Podcast na Jaderné reaktory a jaderná energie

Kapitoly

Dva okruhy bezpečí

Jak se řídí štěpení

Česká jaderná energetika

Srdce reaktoru

Kovový kabát

Rychle nebo pomalu?

Dirigování reaktoru

Bezpečnost na prvním místě

Jeden reaktor vládne všem?

Hvězda jménem Neutron

Atomový Kulečník

Jaderná alchymie

Thorium jako palivo budoucnosti

Výkon a bezpečnost

Výroba a předpisy

Provoz, ekologie a závěr

Přepis

Ondřej: …počkej, takže ta voda z reaktoru se k turbíně vlastně vůbec nedostane? Celé je to ve dvou oddělených okruzích?

Lucie: Přesně tak! A to je ten základní bezpečnostní princip u většiny moderních jaderných elektráren, včetně těch našich v Dukovanech a Temelíně.

Ondřej: To je neuvěřitelný. Dobře, tohle si musíme rozebrat. Vítejte zpátky u Studyfi Podcast.

Lucie: Je to geniálně jednoduchý systém, když se nad tím zamyslíš. Máme primární okruh, kde voda proudí přímo reaktorem. Tam se ohřeje na šílenou teplotu, ale díky obrovskému tlaku se nezačne vařit.

Ondřej: Takže máme super horkou, natlakovanou a taky radioaktivní vodu.

Lucie: Přesně. A tahle horká voda pak v zařízení zvaném parogenerátor předá svoje teplo vodě v druhém, sekundárním okruhu. Tyhle dvě vody se nikdy nesmíchají.

Ondřej: Aha! A v tom druhém okruhu už je tlak normální, takže se ta voda okamžitě změní v páru…

Lucie: A ta pára roztáčí turbínu, která je napojená na generátor, a ten vyrábí elektřinu. Je to vlastně stejné jako v uhelné elektrárně, jenom zdroj tepla je jiný.

Ondřej: Takže ten kouř z chladicích věží je jenom čistá vodní pára z toho druhého, neradioaktivního okruhu?

Lucie: Přesně tak. Jenom pára. Existují sice i jednookruhové elektrárny, kde pára z reaktoru jde rovnou na turbínu, ale to je pak trochu noční můra na údržbu. Všechno je radioaktivní.

Ondřej: Dobře, to dává smysl. Ale jak se vůbec řídí ten samotný proces v reaktoru? To přece nemůže běžet jen tak samo od sebe. Jak se to „zesiluje“ a „zeslabuje“?

Lucie: Skvělá otázka. Představ si to jako oheň. Aby hořel stabilně, musíš přikládat správné množství dřeva. V reaktoru máme místo dřeva štěpnou reakci a místo regulace vzduchu máme regulační tyče.

Ondřej: Tyče, které se zasouvají a vysouvají z reaktoru?

Lucie: Ano. Ty jsou vyrobené z materiálů, které pohlcují neutrony, třeba z kadmia nebo boru. Když je zasuneš do reaktoru, „sežerou“ část neutronů a reakce zpomalí. Když je povytáhneš, víc neutronů může štěpit další jádra a výkon roste.

Ondřej: Takže je to takový jaderný plynový pedál.

Lucie: Dá se to tak říct. Všechno se to točí kolem takzvaného multiplikačního součinitele 'k'. Pokud je 'k' přesně jedna, z každého rozštěpeného jádra jeden neutron způsobí další štěpení. Reakce je stabilní.

Ondřej: A když je větší než jedna?

Lucie: Reakce se lavinovitě zrychluje, což nechceš. Když je menší než jedna, reakce postupně uhasíná. Proto máme kromě regulačních tyčí ještě havarijní tyče.

Ondřej: To je ten velký červený knoflík?

Lucie: V podstatě ano. Při jakémkoliv problému spadnou do reaktoru, pohltí všechny neutrony a reakci okamžitě zastaví. Je to pojistka, která musí fungovat za všech okolností.

Ondřej: A tyhle typy reaktorů, ty dvouokruhové, to je standard, který máme i u nás?

Lucie: Ano, je. První československá elektrárna A1 v Jaslovských Bohunicích byla trochu jiný typ, ale další etapa výstavby už byla založena na osvědčených sovětských reaktorech typu VVER, což je přesně ten dvouokruhový tlakovodní typ.

Ondřej: Voroněžský typ, že? To je základ Dukovan i Temelína.

