Jadrový reaktor

Prvý jadrový reaktor (uránovo-grafitový) bol uvedený do prevádzky v roku 1942 v Chicagu pod vedením Enrica Fermiho – Chicago Pile-1.[1] Využitie jadrovej energie na pohon lodí a ponoriek je myšlienkou dr. Rossa Gunna.

Prvá energetická jadrová elektráreň na svete bola pripojená k sieti v roku 1954 v Obninsku pri Moskve. Jej tepelný výkon je 30 MW a elektrický 5 MW. Do roku 2004 bolo postavených viac ako 438 jadrových reaktorov na výrobu elektrickej energie v tridsiatich krajinách sveta, s celkovou kapacitou 370,000 MWe, čo predstavovalo 16 % celkovej výroby elektrickej energie na Zemi. Počet inštalovaných reaktorov stále narastá, zároveň však dochádza k vyraďovaniu starých reaktorov. Okrem toho 56 krajín používa 284 výskumných reaktorov a ďalších 220 reaktorov je inštalovaných na lodiach a ponorkách.[2] K augustu 2020 bolo na svete v prevádzke približne 440 reaktorov na výrobu elektrickej energie, pričom zabezpečovali asi 10 % celkovej výroby elektrickej energie na planéte (10,2 % v roku 2017).[3] Viac než polovicu elektrickej energie vo svojom mixe vyrábajú z jadra Francúzsko, Slovensko, Maďarsko a Ukrajina.[3]

Jadrové elektrárne sú v podstate tepelné elektrárne, ktoré používajú namiesto parného kotla jadrový reaktor s parným generátorom. Rozdiel je iba v použitom druhu paliva a spôsobe jeho premeny na teplo. Reaktor využíva väzbovú energiu jadra, ktorá sa uvoľňuje pri štiepení jadier ťažkých prvkov. Opakom je uvoľňovanie energie pri fúzii (spájaní) jadier ľahkých prvkov.

V energetických jadrových elektrárňach sa štiepi urán, ktorý sa v prírode nachádza ako minerál smolinec (uraninit). Jadrové palivo je veľmi efektívne v porovnaní napr. s uhlím, biomasou alebo obnoviteľnými zdrojmi energie. Z 1 gramu ²³⁵U vznikne úplným štiepením až 75 600 MJ tepelnej energie.

Pre energetické účely sa využíva štiepna reakcia, ktorá je dobre technologicky zvládnutá. Vieme ju bezpečne riadiť a regulovať. Momentálne sa pracuje na snahe o zvládnutie riadenia aj termonukleárnej reakcie – fúzie, do ktorej sú zásoby paliva na rozdiel od uránu prakticky nevyčerpateľné.

Schémy uloženia palivových článkov v aktívnej zóne u reaktorov typu VVER 1000 a Westinghouse 4.

1) palivo – palivové články

• prírodný urán obsahuje 0,72 % ²³⁵U a 99,274 % ²³⁸U
• obohacovaním sa zvyšuje podiel ²³⁵U, pre energetické reaktory obvykle na 2,5-3,5 %, v niektorých prípadoch až na 5 %

• ²³⁵U sa nazýva štiepnym (energetickým) materiálom - záchytom neutrónu dochádza k rozštiepeniu na dve časti
• ²³⁸U sa nazýva množivým materiálom - záchytom neutrónu nedochádza k rozštiepeniu, atómové číslo sa zvyšuje a následnými rádioaktívnymi premenami jadro prechádza na Pu, ktorý sa využíva na vojenské účely
• plutónium ²³⁹Pu je tiež možné v reaktore použiť ako palivo, zmes plutónia s uránom sú takzvané MOX palivá (mixed/metall oxid fuel)

2) moderátor

• moderátorom je látka, ktorá spomaľuje sekundárne neutróny, čím prispieva k udržaniu multiplikačného faktora neutrónov na konštantnej hodnote 1 – vznik stacionárnej reakcie, ovládnutie reťazovej reakcie; ako moderátor sa používa ľahká voda H₂O alebo ťažká voda D₂O či grafit
• moderátor sa zrážkami s neutrónmi zahrieva a pri väčších ako zanedbateľných výkonoch reaktora sa musí chladiť
• moderátor nie je nevyhnutnou súčasťou jadrového reaktora, reaktory s rýchlymi neutrónmi moderátor nepotrebujú

3) riadiace (regulačné) tyče

• vsúvajú sa do prostredia jadrového štiepenia, ich úlohou je pohlcovať sekundárne neutróny a udržať multiplikačný faktor na hodnote 1; regulačné tyče sú zliatiny ocele a kadmia Cd alebo bóru B

