Reaktor

Jaderné palivo – váleček, proutek, kazeta

Uvnitř tlakové nádoby reaktoru se nachází jaderné palivo. Není tam samozřejmě nasypáno, ale důmyslným způsobem uloženo tak, aby kolem něj mohla proudit chladicí voda. Vezmeme to ale raději po pořádku.

V tlakovodních reaktorech se nejčastěji používá jaderné palivo ve formě lisovaného oxidu uraničitého UO2. Jsou to malé, asi centimetrové válečky černé barvy. Když se jich hodně naskládá do dlouhé a tenké kovové trubičky, vznikne palivový proutek. Z několika stovek palivových proutků, pravidelně rozložených v šestiúhelníkovém tvaru, je složena palivová kazeta – základní palivová jednotka o váze dospělého býka, která je následně vkládána do reaktoru. 163 takových kazet je v něm uloženo jako sada pastelek v penálu.

Celkem je v reaktoru asi 90 tun paliva, což je hmotnost běžné elektrické lokomotivy. Palivové kazety zůstávají v reaktoru po dobu 4 let (každoročně se postupně vymění jen asi čtvrtina paliva) a celou dobu v nich probíhají jaderné reakce a palivo produkuje potřebné teplo. Kdybychom chtěli vyrobit stejný výkon, jaký má temelínský blok, pomocí uhelné elektrárny, musela by se pomyslná lokomotiva s nákladem uhlí pěkně obracet. Do elektrárny by musela za 4 roky přitáhnout asi 15 000 vlaků s uhlím.

Co se děje v palivu aneb základy jaderné fyziky

Palivo se jako každá látka skládá z atomů a ty z obíhajících elektronů a jádra složeného z protonů a neutronů. Další dělení již není pro naše vysvětlení jaderně-fyzikálních procesů důležité. Jak je známo, prakticky veškerá hmotnost atomu je soustředěna v jeho jádru, protože hmotnost protonů i neutronů je asi 2 000krát větší než hmotnost elektronu. Stejně jako hmotnosti, jsou v nepoměru i průměry jádra atomu a oběžných drah elektronů. Nejlépe se to dá přiblížit populární mouchou v katedrále – moucha představuje malé jádro a vnější zdi katedrály jsou místa výskytu elektronů. Takže jádro je přibližně 100 000krát menší než celý atom, ale obsahuje 4 000krát více hmoty než elektrony. A všechny jaderné reakce, jak již název napovídá, se odehrávají právě v tomto malém jádru.

Protony a neutrony drží namačkané v jádru speciální jaderné síly, působící jako lepidlo. Čím je jádro těžší a má více částic, tím je méně stabilní a lepící síla slábne. Narušením silové rovnováhy se jádro může stát natolik nestabilním, že to neustojí a rozpadne se na dvě části. Tento proces se nazývá jaderným štěpením. Samovolné rozštěpení jádra v přírodě je poměrně vzácné, umělé štěpení těžkých prvků (především uranu) se využívá právě v jaderných reaktorech. Tam mu ovšem musíme trochu pomoct. Ukázalo se, že nejlepším projektilem, kterým můžeme narušit křehkou stabilitu jádra paliva, je letící neutron. Štěpitelné jádro jej zachytí a rozpadne se na dvě menší. A proč je to tak důležité? Protože tím asi něco můžeme získat.

Porovnejme tuto energii ještě jednou, tentokrát se známým spalováním uhlíku při hoření. Každý uhlíkový atom uvolní při spálení pouze 6 eV, takže stejné množství energie, jaké se uvolní při rozštěpení jednoho atomu uranu, můžeme získat spálením 33 milionů atomů uhlíku. Zdá se, že si jádro uranu nestojí v konkurenci až tak špatně…

Když si uvědomíme, kolik tun paliva se nachází v reaktoru a kolik je to potenciálně štěpitelných jader (1 g je asi 1020 jader), je jasné, že získávání energie na bázi štěpení těžkých jader v jaderném reaktoru je výhodné. Pro představu rozsahu a aktuálního počtu štěpení v reaktoru lze poznamenat, že k dosažení výkonu jednoho wattu se musí rozštěpit každou sekundu asi 3.1010 jader.

Zřetězení štěpných reakcí

Podívejme se na základní jadernou reakci štěpení uranu podrobněji. Projektil zvaný neutron je z pomyslné zbraně vystřelen směrem k jádru. Nestabilní uranové jádro jej pohltí, rozkmitá se a rozpadne se na dva štěpné produkty. Kromě nich ale z místa rozpadu vyletí ještě další 2 až 3 neutrony. Rozpad jádra je jako opětovné nabití pomyslné zbraně a letící neutrony jako další vystřelené projektily. Ostřelování dalších štěpitelných jader může pokračovat. A to je základ principu fungování všech jaderných reaktorů. Říká se tomu řetězová štěpná reakce, protože dochází k zřetězení štěpení jader uranu (neutrony jednoho štěpení vyvolají další štěpení) a tím k soustavnému uvolňování energie rozpadu.

Zpomalit nebo pohltit

Celý proces stále se opakujícího štěpení má ale dvě hlavní podmínky, které je nutné při práci reaktoru dodržet.