Lucie: Přesně tak. Nejdřív VVER 440 a později výkonnější VVER 1000. Je to technologie, která se osvědčila po celém světě a umožňuje standardizaci dílů, což je u takhle složitých a drahých zařízení klíčové.

Ondřej: Když zmiňuješ drahých... je to asi pořádná investice.

Lucie: Ohromná. Cena za kilogram jaderné elektrárny je srovnatelná s nejpokročilejšími stroji na světě. Proto se klade tak obrovský důraz na kvalitu a bezpečnost. Není tam prostor pro kompromisy.

Ondřej: Takže od prvního reaktoru v Obninsku v roce 1954 jsme ušli pořádný kus cesty. Fascinující. Pojďme se teď podívat na další zdroj energie…

Ondřej: Takže teď už známe všechny hlavní součásti... moderátor, chladivo, všechno. Ale jak se to celé dává do pohybu, Lucie? Co přesně se děje uvnitř těch palivových článků?

Lucie: Skvělá otázka, Ondřeji. Ty palivové články, to je skutečné srdce reaktoru. Představ si je jako sady tenkých tyčí, asi jako tužky, ale mnohem delší. Uvnitř je to nejdůležitější – jaderné palivo.

Ondřej: A to je ten slavný uran, že?

Lucie: Přesně tak. Většinou přírodní uran. Ale tady je na tom to zajímavé. Přírodní uran obsahuje hlavně izotop U-238, který se sám moc neštěpí. Toho snadno štěpitelného, U-235, je tam jenom 0,7 %.

Ondřej: Jen tak málo? To zní skoro jako hledat jehlu v kupce sena.

Lucie: Je to tak. Proto se často obohacuje, aby se ten podíl zvýšil. A kromě uranu se používá i thorium nebo uměle vyrobené plutonium.

Ondřej: Plutonium... to zní trochu nebezpečně.

Lucie: To ano. Plutonium Pu-239 je skutečně nejnebezpečnější samovolně štěpitelný prvek. Vyrábí se bombardováním uranu U-238 přímo v reaktoru. Ale právě proto je všechno tak pečlivě zabezpečené.

Ondřej: A jak se zajistí, aby se tyhle látky nedostaly ven z těch tyčí?

Lucie: Každá ta palivová tyč má na sobě speciální kovový povlak. Je to takový její ochranný oblek. Tenhle povlak má hned několik superdůležitých úkolů.

Ondřej: Povídej, to mě zajímá.

Lucie: Zaprvé, brání úniku štěpných produktů do chladiva. To by byl velký problém. Zadruhé, musí vydržet obrovskou teplotu a záření, aniž by změnil své vlastnosti. A zatřetí, musí skvěle odvádět teplo.

Ondřej: Takže je to takový super-materiál. Z čeho se vyrábí?

Lucie: Nejčastěji se používají slitiny zirkonia, nerezavějící ocel, nebo třeba hliník a berylium. Musí být pevný, ale zároveň dobře tvárný a svařitelný. Je to opravdu věda.

Ondřej: Dobře, máme palivo v bezpečném obalu. Ale jak se ta reakce vlastně řídí? Vždyť v bombě je taky štěpení, a to rozhodně řízené není.

Lucie: Přesně jsi na to kápnul. Atomová bomba je v podstatě nekontrolovaný rychlý reaktor. Využívá takzvané rychlé neutrony, které mají obrovskou energii.

Ondřej: Rychlé neutrony... zní to, jako by se někam hodně spěchalo.

Lucie: A taky že jo! Mají tolik energie, že reakce probíhá explozivně. V elektrárně ale potřebujeme pravý opak. Potřebujeme tu reakci zpomalit a ovládat.

Ondřej: A k tomu slouží ten moderátor, o kterém jsme mluvili minule?

Lucie: Přesně tak! Moderátor, třeba voda nebo grafit, tyhle rychlé neutrony zpomalí. Sráží se s jádry moderátoru a ztrácí energii. Stanou se z nich takzvané tepelné neboli pomalé neutrony.

Ondřej: A ty pomalé jsou bezpečnější?

Lucie: Jsou mnohem lépe ovladatelné. Umožňují štěpení při zvládnutelných teplotách, třeba kolem 500 stupňů Celsia. Takže místo nekontrolované exploze máme stabilní, dlouhodobý zdroj tepla. Většina reaktorů na světě je právě tepelných.

Ondřej: Takže provozovat takový tepelný reaktor je vlastně jako dirigovat obrovský orchestr, kde musí všechno dokonale ladit.