4) bezpečnostné (havarijné) tyče

• majú rovnakú funkciu ako regulačné tyče, využívajú sa na zastavenie štiepnej reakcie predovšetkým v nebezpečných situáciach

5) reflektor neutrónov

• látka, ktorá obklopuje reakčné prostredie reaktora, býva zhotovená prevažne z grafitu; dokáže odrážať neutróny

6) betónové tienenie

• chráni okolie jadrového reaktora v prípade havárie, straty kontroly nad štiepnou reakciou a následným únikom ionizujúceho žiarenia

Príklad využitia jadrového reaktoru ako pohonu pre vojenskú loď – americká lietadlová loď USS Nimitz.

50 let Pobedy, ruský jadrovým reaktorom poháňaný ľadoborec.

V jadrových reaktoroch sa ako štiepny materiál používa izotop uránu - ²³⁵U. ²³⁵U sa záchytom neutrónu mení na ²³⁶U, ktorý je nestabilný, v dôsledku čoho sa jeho jadro štiepi najčastejšie na dve časti (fragmenty). Po každom štiepení sa uvoľní presne 188MeV energie (vyplýva zo zákona zachovania energie). Pre zjednodušenie uvažujeme s 200MeV, ktoré sa rozdelia medzi štiepne fragmenty 160MeV a energiu rádioaktívnych premien 40MeV (beta častice 8MeV, gama fotóny 15MeV, neutróny 7MeV, neutrína 10MeV).

Palivo v podobe palivových kaziet je umiestnené v tlakovej nádobe reaktora, do ktorého prúdi chemicky upravená voda. Voda preteká kanálikmi v palivových kazetách a odvádza teplo, ktoré vzniká pri štiepnej reakcii. Voda z reaktora vystupuje s teplotou asi 297°C a prechádza horúcou vetvou primárneho potrubia do tepelného výmenníka - parogenerátora. V parogenerátore preteká zväzkom rúrok a odvádza teplo vode, ktorá je privádzaná zo sekundárneho okruhu s teplotou 222°C. Ochladená voda primárneho okruhu sa vracia späť do aktívnej zóny reaktora.

Voda sekundárneho okruhu sa v parogenerátore odparuje a cez parný kolektor sa para odvádza na lopatky turbín. Hriadeľ turbíny je mechanicky spojený s rotorom generátora, ktorý je budený budičom jednosmerného napätia. Vďaka tomu tam vzniká magnetické pole a na troch statorových cievkach generátora sa tam následne indukuje striedavé napätie 15,6 kV.

Transformátor, elektrický netočitý stroj, premieňa – transformuje vyrobené napätie 15,6 kV na napätie vysoké alebo veľmi vysoké (110 kV alebo 400 kV).

Para sa kondenzuje v kondenzátore, tepelnom výmenníku, a vracia sa späť do parogenerátora vo vodnom skupenstve.

Platí rovnica:

Počet neutrónov vzniknutých z prechádzajúceho štiepenia = Počet neutrónov, ktoré vyvolajú nové štiepenia + Počet neutrónov zachytených v konštr. materiáloch, moderátore, absorbátore.

Jadrový reaktor sa počas prevádzky nachádza v troch stavoch:

a) podkritický stav

• Multiplikačný koeficient < 1

• Počet predchádzajúcich štiepení > Počet nasledujúcich štiepení

• Dôsledok - znižovanie počtu štiepení, znižovanie počtu voľných neutrónov, znižovanie výkonu reaktora

b) kritický stav

• Multiplikačný koeficient = 1

• Počet predchádzajúcich štiepení = Počet nasledujúcich štiepení

• Dôsledok - stabilizovaný stav, stabilizovaný výkon reaktora

c) nadkritický stav

• Multiplikačný koeficient > 1

• Počet predchádzajúcich štiepení < Počet nasledujúcich štiepení

• Dôsledok - zvyšovanie počtu štiepení, zvyšovanie počtu voľných neutrónov, zvyšovanie výkonu reaktora

Na reguláciu rýchlosti štiepenia sa používa tzv. moderátor napr. ťažká voda, grafit, berýlium a absorbátor napr. H₃BO₃ (kyselina boritá).

Energia, ktorá zo štiepnej reakcie vzíde, výrazne zvyšuje kinetickú energiu molekúl vody či oxidu uhličitého v primárnom chladiacom okruhu. Tá sa pri výmene tepla vo výmenníku prenáša na vodu či oxid uhličitý v sekundárnom okruhu. V dôsledku toho sa táto voda mení na paru s obrovskou E_k a svojou vlastnou silou roztáča turbínu, ktorá poháňa elektrický generátor.

