Když se řekne jaderná elektrárna, spousta lidí si neumí představit, na jakém principu funguje. A přitom nejde o nic složitého - v mnohém je podobná uhelné elektrárně.
Základní princip jaderné elektrárny
Jaderná elektrárna je výrobna elektrické energie, respektive technologické zařízení, sloužící k přeměně vazebné energie jader těžkých prvků na elektrickou energii. Zjednodušeně můžeme říci, že jaderná elektrárna je tepelná elektrárna a od klasické tepelné elektrárny se liší v podstatě jen zdrojem tepla potřebného ke vzniku páry. V jaderné elektrárně vzniká teplo řízenou reakcí při štěpení jader uranu v reaktoru.
Vzniklá pára pohání turbínu a generátor vyrábí elektrickou energii, která je dodávána do přenosové sítě. První elektrický proud "z jádra" byl vyroben v roce 1954.
Jaderný reaktor a jeho části
Jaderný reaktor je zařízení, v němž se uskutečňuje řízená jaderná reakce štěpení jader uranu. V jaderném reaktoru probíhá řízené uvolnění jaderné energie. Jaderný reaktor je zařízením, v němž se energie uvolněná při jaderném štěpení přeměňuje na energii tepelnou, která se pak v klasické elektrárenské části využívá k výrobě elektrické energie.
Nejdůležitější části jaderného reaktoru:
- Palivové články (tyče): Konstrukčně vhodně upravená tyč obsahující štěpný materiál uzavřený v obalu, který zadržuje produkty štěpení a zabraňuje reakci mezi štěpným materiálem a chladivem. Jaderné elektrárny používají jaderné palivo obohacené do pěti procent. Z jaderného paliva se uvolňuje energie prostřednictvím jaderných reakcí. Jako jaderné palivo se využívá uran nebo plutonium a do budoucna se počítá s thoriem.
- Moderátor: Látka, která snižuje rychlost neutronů vznikajících při štěpné reakci na hodnotu potřebnou k vyvolání štěpné reakce dalšího jádra, např. grafit, voda.
- Regulační tyče: Tyče umístěné v aktivní zóně reaktoru vyrobené z materiálu, který silně absorbuje neutrony, sloužící k řízení řetězové reakce v jaderném reaktoru; materiál: bor, kadmium. Pomocí regulačních tyčí se reguluje množství volných neutronů v reaktoru a tím i průběh štěpení a výkon reaktoru. Okamžité zastavení reakce zajišťují bezpečnostní tyče, které obsahují mnohem vyšší koncentraci absorbátoru.
Část reaktoru, ve které je uloženo palivo a ve které probíhá štěpná reakce, se nazývá aktivní zóna.
Čtěte také: Expozice kamene v Podolí
Štěpná jaderná reakce
V jaderné elektrárně vzniká teplo řízenou reakcí při štěpení jader uranu v reaktoru teplem ze štěpné jaderné reakce. Energie z palivových elementů se uvolňuje změnami v jádrech atomů. V jaderném reaktoru dochází k řízené štěpné reakci v palivu - jádra izotopu 235U zasažená pomalými neutrony se rozpadají na jádra lehčích prvků (odštěpky, fragmenty) a současně se při každém štěpení uvolní 2 - 3 rychlé neutrony. Probíhá tzv. řízená řetězová reakce. Pravděpodobnost štěpení jádra uranu je tím větší, čím pomalejší jsou ostřelující neutrony. Fragmenty se vzájemně odpuzují a velkou rychlostí se od sebe rozlétají. Při jejich zabrzdění srážkami s ostatními atomy paliva se kinetická energie mění na teplo, materiál se silně zahřívá. Reakci lze řídit.
Při štěpení však vzniknou rychlé neutrony s průměrnou kinetickou energií do 2 MeV. Mají-li vyvolat štěpení, musí se jejich energie snížit na hodnotu mezi 0,025 - 0,5 eV. Zpomalování neutronů se děje jejich srážkami s jádry moderátoru, který obklopuje palivo.
Schéma dvouokruhové jaderné elektrárny s lehkovodním tlakovým reaktorem
Jaderné elektrárny, pracující dnes v mnoha zemích světa, se liší jak typem reaktorů, tak i různým konstrukčním a stavebním provedením. Budeme věnovat pozornost pouze elektrárnám dvouokruhovým s lehkovodním tlakovým reaktorem.
- Jaderná část elektrárny (primární okruh) je soustředěna v hermeticky uzavřené betonové budově, tzv. ochranné obálce neboli kontejnmentu. Jaderný reaktor je zdrojem tepla, kterým se v parogenerátorech v sekundárním okruhu ohřívá voda až na teplotu varu a vzniklá pára se odvádí do nejaderné části. V ochranné obálce jsou dále oběhová čerpadla pro zajištění proudění chladiva (vody) mezi reaktorem a parogenerátory. Reaktor je napojen na primární okruh, v němž proudí obyčejná voda. Ta se mění na páru o teplotě až 500 stupňů Celsia.
