Jaderné elektrárny ČEZ

V dukovanské elektrárně pracují tlakovodní reaktory (PWR) projektového označení VVER 440/213. Elektrárna je uspořádaná do dvou hlavních výrobních bloků, z nichž v každém jsou instalovány dva reaktory. Celkový instalovaný elektrický výkon elektrárny je dnes po úpravách a modernizacích 2 000 MW. Jaderná elektrárna je tepelnou elektrárnou, od uhelné se liší pouze zdrojem tepla využívaného ke vzniku páry. Tím je štěpení uranu 235U. Teplo odvádí chladicí voda, která zároveň slouží jako moderátor (zpomalovač) neutronů. K regulaci výkonu reaktoru se kromě regulačních tyčí používá příměs kyseliny borité v chladivu.

Voda jako teplonosné médium cirkuluje v uzavřeném primárním okruhu reaktoru pod vysokým tlakem. Její pohyb zajišťují čerpadla. V parogenerátorech předává voda primárního okruhu své teplo okruhu sekundárnímu, sekundární voda se mění na sytou páru o tlaku 4,61 MPa a teplotě 259 °C. Pára se vede na lopatky turbíny a roztáčí rotor, který předává mechanickou energii generátoru; ten ji přeměňuje na energii elektrickou.

Ke každému reaktoru patří dvě třítělesové turbíny s jedním vysokotlakým a dvěma nízkotlakými díly, které pracují při otáčkách 3 000/min. V celé elektrárně je takových turbín osm. S každou turbínou je na stejné hřídeli spojen 220 MW generátor elektrického proudu (dvoupólový asynchronní alternátor generující napětí 15,75 kV a proud 9 600 A). Napětí z generátoru se po transformaci na velmi vysoké napětí 440 kV vede do rozvodné sítě.

Srdcem primárního okruhu, v němž probíhá řízená řetězová štěpná reakce, je reaktor. Obsahuje palivo, chladivo, moderátor a řídicí a měřicí systémy. Tvoří jej ocelová tlaková nádoba s odnímatelným víkem, uvnitř je aktivní zóna. Je složena z 312 palivových kazet a 37 regulačních kazet. V každé kazetě je 126 palivových proutků, v nichž jsou hermeticky uzavřeny tablety jaderného paliva. Okolo palivových proutků proudí chladicí voda, která odvádí teplo uvolňované při štěpení. Jádra izotopu 235U zasažena pomalými, tzv. tepelnými, neutrony se rozpadají na jádra lehčích prvků. Současně se při každém štěpení uvolní 2 až 3 rychlé neutrony. Nová jádra se vzájemně odpuzují a velkou rychlostí se od sebe vzdalují. Při jejich brzdění srážkami s ostatními atomy se kinetická energie mění na teplo. Uvolněné neutrony mohou způsobit štěpení dalších uranových jader. „Energetická vydatnost“ reakce je na první pohled bezkonkurenční: zatímco spálením uhlíku na CO2 se na jednu vytvořenou molekulu získá energie řádově několik jednotek, při jednom rozštěpení jádra se uvolní energie řádově stomilionkrát větší. Pravděpodobnost štěpení jádra 235U je tím větší, čím pomalejší jsou neutrony, se kterými se setká. Zpomalení rychlých neutronů zařídí moderátor.

Na začátku každé palivové kampaně se zavezením čerstvých palivových kazet vytvoří zásoba, která umožní provoz na plném výkonu po dobu asi 1 roku. V průběhu provozu reaktoru jaderné palivo vyhořívá, tj. snižuje se v něm obsah uranu a zvyšuje se obsah štěpných produktů. Úbytek reaktivity se vyrovnává snižováním obsahu kyseliny borité v chladicí vodě. Krátkodobé rychlé změny výkonu reaktoru zajišťuje skupina regulačních kazet.

