1.Struktura pedmtu 2.Bodové hodnocení 3.Organizace cviení prohlídek laboratoí ELETROENERGETIKA

Transkript

1 Úvod. 1.Struktura pedmtu 2.Bodové hodnocení 3.Organizace cviení prohlídek laboratoí #ÁST ELETROENERGETIKA Struktura pednášek ( koresponduje s profesním zamením katedry ) 1. Výroba elektrické energie v elektrárnách 2. Penos a rozvod el. energie v ustáleném stavu 3. Poruchové stavy v el. sítích 4. Užití el. energie

2 ELEKTRÁRNY Pro prmyslové poteby a pro široké využití v doprav a v domácnostech se elektrická energie vyrábí v elektrárnách. V tzv. klasických tepelných elektrárnách se v kotli ohívá voda, pem$uje se v páru a ta uvádí do pohybu turbínu. Turbína pohání alternátor, který vyrábí elektrickou energii, jež je odvádna vedeními vysokého naptí. Schéma funkce spalovací tepelné elektrárny Teplo se v tepelných elektrárnách vytváí v kotli spalováním fosilního paliva (tuhým palivem bývá *erné a hndé uhlí, kapalným palivem je ropa, oleje, mazut, plynným palivem je zemní plyn) nebo štpením atom. Jaderné elektrárny jsou také tepelnými elektrárnami a od elektráren na fosilní paliva se liší tím, že mají místo parního kotle reaktor, v nmž v jaderném palivu probíhá ízená etzová štpná reakce. Jaderným palivem bývá pírodní uran, uran obohacený izotopem U 235 nebo plutonium. Vodní elektrárny pohání voda z ek, píliv a odliv moe nebo energie moských vln. Vodní turbíny lze spustit bhem nkolika minut. Vodní energii, která je okamžit k dispozici, lze proto jednoduše využít pi náhlém zvýšení poptávky po elektrické energii. Vodní elektrárny nejsou tak složité jako elektrárny tepelné. Nepotebují kotelnu a mají jednodušší turbíny. Lze je ovládat i dálkov a k obsluze sta*í mén zamstnanc. Vhodn dopl$ují tepelné elektrárny v elektriza*ní soustav. Nevýhodou je, že nemohou stát všude, pouze tam, kde je dostate*ný spád vody nebo kde je možné v nádrži naakumulovat dostate*né množství vody. Pílivové a píbojové elektrárny, nebo dokonce elektrárny využívající moského vlnní lze stavt jen na píhodných místech. Ve svt pracují i slune*ní a vtrné elektrárny, ale zatím jen v zanedbatelném množství, protože slune*ní a vtrnou energii ješt nedokážeme dostate*n ú*eln využít. Slune*ní a vtrné elektrárny k výrob ur*itého množství energie potebují nesrovnateln více prostoru než klasické elektrárny.

3 Na nkterých vhodných místech se stavjí geotermální elektrárny, které využívají tepla z nitra Zem. 5ádov více energie z hmoty by bylo možné získat v elektrárnách pracujících na principu jaderné fúze. Je to však energetický zdroj, jehož využití bude prakticky možné až v budoucnu. I tady však fúze bude pouze zdrojem tepla, které se na elektinu pemní až po nkolikanásobné energetické pemn, na jejímž konci stojí elektrický stroj - generátor. UHELNÉ ELEKTRÁRNY V uhelných elektrárnách se získává elektrická energie spalováním uhlí. Uhelné elektrárny dlíme na kondenza*ní a na teplárny. Výroba elektrické energie v moderních elektrárnách je složitý technologický proces, na jehož konci je nejen elektrická energie, ale i produkty vzniklé spalováním uhlí, které se podílejí na zne*iš7ování ovzduší. Jejich odstra$ování je dležitým úkolem energetik. Další cestou ke zvýšení ú*innosti uhelných elektráren a sou*asn ke snížení škodlivin je využití nejmodernjších zaízení a technologických postup. V uhelných elektrárnách se spalováním uhlí získává tepelná energie, která se pedává vod. Vyvíjí se pára, ta roztá*í parní turbínu a ta zase alternátor vyrábjící elektinu. Na stejném principu pracují vedle uhelných elektráren i elektrárny spalující mazut nebo zemní plyn. Klasické tepelné elektrárny se v zásad dlí na dva typy, na elektrárny kondenza*ní a na teplárny. Kondenza*ní elektrárny slouží pouze k výrob elektrické energie. To znamená, že veškerá pára pivedená do turbíny po vykonání práce zkondenzuje na vodu v kondenzátoru. Teplárny na rozdíl od kondenza*ních elektráren dodávají krom elektrické energie i energii tepelnou na vytápní, ohev vody apod. To znamená, že ješt horká pára je z turbíny vedena dále k tepelným spotebi*m. Výhodou tepláren je vyšší hospodárnost, nevýhodou naproti tomu je skute*nost, že elektrický výkon závisí na okamžitém množství páry odebírané tepelnými spotebi*i. Práv proto se teplárny nikdy nestaly základními výrobnami elektiny pro energetické systémy. Jejich další nevýhodou je skute*nost, že je lze budovat pouze v místech koncentrovanjší spoteby tepla, což bývá zejména ve vtších mstských *i prmyslových aglomeracích. Základními výrobnami elektrické energie u nás jsou tedy kondenza*ní elektrárny. SCHÉMA KONDENZAANÍ ELEKTRÁRNY pehívák kotel *erpadlo turbína ~ kondenzátor generátor

4 VODA A PÁRA Voda, která obíhá v hlavním uzaveném okruhu kotel - turbína - kondenzátor - kotel, je chemicky upravená, aby v ní nebyly žádné zbytky minerál a aby nepsobila korozi oceli. Proto je sou*ástí každé elektrárny chemická úpravna vody a chemické laboratoe. Voda je do kotle dodávána napájecími *erpadly. V kotli se voda ohívá pi tlaku dosahujícím až 20 MPa a vypauje se. Nejstaršími a nejjednoduššími byly válcové kotle, u nichž kotel tvoil nýtovaný buben o velkém prmru (do 2,5 m) a délce (do 10 m). Výhevnou plochou byla spodní stna bubnu ohrani*ená vyzdívkou vnjšího roštového ohništ a tahy, kterými procházely spaliny do komína. Kotle plamencové mly vtší výhevnou plochu pi zachování stejné velikosti bubnu jako u kotl válcových. Plamenec se nazývá vlnitá trouba umístná do vnitku kotle. Roštové ohništ je uvnit plamence, plamenec je obklopen vodou kotle. Kotle trubkové (nebo žárotrubné) jsou dalším stupnm ve vývoji kotl. Jsou to vlastn válcové kotle, do jejichž vodního prostoru jsou zaválcovány bezešvé trubky, kterými proudí horké spaliny. Pro uvedené kotle je charakteristický velký vodní obsah a naopak malá výhevná plocha. Bylo proto teba vyvinout energetické kotle, u nichž by se výhevná plocha dostate*n zvtšila. Toho se docílilo tím, že výhevná plocha je tvoena z varných trubek vytápných zevn spalinami. V trubkách obíhá kotelní voda a vzniká pára. Kotle mly nejprve pirozený obh vody a šikmé uspoádání trubek, pozdji nahrazené trubkami strmými. Pi velkém zatížení kotle se ale mohlo stát, že v *ásti trubky se utvoila pára a trubka zstala suchá, což nkdy vedlo k vyboulení trubky a za ur*itých okolností k jejímu prasknutí. Tuto nevýhodu odstra$ují kotle s nuceným obhem nebo prtokem vody, tzv. kotle prtla*né. Sytá pára, která vzniká pouhým varem vody, však obsahuje píliš málo energie, a proto se dále ohívá spalinami v tzv. pehívácích na teplotu sahající až k 550 C. Tato tzv. ostrá pára pak proudí potrubím do turbíny. Energii pedává nejdíve ve vysokotlakém díle parní turbíny, poté v nízkotlakém díle. Aby se dosáhlo co nejvyšší ú*innosti, zavádí se pára po prchodu *ástí turbíny zpt do kotle k tzv. mezipihátí, pi kterém se opt zvýší její teplota, a pak se znovu zavede do stedotlaké a nízkotlaké *ásti turbíny. Když pára odevzdala pi prchodu turbínou využitelnou energii, pichází do kondenzátoru. Kondenzátor je veliká nádoba, kterou proudí v trubkách chladicí voda vnjšího chladicího okruhu. Pára, která pichází z turbíny, a jejíž teplota je pibližn 40 C, se dotykem se studenými trubkami chladicího okruhu ochlazuje a kondenzuje - mní se zpátky ve vodu. Z kondenzátoru se voda (odborn kondenzát) pivádí *erpadly znovu do kotle. Kondenza*ní teplo odebrané páe v kondenzátoru se musí chladicí vodou ve vnjším okruhu nkam odvést. Je-li v blízkosti elektrárny velká eka, odvádí se do eky. Pak hovoíme o prto*ném chlazení. Tam, kde tato možnost není, se voda odvádí do chladicích vží a ochladí se protitahem vzduchu. V obou pípadech je teplo zcela bez užitku ztraceno. Chladící vže jsou dvojího druhu: s nuceným proudním vzduchu, tzv. ventilátorové (používané u starších druh elektráren)

