Věda a technika v pozadí
Model jaderné elektrárny
Teorie
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.
Jaderná elektrárna Dukovany.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
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 již 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.
Princip jaderné elektrárny.
Zdroj: Techmania Science Center. Under Creative Commons.
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 a tím 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 gama.
Princip 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.
Princip reaktoru.
Zdroj: Techmania Science Center. Under Creative Commons.
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.
Reaktor A–1 v Jaslovských Bohunicích se 25. prosince 1972 stal první jadernou elektrárnou v Československu, která začala dodávat do sítě elektřinu. 5. ledna 1976 unikl do haly reaktoru vysoce radioaktivní oxid uhličitý. Příčinou bylo nedostatečné zasunutí palivových článků. Byl vydán příkaz k evakuaci objektu, ale dva zaměstnanci se nezachránili. Utíkali totiž k nouzovému východu, který byl uzamčen, protože vedení elektrárny tím chtělo zabránit četným krádežím. Do životního prostředí unikly 4 miliardy Bq (0,1 Curie) radioaktivního jódu 131I. Jedenáct kilometrů od elektrárny byla v trávě naměřena hodnota zamoření césiem 137Cs kolem 500 Bq/kg, v kukuřici přesáhlo zamoření jódem 131I 400 Bq/kg.
Další, ještě závažnější nehoda se stala 22. února 1977. Členové obsluhy bez přerušení provozu reaktoru měnili palivové články a ve spěchu do reaktoru spustili i článek s ochrannou silikagelovou vložkou. Chladící plyn jím proto nemohl proudit a palivový článek se začal tavit. Protavila se i stěna kanálku, ve kterém byl článek zasunut, a nastal únik radioaktivní vody. Její nedostatek způsobil, že se začaly tavit další palivové články. Nakonec se jich roztavila asi čtvrtina. Do okolí uniklo větší množství radioaktivity. Množství césia 137Cs ve vodních rostlinách dosáhlo 67 000 Bq/kg, množství stroncia 90Sr 28 000 Bq/kg. Na některým místech řeky Dudváh byly zjištěny hodnoty radiace ve výši srovnatelné s okolím Černobylu v době jeho evakuace. Celkem uniklo více než 100násobek povoleného limitu pro všechny čtyři reaktory za jeden rok.
Částečně roztavený reaktor byl ponechán ve stavu, v jakém byl, a čekalo se na vývoj nových technologií, které by umožnily jeho bezpečnou likvidaci. Mezitím došlo k rozsáhlé korozi reaktoru a bazénů s poškozeným palivem, takže radioaktivní látky začaly pronikat do okolního prostředí. V roce 1990 byla v řece Dudváh zjištěna kontaminace prudce jedovatými izotopy plutonia v množství až 200 Bq/l. Hygienici doporučili starostům přilehlých obcí, aby na řeku nepouštěli drůbež. Kontrola v roce 1990 také zjistila, že v okolí elektrárny dosahuje intenzita radiace 20násobku přirozené úrovně. Ve vrtech byla ve spodní vodě nalezena velká koncentrace radioaktivního tritia, až 11 000 000 Bq/l (norma pro pitnou vodu činí 700 Bq/l, pro ostatní vody 5 000 Bq/l; byla tedy více než 2000násobně překročena). Provoz tohoto reaktoru nebyl po havárii již obnoven, byla postavena elektrárna nová s novými technologiemi.