Lucie: Krásné přirovnání! A je to přesně tak. Operátoři musí dodržovat neuvěřitelně přísná pravidla. Tepelný výkon se reguluje zasouváním a vysouváním řídicích tyčí, které pohlcují neutrony.

Ondřej: Co se stane, když se reaktor musí odstavit? Třeba kvůli údržbě.

Lucie: Tady je další zajímavost. Reaktor by se neměl odstavovat na déle než dvě hodiny. Při odstávce totiž vzniká prvek Jod-135, který pohlcuje neutrony a ztěžuje opětovné nastartování reaktoru.

Ondřej: Takže žádné dlouhé pauzy na kafe!

Lucie: Přesně tak. A neustále se sleduje obrovské množství věcí. Teplota a radioaktivita chladiva, jeho průtok, stav povlaku na palivových tyčích... Všechno pro každý jednotlivý kanál.

Ondřej: To musí být velín plný obrazovek a budíků.

Lucie: Je. Vypadá to trochu jako v řídícím středisku NASA. A samozřejmě se kontroluje stínění, které brání úniku záření, a reflektor, který odráží neutrony zpět do aktivní zóny, aby se neplýtvalo.

Ondřej: A co když se palivo vyčerpá? Co se děje s tím vyhořelým palivem?

Lucie: To je velmi důležitá otázka. Vyhořelé palivo je stále extrémně radioaktivní a horké. Proto se s ním manipuluje výhradně pod vodou. Voda slouží jako skvělé stínění.

Ondřej: Takže se v podstatě koupe v bazénu.

Lucie: Dá se to tak říct. A do té vody se navíc přidává kyselina boritá, která zabraňuje jakémukoliv dalšímu štěpení. Pak se bezpečně uskladní. Všechno je podřízeno bezpečnosti.

Ondřej: A celá ta obrovská mašinérie je uzavřená v té tlakové nádobě, že?

Lucie: Ano, ta tlaková nádoba reaktoru je absolutní technologický vrchol. Je z nízkolegované oceli, stěny mohou být tlusté až 300 milimetrů a musí vydržet vysokou teplotu i záření po celou dobu životnosti, což je třeba 30 let.

Ondřej: Páni. Je neuvěřitelné, kolik věcí se musí hlídat a kontrolovat najednou. Je to fascinující, ale zároveň z toho jde respekt.

Lucie: Přesně tak. Jaderná energetika je o preciznosti, zodpovědnosti a hlubokých znalostech. Ale právě díky tomu je tak spolehlivá. A teď, když víme, jak reaktor funguje, mohli bychom se podívat na to, jak se z toho tepla vlastně vyrábí elektřina.

Ondřej: ...takže je jasné, že jaderná energie má obrovský potenciál. Je to jeden z nejčistších zdrojů, co máme. Žádný kouř, žádný popílek... prostě čistá síla.

Lucie: Přesně tak. A bezpečnost je tam na prvním místě, s několika úrovněmi ochrany. Ale teď to nejdůležitější... napadlo tě někdy, jestli jsou všechny reaktory stejné?

Ondřej: No, abych byl upřímný, představoval jsem si prostě jednu velkou, hučící krabici, která dělá elektřinu. Nějaké rozdíly tam asi budou, že?

Lucie: Obrovské! Není to tak, že by existoval jen jeden univerzální model. Think of it this way... je to jako s auty. Máš různé motory pro různé účely.

Ondřej: Takže nemůžeme dát motor z náklaďáku do sporťáku?

Lucie: Přesně! Nejběžnější typ, který najdeš třeba v Temelíně i Dukovanech, je tlakovodní reaktor, známý jako PWR. Ale to je jen začátek.

Ondřej: Super! Takže jaké další "motory" v jaderném světě existují? Jsem zvědavý na ty "sporťáky".

Lucie: Výborná otázka! Právě k tomu se dostaneme. Existují třeba varné reaktory, rychlé reaktory a dokonce se vyvíjejí i reaktory čtvrté generace...

Ondřej: Takže ten energetický rozdíl je obrovský. Ale co přesně se děje uvnitř reaktoru? Jak z jednoho malého atomu dostaneme tolik energie?

Lucie: Je to fascinující proces, Ondřeji. A všechno se to točí kolem jedné jediné, nepatrné částice.

Ondřej: A která to je?

Lucie: Je to neutron. Představ si ho jako takového malého rebela. Sám o sobě je nestabilní, a co je hlavní, navenek je elektricky neutrální.

Ondřej: Takže ho nic nepřitahuje ani neodpuzuje? Prostě si letí, kam chce?

