Jaderná elektrárna
Jaderná elektrárna
Jaderná elektrárna
Jaderná elektrárna je zařízení, které využívá proces štěpení atomových jader k výrobě elektrické energie. Jaderná elektrárna se běžně skládá ze tří částí: primární okruh, sekundární okruh a terciární chladicí okruh.
Primární okruh
V primárním okruhu se jaderná energie mění na energii tepelnou. Celý primární okruh je od okolního prostředí neprodyšně oddělen kvůli radioaktivitě uvolňované při štěpení. Srdcem primárního okruhu je jaderný reaktor.
Jaderný reaktor
Jaderný reaktor je zařízení, ve kterém dochází k řízenému štěpení atomových jader, při kterém se uvolní velké množství tepelné energie. Ta je dále použita k výrobě elektřiny.
Pro správné řízení štěpné reakce je zapotřebí štěpná látka (obvykle uran nebo plutonium), moderátor (zpomalovač) a chladivo.
Do jádra atomu štěpné látky (nejčastěji uranu) „narazí“ neutron vzniklý radioaktivním rozpadem štěpné látky, čímž vznikne nové nestabilní jádro, které se rozštěpí. Při tom se uvolní 2 až 3 další neutrony, které narazí do dalších jader atomů štěpné látky a tím se odstartuje štěpná řetězová reakce.
Aby pravděpodobnost dalšího štěpení byla co nejvyšší, musí být energie vyletujících neutronů snížena na hodnotu odpovídající teplotě prostředí, ve kterém štěpení probíhá. Neutronům je tedy nutné snížit energii, tj. zpomalit je. K tomu slouží moderátor (zpomalovač). Existují ale i jaderné reaktory, které ke štěpení využívají vyletující rychlé neutrony. Nejpoužívanějším moderátorem v jaderných reaktorech je obyčejná voda. Používá se i grafit nebo tzv. těžká voda (D2O).
Štěpná řetězová reakce začne probíhat pouze tehdy, když je dosaženo tzv. kritického stavu, kdy je počet neutronů dostatečný. Pro stabilní provoz je nezbytné, aby počet neutronů zapojených do řetězové reakce zůstával stále stejný. Protože při každém jednom štěpení se uvolní 2 až 3 neutrony, je nutné jejich počet korigovat. K tomu slouží řídicí tyče, které obsahují látku schopnou neutrony absorbovat. Regulace počtu neutronů a tím i výkonu reaktoru se obvykle provádí vysouváním a zasouváním řídicích tyčí do aktivní zóny.
V tlakovodních reaktorech PWR (Pressurized Water Reactor), mezi které patří také reaktory typu VVER (vodo-vodní energetický reaktor), se k řízení štěpné reakce používá ještě i bór rozpuštěný v chladivu ve formě kyseliny borité. V průběhu provozu se cíleně mění její koncentrace a tím i počet zachycených neutronů.
Typy jaderných reaktorů
Jaderné reaktory se nejčastěji rozdělují podle energie neutronů, použitého moderátoru a použitého chladiva. Podle klasifikace Mezinárodní agentury pro atomovou energii (MAAE) se jednotlivé typy označují zkratkami uvedenými v tabulce.
Věděli jste, že první jaderný reaktor na světě byl sestaven pod tribunou fotbalového stadionu? V roce 1942 italský fyzik Enrico Fermi se svým týmem sestavil v Chicagu reaktor z grafitových bloků a uranových koulí pojmenovaný Chicago Pile-1. Tehdy ještě neexistovaly automatické havarijní systémy. Kdyby se reakce rozeběhla nekontrolovaně, stál poblíž technik se sekerou připravený přeseknout lano, na němž visela havarijní tyč. Tato záchranná funkce dostala zkratku SCRAM (Safety Control Rod Axe Man). Dodnes se tento výraz používá pro nouzové odstavení reaktoru – jen sekeru dávno nahradily elektromagnety, které v případě potřeby uvolní regulační tyče a nechají je volným pádem spadnout do aktivní zóny reaktoru.
Pozn: Jaderné elektrárny, které jsou uvedeny v závorce, již nejsou v provozu.