Počet reaktorov podľa typu (2014)[4]

██ PWR: 277 (63,2 %)

██ BWR: 80 (18,3 %)

██ GCR: 15 (3,4 %)

██ PHWR: 49 (11,2 %)

██ RBMK: 15 (3,4 %)

██ FBR: 2 (0,5 %)

Existuje viacero kritérií, na základe ktorých sa jednotlivé typy jadrových reaktorov od seba líšia. Ide napr. o rozdelenie:

• Podľa typu jadrovej reakcie:
  • Reaktory s tepelnými neutrónmi
  • Reaktory s rýchlymi neutrónmi (nemajú moderátor, vyžadujú vyššie obohatenie paliva)
  • Fúzne reaktory (zatiaľ len teoretické, vo výstavbe je projekt ITER

• Podľa druhu moderátora:[5]
  • Grafitom-moderované reaktory
  • Vodou-moderované reaktory
    • Ľahkovodné reaktory (LWR)
    • Ťažkovodné reaktory
  • Reaktory moderované ľahkými prvkami
    • Moderátor roztavená soľ (MSR)
    • Moderátor tekutý kov (BeO)

• Podľa chladiva:[5]
  • Tlakové reaktory (PWR)
  • Varné reaktory (BWR)
  • Plynom chladné reaktory (AGR v Spojenom kráľovstve)

• Podľa generácie:

V súčasnosti sú známe 4 generácie reaktorov, I. predstavuje úplné začiatky a prvé výskumné reaktory, II. väčšinu svetových reaktorov, ktoré vznikali medzi rokmi 1965-1999, III. technické vylepšenia II. generácie po roku 1996 a III+. generácia ďalšie vylepšenia po roku 2017.[6]

Schéma reaktora RMBK – varného, grafitom moderovaného a vodou chladeného reaktora, ktorý bol využitý napr. v Černobyle.

Základný princíp bezpečnosti jadrových reaktorov a celých jadrových elektrární je založený na tzv. princípe ochrany do hĺbky. Ochrana do hĺbky je u prevádzkovaných elektrární založená na 4 fyzických bariérách a 5 úrovniach ochrany.[7] Moderné bezpečnostné štandardy, pravidelne sa sprísňujúce po jadrových haváriách na Three Mile Island, v Černobyli a Fukušime, požadujú potrebu zabezpečenia jadrových elektrární voči možnému úniku rádioaktívneho odpadu do okolia. Bežný jadrový reaktor, napr. typ VVER-440, využívaný na Slovensku, má štyri úrovne bariér:

• Prvou bariérou úniku radiácie je obal palivových článkov
• Druhou bariérou je tlaková nádoba
• Treťou bariérou je samotná ochranná nádoba, v ktorej je reaktor uložený alebo tlakový systém primárneho okruhu.[7] Pri úniku chladiaceho média z primárneho okruhu by vzniklo množstvo rádioaktívnej pary. Jej úniku do okolia bráni ochranná nádoba.[8]
• Štvrtou bariérou je tzv. kontajnment, cca 1,5 m hrubá betónová konštrukcia, ktorej funkciu pri elektrárňach VVER-440 spĺňa obal primárneho okruhu, t.j. hermetické boxy spolu s barbotážnou vežou.[7]

• Moderátor neutronov
• Jadrová elektráreň
• Jadrová energia

1. 10 Intriguing Facts About the World's First Nuclear Chain Reaction [online]. energy.gov, [cit. 2020-09-24]. Dostupné online.
2. http://www.world-nuclear.org/info/inf01.html World Nuclear Association info
3. Javascript Required! [online]. world-nuclear.org, [cit. 2020-09-24]. Dostupné online.
4. Nuclear Power Reactors in the World – 2015 Edition [online]. International Atomic Energy Agency (IAEA), [cit. 2017-10-26]. Dostupné online.
5. The Institution of Electrical Engineers. Nuclear Reactor Types [online]. large.stanford.edu, [cit. 2020-09-24]. Dostupné online.
6. Reuters Events [online]. reutersevents.com, [cit. 2020-09-24]. Dostupné online.
7. © Slovenské elektrárne | www.seas.sk. Bezpečnostné bariéry [online]. seas.sk, [cit. 2020-09-24]. Dostupné online.
8. ŠIS fyzika - environmentálna fyzika [online]. physedu.science.upjs.sk, [cit. 2020-09-24]. Dostupné online.

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Jadrový reaktor