5 s pirozeným tahem, tzv. komínové, vtšinou hyperbolického tvaru VÝROBA ELEKT5INY Kdysi se k výrob elektiny používaly stejnosmrné generátory, dynama. Pozdji byly nahrazeny alternátory vyrábjícími pímo stídavý proud. Stídavý proud má proti stejnosmrnému velkou výhodu. V transformátorech lze totiž zvýšit jeho naptí, a tím pedejít ztrátám zpsobeným odporem vodi*e pi rozvádní elektiny na velké vzdálenosti. Hídel alternátoru je pipojena ke hídeli turbíny. Celá jednotka se otá*í rychlostí otá*ek za minutu. Elektina vyrobená z generátoru má naptí kv podle velikosti generátoru. Vede se do blokového transformátoru a transformuje se na velmi vysoké naptí. U vtšiny velkých elektráren je to 400 kv. Od vývodového blokového transformátoru se odvádí venkovním vedením do rozvodné sít. BLOKY Zmínili jsme se o blokovém transformátoru, povzme si tedy, co to je blokové uspoádání elektrárny. S tím, jak se spoteba elektrické energie postupn zvyšovala, stavlo se v elektrárnách víc kotl, turbín a generátor. Pozdji se pešlo na tzv. blokové uspoádání elektráren. Elektrárenský blok znamená v podstat samostatnou výrobní jednotku elektiny sestávající se z jednoho kotle, navazující turbíny a píslušenství, generátoru, odlu*ova* popílku, chladící vže a blokového transformátoru. Celá elektrárna se skládá z nkolika blok, které mají spole*nou pouze správní budovu, uhelné hospodáství, vodní hospodáství, komín a spole*nou elektrickou sí7 za blokovými transformátory, do které dodávají vyrobenou energii. Blokové uspoádání elektrárny pináší adu výhod. V pípad havárie nebo pi špatných rozptylových podmínkách lze blok *i nkolik blok odstavit, aniž by se výrazn ohrozily dodávky elektrické energie do rozvodné sít. V poslední dob dochází ke zcela plánovitému odstavování blok, které se nejvíce podílely svými emisemi na zne*iš7ování životního prostedí. Dnes už dochází prokazateln ke zlepšování stavu životního prostedí. Kotle budoucnosti Pravdpodobn nejvýhodnjší zpsob využití energetického uhlí pedstavuje kombinace tlakového zply$ování uhlí a tzv. paroplynového cyklu. Tento zpsob výrazn zvyšuje ú*innost výroby elektrické energie a odborníci o*ekávají jeho boulivý rozvoj zejména v tch zemích, které jsou odkázány pevážn na uhelné zdroje energie. Rozemleté uhlí (vysoká sirnatost není problém) se v generátoru (zplynova*i) za vysoké teploty a tlaku nejprve zplynuje. Veškeré pevné *ástice, které jinak unikají do vzduchu, se mní ve strusku vhodnou pro stavebnictví. Surový plyn je ochlazen, zbaven síry (tu lze výhodn prodat) a dalších ne*istot. Energetický plyn se vede dále do plynové turbíny, v jejíž komoe se spaluje. Vzniká elektrická energie a navíc plyn opouštjící turbínu je natolik horký, že v kotli oheje vodu na páru. V parní turbín se pak vyrobí další elektina.

6 JADERNÁ ENERGIE Jak se liší jaderná elektrárna od uhelné? Pi pohledu z dálky ne píliš. Stejné chladicí vže s oblaky vodní páry, stejné dráty elektrického vedení bžící do krajiny. Pojd'me ji prozkoumat blíž. Piblížíme-li se ze strany transformátor pro vyvedení výkonu a vstoupíme do strojovny, uvidíme stejné generátory, turbíny a kondenzátory. Teprve v srdci jaderné elektrárny, v reaktorovém sálu, zjistíme rozdíl. Teplo a jeho prostednictvím páru pro pohon turbíny nevyrábí ohništ s nezbytným komínem, ale jaderný reaktor. I když budeme *ím dál usilovnji hledat cesty úspor energie, zdá se, že v dohledné budoucnosti bude poteba energie na Zemi vzrstat. Hovoí o tom všechny prognózy a je nasnad, že rozvojové zem se budou snažit dohnat rozvinuté zem co nejrychleji. Podle odhad svtové energetické rady (WEC) z roku 199 se poptávka po primární energii do roku 2020 zvýší o 50% a spoteba elektrické energie dokonce o 50 až 70%. Ti *tvrtiny poptávky budou pocházet z rozvojových zemí. Elektina slouží *lovku teprve kolem 120 let, za tu dobu se však zasloužila o pokrok civilizace více než kterýkoliv jiný objev. Budoucí energetická politika ve svt se bude muset zamit na vyešení dvou základních problém: rozvoj dostate*n mohutných zdroj elektiny, které by byly reáln schopné postupn nahradit zten*ující se zásoby fosilních paliv a které by pi tom neemitovaly do atmosféry skleníkové plyny, ohrožující globální klima. V úvahu tedy picházejí jaderné a obnovitelné zdroje. Pi tvorb energetických koncepcí je poteba vzít v úvahu tzv. hustotu energie, jakou mohou zdroje dosáhnout. Napíklad pro získání výkonu 1000 MWe je nutné instalovat slune*ní *lánky nebo vtrné elektrárny na ploše 50 až 60 km 2 nebo pstovat energetické rostliny na ploše 3000 až 5000 km 2. Jaderná elektrárna o stejném výkonu vyžaduje jen nkolik km 2, a to v*etn požadavk na celý palivový cyklus. Pi dnešním pouze jednoprocentním využití energie uranu v sou*asných typech jaderných reaktor nahradí 1 kg uranového paliva 30 tisíc kg *erného uhlí, pi využití uranu v rychlých reaktorech dokonce 1,8 milionu tun *erného uhlí. A to jsou jen nkteré z pádných argument pro rozvoj jaderné energetiky. Na *asto citovaný problém jaderných odpad je možné se podívat i z druhé strany: malý objem bezpe*n likvidovatelných a kontrolovatelných odpad je práv jednou z pedností jaderné energetiky ve srovnání s jinými prmyslovými odvtvími, která po sob zanechávají miliony tun odpad, mnohdy trvale jedovatých. PRINCIP JADERNÉ ELEKTRÁRNY Základní princip všech elektráren je vlastn stejný: elektina vzniká v generátoru, jehož rotor se velmi rychle otá*í. Ve vodních elektrárnách otá*í rotorem turbína pohánná energii vodního proudu, u vtrných elektráren je to vítr. Turbíny tepelných elektráren žene pára. Energií nabitou páru získáváme z parního kotle, pod kterým mžeme topit uhlím, naftou *i plynem.