Nejpoužívanějším typem jaderných reaktorů jsou reaktory chlazené a moderované obyčejnou vodou – tzv. lehkovodní reaktory, z nichž většinu tvoří tzv. tlakovodní reaktory. Další popis bude proto zaměřen právě na tento typ reaktorů.
Tlakovodní reaktory
Tyto reaktory dnes tvoří asi 71 % všech provozovaných reaktorů a patří mezi ně i nám známé jaderné elektrárny Temelín a Dukovany.
Jako palivo se zde využívá obohacený uran ve formě tablet oxidu uraničitého (UO2), vložených do tenkostěnných trubiček – palivových proutků. Každý palivový proutek je trubička vyrobená ze slitiny zirkonia, materiálu, který je odolný vůči vysokým teplotám a radiačnímu zatížení, a zároveň minimálně absorbuje neutrony. Kromě paliva se v nich nachází inertní plyn, obvykle helium.
Palivové proutky jsou seskupeny do svazků tvořících palivové kazety. Konstrukce kazety zabezpečuje, aby se proutky paliva mezi sebou nedotýkaly a současně byly dobře chlazeny chladicím médiem. Uprostřed každé palivové kazety je centrální trubka. Ta slouží k monitorování základních parametrů v aktivní zóně, jako je fluence neutronů (množství neutronů procházejících určitou plochou) a teplota chladiva.
Vedle palivových proutků a centrální trubky obsahuje každá palivová kazeta vodicí trubky, do nichž se zasouvají proutky řídicích tyčí. Ty obsahují absorbátor neutronů (obvykle bór). Jejich zasouváním a vysouváním se mění množství pohlcených neutronů, což umožňuje regulovat štěpnou reakci.
V případě nutnosti okamžitě zastavit reaktor jsou připraveny tzv. havarijní tyče. Havarijní tyče jsou vysunuty nahoru nad aktivní zónu, kde drží pomocí elektromagnetů. V případě potřeby havarijní signál vypne elektromagnety a tyče spadnou volným pádem do aktivní zóny, čímž štěpnou reakci zastaví.
Jako moderátor se v tlakovodních reaktorech používá voda, která současně slouží jako chladicí médium pro účinné odvádění tepla z paliva. Teplota uvnitř palivového proutku dosahuje i více než 1200 °C. Chladicí voda odvádějící toto teplo se ohřívá na teplotu kolem 300 °C při tlaku asi 12-16 MPa. Tlakovodní reaktor tak funguje jako „high-tech papiňák“, ve kterém díky vysokému tlaku zůstává voda kapalná i při teplotách přes 100 °C. S narůstající teplotou vody klesá její schopnost zpomalovat neutrony.
Palivové články a moderátor tvoří aktivní zónu reaktoru, která je obklopena reflektorem (vrstvou, která odráží neutrony zpět do aktivní zóny) a vrstvou materiálu plnícího funkci biologické ochrany. Úkolem tohoto materiálu je zpomalit a zachytit neutrony a absorbovat záření gama.
Celá aktivní zóna je navíc uzavřena v tlakové nádobě, která musí být schopná spolehlivě odolat nejen vysokému tlaku a teplotě, ale i vlivům, které postupně zhoršují vlastnosti materiálu. Neutrony mohou například při nárazech do atomů oceli narušovat její strukturu a při dlouhodobém působení tak způsobovat její křehnutí.
Parogenerátor
Probíhající štěpná reakce v aktivní zóně ohřívá okolní vodu. Ta se odvádí z tlakové nádoby reaktoru skrze potrubí do tepelného výměníku – parogenerátoru. V tomto místě předává voda primárního okruhu své teplo vodě sekundárního okruhu. Voda primárního okruhu je vedena v tenkých trubičkách, ponořených do vody sekundárního okruhu. Teplo, které voda sekundárního okruhu v parogenerátoru přijme, ji přivede k varu, což vede k vytvoření velkého množství páry.
Voda primárního okruhu, která odevzdala teplo, se vrací zpět do reaktoru přes cirkulační čerpadlo. To udržuje nepřetržitý tok chladiva proudícího reaktorem a parogenerátory, aby teplo vznikající štěpením mohlo být efektivně odváděno. Voda primárního okruhu tak cirkuluje mezi reaktorem a parogenerátorem v uzavřené smyčce.
