Tvorba výukových materiálů jaderná energie a energetika

Transkript

1 Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích Pedagogická fakulta Katedra aplikované fyziky a techniky Závěrečná práce Tvorba výukových materiálů jaderná energie a energetika Vypracoval: Mgr. Lukáš Filip Vedoucí práce: doc. RNDr. Josef Blažek, CSc. České Budějovice 2017

2 Prohlášení Prohlašuji, že svoji závěrečnou práci na téma Tvorba výukových materiálů jaderná energie a energetika jsem vypracoval samostatně pouze s použitím pramenů a literatury uvedených v seznamu citované literatury. Prohlašuji, že v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb. v platném znění souhlasím se zveřejněním své závěrečné práce, a to v nezkrácené podobě, elektronickou cestou ve veřejně přístupné části databáze STAG provozované Jihočeskou univerzitou v Českých Budějovicích na jejích internetových stránkách, a to se zachováním mého autorského práva k odevzdanému textu této kvalifikační práce. Souhlasím dále s tím, aby toutéž elektronickou cestou byly v souladu s uvedeným ustanovením zákona č. 111/1998 Sb. zveřejněny posudky školitele a oponentů práce i záznam o průběhu a výsledku obhajoby kvalifikační práce. Rovněž souhlasím s porovnáním textu mé kvalifikační práce s databází kvalifikačních prací Theses.cz provozovanou Národním registrem vysokoškolských kvalifikačních prací a systémem na odhalování plagiátů. V Českých Budějovicích...(datum). (podpis)

3 Děkuji vedoucímu mé závěrečné práce doc. RNDr. Josefu Blažkovi, CSc., za volbu tématu. Také mu děkuji za trpělivost a odborné vedení.

4 Anotace Název: Tvorba výukových materiálů jaderná energie a energetika. Vypracoval: Mgr. Lukáš Filip Vedoucí práce: doc. RNDr. Josef Blažek, CSc. Klíčová slova: jaderná energie, jaderná elektrárna, atom, jádro Cílem závěrečné práce je připravit výukové materiály k předmětu Fyzika IV Atomová a jaderná fyzika, vyučovaném na Pedagogické fakultě JU v Českých Budějovicích. Abstract Title: Creation of teaching materials - nuclear energy and energetics. Author: Mgr. Lukáš Filip Supervisor: doc. RNDr. Josef Blažek, CSc. Key words: nuclear energy, nuclear power plant, atom, nucleus The aim of the final work is to prepare teaching materials for the subject Physics IV - Atomic and Nuclear Physics, taught at the Pedagogical Faculty of the University of South Bohemia in České Budějovice.

5 OBSAH 1 ÚVOD VAZEBNÁ ENERGIE VYUŽITÍ ENERGIE Z JADER Slučování lehkých jader Štěpení těžkých jader ŠTĚPENÍ URANU JADERNÉ ELEKTRÁRNY Části jaderné elektrárny Druhy reaktorů Tlakovodní reaktor Varný reaktor Těžkovodní reaktor Plynem chlazený reaktor Rychlý množivý reaktor Reaktor RBMK Vysokoteplotní reaktor Katastrofy jaderných elektráren JADERNÁ ENERGETIKA V ČR Dukovany Stavba Reaktor a chlazení Temelín Stavba Reaktor a chlazení Ochrana ZÁVĚR Seznam obrázků... 34

