Jaderný reaktor

Vertikální řez reaktorovou nádobou VVER-1000, kterou jsou vybaveny například oba dva Temelínské reaktory

Jaderný reaktor je zařízení, které umožňuje řízené uvolnění jaderné energie, která je následně využívána pro výrobu elektrické energie, výzkum, vzdělávání atd. V principu lze jadernou energii uvolnit 2 rozdílnými způsoby a podle nich lze reaktory rozdělit na:

• štěpný jaderný reaktor – v tomto reaktoru je jaderná energie získávána pomocí štěpení těžkých jader jako ²³⁵U, ²³⁹Pu a dalších. Tento typ reaktoru ve světe v drtivé většině převažuje a proto se v běžné literatuře i mluvě pod názvem „jaderný reaktor“ téměř výhradně myslí právě tento druh. Patří mezi ně jak reaktory v jaderných elektrárnách, tak reaktory jaderných ponorek i menší výzkumné reaktory pro různé experimenty, výrobu radiofarmak atd.
• fúzní jaderný reaktor – v tomto reaktoru je jaderná energie získávána pomocí šlučování lehkých jader jako deuterium a tritium. Tento typ reaktoru se vyvíjí již desítky let a ke komerčnímu využití chybí podle odhadů ještě další desítky let výzkumu. Existuje řada návrhů, jak donutit lehká jádra ke sloučení. Mezi nejrozvinutější lze zařadit například Tokamaky.
• radioizotopový termoelektrický generátor - v tomto reaktoru se jaderná energie získává pomocí přirozeného rozpadu těžkých prvků jako ²³⁸Pu (jde tedy opět o rozpad těžkých jader, ale v tomto případě přirozený). V technické terminologii se pojem „reaktor“ pro toto zařízení běžně nepoužívá. Využívá se především jako dlouhodobý bezúdržbový zdroj elektrické energie o nízkém výkonu u zařízení v odlehlých oblastech, například pro vesmírné sondy.

Základní principy

Ilustrace možného průběhu štěpení

Pravděpodobnostní funkce produkovaných štěpných úlomků (tzv. výtěžek ze štěpení) v tepelném jaderném reaktoru pro různá paliva v závislosti na jejich nukleonovém čísle

Následující popis se zaměřuje pouze na štěpný jaderný reaktor jako nejběžnějšího zástupce jaderných reaktorů.

Jaderný reaktor pracující na principu štěpení těžkých jader je zařízení, ve kterém se uskutečňuje samovolně se udržující řízená štěpná řetězová reakce. Tento fyzikální stav zajišťuje vhodné prostorové uspořádání všech hlavních součástí reaktoru (palivo, moderátor, chladivo, řídící tyče atd.). Uvolněná jaderná energie následně zahřívá palivové soubory. Z nich je teplo odváděno chladivem takovým způsobem, aby nedošlo k přehřátí souborů a byla tak zajištěna bezpečnost provozu reaktoru.

K uvolnění jaderné energie dochází při štěpení jader paliva (nejčastěji 235U) neutrony. Rozštěpením jádra 235U vznikají:

• 2 a více štěpných úlomků - které odnášejí většinu uvolněné jaderné energie (okolo 80% z celkových 200 MeV na jedno štěpení) ve formě energie kinetické. Vlivem zbrzdění těchto úlomků (k tomu dojde ještě v palivu) je kinetická energie přeměněna na energii tepelnou a palivo se tak zahřívá. Štěpné úlomky mají nejpravděpodobější poměr hmotností 2:3, proto také vzniká po štěpení mnoho ⁹⁵Kr a ¹³⁹Ba. Ze štěpení může vzniknout v podstatě jakýkoliv izotop všech prvků, které mají nukleonové číslo menší než ²³⁵U (viz obrázek výtěžku ze štěpení).
• 2 až 3 rychlé neutrony - které mají střední kinetickou energii kolem 2MeV (v rozpětí 0 až 10MeV) a s jejich pomocí dochází k dalšímu štěpení jader paliva
• gama záření - které odnáší část energie a v reaktoru je z velké části absorbováno
• neutrina - která v reaktoru zachytit v podstatě nelze a tato část jaderné energie nelze následně využít