Tlakovodní reaktor PWR (VVER); zdroj ČEZ, encyklopedie energetiky
Sekundární okruh
Sekundární okruh pracuje stejně jako u tepelné elektrárny. Voda sekundárního okruhu je v parogenerátoru přeměněna na páru, která roztáčí lopatky parní turbíny. Ta roztáčí alternátor, který generuje střídavý proud. Po výstupu z turbíny je pára svedena do kondenzátoru, kde se ochladí a zkondenzuje na kapalnou vodu.
Tu je možné opět ohřát v parogenerátoru, přeměnit v páru a využít k roztočení turbíny. Jedná se tedy o další uzavřený okruh.
Při průchodu turbínou se část tepelné energie páry přemění na elektrickou energii. Zbývající teplo už kvůli nízkému tlaku a teplotě páry nelze dále účinně využít, a proto je nutné jej odvést. Tedy ochladit páru a přeměnit ji zpět na kapalnou vodu.
K ochlazení velkého množství páry v kondenzátoru je však nezbytné odvést velké množství tepla. A právě to je úkolem třetího, tzv. chladicího okruhu.
Terciární okruh (chladicí okruh)
Pára, která prošla turbínou, proudí v kondenzátoru kolem trubek, kterými protéká chladná voda chladicího okruhu. Voda chladicího okruhu, která přejala teplo horké páry, pak odchází do chladicích věží. Ty mají tvar hyperboloidu, který podporuje přirozený tah vzduchu – teplý vlhký vzduch uvnitř věže stoupá vzhůru, čímž nasává chladnější vzduch odspodu.
V chladicích věžích se horká voda rozstřikuje sprchovými hlavicemi z výšky 10 m až 20 m. Padající kapky vody ochlazuje proudící vzduch. Ochlazená voda se shromažďuje v bazénu pod věží. Čerpadla pak vodu vracejí zpět do kondenzátoru.
Ne všechna voda je ale zachycena v bazénu pod věží. Část rozstřikované vody se totiž odpaří do vzduchu. Tento vlhký teplý vzduch pak stoupá vzhůru. Při kontaktu se studeným venkovním vzduchem se ochladí a čistá vodní pára v něm obsažená zkondenzuje. Nad věží tak vznikají bílá oblaka mlhy.
Radioaktivní odpad
Při provozu jaderné elektrárny vzniká tzv. radioaktivní odpad. Jedná se o nejrůznější kontaminované kapaliny a ochranné pomůcky, které přišly při provozu jaderné elektrárny do kontaktu s radionuklidy a také o vyhořelé jaderné palivo. Ne všechen radioaktivní odpad je však stejný. Liší se mírou aktivity i dobou, po kterou je nutné ho izolovat od okolního prostředí.
Vyhořelé palivo
Čerstvé palivo obsahuje přibližně 4 % U-235. Většinu tvoří izotop U-238. Během provozu se část U-235 spotřebovává při štěpení, při kterém vznikají štěpné produkty a část U-238 se přeměňuje na plutonium.
Po vyjmutí z reaktoru proto použité palivo obsahuje přibližně 1 % nevyužitého U-235, dále 95 % U-238, asi 1 % nově vzniklého plutonia a přibližně 3 % štěpných produktů, které představují dále nevyužitelný jaderný odpad.
Zbývající uran a plutonium mohou být po přepracování znovu použity jako palivo. Přepracování je však zatím poměrně nákladné a reaktory schopné efektivně využívat U-238 se dosud vyvíjejí. Proto se použité palivo přepracovává jen v několika málo zemích a ve většině případů se s ním i nadále nakládá jako s nevyužitelnou částí vyhořelého paliva.
Vyhořelé palivové články se vyjmou z reaktoru a pod hladinou vody se převezou do bazénu vyhořelého paliva, který je umístěn v reaktorové hale vedle reaktoru. Zde jsou pod vodou uloženy asi 5 až 12let. Voda v bazénu je přitom neustále chladí, protože se v nich radioaktivním rozpadem stále vyvíjí teplo. Jejich radioaktivita mezitím klesne asi na polovinu. Poté se vloží do speciálních kontejnerů a odvezou do meziskladu vyhořelého paliva, kde se skladují několik desítek let.
Nakonec je potřeba vyhořelé palivo trvale uložit do hlubinného úložiště. U nás je zahájení provozu první části hlubinného úložiště, kam bude použité palivo ze skladů v jaderných elektrárnách převezeno, plánováno na rok 2065.
