tím se zrnka prášku přitaví k sobě. Vznikne tak jeden tzv. pelet, z nichž se vyrábějí palivové tyče délky zhruba 4 m. Na povrchu se tyto tyče pokrývají povlakovým materiálem (cladding) vyráběným např. Palivo je umístěno v tzv. aktivní zóně, kde jsou umístěny rovněž kompenzační, regulační a havarijní tyče z materiálů pohlcujících neutrony (kadmium, borová ocel, …).
Hlavním účelem havarijních tyčí (včetně regulačních tyčí) je řídit štěpnou řetězovou reakci a rychle omezit výkon reaktoru v případě potíží. Důležité je pochopit rozdíl mezi regulačními a havarijními tyčemi: regulační tyče umožňují jemnou regulaci polohy a jsou ovládány jednotlivě, havarijní tyče se zasouvají hromadně a rychle. Zásadní rozdíl spočívá ve způsobu zasouvání: při provozu reaktoru jsou regulační tyče vytaženy a pak zasouvány podle potřeby, havarijní tyče mají zajistit okamžité odstavení, pokud dojde k neočekávanému nárůstu výkonu.
V moderních jaderných elektrárnách jsou havarijní a regulační tyče rozděleny do skupin, které lze ovládat jak samostatně, tak v kombinaci. Při provozu bývá 5 skupin havarijních tyčí vytaženo a jedna regulační skupina vytažena na cca 80-100 %. Tato konfigurace umožňuje rychlé snížení absorpce neutronů a následnou úpravu toku v aktivní zóně.
Havarijní a regulační pohony jsou klíčové součásti systému SKŘ (systém kontroly a řízení reaktoru). Modernizovaný pohon regulačního orgánu PRO‑M tvoří aktivní část systému typu VVER 440 a zahrnuje 37 pohonů s pastorkem a hřebenovou tyčí. Pro reaktor VVER 1000 pracuje 61, respektive až 121 lineárních krokových pohonů (LKP‑M), v závislosti na typu reaktoru. Každý pohon LKP‑M je schopen pracovat samostatně či spolu s ostatními v rámci SGIU‑M řízení a ochrany.
Regulační prvky tvoří tři základní skupiny: pohony regulačních tyčí, samotné regulační a havarijní prvky. V pracujícím reaktoru jsou palivové části kazet vytaženy a absorpční části zůstávají nad zónou; při potřebě utlumení se kazety spouštějí dolů, palivová část se vysune a do ní se vsune absorpční část. Havarijní tyče mají pevný absorbátor a slouží k okamžitému odstavení reaktoru v případě potřeby. Regulační a havarijní tyče bývají rozděleny do skupin a jejich řízení zajišťují ovládací pulty a pultoví programovatelné systémy.
Jaderné palivo se do reaktoru doplňuje během pravidelných odstávek; výměna paliva probíhá přibližně jednou za rok. Při odstávce se nejstarší palivové soubory vyjímají, zůstávají v bazénu vyhořelého paliva, a poté jsou podle kartogramu rozmístěny nové články. Celá odstávka trvá obvykle 1-2 měsíce, při mimořádných revizích i déle. Palivové soubory jsou tvořeny z palivových proutků a tabulek; palivová tableta je malý váleček z lisovaného UO2 a je uzavřena v trubičce zirkonové slitiny s heliem vyplněnou mezerou.
Je důležité zmínit, že uvnitř aktivní zóny probíhá řízení výkonu dvěma způsoby: první je změna koncentrace kyseliny borité ve vodě primárního okruhu (borové tablety absorbují neutrony a tím ovlivňují průběh štěpení). Druhý způsob je použití clusters - regulačních prvků s absorpční schopností zasouvaných do vodicích trubek palivových souborů. Zasunutím regulačních tyčí se zvyšuje množství absorbátoru v reakčním prostoru, což tlumí reakci. Při havarijním odstavení se používají pevné regulační prvky s absorbátorem.
Aktivní zóna je oblast v tlakové nádobě reaktoru, ve které se nachází jaderné palivo a kde probíhá řetězová štěpná reakce. Ke dnu tlakové nádoby pod aktivní zónu se chladivo dostává sestupným prouděním, poté vstupuje do palivových souborů a ohřívá je. Teplem, uvolněným při štěpné reakci, se chladivo ohřeje a pokračuje do mezitrubního prostoru bloku ochranných trub, odkud se vrací zpět do primárního okruhu.
