INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ

A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

CZ.1.07/1.1.00/08.0010

Mgr. DAGMAR AUTERSKÁ, Ph.D.

PROVOZ JADERNÉHO REAKTORU

TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

1

6 Provoz jaderného reaktoru JADERNÉ ŠTĚPENÍ

KOMPONENTY JADERNÉHO REAKTORU

RŮZNÉ TYPY REAKTORŮ

CEA Od štěpení k řetězové reakci

2

Str. 2

Obsah

Štěpení jádra 4 Štěpné atomy 5

Energie uvolněná štěpením 5

Neutrony a řetězová reakce 6

Komponenty jaderného reaktoru 7 Palivo 8

Kontrolní tyče, past na neutrony 9

Chladící kapalina, přenášeč tepla 9

Moderátor, zpomalovač neutronů 10

Parogenerátor, výměník tepla 10

Různé typy reaktorů 11 Různé druhy reaktorů 12

Tlakovodní reaktory (REP, PWR) 15

Reaktory s rychlými neutrony, rychlé

množivé reaktory (RNR, FBR) 15

Reaktory chlazené plynem (RCG, GCR) 15 Detail aktivní zóny reaktoru

Text k větší fotografii: Zavážka paliva do reaktoru a uzavření víka nádoby reaktoru v Centre national de production d’électricité CNPE (Národní centrum pro výrobu elektřiny) v Civaux (blok 1)

Str.3

Úvod Tvůrci prvního zkušebního reaktoru: Lew Kowarski (vlevo) a Fréderic Joliot-Curie ( vpravo)

Obrázek vedle : budova, ve které byl umístěn první zkušební reaktor Zoé.

3

„První jaderný reaktor byl sestrojen v roce 1942 ve Spojených

státech. O šest let později byl podobný reaktor uveden do provozu

ve Francii.“

Úvod Elektrárna je továrna, která vyrábí elektřinu. Existují tepelné elektrárny, vodní

elektrárny…a jaderné elektrárny. Všechny jsou založeny na stejném principu: roztočit

turbínu spojenou s alternátorem, který vyrábí elektřinu. Rozdíly ve fungování se

nacházejí na úrovni pohybu turbíny. Ve vodních elektrárnách je to voda z přehrady,

která uvádí turbínu do chodu. V klasických tepelných elektrárnách se spalováním

fosilního paliva (uhlí, přírodní plyn nebo ropa) přeměňuje voda na páru a ta je schopná

roztočit turbínu. V jaderných elektrárnách je fosilní palivo nahrazeno jádrem uranu.

Při rozbíjení tato velká jádra uvolňují jadernou energii, která se využívá při výrobě

vodní páry, která stejným způsobem jako v tepelných elektrárnách může roztočit

turbínu. První jaderný reaktor byl postaven ve Spojených státech Enricem Fermi.

Tvoří ho milíř ze 6 tun kovového uranu, 34 tun kysličníku uranu a 400 tun grafitu.

Atomový milíř Enrica Fermiho odvozený od slova „empilement“ nahromadění

(naskládání na sebe) generuje výkon pouze 0,5W. Ve Francii je první zkušební reaktor

Zoe sestrojen ve výzkumném středisku Komise pro atomovou energii (CEA) ve

Fontenay-aux-Roses. Tento reaktor je poprvé uveden do provozu 15. prosince 1948.

V roce 1953 jeho výkon dosahuje až 150 kW a z provozu je vyřazen v roce 1976. Od

tohoto okamžiku je budova Zoe přeměněna na Muzeum atomu.

Dnes mají francouzské atomové elektrárny reaktory s elektrickým výkonem od 900 do

1450 MW. Základní částí atomové elektrárny je jaderný reaktor, který dodává teplo

nezbytné k výrobě vodní páry. Ostatní prvky (turbína, alternátor atd.) jsou společné

všem elektrárnám.

4

Str. 4

„Štěpením atomu vzniká energie, která se přeměňuje na teplo: principem jaderného

reaktoru je pojmout (získat) toto teplo a vyrobit z něj elektřinu.“

Atomové štěpení

5

Str.5

„Při každém štěpení se uvolní 2 až tři neutrony vysoké energie s rychlostí 20 000km/s“

Štěpné atomy Jádro některých velkých atomů má schopnost rozdělit se na dvě části na základě kolize

s dobře vybraným projektilem. Za těchto okolností je zvláště dobře adaptovaným

projektilem neutron.