7 Schéma jaderné elektrárny 1. Reaktor, 2. Parogenerátor, 3. Aerpadlo, 4. Turbína, 5. Generátor, 6. Kondenzátor, 7. Pívod a odvod chladící vody Jaderné elektrárny jsou v zásad elektrárny tepelné, teplo potebné pro pemnu vody na páru však v nich nezískáváme spalováním paliva, ale jaderným štpením. Po*ínaje turbínou pohánjící generátor je jaderná elektrárna vlastn stejná jako klasická elektrárna uhelná. Jediný rozdíl - ovšem zásadní - je ve zdroji tepla. STRUKTURA ATOMU, VELIAINY A JEDNOTKY Jádra atom nkterých prvk se rozpadají a uvol$ují pi tom energii ve form záení. Tento fyzikální jev se nazývá radioaktivitou a radioaktivní atomy se nazývají radionuklidy. Ubývání radioaktivity *asem. Všechny radioaktivní látky mají jednu charakteristickou vlastnost: jejich aktivita klesá s *asem. Aas potebný k tomu, aby se pemnila polovina jader pítomných na po*átku, se nazývá polo*as pemny. Po dvou polo*asech klesne aktivita na *tvrtinu, po tech polo*asech klesne na osminu atd. Jaderná pemna je statistický dj a její pravdpodobnost je stejn veliká pro všechny stejn velké *asové intervaly. Polo*asy radioaktivních látek jsou rzné a pohybují se od setin sekundy do milion let. Napíklad polo*as pemny jodu 131 I je osm dní, polo*as pemny uranu 238 U je 4,5 miliardy let. Izotop draslíku 40 K, který je hlavním zdrojem radioaktivity našich tl, má polo*as rozpadu 1,42 miliardy let. Existuje teorie, že všechny atomy na svt jsou radioaktivní, pouze jejich polo*as pemny je tak dlouhý, že jej neumíme zmit. Radioaktivní pemna zstává konstantní bez ohledu na vnjší vlivy, jako je napíklad teplota nebo tlak. Zdroj záení se popisuje pomocí veli*iny zvané aktivita. Je to po*et radioaktivních pemn probíhajících v ur*itém množství radionuklidu za jednotku *asu. Jednotkou aktivity je becquerel (Bq). Dojde-li v látce k jedné pemn za 1 sekundu, má aktivitu 1 Bq. Becquerel je velice malá jednotka. Napíklad lidské tlo obsahuje nkolik tisíc Bq pirozených

8 radioaktivních látek, nap. draslíku 40 K. To znamená, že každou sekundu probíhá v našem tle nkolik tisíc radioaktivních rozpad jen z tohoto zdroje. Základní veli*inou popisující ú*inek záení je dávka. Udává množství energie pohlcené v jednotce hmotnosti prostedí. Její jednotkou je gray (Gy). Nejdležitjší vc, kterou potebujeme mit, je vliv záení na *lovka. Protože rzné druhy záení mají pi shodné dávce odlišné ú*inky, zavedla se pro pesnjší vyjádení ú*inku záení na *lovka veli*ina zvaná dávkový ekvivalent, jehož jednotkou je sievert (Sv). Napíklad jedno rentgenové vyšetení plic mže pedstavovat až 1 msv. Pro práci s ionizujícím záením je dležitý údaj udávající psobení záení v *ase, pro který byla zavedena veli*ina píkon dávkového ekvivalentu. Mí se v jednotkách sievert za hodinu. Pro praxi je to jednotka píliš veliká, proto se *astji setkáváme s milisieverty nebo mikrosieverty za hodinu. EinsteinBv vztah E = m. c 2 Energie a hmotnost jsou navzájem úmrné a jsou spolu neoddliteln vázány pekvapiv jednoduchým vztahem E = m. c 2. Ur*ité hmotnosti odpovídá ur*itá energie a naopak. Napíklad každé tleso, které uvedeme do pohybu, se stává tžší, protože energie, kterou mu dodáváme, pedstavuje pírstek hmotnosti. Aím vtší rychlostí se pohybuje, tím více jeho hmotnost vzrstá. Nemjte však obavy o své tlesné proporce, protože pi rychlostech, jichž mžeme dosáhnout my, je tento pírstek úpln neznatelný. I kdybychom se mohli pohybovat rychlostí km.s -1, zvtšila by se naše hmotnost pouze o 1 %. K tomu, aby tleso zvtšilo svou hmotnost na dvojnásobek, musí se pohybovat rychlostí km. s -1! Stejn tak se zvtšuje hmotnost tlesa i pi zahívání, nebo7 tepelná energie je ur*ována rychlostí kmitavých pohyb *ástic tlesa. Pi vtší rychlosti kmitání se zvtšuje hmotnost jednotlivých *ástic tlesa a tím i hmotnost tlesa jako celku. Pi ochlazování (kdy se tepelná energie uvol$uje) se hmotnost tlesa naopak zmenšuje. Zmny energie jsou tedy spojeny vždy se zmnami hmotnosti. Uve]me dále jednotky hmotnosti a energie používané v jaderné fyzice. Jednotka hmotnosti kilogram a jednotka energie joule jsou totiž pro mikrosvt *ástic píliš velké. Proto z praktických dvod používáme ve svt atom jako jednotku hmotnosti (ozna*ovanou u) 1/12 hmotnosti neutrálního atomu uhlíku 12 / 6 C, což je pibližn 1, kg (tzv. atomová hmotnostní jednotka). Pro naše úvahy posta*í pedpokládat, že hmotnost *ástice jádra - nukleonu je zhruba rovna 1 u. Hmotnost atomu v jednotkách u bude potom pibližn rovna po*tu nukleon. Napíklad 235U má hmotnost 235,04393 u, nám sta*í uvažovat hodnotu 235 u. Energii ve svt atom vyjadujeme v elektronvoltech - ev. Energii 1 ev získá elektron (s elektrickým nábojem 1, C) pi urychlení elektrickým polem o naptí 1 V. Aíseln je

9 1 ev roven 1, J, což je i pro svt atom jednotka pomrn malá, a proto se používají násobky kev = 10 3 ev a MeV = 10 6 ev. V tchto jednotkách odpovídá podle Einsteinova vztahu hmotnosti 1 u energie 931,494 MeV. Struktura látky V dob objevu teorie relativity toho nebylo o struktue látky známo mnoho. Pedstava atomu jako základního elementu látky prodlala od 5. stol. p. n.1., kdy ji poprvé vyslovil ecký filozof Demokritos, dlouhý vývoj. Zásadní poznatky pinesl rok 1910, kdy britský fyzik E. Rutherford sestrojil planetární model atomu. Ten pak pozdji zdokonalil dánský fyzik N. Bohr (1913) a kone*n po objevu neutronu i nmecký fyzik W. K. Heisenberg (1934). Tím samozejm vývoj názor na strukturu látky neskon*il, objevily se nové teorie, nová a dmyslnjší experimentální zaízení, na kterých se potvrzují pekvapující pedpovdi. Tak jak moderní fyzika proniká stále více do hlubin struktury látky, objevuje se atom stále složitjší. Jak vypadá skute*n elementární *ástice látky? Na tuto otázku nemá fyzika dodnes definitivní odpov]. Pipome$me si: atom se skládá z nesmírn malého jádra s kladným elektrickým nábojem, kolem nhož obíhají záporn nabité elektrony. Jádro atomu tvoí dva druhy *ástic: kladné protony a neutrální neutrony. Dohromady jim íkáme nukleony (z latinského nucleus = oech, jádro). Po*et proton v jáde ozna*ujeme Z a po*et nukleon A; po*et neutron je pak A - Z. Konkrétní atom prvku X zapisujeme A Z X. Elektronový obal atomu má pibližn z desettisíckrát vtší prmr než samotné jádro. Hmotnost elektronu je asi 1836krát menší než hmotnost nukleonu. To je tak malá hodnota, že ji mžeme pi pozorování hmotnosti atomu zanedbat na elektrony pipadá mén než 0,05 %. celkové hmotnosti atomu. Prakticky je tedy veškerá hmotnost atomu koncentrována do jádra, které má obrovskou hustotu -1 cm 3 "jaderné látky" by vážil 400 milion tun! Protože je však velikost jádra tak miziv malá oproti rozmru celého atomu, skládá se látka pedevším z prázdného prostoru. Graf závislosti hmotnosti *ástice na rychlosti. Závislost hmotnosti *ástice na rychlosti je vyjádena uvedeným vzorcem. Hmotnost je rovna m 0 (klidová hmotnost) jen pi v=0. Pi malých rychlostech oproti rychlosti svtla c je pírstek hmotnosti nepatrný. Pi rychlostech blízkých c již není možno pírstek hmotnosti zanedbat a musíme s ním po*ítat nap. pi návrhu velkých urychlova* nabitých *ástic. VAZEBNÁ ENERGIE JADER