Každá z nich se skládá z palivové části (ta je stejná jako běžná palivová kazeta) a nad ní z části absorpční, která je stejného tvaru, ale je vyrobena z bórové oceli. Regulační kazeta má oproti obyčejné palivové přibližně dvojnásobnou výšku. Každá regulační kazeta je spojena s elektropohonem na víku reaktorové nádoby. Při regulaci výkonu se využívá dvou nezávislých jevů – při zasouvání regulační kazety dochází díky absorbátoru – bóru – k zvýšení absorpce neutronů v aktivní zóně a současně ke snížení množství paliva v aktivní zóně.

Rychlé odstavení reaktoru, tj. rychlé přerušení štěpné reakce, je jedním ze základních požadavků jaderné bezpečnosti. K tomuto účelu je reaktor vybaven bezpečnostním systémem ochran. V případě nepřípustného překročení povolených provozních parametrů či technologického stavu primárního nebo sekundárního okruhu systém uvádí automaticky do činnosti 37 regulačních kazet. Může to udělat manuálně také operátor z blokové dozorny. Přeruší se napájení všech elektropohonů, které udržují regulační kazety v horních polohách. Tím padají všechny regulační kazety vlastní vahou do aktivní zóny a během 12 sekund štěpnou reakci zastaví.

Palivem v Jaderné elektrárně Dukovany je obohacený uran (na 2,5 až 5 % obsahu 235U) ve formě oxidu uraničitého UO2. Oxid uraničitý se lisuje do malých pelet o hmotnosti asi 5 g. Pelety se vkládají do hermeticky uzavřených trubek ze zirkoniové slitiny a vytvářejí palivové proutky. Svazek palivových proutků tvoří palivovou kazetu. Na konci kampaně, jejíž délka je 10 až 11 měsíců, už není v palivu dostatečná zásoba reaktivity a výkon bloku po dobu 2 až 4 týdnů postupně klesá zhruba o 0,7 % za den. Poté je blok odstaven k výměně části paliva a k pravidelné revizi.

V sekundárním okruhu jaderné elektrárny se mění tepelná energie páry v mechanickou. Turbína je v podstatě rotační tepelný motor. V kondenzátorech pod turbínou pára na titanových trubkách kondenzuje a jako voda se vrací do parogenerátoru. Teplá voda z kondenzátorů se odvádí do chladicích věží.

Úkolem třetího okruhu je vytvořit v kondenzátoru co největší podtlak, aby účinnost turbíny byla co nejvyšší. Čím nižší je teplota chladicí vody v terciárním okruhu, tím vyšší je podtlak v kondenzátoru. Terciární okruh se skládá především z chladicích věží, oběhových čerpadel, potrubí a kanálů chladicí vody. Teplá voda z trubek kondenzátorů se vede do chladicí věže, kde se sprchovými hlavicemi rozstřikuje z výšky 10 m až 20 m, a ochlazuje se protiproudem vzduchu. Část vody se přitom odpaří. Vlhký teplý vzduch stoupá vzhůru, ochladí se venkovním vzduchem a vodní pára v něm obsažená zkondenzuje – nad věží vznikají bílá oblaka. Chladicí věže jsou subtilní železobetonové stavby ve tvaru rotačního hyperboloidu. Ve spodní části věže je kruhový bazén, v němž se ochlazená voda shromažďuje a čerpadly dopravuje zpět do kondenzátorů.

Vyhořením se čerstvé palivo mění na palivo použité. O ně se podle tzv. atomového zákona musí postarat provozovatel jaderného zařízení, které toto palivo používá. Ten nese též veškeré náklady spojené s manipulací s radioaktivními odpady od vzniku přes jejich uložení až po likvidaci. Záruky za bezpečné uložení včetně použitého jaderného paliva nese stát, který proto založil Správu úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO). Činnosti, které zajišťuje SÚRAO, jsou financovány z tzv. jaderného účtu u České národní banky. Pro zajištění ukládání všech vzniklých i budoucích radioaktivních odpadů na něj provozovatel – ČEZ – pravidelně odvádí finanční prostředky, konkrétně 50 Kč za každou MWh elektřiny vyrobené v jaderné elektrárně. Samostatnou účetní rezervu tvoří ČEZ na krytí nákladů spojených s vyřazováním jaderných elektráren z provozu.