První podmínkou je zpomalení letících neutronů. Při štěpné reakci vznikají neutronové projektily, které letí prostorem obrovskou rychlostí. Když narazí do jádra paliva, s velkou pravděpodobností se od něj pouze odrazí jako pingpongový míček od bowlingové koule. Aby došlo k rozštěpení jádra paliva, musí neutron letět podstatně pomaleji. A to je práce pro zpomalovače (moderátory) neutronů – látky tvořící určité překážky v dráze neutronů. Při každé srážce neutronu s moderátorem se neutron trochu zbrzdí (odevzdá část své energie), až je z něj po několika srážkách pomalý neutron, schopný rozštěpit další jádro.

Druhou podmínkou je zajištění stálého počtu štěpících neutronů. Do reakce jeden neutron vstupuje a 2 až 3 z něj vystupují. Pokud by každý nový neutron vyvolal další štěpení, jejich počet by lavinovitě rostl a sled jaderných reakcí by přerostl ve výbuch. V jaderném reaktoru tomu zabraňují pohlcovače (absorbátory) neutronů – materiály, které odchytávají přebytečné neutrony. Jsou z nich vyrobeny řídicí tyče. Množství odchytávaných neutronů se řídí mírou zasunutí pohlcovačů mezi palivo.

Řízení pracujícího reaktoru (zasouváním nebo vysouváním řídicích tyčí) je vlastně udržování řetězové štěpné reakce na stejné úrovni. Křehká rovnováha v počtu štěpících neutronů se malinko vychýlí jen při zvyšování výkonu reaktoru nebo při jeho odstavování. V podstatě je to jako v kotli na uhlí. I ten potřebuje ke spalování určité množství vzduchu. Pokud je vzduchu víc, hoření je intenzivnější a výkon kotle roste, pokud je vzduchu míň, spalování probíhá nedokonale a výkon klesá.

Odvod tepla z reaktoru

Teplo vzniklé při štěpení jader uranu ohřívá palivové proutky. Pokud bychom toto teplo neodváděli pryč z reaktoru, palivové články by se roztavily a bylo by zaděláno na pořádný problém zvaný havárie. Proto je základní zásadou bezpečnosti všech jaderných elektráren zachování spolehlivého chlazení reaktoru (odvádění tepla) za všech myslitelných režimů a stavů. To zabezpečují hlavní cirkulační čerpadla při normálním provozu i prakticky všechny bezpečnostní systémy, když se něco pokazí.

Jak je to velké

Temelínský reaktor je opravdu pěkné a velké zařízení. Jeho celková výška, skládající se z výšky tlakové nádoby s půlkulovou pokličkou a výšky horní trubkovité části s pohony regulačních tyčí, dosahuje až 30 metrů. Kdybychom jej postavili uvnitř svatovítské katedrály na Pražském hradě, zůstala by nahoře u stropu jenom asi třímetrová rezerva. Pro představu můžeme rozměry reaktoru porovnat i s jinými monumenty. Je například vysoký jako nejslavnější brazilská socha Krista Spasitele vzhlížející na Rio de Janeiro.

Samotná tlaková nádoba reaktoru (postavený válec) je dvakrát vyšší než žirafa (kolem 11 m), což značně komplikuje její dopravu. Průměr nádoby je přibližně 4,5 metru, pro srovnání je to asi jako průměr domácího kruhového bazénu nebo větší trampolíny. Jednou z nejsložitějších operací při výstavbě jaderné elektrárny je právě instalace velké nádoby reaktoru na jeho místo. Tloušťka stěny ocelové nádoby je porovnatelná s šířkou pneumatiky osobního auta. Z vnitřní, vodní strany je celá nádoba opatřena navařenou vrstvou nerezavějící oceli, tlustou asi jako školní tužka.

Tak obrovská nádoba z oceli musí mít samozřejmě i úctyhodnou hmotnost. Ano, je to přes 300 tun. Pro bližší představu – stejnou váhu by měla například olověná krychle o hraně 3 m nebo betonová s délkou hrany 5 m. Z technického světa se k podobné hmotnosti, jakou má jediná prázdná tlaková nádoba reaktoru, blíží vzletová hmotnost plně naloženého dopravního Boeingu 747. Hmotnost celého reaktoru (bez vody) je pak ještě 2,5krát větší než hmotnost nádoby. Osazení reaktoru v železobetonové desce budovy reaktorovny proto musí být dostatečně pevné, aby po celou dobu životnosti elektrárny spolehlivě uneslo váhu srovnatelnou s váhou 20 plně naložených kamionů s návěsem.

Další zařízení primárního okruhu jsou s reaktorovou nádobou spojena pomocí několika větví potrubí. Nerezové tlakové roury mají (v Temelíně) tak jeden metr v průměru (asi jako průměr kola autobusu) a protéká jimi nepředstavitelné množství 25 m3 chladicí vody každou sekundu. Stejně velkého průtoku vody by dosáhlo 700 hasičských stříkaček nebo 1 000 současně stříkajících bazénových protiproudů. Mimochodem, když jsme u těch bazénů, voda z jednoho 25metrového plaveckého bazénu by stačila na naplnění dvou primárních okruhů s reaktory VVER 1000 – takže vlastně celé temelínské elektrárny.