Tato částice bez elektrického náboje má schopnost přiblížit se dostatečně blízko

k jádru, nabitému pozitivně, aniž by byla odpuzována elektrickými silami. Neutron tak

může proniknout dovnitř jádra a rozdělit ho na dvě části. Nejedná se o explozi jádra

pod vlivem mechanické srážky s neutronem, ale o vnitřní rozštěpení jádra, které spustil

příchod nadbytečného neutronu. Je to výsledek otřesu vyvolaného během integrace

neutronu s jádrem, za působení jaderné síly (viz brožura Jaderná energie: štěpění a

fúze). Rozdělení jádra se nazývá štěpná reakce. Atom, který má schopnost se rozdělit

na dvě části během kolize, je nazýván štěpitelným. Nejznámějším z nich je uran 235 a

plutonium 239. Dvě části vzniklé štěpením velkého jádra jsou produkty štěpení. Jsou

většinu času radioaktivní.

Atomy, jejichž jádra jsou nestabilní se nazývají radioaktivní. Tato jádra se přirozeně

přeměňují na jiná jádra a vysílají záření (viz Radioaktivita).

Energie uvolněná štěpením Reakce štěpení atomu je doprovázena uvolňováním velkého množství energie.

Oba dva produkty štěpení odnáší velkou část této energie v podobě kinetické energie

(kinetická energie je energie tělesa v pohybu. Stoupá s jeho hmotou a s jeho rychlostí.

Auto jedoucí velmi rychle má více kinetické energie než stejné auto jedoucí pomalu.

Jestliže první auto narazí do nějakého předmětu, škody budou větší než u druhého

auta. Stejně tak má malé auto méně energie než kamion jedoucí stejnou rychlostí): jsou

vystřeleny s velkou rychlostí (8 000 km/s). Prorazí si cestu mezi jinými atomy tím, že

do nich narážejí, protože vlastně představují velké projektily. Během těchto srážek

ztrácejí rychle svoji rychlost (tudíž svoji energii) a zahřívají okolní látku (prostředí) a

zastavují se v hmotě uranu. Jejich energie na startu se nakonec přemění na teplo:

místně teplota uranu stoupá.

Str.6

Princip jaderného reaktoru spočívá v tom, že se získané teplo přemění na

elektřinu.

Obrázek . Kontrolovaná řetězová reakce v jaderných reaktorech

6

„V jaderném reaktoru je řetězová reakce řízena, aby se dosáhlo

konstantního tempa štěpení.“

Neutrony a řetězová reakce Při každém štěpení se zrodí v průměru dva až tři neutrony s vysokou energií, které se

přemisťují velmi vysokou rychlostí (20 000 km/h) mezi atomy uranu.

Energie, kterou s sebou neutrony odnáší, představuje malou část celkové energie

uvolněné během štěpení, hlavní část této energie byla odnesena produkty štěpení. Ale

neutrony, jejichž hmota je malá při srovnání s produkty štěpení, mají rychlost velmi

vysokou.

Neutrony, projektily malých rozměrů, elektricky neutrální se budou šířit relativně

daleko, než se dostanou do vzájemné interakce s jiným jádrem atomu. Jestliže se bude

jednat o atomové jádro uranu 235, dojde eventuelně k novému štěpení.

Dva nebo tři uvolněné neutrony během jednoho štěpení budou moci vyvolat zase

nové štěpení a uvolnění nových neutronů a tak pořád dále… a to se nazývá

řetězová reakce.

V jaderném reaktoru je řetězová reakce řízena, aby se udrželo konstantní tempo reakcí.

(jedná se o řízené štěpení). To znamená, že ze dvou až tří uvolněných neutronů během

štěpení pouze jeden z nich vyvolá nové, ostatní jsou „zachyceny“. Musí být dosaženo

rovnováhy: jedno štěpení vyvolá pouze jedno nové, které opět vyvolá pouze jedno

štěpení atd. (a ne aby z jednoho štěpení vzešly dvě a z nich poté čtyři, které dají

vzniknout osmi atd.). Množství tepla uvolněné z hmoty uranu je tak každou sekundu

dokonale kontrolováno.