Použité palivo obsahuje v průměru 95 % uranu, převážně izotopu 238U, 1 % nově vytvořeného plutonia a 4 % štěpných produktů. Pouze tato 4 % je možné považovat za skutečný jaderný odpad, protože zbytek může být po přepracování znovu využit jako palivo. Přepracování je však zatím poměrně nákladné. U nás se předpokládá, že pokud nebude využito jinak, bude po několika letech uložení v bazénu u reaktoru a po několika desítkách let skladování trvale uloženo do hlubinného konečného úložiště, které má být na území ČR postaveno do roku 2065. Kazety s použitým palivem se překládají z bazénů použitého paliva u reaktorů do speciálních skladovacích kontejnerů a převážejí se do nadzemního suchého skladu. V areálu elektrárny jsou takové sklady dva, jejich celková kapacita je 1 940 tun. Výhodou provozu jaderných elektráren je skutečnost, že produkují relativně velmi malý objem vysokoaktivních odpadů. Celková kapacita prvního dukovanského skladu, který byl uveden do provozu v roce 1995, je 600 tun použitého paliva uloženého v 60 kontejnerech typu CASTOR 440/84. Kdybychom všechen materiál z uskladněných kontejnerů sesypali na hromadu, vytvoří krychli o hraně 4 m, která je z 96 % složena z energeticky štěpitelných prvků, především z uranu a plutonia. Po zaplnění prvního skladu byl v roce 2006 zprovozněn sklad nový. Jeho kapacita je 1 340 tun použitého paliva. Do skladovací části se vejde 133 kontejnerů typu CASTOR 440/84M. Těleso kontejneru je z tvárné litiny, koš z  bórovaného hliníku. Neutronové stínění zajišťuje polyetylen. Vnitřní prostor kontejneru je vyplněn heliem o nižším tlaku, než je tlak atmosférický. Vnější průměr kontejneru je 2,66 metru a výška 4,2 metru. Hmotnost prázdného kontejneru je 93,7 tun, naplněného 112 tun. Ovlivnění okolí skladu ionizujícím zářením je prakticky neměřitelné. V areálu Jaderné elektrárny Dukovany se použité jaderné palivo může skladovat po dobu dalších 50 až 60 let, tj. na dobu životnosti elektrárny.

Kapalné radioaktivní odpady, které vzniknou např. při výměně paliva, mytí prostor nebo praní se redukují odpařením a před uložením zpevňují procesem bitumenace (zalití do asfaltu) do 200litrových sudů. Mezi pevné odpady patří např. vzduchotechnické filtry, kontaminované nářadí, nebo odpad vzniklý při opravách a údržbě. Ty se lisují taktéž do sudů. Upravené odpady si převezme SÚRAO a jsou odvezeny do úložiště v areálu.

Úložiště středněaktivních a nízkoaktivních odpadů

Úložiště je tvořeno 112 železobetonovými jímkami uspořádanými do dvou dvouřadů po 56 jímkách. Je největším a nejmodernějším úložištěm radioaktivních odpadů v ČR. Patří pod Správu úložišť radioaktivního odpadu. Svým využitelným objemem 55 000 m3 je schopno pojmout více než 180 000 sudů s radioaktivními odpady, a to jak z provozu obou českých jaderných elektráren, tak odpadů vzniklých při jejich budoucí likvidaci.

Pracovníci radiační kontroly okolí z laboratoře v Moravském Krumlově soustavně monitorují životní prostředí odebíráním a rozborem vzorků ovzduší, půdy, vody, vegetace a zemědělských produktů v okolí elektrárny.

Kromě toho nezávislá měření provádějí také státní dozorné orgány. Roční úrovně aktivit výpustí, uvolňovaných do ovzduší a vodotečí, představují po celou dobu provozu elektrárny pouze nepatrné zlomky povolených hygienických norem. Srovnáni tohoto i dalších ukazatelů s jinými jadernými elektrárnami řadí Dukovany do skupiny nejlepších jaderných elektráren na světě.

