Jaderný reaktor

Šablona:Infobox zařízení

Jaderný reaktor je zařízení, ve kterém dochází k řízené štěpné nebo fúzní jaderné reakci. Nejběžnějším typem jsou štěpné reaktory, které využívají řetězovou reakci k uvolnění velkého množství energie ve formě tepla. Toto teplo se v jaderných elektrárnách využívá k výrobě páry, která pohání turbíny spojené s generátory pro výrobu elektrické energie. Reaktory se také používají pro výzkum, výrobu radioizotopů pro lékařské a průmyslové účely a pro pohon vojenských ponorek a letadlových lodí.

Historie

Počátky jaderné energetiky sahají do první poloviny 20. století. V roce 1938 němečtí chemici Otto Hahn a Fritz Strassmann objevili jaderné štěpení. Na tento objev navázal italský fyzik Enrico Fermi, který se svým týmem na Chicagské univerzitě postavil první umělý jaderný reaktor na světě, známý jako Chicago Pile-1. Dne 2. prosince 1942 v něm úspěšně spustili první soběstačnou řízenou řetězovou štěpnou reakci. Tento experiment byl klíčovou součástí tajného projektu Manhattan během druhé světové války.

První jaderná elektrárna, která dodávala elektřinu do veřejné sítě, byla spuštěna v roce 1954 v Obninsku v tehdejším Sovětském svazu. Následoval rychlý rozvoj, zejména po ropné krizi v roce 1973, kdy se mnoho zemí obrátilo k jaderné energii jako ke spolehlivému zdroji.

Princip fungování

Jádrem štěpného reaktoru je aktivní zóna, která obsahuje jaderné palivo. Nejčastěji se používá uran obohacený o izotop uran-235. Když jádro atomu U-235 pohltí neutron, stane se nestabilním a rozštěpí se na dvě menší jádra (štěpné produkty). Při tomto procesu se uvolní obrovské množství energie a dva až tři další neutrony.

Tyto nově uvolněné neutrony mohou zasáhnout další jádra U-235 a vyvolat tak další štěpení. Tímto způsobem vzniká řetězová reakce. Aby byla reakce stabilní a řízená, musí být v průměru právě jeden neutron z každého štěpení použit k vyvolání dalšího štěpení. Tento stav se nazývá kritický stav reaktoru. Rychlost reakce se reguluje pomocí řídicích tyčí vyrobených z materiálů pohlcujících neutrony (např. bór, kadmium). Jejich zasouváním do aktivní zóny se počet štěpení snižuje, a tím klesá i výkon reaktoru.

Energie uvolněná při štěpení se projeví jako teplo, které ohřívá chladivo (nejčastěji voda) proudící aktivní zónou. Toto teplo je následně využito k výrobě elektřiny.

Hlavní součásti

Typický štěpný reaktor se skládá z několika klíčových komponent:

Aktivní zóna: Obsahuje jaderné palivo a je místem, kde probíhá štěpná reakce.
Jaderné palivo: Obvykle oxid uraničitý (UO₂) ve formě malých tablet, které jsou uspořádány v palivových tyčích. Palivo je nejčastěji obohaceno izotopem uran-235.
Moderátor: Látka, která zpomaluje rychlé neutrony vznikající při štěpení. Pomalé (tepelné) neutrony mají mnohem vyšší pravděpodobnost, že způsobí další štěpení jader U-235. Jako moderátor se nejčastěji používá obyčejná voda, těžká voda nebo grafit.
Řídicí (regulační) a bezpečnostní (havarijní) tyče: Jsou vyrobeny z materiálů, které silně pohlcují neutrony (např. bór, kadmium). Zasouváním a vysouváním těchto tyčí z aktivní zóny se řídí rychlost štěpné reakce a tím i výkon reaktoru. Bezpečnostní tyče slouží k rychlému zastavení reakce v případě nouze.
Chladivo: Médium, které odvádí teplo vznikající v aktivní zóně. Může to být voda, těžká voda, plyn (oxid uhličitý, helium) nebo tekuté kovy (sodík).
Tlaková nádoba reaktoru: Robustní ocelová nádoba, která hermeticky uzavírá aktivní zónu a další vnitřní části reaktoru.
Kontejnment (ochranná obálka): Masivní železobetonová stavba, která obklopuje reaktor a primární okruh. Slouží jako poslední bariéra proti úniku radioaktivních látek do okolí v případě havárie.

Typy jaderných reaktorů

Existuje mnoho typů reaktorů, které lze dělit podle různých kritérií. Nejčastější dělení je podle použitého moderátoru a chladiva.

Lehkovodní reaktory (LWR)

Tvoří naprostou většinu energetických reaktorů na světě. Používají jako moderátor i chladivo obyčejnou (lehkou) vodu.

Tlakovodní reaktor (PWR / VVER): Nejrozšířenější typ na světě (cca 60 %). Voda v primárním okruhu je pod vysokým tlakem (kolem 16 MPa), aby se ani při teplotách přes 300 °C nezačala vařit. Teplo předává v parogenerátoru vodě v sekundárním okruhu, kde vzniká pára pro pohon turbíny. Tímto typem jsou vybaveny i české jaderné elektrárny Temelín a Dukovany.
Varný reaktor (BWR): Druhý nejběžnější typ (cca 18 %). Voda v reaktoru se vaří přímo v tlakové nádobě a vzniklá pára je vedena přímo na turbínu. Elektrárna má tedy jednodušší, jednookruhový design.