7

Str. 7

DÍKY SVÝM RŮZNÝM KOMPONENTÁM JADERNÝ REAKTOR PŘÍMO

VYUŽÍVÁ TEPLO A ZÁROVEŇ HO PŘEMĚŇUJE.

Komponenty jaderného reaktoru

8

Výstup vody prim.okruhu

nádoba reaktoru

Str.8

„Zatímco řídící tyče pohlcují neutrony, chladící kapalina odvádí

teplo z reaktoru.“

Palivové proutky obsahují kysličník uranu

Palivo Palivo jaderné elektrárny obsahuje štěpné

atomy, z nichž se získává energie

prostřednictvím štěpení. Hlavními štěpnými

atomy jsou uran 233, uran 235, plutonium

239 a plutonium 241. Pouze uran 235

existuje v přírodním stavu. Proto se také

nejčastěji používá v atomových elektrárnách

jako palivo. Jaderné palivo je umístěno

v aktivní zóně reaktoru. (viz brožura

Cyklus jaderného paliva).

str.9

Vnitřní nástroje

Palivový soubor

Řídící tyč

vstup vody primárního okruhu

Víko

Vodící trubka řídící tyče prim. okruhu

Tlaková nádoba reaktoru Je to nepropustná ocelová nádoba, ve které je aktivní zóna reaktoru, podpůrné systémy a kontrolní systémy.

9

Řídící tyče se zachycováním neutronů V reaktoru je permanentní kontrola řetězové reakce

zajištěna díky řídícím tyčím (takzv. klastrům), které

jsou rovněž nazývány kontrolními tyčemi, které

pohlcují neutrony a jsou např. na bázi bóru.Tyto tyče

uvnitř reaktoru jsou posuvné. Lze je zasunovat a

vysunovat v závislosti na počtu neutronů, které je

třeba absorbovat. Umožňují řídit reaktor. Navíc,

v případě nehody, jejich úplné zasunutí nebo pád

dovnitř zastaví téměř okamžitě řetězovou reakci.

Schéma Aktivní zóna jaderného reaktoru

Barre de kontrole Řídící (kontrolní tyč) výstup teplé chladící

kapaliny palivová uranová tyč

Moderátor Vstup studené chladící kapaliny

Chladivo, přenašeč tepla Energie uvolněná v podobě tepla během štěpení jader

uranu 235 musí být z aktivní zóny odvedena, aby

posloužila k výrobě elektřiny. Tento úkol zajišťuje

chladící médium. Jak naznačuje jeho jméno (ve

francouzštině caloporteur nosič tepla), jedná se o

médium, která přenáší teplo. Médium proudící kolem

uranových tyčí má dva úkoly: odebrat teplo palivu,

aby ho mohlo odvést mimo aktivní zónu reaktoru, a

zároveň udržet teplotu paliva na hodnotě slučitelné

s chováním materiálů.

Palivo se nachází v kovovém obalu v podobě nepropustné schránky, která izoluje

vnitřek od chladící kapaliny. Toto opatření zabrání tomu, že se palivo, které je horké

nedostane do přímého kontaktu s chladícím médiem, a tudíž nemůže mezi nimi dojít k

chemickým reakcím. Brání rovněž tomu, aby se částice paliva nedostaly do chladící

kapaliny a tak neunikly z nádoby reaktoru. V podstatě to ani tak nejsou částice uranu,

které by nás měly nejvíce znepokojovat, kdyby unikly do chladící kapaliny, ale spíše

produkty štěpení, které jsou radioaktivní.

Transport parogenerátoru

Obrázky

Nakládka aktivní zóny reaktoru.