10 Jaderné síly Jakmile se zjistilo, že jádro atomu se skládá z proton a neutron, vznikla otázka, jaké síly drží tyto *ástice pohromad v atomovém jáde. Stavba atomu - schématický obrázek atomu kyslíku. Tento atom kyslíku má 8 proton, 8 neutron a 8 elektron. Tento izotop má v pírodní smsi zastoupení 99,76 %. Je zejmé, že tyto síly nemohou být elektrické, nebo7 dva kladn nabité protony se podle Coulombova zákona odpuzují. Ani pitažlivá gravita*ní síla toho mnoho nezachrání, protože po výpo*tu zjistíme, že je asi 1036krát slabší než odpudivá elektrická. Zejm jde o nový druh sil, které se nazývají jaderné síly. O vysvtlení jejich podstaty se významn zasloužil japonský fyzik H. Yukawa v roce Pitažlivé jaderné síly jsou asi tisíckrát silnjší než síly elektromagnetické, ale mají velmi nepatrný dosah. Za*ínají psobit teprve tehdy, když jsou nukleony tak tsn u sebe, že se tém dotýkají. Další vlastností tchto sil je, že jsou nábojov nezávislé. To znamená, že mají stejnou velikost mezi dvma protony, dvma neutrony i mezi protonem a neutronem. Hmotnostní schodek a vazebná energie V roce 1919 sestrojil britský chemik F. W. Aston nový typ hmotnostního spektrografu (pístroje, kterým se dá zjiš7ovat pesná hmotnost izotop prvk podle jejich pohybu v elektrických a magnetických polích). Pi meních zjistil, že hmotnost atomových jader je o

11 nco nižší než sou*et hmotností jednotlivých nukleon, které jádra tvoí. Rozdílu mezi obma hmotnostmi íkáme hmotnostní schodek jádra. K vysvtlení tohoto poznatku nám sta*í opt vzorec Alberta Einsteina. Atomové jádro je vázaný systém *ástic. Pedstavme si, že bychom chtli jádro rozdlit na jednotlivé nukleony. Museli bychom pekonat soudržnost nukleon vázaných jadernými silami a dodat jim energii. Jestliže však *ástici dodáme energii, vzroste její hmotnost. Volné nukleony musí být tedy tžší než vázaná soustava nukleon. Naopak pi spojení proton a neutron do jednoho jádra snižuje jejich energii práce pitažlivých jaderných sil, dochází k uvolnní stejn velké energie a k úbytku hmotnosti. Energie volných nukleon je tedy vtší než energie jádra, které z nich složíme, o rozdíl nazývající se vazebná energie. To platí i obecn: každá *ástice ve vesmíru patí k Názorné vysvtlení hmotnostního njakému systému (jádro, atom, molekula, krystal, schodku. Volné nukleony jsou tžší planeta...). Pokud chceme *ástici od systému oddlit, než jádro z nich vytvoené. Rozdíl musíme jí dodat energii vtší, než kterou je v systému hmotností nazýváme hmotnostní vázána. Pináležitost *ástice k njakému systému je schodek. tedy charakterizována vazebnou energií E v, kterou *ástice musí za vstup do systému "zaplatit". Pitom sníží svou hmotnost o hodnotu m = E v. c -2. Podle toho vazebnou energii, jádra chápeme i jako míru jeho stability. Aím je vazebná energie jádra vtší, tím je nesnadnjší rozložit ho na jednotlivé volné nukleony. 5eknme si ješt pár slov o vazebných energiích atomu a molekuly. Podle pedchozího výkladu bude vazebná energie atomu E va energie potebná k oddlení elektronového obalu od jádra atomu a vazebná energie molekuly E vm energie potebná k oddlení jednotlivých atomu molekuly od sebe. O jak velké hodnoty energie jde? Mením a výpo*ty byly získány následující výsledky: Vazebná energie jader je velká, pohybuje se od 2,22 MeV (pro deuteron -jádro tžkého vodíku 2 / 1 H) až po 1800 MeV (pro tžká jádra). Vazebná energie atomu nepevyšuje 0,12 MeV, vazebná energie elektronu v atomu vodíku je 13,6 ev. Vazebná energie atom v molekulách je pouze nkolik ev. Lze tedy uvolnit alespo$ malou *ást obrovské klidové energie látky, která je soustedna v jádrech atom - jaderné energie? Pokusy a pozorování krátce po objevení radioaktivity v roce 1896 ukázaly, že se pi rozpadu nestabilních (radioaktivních) atom uvol$uje energie. Množství energie, které získáme pi radioaktivním rozpadu; je však pro praktické využití bezvýznamné. Napíklad pirozeným rozpadem jednoho kilogramu radia se uvolní pibližn tolik energie, kolik odpovídá spálení

12 60 tun uhlí. Rozpad však probíhá velmi pomalu polovina ur*itého po*áte*ního množství radia se rozpadne teprve za 1620 let. Vra7me se nyní ješt jednou k F. W. Astonovi. Jeho pesná mení na hmotnostním spektrografu ukázala, že vazebná energie je u jader jednotlivých prvk a jejich izotop rzná. Je zejmé, že *ím více nukleon je v jáde, tím vtší bude vazebná energie. Závislost vazebné energie na po*tu nukleon v jáde však není lineární. Odchylku zpsobují efekty související jak se strukturou jader, tak i s elektrostatickým odpuzováním kladn nabitých proton. Zobrazíme si graficky stední vazebnou energii (tj. vazebnou energii pipadající na jeden nukleon) v závislosti na po*tu nukleon. Na tomto grafu lépe vyniknou všechny odchylky od lineárního prbhu hodnoty stední vazebné energie nejprve rychle rostou od 0 (pro A=1) do 8 MeV (pro A=16), pak jsou zhruba stejn velké s maximem o hodnot 8,6 MeV (pro A=60, tj. 58 Fe, 62 Ni) a nakonec pomalu klesají do 7,6 MeV pro nejtžší jádra. Skute*nost, že tžká jádra jsou mén stabilní, je teba vztáhnout k tomu, že pi zvyšování po*tu nukleon sice pitažlivé jaderné síly v jáde narstají, ale psobí pouze mezi sousedními nukleony. Odpudivé síly mezi protony rovnž narstají, psobí však mezi všemi protony. Tím se vazba mezi *ásticemi ponkud uvolní. Nejdležitjším závrem je však pro nás možnost využití jaderné Graf závislosti stední vazebné energie energie: z grafu plyne, že na nukleonovém *ísle A. jadernou energii mžeme uvol$ovat dvma zpsoby štpením (viz konec grafu) a slu*ováním (viz za*átek grafu). Štpení První možností je štpení tžkých jader na stedn tžká. Podle grafu jsou produkty štpení stabilnjší a celková vazebná energie (která se uvolní pi jejich vzniku) je vtší než vazebná energie tžkého jádra. Proto mohou tžká jádra štpením pecházet do stavu s nižší klidovou energií a pitom se uvol$uje pomrn velká energie ve form kinetické energie produkt štpení kladn nabitá jádra jsou svým elektrickým polem odmrštna od sebe a pi zabrzdní tchto *ástic v palivu, moderátoru a v ostatních *ástech reaktoru pejde jejich kinetická energie postupn až na energii kmit atom a molekul, tedy do formy tepelné energie. Z grafu vidíme, že se pitom uvolní asi 1 MeV na nukleon. Pi jednom procesu štpení tžkého jádra