Neutrony při svém vzniku ze štěpení mají relativně vysokou energii, která jim jen s obtížemi dovoluje štěpit palivo (záleží na izotopu použitého paliva). Naopak pomalé neutrony, zpravidla nazývané "tepelnými neurony", jsou 235U schopny štěpit s mnohem větší pravděpodobností. Z tohoto neutronově-fyzikálního hlediska dělíme reaktory na:

• tepelné reaktory – převážná část štěpení se uskutečňuje neutrony, které se zpomalily na úroveň rychlosti molekul okolí (tzv. rychlost při teplotě okolí). Pro dosažení účinného zpomalování neutronů se využívá tzv. moderátor neutronů. Tento typ reaktoru představuje drtivou většinu z komerčně využívaných štěpných jaderných reaktorů.
• rychlé reaktory – převážná část štěpení se uskutečňuje neutrony o vysoké energii (tzv. rychlé neutrony). Tento typ reaktoru moderátor neutronů nevyužívá, velmi často má pouze malý výkon a zpravidla se využívá pro potřeby výzkumu. Existuje však i několik jaderných reaktorů tohoto typu o vysokém výkonu sloužících pro výrobu elektrické energie nebo odsolování mořské vody (například BN-600).

Obecná konstrukce

Pohled na aktivní zónu školního reaktoru VR-1 přes několik desítek centimetrů vody, která slouží jako moderátor, chladivo i stínění

Klasická konstrukce palivového souboru tlakovodních reaktorů západní koncepce. V tomto případě palivová kazeta z reaktoru nákladní lodě NS Savannah

Odnímatelná horní část reaktorové nádoby. Jsou zde dobře patrné vývodní trubky sloužící zpravidla pro napájení řídicích tyčí a pro vyvedení signálu různých měřících přístrojů z reaktoru

Konstrukce obou typů štěpného reaktoru je, až na použití moderátoru, relativně podobná. Veškerý následující popis se zaměřuje na tepelný typ reaktoru. V případě velkých odlišností od rychlého reaktoru bude tento fakt zmíněn.

Aby mohl být jaderný reaktor úspěšně a bezpečně provozován, jeho konstrukce musí zaručovat několik základních funkcí:

• dlouhodobě udržet a řídit štěpnou (řetězovou) reakci
• odvádět teplo z paliva a následně z reaktoru
• zajistit za všech provozních stavů jadernou bezpečnost (izolaci radioaktivních látek od životního prostředí)

Jaderný reaktor se proto sestává z:

• reaktorová nádoba - tvoří vnější hranice reaktoru, nejčastěji je tvaru válce s bočními otvory pro vstup a výstup chladiva a s odstranitelnou horní částí pro výměnu paliva a další operace, je vyráběna z různých ocelí s chemickými příměsemi, velikost je závislá na cílovém výkonu reaktoru, hmotnost se pohybuje až okolo 800 tun;
• aktivní zóna - vnitřní část prostoru reaktorové nádoby, kde probíhá samotná štěpná řetězová reakce, rozměry AZ jsou v podstatě vymezeny uspořádáním paliva;
• palivo - palivové soubory neboli palivové kazety složené z palivových elementů neboli proutků (u některých konstrukcí jsou však palivové elementy kulového tvaru volně ložené v aktivní zóně reaktoru). Palivové proutky jsou úzké trubičky o délce i přes 4 metry, v nichž jsou hermeticky uzavřeny palivové tablety vyrobené zpravidla z UO₂ (užívá se ale i kovové formy uranu, PuO₂, směsi oxidu uranu a plutonia a další);
• řídící orgány - nejčastěji ve formě tyčí (řídící, bezpečnostní,...) vyrobené z materiálu silně pohlcující neutrony (bórová ocel s příměsí ¹⁰B v případě tepelných reaktorů nebo jiné typy ocelí u rychlých reaktorů), při jejich zasunutí do aktivní zóny reaktoru způsobují záchyt části neutronů čímž omezují štěpení a tím i výkon reaktoru;
• moderátor neutronů - používá se pouze u tepelného typu reaktoru ke zpomalení rychlých neutronů vzniklých ze štěpení, nejčastějším materiálem je lehká voda (H₂O), těžká voda (D₂O) a grafit (C);
• chladivo – odvádí v palivu generované teplo z aktivní zóny a následně z reaktoru, v tepelných reaktorech se nejčastěji užívá lehká voda (H₂O), těžká voda (D₂O), oxid uhličitý (CO₂) a helium (He), v rychlých reaktorech pak sodík (Na) a nebo slitiny olovo-bizmut (Pb-Bi);
• další konstrukční materiály - slouží například k usměrňování toku chladiva, jako opora paliva atd.

