23.9.2021 | Svátek má Berta


ROZHLEDNÍK: Jaderná elektrárna aneb kulečník v papiňáku

3.3.2008

Tady je ta šance: Jaderná elektrárna je zařízení, ve kterém se energie vody ohřáté štěpením uranu na vysokou teplotu mění na páru, pára pohání turbínu aby ta podobně jako mechanické dynamo na kole vyráběla elektřinu, která svítí na cestu k jasnějším zítřkům a umožňuje vám číst tyto řádky na monitoru. Takhle jednoduché to je.

Ještě čtete? Já vás varoval, teď už dojde k nejhoršímu, dál se bez fyziky nedostanu. Snad mi odborný svět odpustí zjednodušení, kterých se asi dopustím. Pokusím se je označit hvězdičkou jako místa, která by zasloužila odbočku nebo doplnění ve výkladu, ale v zájmu udržení myšlenky se na odbočku nepustím. Jako ve všem, i tady totiž je ďáblík schován v detailech.

Takže nejdřív, co to tam vlastně ohřívá tu vodu. Na to musíme na procházku silami - interakcemi - v přírodě. Kromě Klidné síly, která je odvozena spíše z metafyzických interakcí :-), máme v přírodě čtyři základní síly (interakce): gravitační (ano, může za odřená kolena ale taky za vodní energii), elektromagnetickou (zeptejte se někoho kdo strkal ruce v dětství do zásuvky, ale také jí vděčíme za energii z uhlí), silnou (drží svět pohromadě a její důsledky v podobě slunečných paprsků svítí na nás na dovolené, ale také řádila na Bikinách v podobě vodíkové pumy). No a ta poslední ve výčtu je interakce slabá. Jeden by se zeptal, co je to za sílu když je slabá a jak souvisí s jadernou elektrárnou - no zkuste to vykládat aktivistům... Souvisí. Slabá síla je odpovědná za rozpad některých atomů, o kterých máme potom tendenci mluvit že jsou "radioaktivní". Jádra všech prvků kromě vodíku se skládají z protonů a neutronů, vodík jenom z protonu. Protony mají kladný náboj, neutrony jsou zhruba stejně hmotné, ale elektricky neutrální - tak co je váže dohromady?

Odpověděli-li jste "silná interakce", máte jedničku. Na rozdíl od samovolného radioaktivního rozpadu, kterými se vyznačují některé prvky využívané kupříkladu při medicínské diagnostice nebo terapii (např. radioaktivní izotop ytria nebo kobaltu), jádra těžkých prvků - například uran - lze uměle rozštěpit a získat z nich energii, pokud do nich narazí vhodnou rychlostí neutron.

Uran 235 (součet počtu neutronů a protonů v jádře) se v přírodě vyskytuje ve velice malém zastoupení v kombinaci s energeticky málo použitelným U238, z nějž se musí odseparovat - takzvaně "obohatit". Poté, co do jádra U235 narazí vhodnou rychlostí neutron, jádro se stane nestabilním - a rozdělí na dvě přibližně stejně velké části a zbudou po něm také 2-3 neutrony. Všechny ty věci se pohybují, takže nesou energii, která je dána rozdílem hmot původního jádra a vzniklých jader.

Moment, mluvíme o energii nebo o hmotě? Tady nastupuje Einsteinova slavná rovnice, která pomůže vyčíslit, že se ztracený zbyteček hmoty proměnil na velikou energii ve formě pohybujících se částí původního jádra. Ty naráží na své okolí a předávají energii dál. Pokud neutrony narazí na další jádro, způsobí opět jeho rozštěpení. Počítejme pro jednoduchost* se 2 neutrony.

Podobně jako u pyramidových her, pokud by každý neutron zasáhl nějaké jádro, po prvním "kole" bychom měli 2 rozštěpená jádra která vyprodukují 4 neutrony, po druhém 4 s 8 neutrony, po třetím 8 s 16... po 100. kole, které nastane vzhledem na vzdálenost a rychlosti v mikrosvětě za velice malý zlomek vteřiny* už máme řádově 10....0 (těch nul tam je 30) rozpůlených jader s velikou rychlostí (energií). A protože teplota je úměrná čtverci střední rychlosti atomů a vyprodukované teplo jejich celkové energii, máme tady v neřízené jaderné reakci atomovou bombu.

Abychom využili Golema, jako onen pekař (nebo císař?), musíme regulovat počet neutronů schopných rozbít další jádra. Šémem je potřebný počet neutronů o správné rychlosti k rozštěpení jader se získává moderováním - nejčastěji vodou, která teče v reaktoru a je zároveň teplonosným médiem a chladivem.

A jsme u kulečníku: narazí-li kulečníková koule do jiné stojící kulečníkové koule na její střed, zastaví se, zatímco druhá koule se rozeběhne rychlostí první koule. Nemáte-li kulečník, dejte na desku stolu korunu a vystřelte druhou korunu proti ní, abyste pokud možno trefili střed. Uvidíte. Tomu se říká zákon zachovaní hybnosti. Narazí-li kulečníková koule do koule, která je stokrát těžší, odrazí se zpátky stejnou rychlostí*, kterou měla před srážkou v opačném směru. To je taky zákon zachování hybnosti.

