4.10.2023 | Svátek má František


FYZIKA: Jaderná elektrárna zblízka

8.6.2023

Jak funguje atomová elektrárna a proč bychom si měli schovávat vyhořelé palivo

Odpovědi na proč a jak funguje vesmír. Psáno pro Tima, mého syna, ale určitě si to rádi přečtou i jiní.

Drahý Time,

dneska se vynoříme s říše kvant k jednomu navýsost praktickému využití slabé jaderné interakce. Mluvím řízené řetězové štěpné reakci, důraz kladu na řízené, protože když máš neřízenou, máš z toho atomovou bombu a o tom možná někdy jindy. Dneska se pobavíme o štěpných jaderných reaktorech, jak fungují a jaké mají vyhlídky do budoucna.

Elektřina z tepla

V současnosti zdaleka nejvíce energie vyrábíme z tepla. Tedy ne přímo z tepla, i když by to také šlo. Teď mám na mysli termoelektrický nebo též Peltierův článek, zařízení, které se skládá ze dvou různých slitin a když je na jedné straně tepleji než na druhé, vznikne proud. Ale řešení se hodí tak do kosmických sond, v běžné praxi se můžeš setkat i s opačným přístupem, že do zařízení pouštíš proud a jedna strana se ochladí, zatímco druhá zahřeje, typicky třeba termoelektrické autochladničky. Jenomže účinnost nic moc, spíše nic než moc.

Druhý způsob výroby elektřiny z tepla je komplikovanější. Nejdříve je potřeba ohřát a také natlakovat nějaké médium, kterým je dnes hlavně vodní pára. Tou párou potom roztočíš desítky tun těžkou velkou turbínu s velmi komplikovaným systémem lopatek. Dále je na společné hřídeli turbíny alternátor, což je v podstatě vodič pohybující se v magnetickém poli a tak vyrábíme v současnosti převážnou část elektrické energie ve světě. To teplo můžeš produkovat uhlím, plynem, dřevní štěpkou nebo také atomem.

Řízená řetězová štěpná reakce

Na začátku máš nějaký radioaktivní prvek, který má nějakou tendenci k tomu se rozpadnout na jiné dva prvky a zároveň s tím uvolnit ze svého jádra i neutrony a záření. V jaderném reaktoru potřebujeme nejdříve ty neutrony, které mají vysokou kinetickou energii, které se mohou pohybovat i 10% rychlostí světla, tak ty potřebujeme zpomalit. Potřebujme neutrony, které poletují uvnitř reaktoru rychlé právě tak akorát, aby je zachytilo jiné jádro (čím jsou neutrony rychlejší, tím vyšší koncentraci ke štěpení potřebujeme). Jakmile neutron do tohoto jádra vstoupí, způsobí v něm nestabilitu a ta vede k dalšímu rozpadu a tak pořád dále, je to řetěz. Materiál, ve kterém odebíráme neutronům nadbytečnou energii se nazývá moderátor, může to být typicky voda, nebo těžká voda (místo normálního vodíku má deuterium), v případě moderních reaktorů jsou to roztavené soli různých prvků. No a protože se energie nemůže ztratit, mění se v moderátoru na teplo. Tím potom ohřejeme vodu na páru a dál to znáš. Důležité je, že jsou fyzicky oddělené části, kde se získává teplo ze štěpné reakce, tomu se říká primární okruh, a část, kde se přes tepelný výměník ohřívá pára pro pohon turbíny, to je sekundární okruh.

Kromě moderátoru je součástí reaktoru i řídící prvek, obvykle z materiálu jako je bór, který velmi silně pohlcuje neutrony a tak se může řídit intenzita štěpné reakce uvnitř.

Různé druhy reaktorů

Co se týče aktivního provozu v současnosti, jsou dva hlavní druhy reaktorů. Tím prvním je tlakovodní varný reaktor, kde obyčejná voda slouží jako moderátor i chladivo. U nás je k vidění v Dukovanech i Temelíně. Potom můžeš použít těžkou vodu místo obyčejné. Nevýhodou je složitější výroba právě těžké vody, výhodou je, že nemusíš používat tak vysoký tlak. A to je dneska v podstatě všechno, kromě nich můžeš sem tam narazit ještě na nějaký experimentální nebo naopak, dožívající, design. Výroba elektřiny z atomu měla slušně našlápnuto, ale potom se změnilo celospolečenské klima a výrobu i drtil levný plyn. Teď mluvím o Evropě, tohle se v Rusku a v Číně nikdy nestalo, proto jsou také dnes míle před námi.