Dělení podle konstrukce

Skladba hlavních částí reaktoru a výběr jednotlivých materiálů umožňuje sestavit mnoho variant, ale pouze malá část z nich se v jaderné energetice uplatnila. Jedná se o následující typy tepelných reaktorů:

• tlakovodní reaktory (PWR, VVER)
• varné reaktory (BWR)
• těžkovodní reaktory (CANDU)
• grafitové, plynem chlazené reaktory (MAGNOX, APR)
• grafitové, varné, vodou chlazené reaktory (RBMK)

U tepelných reaktorů lze s výhodou využít dobré moderační schopnosti vody, díky čemuž je možné aplikovat vodu jako moderátor i chladivo zároveň. Tyto typy reaktorů (tj. tlakovodní reaktory a varné reaktory) jsou na světě nejpoužívanější. Koncepce reaktorů typu MAGNOX, APR a RBMK je obecně pokládána za překonanou a nové reaktory tohoto typu již nejsou plánovány. Tento fyzikální stav zajišťuje vhodné prostorové uspořádání všech hlavních součástí reaktoru (palivo, moderátor, chladivo, řídící tyče atd.) Mezi perspektivní reaktory naopak patří např. rychlé množivé reaktory (FBR), vysokoteplotní reaktory (HTGR, VHTR) a některé další.

Využití

Jaderné reaktory pracující na principu štěpení těžkých jader se uplatnily zejména v energetice. Jaderné elektrárny v celosvětovém měřítku vyrábí 19% (2012) elektrické energie. Ale využití reaktorů je širší a lze je shrnout následovně:

• jaderné elektrárny - vznikající teplo je využíváno pro výrobu elektrické energie
• jaderné pohony – slouží pro pohon velkých dopravních prostředků (ponorky, letadlové lodě, křižníky, ledoborce, civilní nákladní lodě)
• výzkumné reaktory – využívají se pro jaderný i nejaderný výzkum, v ČR jsou to 3 reaktory: VR1, LR-0 a LVR-15
• odsolování mořské vody – velice energeticky náročná aplikace, doposud (2013) byl v provozu pouze 1 reaktor - BN-350, další projekty jsou plánovány
• výroba radiofarmak - především technecia pro sledování metabolismu
• výroba materiálu polovodičů - vhodným ozářením lze dosáhnout rovnoměrného rozmístění atomů prvků (například fosforu v křemíku)

V budoucnu se také uvažuje o jaderných teplárnách, výrobě vodíku, využití vysokopotenciálního tepla pro technologické procesy apod.

Reaktory v ČR

Na území ČR se vyskytuje devět jaderných reaktorů (2013):

• Jaderná elektrárna Dukovany – 4 reaktory VVER 440, od roku 2012 se celkový instalovaný elektrický výkon zvýšil z původních 1760 MW na 2040 MW.
• Jaderná elektrárna Temelín – 2 reaktory VVER 1000, od 9/2012 se celkový instalovaný elektrický výkon zvýšil z původních 2000 MW na 2110 MW.
• Centrum výzkumu Řež – 2 reaktory: LVR-15 s tepelným výkonem 10 MW a LR-0 s nulovým výkonem (dříve součást ÚJV Řež).
• Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze – školní jaderný reaktor VR-1 (Vrabec) s nulovým výkonem.

Související články

• moderátor neutronů
• jaderná elektrárna
• jaderná energie
• jaderná energetika

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu jaderný reaktor na Wikimedia Commons

• Typy reaktorů
• Čtvrtá generace jaderných na nuclear.energy.gov (anglicky)
• Reaktory z ponorek pro mírovou energetiku, článek na csvts.cz
• www.ian.cz, Instantní pamětník 8 Celovečerní propagandistický film původní sovětské výroby, zabývající se jaderným výzkumem.