- Nejaderná část elektrárny se prakticky neliší od běžné tepelné elektrárny a je tvořena sekundárním a chladicím okruhem. Horká pára z parogenerátorů se přivádí do vícestupňové parní turbíny. Roztočená turbína pohání generátor elektrického proudu, který se po transformaci na velmi vysoké napětí přivádí do rozvodné sítě. Z turbíny přichází pára do kondenzátoru, ve kterém po ochlazení zkapalní a vrací se zpět do parogenerátoru. Chlazení páry zajišťuje voda, cirkulující chladicím okruhem mezi kondenzátorem a chladicími věžemi.
Primární okruh předává své teplo sekundárnímu okruhu ve formě páry. Sekundární okruh pohání páru k turbíně a roztáčí ji.
Typy jaderných reaktorů
Reaktory mají rozmanité konstrukce, princip činnosti i oblast využití. Reaktory lze rozdělit podle užívaného moderátoru:
Čtěte také: Objevte Vápenný Podol
- Lehkovodní typy:
- VVER (Vodo-Vodjanyj Energetičeskij Reaktor): V České republice se s tlakovodním reaktorem setkáváme v jaderných elektrárnách Dukovany a Temelín. Tyto reaktory se označují také ruskou zkratkou VVER. Palivem je obohacený uran ve formě oxidu uraničitého UO2, moderátorem i chladivem obyčejná voda.
- BWR (Boiling Water Reactor): Varný reaktor.
- Grafitem moderované typy: RBMK/LWGR (Černobyl).
- Moderované těžkou vodou: CANDU (Kanada). V těchto reaktorech se používá tzv. těžká voda (D2O neboli oxid deuteria) jako chladivo a moderátor.
- Fúzní jaderný reaktor: V tomto reaktoru se jaderná energie získává slučováním lehkých jader z deuteria či tritia.
- Radioizotopový termoelektrický generátor: V tomto reaktoru dochází k přirozenému rozpadu těžkých prvků, jako je plutonium. Slouží jako zdroj elektrické energie u zařízení v odlehlých oblastech.
Jaderné elektrárny v ČR
V České republice se Jaderná elektrárna Temelín stavěla od roku 1987 do roku 2000 a Jaderná elektrárna Dukovany od roku 1974 do roku 1985.
Jaderné elektrárny Dukovany a Temelín patří k tzv. reaktorům II. generace.
Generace jaderných reaktorů
Existuje více typů jaderných elektráren, které se rozlišují i podle toho, zda jsou jedno- nebo dvouokruhové. Kromě toho se reaktory dělí do generací:
- I. generace: Byly budovány hlavně v 50. a 60. letech, především jako experimentální. Tyto reaktory našly jen omezené využití.
- II. generace: Jaderné elektrárny Dukovany a Temelín, patří k tzv. reaktorům II. generace. V reaktorech této generace se používají i další druhy chladiva, například roztavené kovy nebo inertní plyny jako například helium či oxid uhličitý.
- III. generace: U III. generace se klade důraz na zjednodušení výroby a provozu a na zkrácení doby budování elektrárny. Jsou navrženy tak, aby přestály nehody podobné těm v Three Mile Island a Černobylu. Mají menší počet složek systému, jsou kompaktní a neroztavitelné. Jedním z úspěšně postupujících projektů je tzv. americký projekt NuScale.
- IV. generace: Reaktory IV. generace (tzv. Generace IV) představují směr v rozvoji jaderné energetiky. Tedy nejde o další evoluční stupeň. Nejdůležitějším rysem je, že pracují při velmi vysokých teplotách, tzn. přibližně 1000 °C. To umožňuje další efektivnější využití tepelné energie nejen k výrobě elektřiny, ale také k vylepšení energetické efektivnosti. Reaktory IV. generace se vyznačují výrazným vylepšením bezpečnosti proti lidským chybám a snížením rizika roztavení paliva v aktivní zóně. Jejich vývoj se zaměřuje na omezení vzniku materiálů k výrobě jaderných zbraní. Současně s reaktory IV. generace, které jsou stále spíše ve fázi vývoje, se počítá s efektivním zužitkováním již vyhořelého paliva z reaktorů předchozích generací.