13 se tak uvolní okolo 200 MeV, což je podle Einsteinova vztahu v jednotkách u asi 200/931,494 = 0,21 u. Z kapkového modelu atomových jader plyne, že štpení je energeticky výhodné, jeli parametr štpení Z 2 /A > 17. Tato podmínka je splnna pro všechna jádra tžší než Ag. Prakticky je však štpení možné pouze pro jádra s A > 230 (Th, U, Pu). Nejvtší prmyslový význam má v sou*asné dob štpení jader uranu 235 U v lehkovodních reaktorech. Jaká *ást klidové energie se uvolní? Tento podíl jednoduše spo*ítáme, vyjádíme-li klidovou hmotnost uranu v jednotkách u. S jistou chybou lze hmotnost nukleonu považovat za 1 u. Pak 235 U má hmotnost asi 235 u. Uvolnná klidová energie 0,21 u/235 u = 8, odpovídá asi 0,1 % klidové energie 235 U. Sluování Druhou možností, jak získat energii, je slu*ování velmi lehkých jader na jádra tžší (termojaderná syntéza). Z našeho grafu je zejmé, že slou*ením dvou lehkých jader (nap. 2 / 1 H a 3 / 1 H) s nízkou vazebnou energií vznikne stabilní jádro s vysokou vazebnou energií. Jejich rozdíl se pitom uvolní. Reakci mžeme chápat tak, jakoby útvar složený pvodn ze dvou jader pešel do nižšího energetického stavu. Z prbhu grafu stední vazebné energie je zejmé, že pi slu*ování lehkých jader se mže získat až nkolikanásobn více energie na nukleon než v pípad jaderného štpení. Reakce jaderné syntézy jsou základními procesy uvol$ování energie na Slunci a ve hvzdách. Schéma jaderného slu*ování (fúze). Znázornná reakce probíhá velmi rychle. Tuto reakci budou pravdpodobn využívat první energetické termojaderné reaktory. Pi jaderném slu*ování se uvol$uje až 1% klidové energie interagujících *ástic.

14 PROCESY VE SKUTE#NÉ JADERNÉ ELEKTRÁRNF. PALIVO V palivu jaderného reaktoru, jímž bývá oxid urani*itý, sms oxid uranu a plutonia nebo plutonium, probíhá štpná reakce. Jádro atomu štpitelného prvku (uranu, thoria, plutonia) se mže po nárazu letícího neutronu za píznivých okolností rozštpit. Vzniknou dv nová jádra štpné produkty a dva až ti nové neutrony. Štpné produkty mají velmi vysokou kinetickou energii, narážejí do okolních jader a ohívají tak prostedí. Tím vzniká vysoká teplota, kterou mžeme energeticky využít. Nové neutrony letí dál a mohou štpit další jádra. Rozbhne se et zová reakce, základ jaderné energetiky. V reaktoru mohou probíhat i jiné reakce, napíklad: Radia*ní záchyt - jádro pohltí pilétající neutron a získá tak energii, kterou mže *áste*n vyzáit ve form záení gama. Touto reakcí *asto reaguje jádro izotopu uranu 238, kterého v palivu bývá více než 90 %. Rozptyl neutronu - neutron se po nárazu na jádro odrazí a letí dál jiným smrem. Tak *asto reagují jádra uranu s neutrony o vysoké energii. Záchyt neutronu - jádro jiného prvku než uranu neutron pohltí. Materiál ú*inn pohlcující neutrony se nazývá absorbátor. Dobrými absorbátory jsou napíklad bór nebo kadmium. Ze života jednoho neutronu. V reaktoru probíhá ješt mnohem více jiných reakcí, energeticky využít však mžeme pouze spolehliv ovládané a ízené štpení. Pibližme si zjednodušen osud jednoho neutronu v reaktoru VVER, jaké pracují u nás. Izotop uranu 235 se i v pírod samovoln štpí na dv leh*í jádra a jeden nebo více volných neutron. Neutrony ze samovolného štpení by však v reaktoru nesta*ily spustit etzovou reakci. K nastartování reaktoru se používá vnjší neutronový zdroj. Neutron, který za*neme sledovat, má vysokou energii. Pravdpodobnost, že pi svém letu rozštpí jádro izotopu uranu 235 je malá, spíše se pi srážce s ním jen odrazí, jako by se odrazil mí*ek od zdi. Neutron se od jader odráží, aniž by jim pedal *ást své velké energie, pouze mní smr letu. Aby mohl jádra štpit, musíme ho zpomalit. Nejlépe se neutron zpomalí srážkou s jádrem, které je pibližn stejn velké, tedy nap. s jádrem atomu vodíku, které tvoí jediný proton. Reakci si pak mžeme pedstavit jako srážku dvou kule*níkových koulí. Látce, která zpomaluje neutrony, se íká moderátor.

15 Rychlý neutron se zmnil na pomalý neutron. Ten opt naráží na jádro uranu 235. Tentokrát se už ale neodrazí. S vysokou pravdpodobností jádro rozštpí nastává etzová štpná reakce. Aby se reakce nemohla rozvíjet živeln a nekontrolovan, je v reaktoru absorbátor, který pebyte*né neutrony pohlcuje. Popsali jsme si osud neutronu v tzv. pomalých reaktorech, které jsou na svt nejrozšíenjší. Štpným materiálem v palivu tchto reaktor je izotop uranu 235. Pro tento izotop je totiž charakteristický rst pravdpodobnosti štpení s poklesem rychlosti (energie) neutron. 5ÍZENÁ 5ETfZOVÁ REAKCE Podle prbhu etzové štpné reakce rozlišujeme v reaktoru ti základní stavy: V podkritickém stavu je hustota absorbéru tak vysoká, že neutrony vznikající pi štpné reakci jsou pln pohlcovány a nemohou vyvolávat štpení dalších jader. 5etzec štpné reakce je petržen, reakce zaniká. V praxi se takový stav v jaderném reaktoru vytvoí zavedením regula*ních a havarijních ty*í s absorbérem do aktivní zóny reaktoru. Dlá se to v pípadech, kdy chceme snížit výkon reaktoru nebo ho odstavit z provozu. Pi kritickém stavu je hustota (po*et vložených ty*í) absorbéru a paliva taková, že ze dvou až tí neutron vzniklých pi štpení paliva vždy jen jeden vyvolá další štpnou re akci. V takovém pípad pak etzová reakce stále pokra*uje - nerozrstá se, ani nezaniká. Tomuto stavu odpovídá bžný provoz reaktoru pi stálém výkonu. Nastane-li nadkritický stav, štpná jaderná reakce roste, nebo7 roste i po*et neutron štpících jádra. Takový stav je nutný pro zvýšení výkonu reaktoru 1. Podkritický stav etzové štpné reakce, 2. Kritický stav etzové štpné reakce, 3. Nadkritický stav etzové štpné reakce REAKTOR Aby reaktor úspšn fungoval, musíme do nho dát palivo, moderátor, absorbátor a chladivo, které bude odvádt teplo vzniklé pi štpení jader. Podle druhu a konfigurace (sestavení) tchto komponent se reaktory rozdlují na mnoho rzných typ.