Mozkem jaderné elektrárny je bloková dozorna, odkud se ovládá celý provoz. Je opatřena moderním digitálním systémem kontroly a řízení, na jehož správnou funkci dohlíží obslužný personál: vedoucí bloku, vedoucí blokové dozorny, operátor primární části a operátor sekundární části. Fyzickou kontrolu provádějí pracovníci obsluhy, kteří spolupracují s personálem blokové dozorny při kontrolních činnostech a zkouškách. Na provoz celé elektrárny dohlíží směnový inženýr.

Srdcem primárního okruhu je jaderný reaktor. Na něj jsou napojené cirkulační smyčky, kterými proudí chladicí voda odvádějící teplo vzniklé při štěpení jader uranu v aktivní zóně reaktoru. Důležitou součástí primárního okruhu je kompenzátor objemu, jehož úkolem je regulovat tlak chladiva v primárním okruhu. V Temelíně je tlak v primárním okruhu 15,7 MPa (což je tlak vody v hloubce asi 1,5 km pod hladinou). Za tohoto tlaku voda v primárním okruhu nemůže při provozní teplotě 320 °C začít vřít. Primární okruh je vyrobený z oceli a je celý uzavřen v železobetonové ochranné obálce – kontejnmentu. Elektrárna Temelín je vybavena tlakovodními reaktory o tepelném výkonu 3 000 MW. Na tepelný výkon 1 W musí v aktivní zóně proběhnout každou sekundu asi 30 miliard štěpení jader uranu 235U.

Nejdůležitější částí reaktoru je aktivní zóna. Stejně jako ostatní vnitřní části reaktoru je aktivní zóna uložena ve válcové tlakové nádobě. Ta je cca 11 m vysoká, má vnější průměr asi 4,5 m a tloušťka stěny její válcové části je 193 mm. Je navržena na tlak 17,6 MPa při teplotě 350 °C a je vyrobena z vysoce kvalitní nízkolegované chrom-nikl-molybden-vanadové oceli odolné proti radiaci. Ostatní vnitřní části reaktoru vytvářejí nosnou část aktivní zóny, usměrňují proudění chladicí vody aktivní zónou, slouží pro vyvedení vnitroreaktorového měření, regulaci výkonu reaktoru a mají ještě mnoho dalších funkcí. Za provozu je reaktor pevně utěsněn víkem, nad nímž jsou elektromagnetické pohony pro pohyb řídicích tyčí; jejich zasouváním či vytahováním se řídí výkon reaktoru.

Palivem v Temelíně je oxid uraničitý UO₂ s průměrně 3,5% obohacením uranu o štěpitelný izotop 235U. Štěpná reakce probíhá v aktivní zóně reaktoru, která leží ve spodní části tlakové nádoby. Je v ní 163 palivových souborů s jaderným palivem a 61 regulačními tyčemi. Jeden palivový soubor má tvar 4,5 m dlouhého šestibokého hranolu, který obsahuje palivové proutky. V každé kazetě je 312 palivových proutků. Pod pláštěm ze zirkoniové slitiny ukrývají vlastní palivo ve tvaru malých válečků z oxidu uraničitého, tzv. pelet. Reaktor obsahuje celkem 81 tun uranu, každý den rozštěpí cca 3 kg uranu. Jaderné palivo vyhořívá, správněji řečeno se postupně štěpí jádra uranu 235U na dva až tři štěpné produkty, z nichž mnoho je radioaktivních. Zásoba energie ukrytá v jaderném palivu se tak postupně spotřebovává. Při výměně paliva se každý rok přibližně čtvrtina palivových souborů nahradí čerstvými, každý rok se tedy vymění 41–42 palivových souborů. K výměně paliva slouží speciální zavážecí stroj. Pomocí teleskopické tyče vyjímá použité palivové kazety z reaktoru a ukládá je do bazénu pro skladování, který je vedle reaktoru; z šachty pro přepravní kontejnery s čerstvým palivem naopak vyjímá čerstvé palivové kazety a zaváží je do reaktoru. V aktivní zóně přeskládá kazety tak, aby čerstvé byly po okrajích a do středu se postupně stěhovaly starší. Tím se zajistí optimální stupeň vyhoření všech kazet.

