Když získáváme energii z uhlí spalováním v peci (tedy chemickou reakcí), zacházíme s atomy uhlíku a kyslíku tak, že uspořádáváme jejich vnější elektrony do stabilnějších kombinací. Když získáváme energii z uranu v jaderném reaktoru, tentokrát zachazíme s jeho jádry tak, že uspořádáváme jejich nukleony do stabilnějších kombinací. Elektrony jsou vázány v atomech elektromagnetickou coulombovskou silou a pro jejich odtržení je třeba pouze několik elektronvoltů. Nukleony jsou ale v jádře vázány silnou jadernou silou a pro jejich odtržení je třeba několik milionů elektronvoltů. To se projevuje v tom, že z 1 kg uranu můžeme získat zhruba milionkrát více energie než z 1 kg uhlí.
Nejjednodušší schéma jaderné elektrárny je jednookruhové. Přímo v reaktoru se varem vody vytvoří pára, která se vede k turbíně. Zde vykoná užitečnou práci a po ochlazení v kondenzátorech se vrací zpět do reaktoru. Celý cyklus se stále opakuje. Je to jednoduchý cyklus, ale má jednu nevýhodu. Voda z reaktoru může být mírně radioaktivní, může s sebou nést stopová množství aktivovaných korozních produktů. S touto vodou se dostává do styku velká část strojního vybavení elektrárny, hlavně turbína, kondenzátory a čerpadla. Tento způsob se u nových generací elektráren nepoužívá. V našich jaderných elektrárnách nalezneme lehkovodní tlakový reaktor PWR, označovaný ruskou zkratkou VVER (Vodo–Vodjanyj Energetičeskij Reaktor), proto si vysvětlíme princip fungování právě tohoto. Každá jaderná elektrárna se skládá ze tří částí: primární okruh, sekundární okruh a chladící okruh.
Jaderná elektrárna Dukovany.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
V primárním okruhu se jaderná energie mění na energii tepelnou. Celý primární okruh je neprodyšně oddělen od okolního prostředí v hermetických boxech z důvodu radioaktivity uvolňované při štěpení. Srdcem primárního okruhu je jaderný reaktor. Do jaderného reaktoru se umísťuje palivo. Palivo (obohacený uran ve formě oxidu uraničitého UO2) je obvykle ve tvaru malých tablet vložených do tenkostěnných trubiček – palivových proutků o průměru cca 9 mm. Ty jsou seskupeny do svazků tvořících palivové kazety. Konstrukce kazety zabezpečuje, aby se proutky paliva mezi sebou nedotýkaly a současně byly dobře chlazeny chladícím médiem. Palivové proutky jsou chráněné povlakem ze speciální slitiny, nejčastěji na bázi zirkonia, která zaručí předání tepla z paliva chladivu a zároveň nepropustí radioaktivní štěpné produkty. U některých typů reaktorů je palivo ve formě koulí, které se volně spouští do aktivní zóny.
Jako moderátor ke zpomalení uvolněných neutronů se nejčastěji používá chemicky upravená voda. Současně tato voda slouží jako chladící médium pro účinné odvádění tepla z paliva. Chladící voda se ohřívá z teploty 270 °C na 300 °C při tlaku 12,25 MPa. Teplota uvnitř palivového proutku dosahuje víc než 1200 °C. S narůstající teplotou vody se zvyšuje její schopnost zpomalovat neutrony, a tak přirozeně brzdí neomezený rozběh řetězové štěpné reakce v reaktoru.
V reaktoru se tyčemi, které se zasouvají do určité hloubky, pohlcuje část neutronů tak, aby se jaderné reakce účastnil stále stejný počet atomů. V případě nutnosti okamžitě zastavit reaktor jsou připraveny havarijní tyče. V nich bývá mnohem vyšší koncentrace absorbátoru než v tyčích regulačních. 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. Palivové články a moderátor tvoří aktivní zónu reaktoru, která je obklopena reflektorem a vrstvou materiálu plnící funkci biologické ochrany. Úkolem tohoto materiálu je zpomalit a zachytit neutrony a absorbovat záření g.
Schéma jaderné elektrárny.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová; Under Creative Commons.
Ohřátá voda z reaktoru se odvádí do tepelného výměníku – parogenerátoru. Tady se předává teplo z primárního okruhu do okruhu sekundárního. Horká chladící voda proudí tenkými trubičkami, které jsou uvnitř parogenerátoru ponořeny do vody sekundárního okruhu a ohřívá ji na bod varu. Přitom se z vroucí vody sekundárního okruhu vyvíjí velké množství páry. Z parogenerátoru se chladící voda vrací zpět do reaktoru přes cirkulační čerpadlo, které udržuje oběh vody v primárním okruhu. Voda cirkuluje mezi reaktorem a parogenerátorem v uzavřené smyčce.
Sekundární okruh pracuje stejně jako u tepelné elektrárny. Jeho částí je parní turbína. Její lopatky roztáčí přehřátá pára. Po výstupu z turbíny se svádí do kondenzátoru, kde se ochladí a kondenzuje na vodu. Tuto vodu je možné opět ohřát, přeměnit v páru a celý proces se opakuje. Kondenzátor je ovšem nutné neustále chladit proudící vodou, aby kondenzační proces správně probíhal. Chladící voda proudí v tzv. chladicím okruhu.
Tepelné a jaderné elektrárny už z velké dálky poznáme podle mohutných betonových chladicích věží, nad kterými se neustále vznášejí bílá oblaka. Jejich úkolem je zajistit dostatek chladné vody, která je potřebná ke zkapalnění páry po jejím průchodu parní turbínou. Když pára v turbíně odevzdá svou energii, přichází do tzv. kondenzátoru. V něm zkapalní, vrací se zpět do kotle a celý cyklus se opakuje. Kondenzátorem prochází pára kolem trubek, kterými proudí chladná voda vnějšího chladícího okruhu. Pára dotykem s chladnými trubkami zkapalní, uvolní se tzv. kondenzační teplo a voda v trubkách se ohřívá. Ohřátá voda z kondenzátoru odchází do chladicí věže. Zde se sprchovými hlavicemi rozstřikuje z výšky 10 m až 20 m, v kapkách padá dolů a ochlazuje se proudícím vzduchem. Část padající vody se přitom odpaří do vzduchu. Vlhký teplý vzduch stoupá vzhůru, ochladí se venkovním vzduchem a vodní pára v něm obsažená zkondenzuje – nad věží vznikají bílá oblaka mlhy. Ochlazená voda se shromažďuje v bazénu pod věží. Čerpadla ji vrací zpět do kondenzátoru, kde je připravena opět odebírat teplo páře.