Lucie: Přesně tak! A právě to je jeho superschopnost. Může se dostat až k jádru těžkých prvků, jako je uran, aniž by ho cokoliv odrazilo.

Ondřej: A tam udělá co? Zaklepe na dveře?

Lucie: V podstatě ano! Narazí do něj a rozštěpí ho. A při tomhle rozpadu se uvolní obrovské množství energie a další neutrony.

Ondřej: Aha, takže ty nové neutrony pak štěpí další jádra? To zní jako řetězová reakce.

Lucie: Přesně. Ale je tu jeden háček. Tyhle nově vzniklé neutrony jsou strašně rychlé. Příliš rychlé na to, aby efektivně štěpily dál.

Ondřej: Takže je musíme nějak zpomalit?

Lucie: Ano. A k tomu slouží takzvané moderátory. To jsou látky z lehkých prvků, třeba obyčejná voda. Neutron do nich narazí, předá jim část energie a zpomalí.

Ondřej: Takže to celé shrnu. Neutrální neutron rozbije těžké jádro, uvolní se energie a rychlé neutrony, které pak zbrzdíme moderátorem, aby mohly pokračovat v práci. Chápu to správně?

Lucie: Naprosto dokonale! A právě tahle řízená hra atomového kulečníku je srdcem každé jaderné elektrárny.

Ondřej: Fantastické. Teď už mi to dává smysl. Pojďme se tedy podívat, jaké jsou hlavní části takového reaktoru...

Ondřej: Takže kromě štěpení můžeme v reaktorech doslova tvořit nové prvky?

Lucie: Přesně tak! Je to taková moderní alchymie. Vezmi si třeba Uran-238. Sám o sobě se moc neštěpí.

Ondřej: To je ten nejběžnější izotop, že?

Lucie: Ano. Ale když ho trefí neutron, stane se z něj Uran-239. A ten už je nestabilní.

Ondřej: A co se s ním stane dál?

Lucie: Projde dvěma beta rozpady. Nejdřív se přemění na Neptunium-239 a pak na Plutonium-239. A to už je štěpný materiál!

Ondřej: Páni, takže z neštěpitelného uranu vyrobíme palivo. To je neuvěřitelné.

Lucie: A není to jediný příklad. Podobný proces funguje i s Thoriem-232.

Ondřej: S Thoriem? Jak to probíhá?

Lucie: Úplně stejně. Záchytem neutronu vznikne Thorium-233. To se pak přes dva beta rozpady přemění na štěpný Uran-233.

Ondřej: Takže bychom mohli používat thorium jako palivo? To zní jako sci-fi.

Lucie: Přesně! Je to klíčový koncept takzvaných množivých reaktorů. Můžeme si vlastně „vyrábět“ palivo. Nejsme tak závislí jen na uranu.

Ondřej: To dává smysl. Takže si palivo umíme vyrobit, ale jak vlastně řídíme tu obrovskou energii, která se při tom všem uvolňuje?

Ondřej: Takže to byly základy. Ale pojďme se podívat na ty největší a nejvýkonnější kotle. Co je tam klíčové?

Lucie: Nejvyšších teplot, i přes 1600 stupňů Celsia, dosahují ohniště s fluidním spalováním. Vyžaduje to ale dokonalé promísení paliva se vzduchem.

Ondřej: A co posunulo jejich vývoj tak dopředu?

Lucie: Jednoznačně svařování! Nahradilo nýtování a umožnilo konstrukci obřích, vysokotlakých kotlů pro elektrárny.

Ondřej: Kdo u nás takové obry vyrábí?

Lucie: Dříve to byly národní podniky jako Vítkovice nebo První brněnská strojírna. Při objednávce musíte uvést hlavně výkon, tlak a teplotu páry.

Ondřej: Takže nestačí jen říct "jeden velký kotel, prosím".

Lucie: To opravdu ne. Každý kotel navíc potřebuje spoustu vybavení a hlavně... papírování pro Český úřad bezpečnosti práce.

Ondřej: A co provoz? Jak je to s bezpečností a ekologií?

Lucie: Klíčová je pravidelná údržba a kontrola kvality vody. Co se týče životního prostředí, nejdůležitější je odsíření spalin, aby se zabránilo kyselým dešťům.

Ondřej: Super. Takže od základních principů až po ekologické dopady, to byl opravdu nabitý díl. Díky moc, Lucie!

Lucie: Taky děkuju, Ondřeji. A vám, posluchačům, děkujeme za pozornost u Studyfi Podcastu. Mějte se fajn!

Ondřej: Ahoj!