Sekundární okruh je druhý chladicí uzavřený okruh s demineralizovanou vodou. V parogenerátorech se voda sekundárního okruhu vaří a vznikající pára roztáčí turbínu. Každá ze dvou temelínských turbín je určena k pohonu jednoho generátoru (alternátoru). Po průchodu turbínou se pára vede do kondenzátorů, kde se sráží na vodu, tzv. kondenzát. Vytváří hluboký podtlak, který je důležitý pro maximální účinnost celého tepelného cyklu. Pára tu má teplotu méně než čtyřicet stupňů. Po několika nezbytných úpravách (přečištění, ohřátí) se kondenzát stává tzv. napájecí vodou, která proudí zpět do parogenerátorů.

Turbína je soustrojí složené ze čtyř za sebou uspořádaných těles – jednoho dílu vysokotlakého a tří dílů nízkotlakých. Tzv. sytá pára o teplotě přibližně 280 °C a tlaku 6,3 MPa, která vzniká v parogenerátorech, se vede nejprve do vysokotlakého dílu turbíny, kde ztratí asi 40 % své energie. Zbytek energie se využije při expanzi ve třech nízkotlakých dílech turbíny. Konstrukce rotorů je přizpůsobena účelu turbíny – maximálně využít energii expandující páry. Čím více tlak páry klesá, tím větší jsou lopatky rotoru. Např. lopatky čtvrtého stupně nízkotlakého dílu měří na délku více než metr. Parní turbína a generátor jsou uloženy na společné hřídeli a tvoří tzv. turbogenerátor. Celé turbosoustrojí se točí rychlostí 3 000 otáček za minutu. V alternátoru se prostřednictvím elektromagnetické indukce přeměňuje rotační energie turbíny na elektrickou energii. Rotor turboalternátoru je opatřen budicím vinutím, které vytváří magnetické pole. Elektrický proud pak vzniká ve vinutích statoru. Elektrická energie získaná v generátoru se po zvýšení napětí z 24 kV na 400 kV předává do elektrizační soustavy v rozvodně Kočín, umístěné 2 km jižně od elektrárny.

Hlavní částí kondenzátoru je složitý uspořádaný systém 32 tisíc titanových chladicích trubek. Důvodem pro tak velký počet je, stejně jako u parogenerátoru, snaha získat co největší plochu, na které by mohla pára přicházející z turbíny kondenzovat. Pára kondenzuje na povrchu trubek, uvnitř kterých protéká chladicí voda.

Chladicí voda se v titanových trubkách kondenzátorů ohřívá na teplotu kolem 30 °C a ve čtyřech chladicích věžích se její teplo díky proudění vzduchu předává do atmosféry. Chladicí voda z kondenzátorů se potrubím vede do věže do výšky asi 30 m, poté se speciálními tryskami rozprašuje na chladicí výplň z PVC bloků instalovaných uvnitř věže. Zatímco voda zvolna protéká výplní, odspodu přirozeným komínovým tahem proudící venkovní studený vzduch ji ochlazuje. Přitom se část vody odpařuje (přibližně 0,3 m3/s z jedné věže). Ochlazená voda z výplní padá do sběrného bazénu pod věží. Odtud se čerpá zpět do kondenzátorů. Do vzduchu stoupá jen čistá vodní pára. Část chladicí vody se ve věžích odpaří, proto je třeba vodu do tohoto okruhu neustále doplňovat. Jako zdroj vody slouží nádrž vodního díla Hněvkovice o obsahu 22,2 mil. m3 vody.