Mimochodem docela důležitý zákon - kdybychom jej neobjevili, nebyly by proudové motory ani rakety a chudáci sépie by se jenom válely ve vlnách:)) Neutron si můžeme představit jako kulečníkovou kouli. Jiný neutron je stejná koule, jádro uranu je mastodont s hmotností zhruba 250x větší. Ani jedna z těchto srážek neudělá z rychlého neutronu pomalý.

Pokud ale kulečníková koule narazí na kouli jenom několikrát těžší, ta se trochu pohne a naše původní koule se odrazí - ale s nižší rychlostí. Tak fungují molekuly vody na neutrony a vytváří dostatek neutronů s potřebnou rychlostí. Tak to by byl "plyn" - a co "brzda"? Tou je jednak zařazení boru, který má schopnost neutrony pohlcovat a jednak to, že jako palivo se používá tzv. nízko obohacený uran*. Obohacení je dáno množstvím štěpitelného uranu v "obyčejném", kterého je v přírodě většina.

Teď si dovolím odskok: myslím, že z tohoto výkladu je jasné, proč není problém pro svět, když Irán bude mít ruskou elektrárnu s ruským průmyslovým palivem, ale bude asi dost velké sousto k překousnutí dopustit, aby měl vlastní obohacovací zařízení kde může vyrobit téměř libovolně obohacený štěpný materiál.

Když jsme si tedy vysvětlili, jak probíhá a řídí se jaderná reakce, pojďme do reálné technologie v jaderné elektrárně. V dalším se budeme zabývat tzv. tlakovodním systémem, který je požívaný u nás (ruská technologie VVER nazývaná taky "veverka" - Vodou chlazený a Vodou moderovaný Energetický Reaktor) a celé řadě dalších zařízení od firem jako Westinghouse nebo ABB nebo Areva. Ty už ale nejsou veverky a tak na Zvířetník nepatří.

Srdcem a motorem je jaderný reaktor, což je tlaková nádoba - papiňák - těsně uzavřená, obsahující palivové články, regulační tyče (bor*) a naplněná vodou s obsahem kyseliny borité (opět bor*). Palivové články jsou hermeticky uzavřené trubice ze zirkonové slitiny obsahující oxid uranu se správným nízkým obohacením. Regulační tyče se za normálního provozu vysouvají, chceme-li reakci podpořit a zasouvají, chceme-li ji utlumit. V případě jakékoli nestability provozu samospádem zaplní prostor mezi palivem a utlumí tak reakci.

Palivové články se štěpnou reakcí zahřívají na vysokou teplotu a přes povrch trubiček předávají teplo vodě. Ta cirkuluje jako v každém správném topení mezi pecí a radiátorem, kterým je v elektrárně parogenerátor*. Je poháněna výkonnými čerpadly. Celý systém je jištěn kompenzátorem objemu a pojišťovacími ventily. Tento primární okruh je v budově hermeticky oddělené od vnějšího světa.

Voda o vysoké teplotě a tlaku doteče z reaktoru do parogenerátoru, je nasměrovaná do trubiček a přes jejich stěny předává teplo vodě v parogenerátoru, která se jako v správném hrnci mění na páru a potrubím uhání k turbíně. Všimli jste si, kolik bariér je mezi radioaktivními zbytky ze štěpení a vodou, která teče do turbiny? Dvě: povrch palivového článku a povrch teplosměnné trubky v parogenerátoru.

Pára se prožene turbínou, v ní se energie páry přemění na točivý pohyb magnetického pole, které generuje elektrické napětí a umožňuje odebírat proud. Co se stane s párou? Po předání své energie kondenzuje na směs vody a páry a teče - pořád v uzavřeném okruhu - ke kondenzátoru. Znovu fyzika: tepelný stroj je nejúčinnější když je v něm co největší rozdíl teplot. Takže potřebujeme ochlazovat - vzpomeňte si na své auto. V kondenzátoru teče směs vody a páry dalšími teplosměnnými trubkami, které jsou zvenku chlazeny, pára se změní se na vodu, předá teplo dalšímu chladícímu okruhu a pokračuje k parogenarátoru, aby se z ní opět stala pára. To bychom měli sekundární okruh.

Kondenzátor je chlazen vodou terciálního okruhu, která je poté chlazena ve známých věžích. Když to shrneme, mezi palivem a párou nad věžemi jsou tři kovové bariéry proti průniku radioaktivity. Aktivisté to samozřejmě vědí a proto taky na ty komíny lezou.

Pokud o to budete stát a pokud mě Dede přesvědčí, abych to napsal, příště si něco povíme o tom, jak je organizována jaderná bezpečnost.

Schema najdete zde,  je v angličtině ze stránek amerického regulačního úřadu NRC. Ne že by nebyly k dispozici obrázky v češtině, tento se mi ale moc líbil.

Slovníček některých pojmů:
Reactor vessel - (tlaková) nádoba reaktoru
Control rods - řídící (kontrolní) tyče
Steam Generator - parogenerátor
Containment structure - ochranná obálka, kontejnment
Condenser - kondenzátor

MartinR


Akční letáky
Akční letáky

Všechny akční letáky na jednom místě!