Kromě malých modulárních reaktorů, které nám po letech vývoje klepou na dveře, bych se rád zmínil i o jednom druhu velkých reaktorů, velmi důležitých pro naši budoucnost. Jedná se o rychlý, nebo též množivý reaktor. Zvláštností je, že nemá nic, co by neutrony zpomalovalo. Jak už jsme psal, čím vyšší rychlost, tím je menší pravděpodobnost záchytu a proto musí být palivo více obohacené. Ale má to jednu výhodu nebo nevýhodu, záleží na tom, z jakého konce se na to díváš. Množivý reaktor může vyrobit více štěpného materiálu, než ho spotřebuje. To je na jedné straně problém, protože ho můžeš použít k výrobě plutonia pro atomové bomby. Na druhé straně je to výhoda, pokud z thoria vyrobíš uran jako palivo pro další reaktory. Thoria máme tolik, že by nám vydrželo na další tisíce let spotřeby, hlavně Indie, která nyní velice intenzivně zkoumá, jak zabezpečit celý palivový cyklus.

Malé modulární reaktory

Velkou nevýhodou velkých reaktorů je to, že co kus, to originál, nebo skoro originál. Sice můžeš získat pro daný typ reaktoru všechny papíry pro povolení a provoz, ale stejně ho musíš postavit na místě provozu, ne v nějaké továrně. Tvoji pracovníci tam musí odjet, všechno montovat na místě a to nemluvím o těch kilotunách betonu, které na to všechno padnou. A potom - trvá to. A co se vleče, to je drahé. Musíš do stavby nasypat stovky miliard korun a pak čekat někdy i desítky let, než začneš vyrábět elektřinu a splácet dluh. A to nemluvím o tom, že jako klasický waterfallový projekt se to určitě nestihne v termínu a určitě se to prodraží oproti původním odhadům. A taky, většinou tu elektrárnu postavíš uprostřed ničeho, takže když chceš využít kromě elektřiny třeba i teplo a nevypouštět jej zbůhdarma do vzduchu, zase se ti to prodraží.

Tomu všemu se dá předejít konceptem malých modulárních reaktorů (MMR). V podstatě je to taková atomová baterka, zařízení o velikosti, kterou dokážeš přepravit na železnici, řešené tak, aby ho vyrobili v továrně jako sériovou produkci, dovezli ho na místo, spustili do díry a už to jelo. A když palivo vyhoří, posadí tam místo něj jiný kus a ten stávající si odvezou na repas do továrny. Můžeš ho instalovat třeba místo kotlů na hnědé uhlí do současných elektráren a tak jim výrazně prodloužit život. Nebo jej můžeš postavit blízko města a využít kromě elektřiny i odpadní teplo. Variant použití je celá řada, asi nejdále ve světě je dnes projekt NuScale, naši vědci přišli s konceptem Energy Well anebo reaktoru určeného jenom pro výrobu tepla Teplátor.

Je tu jedno velké ale - bezpečnost. Velká atomová elektrárna uprostřed ničeho se ti snáze střeží a opatruje před mašíbly všeho typu než něco malého blízko městské zástavby. Můj skromný názor je ten, že budeme mít baterie MMR v rámci jedné elektrárny místo jednoho velkého. Ostatně, ČEZ už si na něco podobného vyhradil místo v Temelíně.

Proč nevyhazovat vyhořelé palivo

Na to je jednoduchá odpověď - podle použité technologie v současnosti dokážeme využít 3-5% energie v palivu obsažené. Horší je, že vyhořelé palivo je pestrá směska různých vysoce radioaktivních šmakulád a zatím se moc dobře neví, jak s tím pracovat, Idea je vytřídit co se dá a zbytek poslat do ADTT reaktoru. To je reaktor, který je řízený urychlovačem a primárně slouží ke transmutaci prvků. Z toho, co jde vyrobit znovupoužitelné palivo a co nejde, tomu zkrátit dobu rozpadu a snížit radioaktivitu tak, aby nakonec zbylo jenom okolo 2% odpadu. Tady vstupuje do hry takzvaná tříštivá štěpná reakce. Konkrétně u nás v Řeži se zkoumá, jak by fungovalo, kdyby lineární protonový urychlovač o výkonu okolo 10 MW ostřeloval rtuťový teč, který by potom sloužil jak zdroj neutronů pro další reakce. Ale zatím je to všechno ve stavu výzkumu. Pro podobné účely ale můžeš použít i současné rychlé reaktory.

A co budoucnost

Jestliže chceme mít dostupnou a cenově přijatelnou bezemisní energii, tak se bez atomu neobejdeme. Můžeme použít místo štěpení jadernou fúzi, jako se to děje například na Slunci, ale co jsem začal rozum brát, tak pořád se o ní mluvilo, že to bude za deset let a tak to nejspíše ještě nějaký čas zůstane. Může na toto téma napsat další článek, Time, pokud budëš mít zájem. Mne osobně by potěšilo, kdyby se nějak dalo využít toho, že neutron mimo atomové jádro má poločas rozpadu zhruba 15 minut. To znamená, že za 15 minut se jich přibližně půlka rozpadne, vznikne z něj proton, elektron a anti neutrino. Kdybychom dokázali toho nějak využít, obešli bychom se bez parní turbíny a dalších věcí.