Simulace pohybu neutronů

10

Str.10

„Moderátor zpomaluje neutrony tak, aby po setkání s atomy vyvolaly štěpení.“

Moderátor, zpomalovač neutronů Kromě paliva v hermetickém obalu, chladícího média a řídící tyče většina reaktorů

obsahuje zařízení, které nazýváme moderátor. (viz schéma str. 9) Role moderátoru

spočívá ve zpomalení neutronů, které jsou často příliš energetické pro účinné vyvolání

nového štěpení. Tyto neutrony, s ohledem na jejich velkou energii, se pohybují velkou

rychlostí (20 000km/s). Protože tyto rychlé neutrony míjejí velkou rychlostí atomy

uranu v blízkosti, je těžké uskutečnit štěpné reakce. Tyto reakce jsou velmi vzácné.

Aby k štěpným reakcím docházelo snadněji a ve větším množství, je třeba významně

zpomalit neutrony, z rychlosti 20 000 km/s až na rychlost řádově 2 km/s. Takové

neutrony se pak nazývají pomalé nebo „tepelné“. Neutrony jsou brzděny při

procházení látkou, která se skládá z atomů, jejichž jádra je neabsorbují. Neutrony

ztrácejí rychlost při srážkách s jádry stejně jako se koule srážejí na kulečníkovém

stole. Proces zpomalení je rychlejší, když rychlé neutrony naráží do lehkých jader,

jako je například jádro vodíku. Látka skládající se z těchto atomů se nazývá

moderátor. Aby reaktor dobře fungoval, musí se palivo a moderátor střídat: palivo, moderátor,

palivo, moderátor…

Parogenerátor, tepelný výměník Chladící kapalina se zahřívá při kontaktu s palivem. Opouští aktivní zónu s velmi

vysokou teplotou, mezi 300-550° C.

Toto chladivo je poté využito v zařízení, kterému se říká parogenerátor, k ohřevu vody

na páru. Tato pára potom uvádí do pohybu turbínu spojenou s alternátorem, který

vyrábí elektřinu. Při výstupu z turbíny se pára kondenzuje na vodu v kondenzátoru

ochlazovaném vodou z řeky.

Parogenerátory se nenacházejí v elektrárnách s varným reaktorem (REB, BWR), kde

je pára vyráběna přímo v aktivní zóně reaktoru. Tento druh elektráren ve Francii

neexistuje.

11

Str. 11

„VŠECHNY MOŽNÉ KOMBINACE MEZI PALIVEM, CHLADIVEM A

MODERÁTOREM URČUJÍ KATEGORII, KE KTERÉ PATŘÍ DANÁ

ELEKTRÁRNA.“

Různé typy reaktorů

12

Str.12

Různé typy reaktorů

Atomová elektrárna je předurčena k tomu, aby

vyráběla elektřinu na základě jaderného paliva.

Přestože je tento princip provozu společný pro

všechny atomové elektrárny, existují různé typy

reaktorů.

Pro koncepci aktivní zóny reaktoru jsou nezbytné

čtyři základní prvky:

palivo, ve kterém probíhá štěpení

chladící kapalina, která transportuje teplo mimo reaktor

moderátor (kromě reaktoru s rychlými neutrony), který umožňuje zpomalit neutrony

řídící tyče, které kontrolují řetězovou reakci

Pro tyto prvky, zvláště pak pro tři první existuje více možností. Např. chladivem může

být plyn (CO2 oxid uhličitý), nebo tekutina (voda). Ze všech možných kombinací mezi

různým palivem, chladivem a moderátorem byly vybrány pouze ty, které se

realizovaly v průmyslu. Základní typy jsou popsány v tabulce na další stránce.

„Princip fungování je stejný ve všech jaderných elektrárnách, ale existuje více

druhů jaderných elektráren.“

Str. 13

„Ve Francii je téměř polovina jaderné elektřiny vyprodukována tlakovodními

reaktory.“

Jaderná elektrárna v Civaux

(département Vienne)

13

Různé druhy reaktorů

Druh (kategorie) Palivo Moderátor Chladivo

Reaktor UNGG (přírodní

uran, grafit, plyn) GCR

(angl)

První kategorie uvedená do

provozu ve Francii.

Všechny reaktory tohoto

typu byly ve Francii

odstaveny, poslední v roce

1994.

Přírodní uran

(0,7% uranu 235)

Pevný uhlík

(grafit)

Oxid uhličitý

Těžkovodní reaktor

CANDU typ reaktoru

vyvinutý v Kanadě

Přírodní uran Těžká voda Těžká voda

pod tlakem

Reaktor RBMK tyto

reaktory představují 40%

jaderného parku bývalého

Sovětského svazu (např.