16 1. Pohon svazkové ídící ty*e 2. Víko tlakové nádoby reaktoru 3. Vývody vnitroreaktorového mení 4. Ochranná trubka svazkové ty*e 5. Palivové kazety 6. Pláš7 aktivní zóny 7. Tlaková nádoba reaktoru Palivo bývá tvoeno palivovými proutky. Malé tabletky paliva se poskládají na sebe, *ímž vytvoí proutek o prmru asi 9 mm. Svazek tchto proutk tvoí palivovou kazetu. U reaktoru typu VVER 1000 se napíklad v šestibokých palivových kazetách vkládá do reaktoru pes 47 tisíc proutk, v každé kazet je jich 317. Aást reaktoru, do které se vkládá palivo a kde také probíhá štpná reakce, se nazývá aktivní zóna. Palivové proutky jsou chránné povlakem ze speciální slitiny, nej*astji na bázi zirkonia, která zaru*í pedání tepla z paliva chladivu a zárove$ nepropustí radioaktivní štpné produkty. U nkterých typ reaktor je palivo ve form koulí, které se voln spouští do aktivní zóny. Moderátorem bývá u reaktoru, kde štpení obstarávají pomalé neutrony, nej*astji voda, ale také grafit nebo tžká voda (D 2 O). U reaktor, které pracují na bázi rychlých neutron (tj. štpitelným izotopem je uran 238 nebo plutonium), moderátor chybí. Absorbátor se do aktivní zóny vkládá také ve form ty*í, podobn jako palivo. Palivové kazety nkdy mívají dv *ásti - v dolní je palivo, v horní absorbátor. Výkon reaktoru se pak reguluje výškou vytažení nebo zasunutí kazet do aktivní zóny. Pro pípad okamžitého zastavení výkonu reaktoru jsou pipraveny havarijní ty*e. V nich bývá mnohem vyšší koncentrace absorbátoru než v ty*ích regula*ních. Havarijní ty*e jsou vysunuty nahoru nad aktivní zónu, kde drží pomocí elektromagnet. V pípad poteby havarijní signál vypne elektromagnety a ty*e spadnou volným pádem do aktivní zóny, *ímž štpnou reakci zastaví. U nkterých reaktor se dokonce ty*e do aktivní zóny vstelují, takže jejich zásah je ješt rychlejší. Chladivem je médium, které odvádí teplo. Pi štpení jader odletují nová jádra (štpné úlomky), narážejí do okolních jader a svou kinetickou energii tak zpsobují zahívání okolí. Teplonosné médium odvádí toto teplo tam, kde ho mžeme využít. Štpící se materiál je poteba neustále ochlazovat, aby nedošlo k roztavení povlaku na palivovém proutku a úniku štpných produkt. Jako chladivo se nejlépe osvd*uje oby*ejná voda, tžká voda, oxid uhli*itý, helium, sodík a nkteré soli nebo slitiny. Reaktory mívají jeden nebo více chladicích okruh. Nejjednodušší schéma jaderné elektrárny je jednookruhové. Pímo v reaktoru se varem vody vytvoí pára, která se vede k turbín. Zde koná užite*nou práci a po ochlazení v kondenzátorech se vrací zpt do reaktoru. Celý cyklus se stále opakuje. Je to velmi jednoduchý postup, ale má jednu nevýhodu voda z reaktoru mže být radioaktivní, mže s sebou nést stopová množství aktivovaných korozních pro dukt. S touto vodou se dostává do styku velká *ást strojního vybavení elektrárny, hlavn turbína, kondenzátory a *erpadla. Proto se ten to zpsob u nových generací elektráren již neužívá.

17 Ve vtšin zemí, v*etn Aeské republiky, se provozují dvouokruhové elektrárny. Voda z reaktoru koluje v tzv. primárním okruhu. Trubky primárního okruhu procházejí výmníkem, tzv. parogenerátorem, kde ohívají vodu sekundárního okruhu. Teprve v nm vzniká pára, která se vede k turbín a do kondenzátor. Sekundární chladicí okruh vbec nepijde do styku s reaktorem. Nkteré elektrárny se speciálními typy reaktor užívají dokonce tíokruhové schéma provozu. Jsou to napíklad rychlé množivé reaktory, využívající jako chladivo v primárním okruhu tekutý kov. BEZPEANOST JADERNÝCH ELEKTRÁREN Pi provozu jaderných elektráren je bezpe*nost základním a prvoadým požadavkem. Vznikající radioaktivní materiál a radioaktivní záení se nikdy nesmí dostat do vnjšího prostedí a ohrozit personál elektrárny nebo dokonce obyvatelstvo v blízkém i dalekém okolí. Jaderná elektrárna musí odolat zem tesení i jiným živelním pohromám, pádu letadla, teroristickým útokm, technickým závadám i selhání obsluhy. Ze základních opatení pro zajištní radia*ní bezpe*nosti jaderných elektráren jsou nejvýznamnjší bariéry jaderných elektráren a autoregulace reaktoru. Bariéry jaderných elektráren První bariéra spo*ívá už v samé struktue jaderného paliva. Krystalická struktura nej*astji používaného oxidu urani*itého UO 2 má sama schopnost udržet pi normálním provozu reaktoru 99 % vznikajících radioaktivních štpných produkt. Druhou bariérou je hermetický obal palivové ty*e. Jeho úkolem je zachytit zbylé asi 1 % plynných produkt štpení. Dokonce ani pi porušení hermeti*nosti palivové ty*e není ohrožena radia*ní bezpe*nost v primárním okruhu elektrárny. Tetí bariérou je vlastní reaktorová nádoba, která je dostate*n pevná, a hermeticky Bariéry reaktoru PWR. uzavený primární okruh. tvrtou bariéru tvoí tzv. ochranná obálka neboli kontejnment. Pestože selhání všech už zmínných tí bariér je velmi nepravdpodobné, je pro další zvýšení bezpe*nosti prostor primárního okruhu moderních jaderných elektráren uzaven pod ochranný železobetonový obal - kontejnment. Tato ochrana je budována i na naší elektrárn v Temelín. Autoregulace reaktoru Dalším významným prvkem zaru*ujícím bezpe*nost jaderné elektrárny je princip autoregulace reaktoru. Autoregulace je schopnost reaktoru omezit náhlé zmny výkonu automaticky i bez využití regula*ních orgán. Pokud dojde k neo*ekávanému zvýšení výkonu reaktoru, autoregulace vrátí výkon k pvodním provozním hodnotám. Vývoj reaktor smuje práv k tmto typm s tzv. inherentní (vnitní) bezpe*ností.

18 VYHO5ELÉ PALIVO V palivu jaderných elektráren štpnou reakcí vzniká ada prvk, dá se íci, že skoro celá Mendlejevova tabulka. Vyhoelé palivo bývá považováno za odpad, ale již dnes je jasné, že tento odpad se brzy mže stát cenným zdrojem surovin nebo palivem pro jiný typ elektrárny. Aást vyhoelého paliva se pepracovává zpt na klasické jaderné palivo. Vysokoaktivní odpady, které zbudou po pepracování vyhoelého jaderného paliva, nebo samotné vyhoelé palivo, které se (zatím) nebude nijak zpracovávat, se uloží hluboko pod zem. Je to nejbezpe*njší zpsob, jak s ním naložit. Ve svt se hlubinná úložišt již budují a existují projekty na nové zajímavé metody. Ped únikem radioaktivních látek do biosféry chrání nkolikanásobné dmyslné bariéry. Sama píroda nám však podává dkaz, že zcela posta*uje ta nejpirozenjší z nich - hornina. Co obsahuje vyhoelé palivo? Vyhoelé palivo z jaderných reaktor tvoí mén než 1 % objemu všech jaderných odpad na svt, avšak obsahuje pes 90 % veškeré radioaktivity. Jeden reaktor s výkonem kolem 1000 MW produkuje ro*n kolem 30 tun vyhoelého paliva. Protože palivo má vysokou hustotu, pedstavuje to objem jen asi 1,5 m 3. Palivo vy$até z reaktoru obsahuje stále ješt 95 % nespotebovaného uranu, z toho 1 % štpitelného 235 U a 1 % štpitelného izotopu plutonia 239 Pu. Ostatní štpné produkty, které dnes považujeme za odpad, tedy pedstavují jen asi kg. Hlavní podíl radioaktivity nesou mezi tmito štpnými produkty cesium 137 Cs a stroncium 90 Sr, oba s polo*asem rozpadu kolem 30 let. V dsledku radioaktivního rozpadu vyhoelé palivo postupn ztrácí radioaktivitu a *etné radioizotopy pecházejí na neaktivní prvky, jejichž oddlení z odpadu by v budoucnu mohlo být zajímavé. Je to nap. platina, ruthenium, rhodium, paladium, stíbro, prvky vzácných zemin atd.