Hlubinné úložiště
Hlubinné úložiště je místo, kde má být natrvalo uloženo vyhořelé jaderné palivo z jaderných reaktorů. Jde o nejbezpečnější řešení, jak nejméně na stovky tisíc let oddělit vyhořelé jaderné palivo od okolního prostředí.
V České republice se počítá s jeho umístěním ve vhodném krystalinickém masivu (žula-granit). Úložiště bude tvořit kontejner ukrytý 500 m pod zemí a obklopený jílovitým materiálem (bentonitem), který ho ochrání před případným kontaktem s vodou. Bentonitem navíc radioaktivní látky neproniknou ani za miliony let.
Samotný kontejner bude dvouplášťový z nerezové a uhlíkové oceli. Jeho stěny budou natolik tlusté, aby odolaly i desítkám tisíc let případné koroze. Palivové články pak budou umístěny ve speciální vestavbě vnitřního obalu.
Vizualizace areálu hlubinného uložiště
Kontejner na vyhořelé palivo
Uložení kontejneru v hlubinném uložišti
Výhody a nevýhody jaderných elektráren
Jaderné elektrárny dnes vyrábějí přibližně 10 % světové elektřiny. V EU je to cca 24 %. V mnoha zemích jsou ale páteří energetiky. Například i v České republice vyrobily jaderné elektrárny Temelín a Dukovany v roce 2025 42,6 % elektřiny.
Jaderné elektrárny naleznou využití zejména tam, kde je potřeba spolehlivý zdroj elektřiny, nezávislý na počasí.
Jejich obrovskou výhodou je i velká energetická hustota použitého paliva. Jeden kilogram uranu dokáže vyrobit tolik energie jako 2,7 milionu kilogramů uhlí. To v důsledku znamená méně těžby, dopravy i menší zásah do přírody. Oproti tepelným elektrárnám navíc neprodukují téměř žádné CO₂, kterým by poškozovaly přírodu a zdraví obyvatel. Jádro je tedy nejen velmi efektivní, ale i ekologické.
Na druhou stranu mají jaderné elektrárny i nevýhody. Stavba nového reaktoru je velmi nákladná a časově náročná, což odrazuje investory. Dále je nutné dlouhodobě bezpečně ukládat vzniklý radioaktivní odpad a budovat k tomu určená úložiště, což investice dále zvyšuje. I když výstavba nového reaktoru je velmi drahá (např. v porovnání s uhelnou elektrárnou), pokud započítáme škody na zdraví a životním prostředí, je provoz jaderné elektrárny překvapivě levný a šetrný.
Veřejnost má také často obavy z havárií a radioaktivních emisí, zejména kvůli historickým událostem. Dnes je však výstavba i provoz moderních jaderných elektráren nesmírně přísně monitorovány, díky čemuž jsou všechna myslitelná rizika nejen dopředu známá, ale díky nasazeným protiopatřením také neustále držena na extrémně nízké úrovni.
Ze statistik navíc vyplývá, že provoz uhelných elektráren způsobuje až 1000x více úmrtí v důsledku vzniklých emisí, než je tomu u jaderných elektráren.
Věděli jste, že?
Při štěpení uranu vznikají jako vedlejší produkty i látky, které zpětně ovlivňují průběh reakce. Jednou z nejzajímavějších je radioaktivní xenon (Xe-135) – plyn, který pohlcuje neutrony jako houba vodu, a přirozeně tak brzdí štěpení. Za normálního provozu xenon průběžně vzniká a zároveň průběžně vyhořívá – je v rovnováze. Jenže pokud se reaktor rychle odstaví nebo výrazně sníží výkon, neutrony potřebné k vypalování xenonu najednou chybí. Xenon se nahromadí a na několik hodin reaktor „otráví" natolik, že ho nelze znovu nastartovat. A to ani při plném vysunutí řídicích tyčí. Teprve po několika hodinách, kdy se xenon přirozeně rozpadne, lze reaktor bezpečně spustit. Právě xenonová otrava sehrála klíčovou roli při havárii v Černobylu v roce 1986 – operátoři se ji pokusili obejít, což situaci zásadně zkomplikovalo.