Černobyl)

Obohacený uran

na 1,8% uranu

235

Grafit Vroucí voda

Varný reaktor (REB) BWR

(angl) nejvíce rozšířený v

USA, v Japonsku a Švédsku

Obohacený uran

na 3 % uranu 235

Obyčejná (lehká) voda, která se

v aktivní zóně zahřeje až k bodu

varu

14

Tlakovodní reaktor (REP),

nejrozšířenější v západním

světě. Rovněž je využíván

v bývalém SSSR pod

názvem VVER

Obohacený uran

na 3 % uranu 235

Voda pod tlakem udržovaná

v tekutém stavu.

Voda pod tlakem je současně

moderátorem i chladivem

Rychlý množivý reaktor

(RNR- réacteur à neutrons

rapides) ang FBR

Charakteristickým znakem

těchto reaktorů je, že

nemají moderátor.

Neutrony zůstanou rychlé.

Prototypem ve Francii je

reaktor Phénix (250 MWe)

Obohacený uran

nebo plutonium

Žádné Tekutý sodík.

Nezpomaluje

neutrony

Těžká voda se skládá se z molekul vody, v nichž je obsažen atom vodíku a jeden atom

deuteria, těžký izotop vodíku. (viz brožura L´atome)

Str. 14

15

Jaderný reaktor

Řídící (regulační) tyč Parogenerátor (výměník tepla)

Nádoba reaktoru Kompenzátor objemu

vodní pára

Chladící médium teplé(320°C) vroucí voda

Aktivní zóna

Oběhové čerpadlo primárního okruhu

Studené chladící médium (280°C)

Oběhové čerpadlo sekundárního okruhu

Turbína Alternátor

Kondenzátor Ochlazování – řeka, moře, chladící věž

CNPE Cruas budova reaktoru - sonda nakládání (založení) palivových článků do otevřené nádoby

Schéma principu tlakovodního reaktoru

CNPE Cruas budova reaktoru - sonda nakládání (založení) palivových článků

do otevřené nádoby

16

Str. 15

„Některé reaktory používají helium jako chladivo, které transportuje teplo mimo

reaktor a stabilizuje teplotu.“

Tlakovodní reaktory (REP) Generace tlakovodních reaktorů je ve světě nejrozšířenější. Tyto reaktory vyrobí

přibližně polovinu světové produkce jaderné elektřiny. Ve Francii jsou všechny

jaderné reaktory, s výjimkou Phénixu, tlakovodní REP. 34 elektráren má reaktory

o výkonu 900 MWe (megawatů elektrických), 20 reaktorů s 1 300 MWe a 4 s

výkonem 1 450 MWe.

Rychlé množivé reaktory (RNR, s rychlými neutrony) Rychlé množivé reaktory byly koncipovány tak, aby se využila štěpná látka (uran nebo

plutonium) kompletněji než v reaktorech pracujících na bázi tepelných (pomalých)

neutronů.

Chladivem může být tekutý kov jako např. sodík (Phénix) nebo plyn (hélium). Jejich

výhodou je, že mohou vyrobit štěpný materíál (množívý reaktor) nebo naopak spálit

odpad (aktinidy), který má dlouhou životnost (dlouhou dobu rozpadu). „Rychlé množivé reaktory nepoužívají moderátor.“

Reaktory chlazené plynem Použítí hélia jako chladiva umožňuje uvažovat o škále reaktorů s přímým cyklem

(vysokoteplotní helium zásobuje přímo, bez výměníku, skupinu turbo-alternátoru) se

zvýšeným termodynamickým výkonem. Byly již studovány v minulosti, ale dnes těží

z pokroku učiněného v oblasti plynových turbín.

Jsou schopny umožnit realizaci malých jednotek (od 100 do 300 MWe),

ekonomických a bezpečných.

Tento druh reaktoru je rovněž schopen fungovat na bázi rychlých neutronů a

představovat tudíž doplňkové výhody reaktorů s rychlými neutrony.

089089_Energie-PROVOZ JR - Auterska - P0