19 Jak se zmní jaderné palivo po "vyhoení" v reaktoru. Palivové *lánky pro tlakovodní reaktory jsou pokryty obalem z vysoce odolné slitiny zirkonia, která je mnohem odolnjší než napíklad nerezavjící ocel. Palivové *lánky v reaktoru musely vydržet teploty kolem 300 C a tlak pes 12 MPa, snadno tedy odolají mnohem mírnjším podmínkám pi skladování a další manipulaci. Vyhoelé *lánky se z reaktoru vyjmou a pod hladinou vody kanálem pevezou do bazénu vyhoelého paliva, který je v reaktorové hale vedle reaktoru. Tam jsou pod vodou uloženy asi 3 až 4 roky. Voda je neustále chladí, protože radioaktivním rozpadem se v nich stále vyvíjí teplo. Jejich radioaktivita klesne mezitím asi na 50 % pvodní hodnoty. Vyhoelé *lánky se pak vloží do speciálních kontejner a odvezou do meziskladu vyhoelého paliva. Zde se skladují ádov nkolik desítek let. Co s vyhoelým palivem? Zatím jedinou možností, jak odstranit dlouhodobé radionuklidy, je po*kat, až se rozpadnou na neradioaktivní nuklidy. Toto *ekání bude trvat statisíce let a po celou tuto dobu musíme zajistit, aby se nemohly dostat do biosféry. Metody, kterými toho lze dosáhnout, byly náro*ným výzkumem objeveny,jsou známé a proveditelné. Požadavku na oddlení radioaktivních odpad od biosféry nejlépe vyhovuje jejich znehybnní v rzných druzích skla, keramických materiál nebo bitumenu a jejich trvalé uložení ve speciálním hlubinném úložišti s adou ochranných bariér. Druhou možností, jak s odpady naložit, je jejich pepracování.

20 VODNÍ ELEKTRÁRNY Zatímco energie vodního kola byla využívána pro velmi pestrou paletu nejrznjších lidských *inností, moderní vodní turbíny nacházejí své uplatnní takka výhradn pi výrob elektrického proudu. Vodní síla nám dokáže vyrobit elektrický proud vlastn zadarmo ovšem jen tehdy, když náklady na výstavbu elektrárny a pedevším vodního díla zaru*ujícího pro elektrárnu dostate*ný a soustavný pívod vody nejsou píliš vysoké. Proto se "vodní" elektrické energie využívá pedevším v oblastech prudkých tok s velkými spády, které jsou pro tento ú*el nevýhodnjší. A tak jsou na tom dobe teba v hornatém Švýcarsku nebo v Norsku. Ideální by vlastn bylo stavt vodní elektrárny na vodopádech. Proto také jedna z prvních byla vybudována na Niagarských vodopádech. Technicky je provedena tak, že nad vodopády je voda (samozejm jen její malá *ást) odvádna potrubím do elektrárny pod vodopády. K pohonu turbín je tu tedy pevážn využíván zna*ný spád daný rozdílem výšek. Z celkové energie vodopád je využíván jen zlomek, nedá se však pedpokládat, že by to bylo v budoucnu lepší. Ani Ameri*ané, ani Kana]ané by si asi nenechali svj nejslavnjší vodopád spoutat do potrubí. U nás nejsou pírodní pomry pro budování vodních energetických dl píliš píznivé. Naše toky nemají potebný spád a dostate*né množství vody. To lze nkdy docela dmysln obejít. Napíklad v jedné bývalé šacht zlatých dol v Kremnici na Slovensku byly instalovány turbíny a voda na n byla vedena z povrchové nádrže potrubím o spádu skoro 250 metr. Protože voda se z šachty na povrch musela opt vy*erpat elektrickými *erpadly, vznikal zdánliv nesmyslný koloto*. Jeho ú*elnost však spo*ívala v tom, že turbíny pracovaly v dob velké spoteby elektrického proudu, ve "špi*ce", a naopak voda se vy*erpávala v noci, kdy bylo energie dostatek. Práv jsme si vysvtlili princip tzv. pe*erpávacích (špi*kových) elektráren. Podobných bylo na našem území postaveno nkolik, ne v dolech, ale na povrchu, kde se voda spouští a zase pe*erpává do dvou v rzných výškách postavených nádrží. Takováto elektrárna pracovala nap. pod Aerným jezerem na Šumav, u Pastvin na Divoké Orlici atd. K nejznámjším asi dodnes patí elektrárna na pehrad ve Štchovicích na Vltav. Moderními pe*erpávacími elektrárnami jsou nap. Dalešice a elektrárna Dlouhé Strán. V Aeské republice se v minulých desetiletích stavly spíše vodní elektrárny na mohutných údolních pehradách, nap. na Vltav. Psobily impozantn, jejich energetický význam je však problematický. Obrovské náklady na výstavbu, tisíce hektar zatopené zemdlské pdy a mnohdy i nepíznivý vliv na klima nemže vyvážit energetické zisky z takovýchto staveb. To platí samozejm nejen u nás, ale všude ve svt. Získávat vodní energii tímto zpsobem má smysl jen tehdy, když podobná vodohospodáská díla mají zárove$ i jiné ú*ely - umož$ují splavnost ek, chrání ped povodnmi, slouží k zavlažování nebo jako rezervoáry pitné *i užitkové vody. VODNÍ TURBÍNY Vodní kolo bylo výsledkem geniálního nápadu a dokonalého emeslného zpracování na základ dlouholetých zkušeností. Dosáhlo svého vrcholu a nastal *as, kdy se nedalo zlepšit.

21 Nový kvalitativní skok ve využití vodní síly pinesly až turbíny, výsledek vdeckého bádání a pesných výpo*t v oboru zvaném hydromechanika. Její zákony první popsal a matematicky stanovil francouzský fyzik Daniel Bernoulli. Z jeho teoretických prací pak vyšel profesor göttingenské univerzity Jan A. Segner a sestavil pravzor turbíny - Segnerovo kolo. Segnerovo kolo má velmi jednoduchý princip - dutým hídelem se žene voda pod vysokým tlakem do trysek, z kterých tryská ven a podle zákona akce a reakce roztá*í systém. Nepímým pokra*ovatelem Segnerových snah se stal francouzský inženýr B. Fourneyron. Vystudoval hornickou školu, kde poslouchal pednášky profesora Burdina o hydrodynamice a vodních kolech, tehdy v hornictví velmi rozšíených. Fourneyron vyšel ze zajímavé myšlenky, že základem pro dokonalejší vodní motor nebude výkonnjší svislé vodní kolo, ale Rzné typy Segnerova kola. naopak kolo vodorovné. V tom se shodoval se svým u*itelem Burdinem, který dokonce pedložil francouzské Akademii spis o vodních kolech spolu s návrhem dokonalejšího ešení, jež nazval turbínou podle latinského turbo = kroužiti. Burdinovo ešení bylo zajímavé, ale konstruk*n jen nazna*ené. A práv v této chvíli vstoupil do hry Fourneyron. Postavil malou pokusnou turbínku o výkonu pouhých 6 ks (podle tehdejších mení), ale co bylo dležitjší - mla ú*innost plných 80 %, což je *íslo, o kterém se žádnému vodnímu kolu nemže ani snít. Typy vodních turbin Obžné kolo Kaplanovy turbíny (vlevo zavené, vpravo otevené). Fourneyron dal svtu nový, vysoce ú*inný, ekologicky neškodný a prakticky zadarmo fungující motor. Vývoj se však samozejm nezastavil. Fourneyronova turbína byla radiální - to znamená, že voda protékala obžným kolem turbíny ve smru jeho polomru. Brzy se objevily i turbíny axiální, ve kterých voda protéká ve smru osy. Další rozhodující slovo ve vývoji turbín vyslovil anglický konstruktér, žijící v USA, J.B. Francis. Pi konstrukci použil na svou dobu velice moderní metodu modelování. Ironií osudu mu to pineslo velké obtíže. Jeho turbíny mly sice vynikající parametry, nedaly se však matematicky vyjádit. A to bylo pro konzervativní evropské vdce záminkou k jejich odmítnutí. Praktické výsledky však brzy prokázaly, že lepší turbíny neexistují, a tak se za*aly rychle šíit i v dosud skeptické Evrop.