Těžkovodní reaktory (PHWR)

CANDU: Kanadský typ reaktoru, který jako moderátor a chladivo používá těžkou vodu (D₂O). Těžká voda velmi efektivně zpomaluje neutrony, což umožňuje použít jako palivo přírodní, neobohacený uran.

Grafitové reaktory

RBMK: Sovětský typ reaktoru, chlazený lehkou vodou a moderovaný grafitem. Tento typ byl použit v černobylské elektrárně a kvůli konstrukčním nedostatkům se již nové nestaví.
Plynem chlazené reaktory (GCR, AGR): Používají grafit jako moderátor a plyn (obvykle CO₂) jako chladivo. Byly vyvinuty zejména ve Velké Británii.

Rychlé reaktory (FBR)

Tyto reaktory nepoužívají moderátor a štěpení probíhá pomocí rychlých neutronů. Dokáží z uran-238 (který tvoří přes 99 % přírodního uranu) "množit" nové štěpné palivo plutonium-239, proto se jim říká množivé reaktory. Umožňují tak mnohem efektivnější využití uranových zásob.

Využití

Výroba elektrické energie: Hlavní komerční využití. Jaderné elektrárny zajišťují stabilní a bezemisní (z hlediska skleníkových plynů) zdroj energie.
Pohon plavidel: Jaderný pohon se využívá u vojenských ponorek, letadlových lodí a ledoborců, kde umožňuje extrémně dlouhý provoz bez nutnosti doplňování paliva.
Výzkum: Výzkumné reaktory slouží jako silné zdroje neutronů pro materiálový výzkum, fyzikální experimenty a testování.
Produkce radioizotopů: V reaktorech se ozařováním materiálů vyrábějí radioizotopy pro použití v medicíně (diagnostika, radioterapie), průmyslu (defektoskopie) a vědě.
Vesmírné mise: Radioizotopové generátory (nejde o reaktory v pravém slova smyslu) a malé reaktory jsou zvažovány jako zdroje energie pro dlouhodobé vesmírné mise.

Bezpečnost a havárie

Bezpečnost jaderných reaktorů je založena na principu hloubkové ochrany s několika po sobě jdoucími bariérami, které mají zabránit úniku radioaktivních látek. Moderní reaktory jsou vybaveny pasivními i aktivními bezpečnostními systémy. Přesto v historii došlo k několika závažným haváriím:

Three Mile Island (USA, 1979): Částečné roztavení aktivní zóny v důsledku selhání chlazení. Únik radiace do okolí byl minimální.
Černobylská havárie (SSSR, 1986): Nejzávažnější havárie v historii, způsobená kombinací chybné konstrukce reaktoru RBMK a hrubého porušení bezpečnostních předpisů personálem.
Fukušima Daiiči (Japonsko, 2011): Havárie byla způsobena masivním zemětřesení a následnou vlnou tsunami, která vyřadila chladicí systémy, což vedlo k roztavení aktivních zón tří reaktorů.

Tyto události vedly k výraznému zpřísnění bezpečnostních standardů po celém světě.

Budoucnost jaderné energetiky

Budoucnost je spojena s vývojem nových typů reaktorů, které by měly být ještě bezpečnější, ekonomičtější a udržitelnější.

Reaktory IV. generace: Šest konceptů pokročilých reaktorů, které slibují vyšší účinnost, lepší využití paliva, minimalizaci odpadu a zvýšenou bezpečnost. Patří sem například plynem chlazené rychlé reaktory (GFR) nebo reaktory chlazené roztavenými solemi (MSR).
Malé modulární reaktory (SMR): Menší reaktory s výkonem do 300 MWe, které se vyrábějí sériově v továrně a na místo se pouze dopraví a instalují. Očekává se od nich větší flexibilita, nižší počáteční investice a možnost využití pro zásobování teplem. První SMR by měl v Česku vyrůst v areálu JE Temelín.
Jaderná fúze: Proces slučování lehkých jader (např. deuterium a tritium), který je zdrojem energie Slunce a hvězd. Fúzní reaktory slibují téměř nevyčerpatelný zdroj čisté energie bez produkce dlouhožijícího radioaktivního odpadu. Největším experimentálním projektem je v současnosti ITER ve Francii, jehož cílem je prokázat vědeckou a technologickou proveditelnost fúzní energetiky. Komerční využití je však stále desítky let vzdálené.

Jaderné reaktory v České republice

V České republice jsou v provozu dvě jaderné elektrárny vlastněné společností ČEZ.

Jaderná elektrárna Dukovany: V provozu od roku 1985, má čtyři bloky s reaktory typu VVER-440.
Jaderná elektrárna Temelín: V provozu od roku 2000, má dva bloky s reaktory typu VVER-1000.

Kromě energetických reaktorů jsou v ČR v provozu i tři výzkumné a jeden školní reaktor. Dva výzkumné reaktory (LVR-15 a LR-0) se nacházejí v Centru výzkumu Řež. Další dva školní reaktory (VR-1 a VR-2) provozuje Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze.

Odkazy

Související články