Pro výstavbu moderních jaderných reaktorů se používají reaktory s různým uspořádáním: tlakovodní (PWR) s obohaceným uranem, moderované a chlazené vodou; jaderné elektrárny v různých zemích využívají odlišná řešení moderátoru a chladiva (těžká voda, voda s borovou kyselinou, uhlík, helium). Většina reaktorů používá vodu jako moderátor i chladivo, avšak uspořádání a charakteristiky se liší podle typu reaktoru (VVER 440/1000, PWR atd.).
Vysokoteplotní reaktory bývají chlazeny helium, ale v běžných jaderných elektrárnách se používá voda; tato voda musí zůstávat kapalnou i při vysokých teplotách a tlacích. Skladování použitého paliva probíhá nejprve ve vodních bazénech v reaktorové hale pro snížení zbytkového tepelného výkonu a následně v suchých skladech. Životnost skladovacích kontejnerů je minimálně 60 let. Použité palivo může být přepracováno na nové palivo nebo bezpečně uloženo v hlubinném úložišti.
V provozu jaderné elektrárny je důležité dodržovat bezpečnostní bariéry. První bariéra spočívá v krystalické struktuře oxidu uraničitého UO2, která udržuje 99 % vznikajících štěpných produktů. Druhá bariéra je hermetický obal palivové tyče. Třetí bariéra je samotná reaktorová nádoba, čtvrtou je ochranná obálka či kontejnment. Moderní elektrárny navíc zahrnují další ochranné prvky, jako autoregulaci reaktoru, která je schopna omezit náhlé změny výkonu automaticky a bez zásahu obsluhy. Vývoj reaktorů směřuje k inherentní bezpečnosti, tedy k bezpečnosti vyplývající z vnitřní konstrukce a samotného principu činnosti.
Radioaktivní odpady vznikají během celého palivového cyklu. Použité palivo je vysoce aktivní materiál, který je možné uložit nebo přepracovat na nové palivo, zatímco nízkoaktivní a středně aktivní odpady vznikají během provozu. Princip zneškodnění zahrnuje oddělení od biosféry; palivo se nejprve skladuje v bazénech a poté v suchých skladech, s dohledem a testováním, aby byla zajistena bezpečnost a minimalizace tepelného výkonu.
Jaderný reaktor je tedy komplexní systém, jehož fungování spočívá v řízení štěpení jader proti nepředvídaným situacím, a to díky kombinaci paliva, moderátoru, chlazení a havarijních prvků. Přesná konstrukce aktivní zóny, palivových kazet, chladiče a regulačních částí umožňuje udržovat stabilní provoz a bezpečnost v celém životním cyklu reaktoru.
Pro doplňující obraz si uvědomíme, že jedna peleta má hmotnost 4,8 gramu a její energie odpovídá využitelné energii 880 kg černého uhlí. V jedné palivové tyči je 370 pelet a celková hmotnost palivové tyče dosahuje 1,8 kg. Energetický obsah paliva tedy reprezentuje významný zdroj tepla pro provoz reaktoru a posun termosním procesům v konverzi tepla na elektrickou energii.
V praxi představuje reaktor složitý systém od řízení řetězové reakce, přes mechaniku pohonů a řídicí systémy, až po bezpečnostní mechanismy a údržbu. Energetický cyklus začíná štěpením paliva, které uvolňuje teplo; toto teplo se přenáší na chladivo a následně na sekundární okruh, kde se ohřívá voda a vytváří páru pohánějící turbínu. Turbína vyrábí elektrickou energii, která je následně kondenzována a cyklus se opakuje. Všechny tyto kroky probíhají pod přísnou kontrolou regulačních a havarijních systémů, kterými se zajišťuje bezpečný a spolehlivý provoz jaderné elektrárny.
- Palivo a palivové články: obohacený uran, pelety, cladding.
- Moderátor a chladivo: voda, těžká voda, uhlík, helium pro některé typy reaktorů.
- Řízení a ochrana: regulační a havarijní tyče, pohony a kontrolní systémy.
- Bezpečnostní bariéry: palivový obal, reaktorová nádoba, kontejnment a autoregulace.
- Likvidace radioaktivních odpadů: skladování, přepracování a hlubinné uložiště.
V současné době je vývoj reaktorů zaměřen na zvyšování inherentní bezpečnosti a spolehlivosti, a to prostřednictvím vnitřních fyzikálních vlastností a autonomních regulačních mechanismů, které minimalizují riziko havárie. Tento trend je doprovázen stálým zlepšováním technické pomoci pro provozovatele a bezpečnostní experty, aby se zajistila trvalá udržitelnost jaderné energetiky.