Jaderná fyzika

Existence řetězové jaderné reakce v uranu ²³⁵U umožnila využití jaderné energie k přeměně na elektrickou energii v jaderných elektrárnách.

Obr. 58 – jaderná elektrárna

4.1. Jaderná elektrárna

V jaderné elektrárně se postupně mění energie jaderného štěpení na energii tepelnou, tepelná na mechanickou a mechanická energie na elektrickou. Na obrázku je znázorněno schéma jaderné elektrárny.

Jaderná elektrárna se skládá ze tří okruhů:

1. Primární okruh – reaktor
2. Sekundární okruh – parogenerátor, turbína, alternátor
3. Terciární okruh – chladicí věže, kondenzátor

Jaderná štěpná reakce probíhá v reaktoru, zde energie ze štěpných reakcí ohřívá vodu v primárním okruhu a přeměňuje se na teplo. Voda v primárním okruhu ohřívá vodu v sekundárním okruhu, která již není pod tlakem a v parogenerátoru se přeměňuje na páru, která pohání turbínu. Tepelná energie se tedy mění na mechanickou energii turbíny. Turbína otáčí rotorem generátoru střídavého napětí a energie mechanická se přeměňuje na energii elektrickou. V kondenzátoru voda sekundárního okruhu kondenzuje a celý proces se neustále opakuje.

4.1.1. Jaderný reaktor

První jaderný reaktor byl uveden do provozu 2. prosince 1942 na Chicagské universitě Enrico Fermim a jeho spolupracovníky. Jako palivo v něm sloužil čistý uran, jako moderátor neutronů grafit. Řetězová reakce byla ovládána zasouváním kadmiových tyčí, které pohlcují neutrony.
Dnes existuje velké množství různých typů jaderných reaktorů, které se liší svým technickým uspořádáním, druhem paliva, moderátoru i chladiva, výkonem.
Jako palivo se v jaderném reaktoru používá obohacený uran, tedy takový, který obsahuje vyšší procento uranu ²³⁵U než uran přírodní. Tento izotop podléhá štěpným jaderným reakcím mnohem ochotněji než jiné izotopy uranu. Výroba obohaceného uranu je technologicky velmi náročná. Palivo je umístěno v aktivní zóně reaktoru, kde jsou umístěny rovněž regulační a havarijní tyče schopné pohlcovat neutrony. Aktivní zóna je umístěna v tlakové nádobě s vodou, která plní funkci moderátoru, chladiva a stínění.
Moderátorem je obvykle těžká voda nebo voda s přídavkem kyseliny borité. Moderátor je látka, která zpomaluje rychle letící neutrony uvolněné při jaderné reakci, zároveň slouží jako chladivo a ohřívá vodu v sekundárním okruhu elektrárny. Teplota chladiva dosahuje přibližně 300 °C při tlaku 16MPa. Moderování umožňuje nejen neutrony zpomalit, ale také řídit reakci, případně ji úplně zastavit, pokud probíhá velmi rychle.

Důležitým prvkem reaktoru jsou řídící tyče, které pomáhají regulovat výkon elektrárny tím, že pohlcují přebytečné neutrony. Obvykle jsou vyrobeny z grafitu nebo sloučenin bóru.

Na obrázku je znázorněné schéma tlakovodního reaktoru.

Jaderné palivo pro elektrárny je vyráběno ve formě tablet, které obsahují oxid uraničitý a jsou potaženy vrstvou odolné slitiny. Jaký je důvod tohoto uspořádání?

Slitina má ochrannou funkci, aby se radioaktivita nedostala ven z pelet.

Jaké vlastnosti musí mít materiál řídících tyčí?

Musí mít schopnost absorbovat neutrony vzniklé při štěpné reakci.

Jaderné elektrárny (stejně jako ostatní tepelné elektrárny) se staví buď v blízkosti velkých řek nebo u břehu moře. Proč? Jaké má toto řešení nevýhody.

Důvodem je velké množství vody, které elektrárny potřebují při provozu jako chladivo. Nevýhodou je, že při havárii dojde k velké ekologické katastrofě.