Klíčovým slovem, které provází všechna stadia života jaderné elektrárny od výběru lokality přes projekt a stavbu až po provoz, je bezpečnost. Opírá se především o promyšlenou konstrukci. Všechny stavby, systémy a komponenty se projektují, konstruují a provozují tak, aby odolaly jak všem přírodním jevům předpokládaným v dané lokalitě, tak jevům vyvolaným lidskou činností. Možné přírodní jevy v dané lokalitě jsou blesk, vichřice, záplavy, zemětřesení, extrémní teploty a extrémní srážky; k jevům vyvolaným lidskou činností můžeme počítat pád letadla na objekty elektrárny, tlakové vlny explozí, terorizmus apod. Základní koncepce zajištění jaderné bezpečnosti vychází z principu několikanásobné bariéry proti úniku radioaktivních látek, včetně hermetické obálky, a zálohování principem 3 × 100 % pro bezpečnostní systémy. Znamená to, že bezpečnostní a havarijní systémy, které napravují následky vzniklých poruch, případně znemožňují další rozšíření poruch, jsou v elektrárně trojnásobné, i když by ke zvládnutí úkolu postačil systém jediný. Navíc se používají různé zdroje napájení, různé principy činnosti, různá kritéria pro uvedení zařízení do činnosti a zařízení se umisťují do navzájem oddělených prostorů, aby se odstranilo nebezpečí, že by ze stejného důvodu mohlo selhat několik zařízení najednou. Důležitým prvkem je také přirozená bezpečnost tlakovodního reaktoru, daná samoregulačními vlastnostmi založenými na obecně platných fyzikálních zákonech; ty v případě potřeby štěpnou reakci zastaví bez zásahu člověka. Mezi aktivní zónou reaktoru a životním prostředím stojí několik barier. Stejně jako peníze v bance jsou uzavřeny na několik zámků za několika dveřmi, stojí mezi radioaktivními látkami v reaktoru a životním prostředím 3 základní bariéry:

• speciální ochranná vrstva palivových proutků ze slitiny zirkonia
• ocelové stěny primárního okruhu
• kontejnment – železobetonová ochranná obálka s hermetickou ocelovou výstelkou, ve které je umístěn primární okruh

Při normálním provozu vznikají v jaderné elektrárně převážně nízkoaktivní, příp. středně aktivní odpady a použité jaderné palivo. Použité palivo přitom představuje cca 95 % všech zdrojů aktivity v jaderné elektrárně. Vzhledem ke své vysoké radioaktivitě a vývinu tepla vyvolaného radioaktivními přeměnami se musí použité palivo vyjmuté z reaktoru chladit a stínit, tj. bezpečně oddělit od okolního životního prostředí. Kapacita bazénu použitého paliva umožňuje použité palivo v bazénu skladovat po dobu deseti let. Teprve poté se překládá na dobu 40–60 let do tzv. suchých skladů použitého paliva. Použité palivo je ve skladu pod stálým dozorem a kontrolou. Pokud se v budoucnu nepřepracuje na čerstvé palivo, bude prohlášeno za odpad a uloží se do trvalého hlubinného úložiště. Pro výstavbu hlubinného úložiště se v současné době v souladu se státní koncepcí nakládání s radioaktivními odpady a použitým jaderným palivem hledá vhodná lokalita. Zprovoznění úložiště se předpokládá v roce 2065. Za bezpečné nakládání s odpadem z elektrárny odpovídá stát. Na základě Atomového zákona k tomu založil Správu úložišť radioaktivních odpadů (SÚRAO). Finanční prostředky získává SÚRAO na svou činnost z tzv. jaderného účtu. Na jaderný účet připívají všichni původci radioaktivních odpadů. Energetická společnost ČEZ platí 50 Kč za každou MWh vyrobenou v jaderných elektrárnách. Kromě odvádění příspěvků na jaderný účet vytváří podle atomového zákona každý vlastník povolení pro provoz jaderného zařízení finanční rezervu na likvidaci tohoto zařízení.