Tabulka: Přehled generací jaderných reaktorů
| Generace | Období výstavby | Hlavní rysy | Příklady |
|---|---|---|---|
| I. | 50. a 60. léta | Experimentální, omezené využití | - |
| II. | 70. a 80. léta | Standardní komerční reaktory | Dukovany, Temelín (VVER) |
| III. | Od 90. let | Zjednodušená výroba a provoz, vyšší bezpečnost | NuScale |
| IV. | Ve vývoji | Velmi vysoké teploty, efektivní využití paliva, minimalizace odpadu | - |
Bezpečnost a životnost jaderných elektráren
Jaderné elektrárny neprodukují skleníkové plyny, proto nedochází ke znečištění ovzduší. Jaderné elektrárny neprodukují skleníkové plyny, nicméně zásoby uranu jsou konečné, proto nejde o zcela obnovitelný zdroj energie. Byly zaznamenány pouze zanedbatelné hodnoty, ani nebyl potvrzen dopad provozu elektrárny na zdravotní stav obyvatel v jejím okolí. Jaderná energetika má největší zastoupení v průmyslově nejvyspělejších oblastech: v Evropě, severní Americe a ve východní Asii.
Čtěte také: Vše o bílém hašeném vápně
Jaderné reaktory v jaderných elektrárnách mají omezenou životnost. Nejstarší reaktor je v provozu již 45 let a žádný reaktor nepracoval déle než 47 let. U většiny jaderných elektráren chybí provozní zkušenosti s reaktory staršími 40 let.
Zásoby uranu jsou konečné, vydrží na téměř 300 let. Reaktory IV. generace mají vyhlídky na budoucnost, protože mohou zužitkovat již vyhořelé palivo. Tím se problém s jaderným odpadem změní a stane se z něj surovina. Vyhořelé palivo je stále velmi radioaktivní, nicméně se s ním nakládá tak, aby neškodilo. Z reaktoru se odváží do bazénu vyhořelého paliva, který se nachází přímo v jaderné elektrárně pod ochrannou vrstvou vody. Odtud se po dostatečném vychladnutí přemístí do meziskladu, kde zůstává do přepracování nebo trvalého uložení.
Vědci se už řadu let snaží najít inspiraci v přírodních reaktorech a navrhnout lepší způsoby skladování jaderného odpadu. Objevily se zde sloučeniny ruthenia, které by mohly být mimořádně užitečné. Sloučeniny ruthenia teď vědci budou studovat podrobněji.
Přírodní jaderné reaktory
Vědci objevili stopy starobylých přírodních jaderných reaktorů v rudě pocházející z naleziště Oklo v africkém státu Gabon. Přírodní uran je složen ze dvou izotopů s nukleonovými čísly 238U a 235U. Tyto reaktory vznikly před miliardami let. Podmínkou pro jejich vznik bylo, že ložisko uranu bylo relativně velké a bylo zalito podzemní vodou.
Nyní vědci studovali zrna ruthenia. Zjistili, že vazba cesia na ruthenium je zvlášť důležitá, protože prvek je nestabilní a těkavý a v atomových reaktorech obvykle uniká do atmosféry. Štěpení v reaktoru vytvoří zrna ruthenia. Vědci našli neuvěřitelně vysoký přebytek izotopu uranu-235 ze všech hornin, které doteď analyzovali.
Fúzní reaktor
Jinou cestou pro získávání jaderné energie, a tím je slučování (fúze) jader lehkých prvků. Vazebná energie nukleonu, tj. energie, která je nutná k rozdělení jádra na jednotlivé nukleony, je vyšší než v případě štěpení. Tato reakce uvolňuje značné množství energie. Příkladem je slučování izotopů vodíku - deuteria a tritia. Reakcí vznikne neutron (14,06 MeV) a jádro helia (3,52 MeV). Reaktory by měly pracovat v podmínkách, při nichž se hmota nachází ve stavu ionizovaného plazmatu, tj. směsi jader a elektronů. Cílem je, aby se plazma udrželo při vysokých teplotách po dostatečně dlouhou dobu, aby se spustila samoudržující fúzní reakce. Dosažení těchto podmínek je cílem termojaderného reaktoru.
Jejich výhodou je, že neprodukují škodlivé zplodiny, vznikající spalováním fosilních paliv. Na rozdíl od štěpných reaktorů nezatěžují okolí radioaktivitou. Produktem reakce je neškodné helium. Jediný radioaktivní materiál (s nízkou sekundární radioaktivitou konstrukčních materiálů) je tritium. Palivo bude dodáváno postupně, ve zcela nepatrném množství, takže by se reakce samovolně zastavila a reaktor by se okamžitě ochladil. Vznikl prototyp zařízení pro udržení plazmatu v magnetické nádobě, tzv. tokamak. Tokamak vznikl začátkem 60. let v Ústavu atomové energie I. V. Kurčatova v Rusku.
tags: #vapenny #reaktor #princip #informace