Zajímavosti:

1. Jedna peleta má hmotnost 4,8 gramu, velikost asi kostky cukru a energií, kterou dokáže uvolnit uran v ní obsažený, odpovídá využitelné energii, kterou lze získat spálením 880 kg černého uhlí.
2. V jedné palivové tyči pak je 370 pelet o celkové hmotnosti 1,8 kg. Energie, kterou lze získat z jedné palivové tyče, odpovídá energii, kterou spotřebuje průměrně jedna domácnost za dobu 25 let.
3. V 1 kg uranu je obsažena energie odpovídající využitelné energii 1 vagonu černého uhlí.

4.1.2. Výkon jaderné elektrárny

Jaderná elektrárna Dukovany vyrábí ročně asi 14 TWh elektrické energie, která se získává štěpením uranu ²³⁵U. Odpovídá toto množství energie množství spotřebovaného paliva?

Jaderná fyzika

4.1.3. Bezpečnost jaderné elektrárny

Při provozu jaderných elektráren je bezpečnost základním požadavkem. Vznikající radioaktivní materiál a radioaktivní záření se nikdy nesmí dostat do vnějšího prostředí a ohrozit personál elektrárny nebo dokonce obyvatelstvo v blízkém i dalekém okolí. Jaderná elektrárna musí odolat zemětřesení i jiným živelným pohromám, pádu letadla, teroristickým útokům, technickým závadám i selhání obsluhy. Ze základních opatření pro zajištění radiační bezpečnosti jaderných elektráren jsou nejvýznamnější bariéry jaderných elektráren a autoregulace reaktoru.

Bariéry jaderných elektráren
První bariéra spočívá už v samé struktuře jaderného paliva. Krystalická struktura nejčastěji používaného oxidu uraničitého UO₂ má sama schopnost udržet při normálním provozu reaktoru 99 % vznikajících radioaktivních štěpných produktů.

Druhou bariérou je hermetický obal palivové tyče. Jeho úkolem je zachytit zbylé asi 1 % plynných produktů štěpení. Dokonce ani při porušení hermetičnosti palivové tyče není ohrožena radiační bezpečnost v primárním okruhu elektrárny.

Třetí bariérou je vlastní reaktorová nádoba, která je dostatečně pevná, a hermeticky uzavřený primární okruh.

Čtvrtou bariéru tvoří tzv. ochranná obálka neboli kontejnment. Přestože selhání všech už zmíněných tří bariér je velmi nepravděpodobné, je pro další zvýšení bezpečnosti prostor primárního okruhu moderních jaderných elektráren uzavřen pod ochranný železobetonový obal - kontejnment. Tato ochrana je vybudována i na našich elektrárnách v Temelíně a Dukovanech.

Autoregulace reaktoru
Dalším významným prvkem zaručujícím bezpečnost jaderné elektrárny je princip autoregulace reaktoru. Autoregulace je schopnost reaktoru omezit náhlé změny výkonu automaticky i bez využití regulačních orgánů. Pokud dojde k neočekávanému zvýšení výkonu reaktoru, autoregulace vrátí výkon k původním provozním hodnotám. Vývoj reaktorů směřuje právě k těmto typům s tzv. inherentní (vnitřní) bezpečností.

Ukládání radioaktivního odpadu
Radioaktivní odpady vznikají v jaderné energetice v podstatě v průběhu celého palivového cyklu - od vytěžení uranové rudy až po likvidaci elektrárny na konci její životnosti. Použité jaderné palivo představuje vysoce aktivní materiál, který je možné uložit nebo přepracovat na nové palivo. Při provozu jaderné elektrárny vznikají i nízkoaktivní a středně aktivní odpady.

Principem zneškodnění radioaktivních odpadů je jejich oddělení od biosféry takovým způsobem, aby po celou dobu jejich existence nemohlo dojít k ohrožení člověka a životního prostředí.

Použité palivo se skladuje nejprve několik let v bazénech v reaktorové hale. Účelem skladování je snížení zbytkového tepelného výkonu použitého paliva na míru potřebnou pro další manipulaci s ním. Poté se převeze na uskladnění do tzv. skladů použitého paliva (v ČR mají takové suché sklady obě jaderné elektrárny), kde odpočívá do rozhodnutí o jeho dalším přepracování nebo definitivním uložení v hlubinném úložišti. Tomuto účelu odpovídá i požadavek na životnost skladovacích kontejnerů minimálně 60 let.

Stupnice havárií

Obr. 59 – stupnice jaderných havárií