22 Také další konstruktér turbín pocházel z Ameriky. Jmenoval se Pelton a postavil turbínu bez rozvádcího kola. Vodu na lopatky (ve tvaru zvláštních misek) pivádjí trysky. Také tuto ponkud netradi*ní turbínu (nazývá se Peltonovo kolo) evropští hydrotechnici zprvu zavrhli. Brzy se však prokázalo, že na malých tocích, které ale mají velký spád, je nenahraditelná. Porovnávat kvalitu turbín je totiž ošidné. Nedá se jednozna*n íci, která je lepší a která horší. Všechno totiž záleží na typu vodního toku, který má turbínu pohánt. Práv konkrétním podmínkám je teba konstrukci turbíny pizpsobit. Zkušenosti a praxe tak nakonec prokázaly, že pro prudké horské eky je nejvýhodnjší Peltonova turbína, pro dolní toky s malými spády jsou lepší turbíny Francisovy. Ty mly však jednu nevýhodu. Jejich otá*ky byly píliš nízké, takže generátor na výrobu elektrického proudu k nim musel být pipojován pes složité pevody, což zna*n snižovalo celkovou ú*innost. Tento problém vyešil až profesor nmecké univerzity v Brn Viktor Kaplan. Po dlouhých pokusech postavil vhodnou rychlobžnou turbínu pro malé spády. Ani on však nebyl ušeten obrovských potíží a útok z odborných kruh. Kritiky se nakonec vystup$ovaly do takové intenzity, až se pepracovaný Kaplan zhroutil. Ale to již mla jeho turbína adu stoupenc, mimo jiné i mezi jeho *eskými spolupracovníky. Netrvalo dlouho a vydala se na vítzné tažení svtem. Dnes jich po celém svt pracují stovky *i tisíce. Výrazným znakem Kaplanových turbín je možnost nastavování lopatek rozvádcího i obžného kola podle prto*ného množství. Aby nedocházelo k víení vody, které ohrožuje hladký chod turbíny, má obžné kolo Kaplanovy turbíny jen *tyi lopatky. Pro* jsou vlastn turbíny o tolik výhodnjší než vodní kola? Odpov] je jednoduchá - mají mnohem vtší ú*innost, to znamená, že dokáží využít ze stejného vodního toku mnohem více energie. Zatímco vodní kola získají z energie skryté ve vodním proudu asi 30 % k užite*né práci, ú*innost turbín je až 90 %. Patí k nejú*innjším motorm vbec. Je to proto, že zatímco vodní kola zužitkují pouze ráz (tlak vody, její.polohovou energii) na lopatky, v pípad kola na svrchní vodu i její hmotnost, turbíny zužitkují pohybovou energii vody, Navíc voda v turbín psobí sou*asn na všechny lopatky, u vodního kola jen na pomrn malou *ást jeho obvodu. V principu mají turbíny rovnž obžné kolo s lopatkami. Voda jím však protéká pln, na jedné stran Bánkiho turbína. obžného kola do lopatek vstupuje, na druhé vychází. Vtšina turbín má navíc ješt rozvádcí kolo, které je pevné, neotá*í se a slouží k pivádní vody na lopatky obžného kola. Zaru*uje vlastn, aby voda na lopatky picházela v tom nejoptimálnjším smru. Velmi dležité je zakivení lopatek obou kol, ur*ované podle náro*ných hydrodynamických výpo*t nebo pomocí modelování. Rozvádcí kolo bývá v nkterých pípadech nahrazeno nkolika tryskami. Otá*ející se hídel obžného kola pak mže pímo pohánt pracovní mechanismus. Nej*astji to bývá generátor pro výrobu elektrického proudu. Podle zpsobu práce se moderní turbíny dlí na rovnotlaké a petlakové. V rovnotlakých turbínách zstává tlak vody stále stejný - to znamená, že voda vychází z turbíny pod stejným tlakem, pod jakým do ní vstupuje. Píkladem je Peltonovo kolo, nejvýhodnjší pro toky s

23 malým prtokem vody, ale s velkým spádem. Takové podmínky nalézáme nej*astji v horských oblastech. Francisova turbína. U petlakových turbín vstupuje voda do obžného kola s ur*itým petlakem, který pi prtoku turbínou klesá. Pi výstupu z turbíny má tedy voda nižší tlak než pi vstupu do ní. Práv takhle pracují Francisovy turbíny, vhodné pro stední spády. Pro malé výkony na malých spádech jsou vhodné horizontální turbíny, pro malé spády a velké výkony se stavjí vertikální turbíny. Vývoj Francisových turbín ješt není ukon*en. Dosahují výkon až 250 MW, jsou však schopny i 1000 MW a více. Pro nejmenší spády a velký prtok vody - to znamená pro elektrárny na pehradních jezerech dolních tok velkých ek - se jako nejvýhodnjší ukazují Kaplanovy turbíny. Tam, kde by bylo nehospodárné pivádt elektrický proud z velkých vzdáleností, nebo dokonce stavt velké vodní elektrárny, dobe slouží miniaturní vodní turbíny. Sta*í jim pomrn malé množství vody, nevelký spád a jednoduché stavební vybavení. Jejich výkony se pohybují od 5 kw výše. NETRADI#NÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE SLUNCE A ELEKTJINA Zdrojem užívané elektrické energie jsou vtšinou fosilní paliva (pedevším uhlí) tedy dávná slune*ní energie zachycená fotosyntézou. Ale i ve vodních a vtrných elektrárnách je zdrojem slune*ní energie, nepímo skrytá v síle vodních tok a vtr. Elektinu lze získat ze slune*ní energie rznými zpsoby, pímo i nepímo. 1. Pímá pemna využívá fotovoltaického jevu. Je to jev, pi kterém se v látce psobením svtla (foton) uvol$ují elektrony. Tento dležitý jev mže nastat v nkterých polovodi*ích (nap. kemíku, germaniu, sirníku kadmia aj.) Fotovoltaický *lánek je tvoen nej*astji tenkou desti*kou naezanou z monokrystalu kemíku. Lze použít i polykrystalický materiál, nebo7 získání monokrystalu je pracné a nákladné. Desti*ka je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (nap. bóru) a z druhé strany atomy ptimocného prvku (nap. arzenu). Když na desti*ku dopadnou fotony, uvol$ují se záporné elektrony a po nich zbývají kladn nabité "díry". Piložíme-li na ob strany desti*ky elektrody a spojíme je drátem, za*ne protékat elektrický proud. Jeden cm 2 dává proud kolem 12 mw (miliwatt). Jeden m 2 slune*ních *lánk mže dát v letní poledne až 150 W stejnosmrného proudu. Slune*ní *lánky se zapojují bud' za sebou (sériov), abychom dosáhli potebného naptí (na jednom *lánku je 0,5 V), nebo vedle sebe (paraleln), abychom získali vtší proud. Spojení mnoha *lánk vedle sebe a za sebou se nazývá slune*ní panel. Na družicích nebo kosmických lodích dodávají potebnou energii pro všechny pístroje na palub práv takové panely.