6 1 ÚVOD Tato závěrečná práce se zabývá energií, která vzniká z jader atomů. V dnešní době jde o poměrně rozšířený druh energie, ovšem vždy tomu tak nebylo. Sice první zmínka o atomech pochází z 5. století před naším letopočtem, kdy Leukippos z Milétu a Démokritos z Abdér prohlásili, že hmota není dělitelná do nekonečna a na nejnižší úrovni existují nedělitelné částice atomy. Ovšem opravdový výzkum na úrovni atomu začal až v 19. století. Objevení elektronu se datuje rokem 1897, objevitelem byl anglický fyzik Joseph John Thomson, který ho objevil pomocí pokusů s katodovou trubicí. Od tohoto okamžiku bylo zřejmé, že atomy v rozporu s antickými představami mají i vnitřní strukturu. K objevení atomového jádra došlo roku 1911, objevitelem byl původem novozélandský fyzik Ernest Rutherford, který k jeho existenci dospěl na základě experimentů, při nichž byla zlatá fólie ostřelována částicemi alfa. Proton byl objeven v roce 1918, objevitelem byl opět Ernest Rutherford, který ho objevil pomocí pokusu, kdy ostřeloval plynný dusík částicemi alfa. Tento slavný fyzik prohlásil: Kdo myslí, že přeměny atomových jader budou zdrojem energie, ten se oddává čiré fantazii. Objevení neutronu se datuje na rok 1932, objevitelem byl britský fyzik James Chadwick, který ho objevil pomocí pokusu, kdy ostřeloval jádra beryllia částicemi alfa. Jak je z těchto letopočtů vidět, zkoumání atomu není stará záležitost, naopak jde o novou vědu. Proto také technologie získávání energie z jader je teprve na počátku výzkumu. Z tohoto důvodu se také o jaderné energetice říká, že je to energie budoucnosti, ovšem v dnešní době řada států z obav o bezpečnost od jaderné energetiky odstupuje. Albert Einstein prohlásil: Podmanění jaderné energie bude možné za 1000 let. 1

7 2 VAZEBNÁ ENERGIE Na začátek si připomeneme části atomového jádra a některá značení. Poloměr jádra je desettisíckrát menší než poloměr celého atomu, přesto prakticky určuje celkovou hmotnost atomu. V atomovém jádře se nachází protony a neutrony. Proton má kladný elektrický náboj a neutron je částice, která nemá elektrický náboj. Počet protonů v jádře udává protonové (atomové) číslo, které se značí písmenem Z. Počet neutronů v jádře udává neutronové číslo, které se značí písmenem N. Pokud budeme hovořit o protonech a neutronech dohromady, budeme je uvádět pod společným názvem nukleony. písmenem A, Nukleonové číslo udává celkový počet protonů a neutronů v jádře a značí se A Z N. Nyní se dostáváme k vazebné energii. Hmotnost atomového jádra (m j ) je menší než součet hmotností jednotlivých nukleonů. S úbytkem hmotnosti m je spojena 2 vazebná energie jádra E v mc. Její velikost odpovídá práci, kterou je potřeba vykonat, aby jádro bylo rozloženo na jednotlivé nukleony. To platí i opačně: vazebná energie odpovídá energii, která se musí uvolnit při složení jádra z jednotlivých nukleonů [2]. Jelikož mají jádra jednotlivých prvků různý počet nukleonů, používáme pro srovnání vazební vazebné energie vhodnější charakteristiku vazební energii na jeden nukleon ε v. Je to podíl vazební energie a nukleonového čísla: E v v A Graf závislost vazební energie na jeden nukleon na nukleonovém čísle je znázorněn na Obrázek 1. Prvky, které mají největší vazební energii, jsou nejstabilnější. Jejich nukleony jsou vázány velkými silami, rozklad jejich jader by vyžadoval velkou energii. Prvky v levé a pravé části grafu, kde křivka poklesá, vyžadují již méně energie pro rozklad na jednotlivé nukleony [1,2,3]. 2

8 Obrázek 1 - Závislost vazební energie na jeden nukleon na nukleonovém čísle A 3

9 3 VYUŽITÍ ENERGIE Z JADER Každý už někdy slyšel pojem energie z jader nebo jaderná energie, ale ne každý si dokáže přesně představit, jaké jsou možnosti jak tuto energii získat nebo jak se v budoucnu může způsob získávání této energie změnit. 3.1 Slučování lehkých jader Jinými slovy také nazývané jaderná syntéza nebo jaderná fúze je děj, který spočívá ve sloučení dvou lehčích jader a vzniku jednoho těžšího jádra, které má větší vazebnou energii na jeden nukleon. Při tomto slučování se uvolňuje obrovské množství energie. Obrázek 2 - Jaderná fúze Příklad jaderné fúze je dán na Obrázek 2. Nejprve se spojí dvě jádra vodíku, každé s jedním protonem a jedním neutronem. Vznikne jádro vodíku s jedním protonem a dvěma neutrony. Jeden proton se uvolní spolu s energií 4,03 MeV H 1H 1H p 4,03MeV Pokud vzniklé jádro znovu sloučíme s dalším jádrem vodíku, vznikne jádro hélia se dvěma protony a dvěma neutrony. Jeden neutron se uvolní spolu s energií 17,6 MeV H 1H 2He n 17,6 MeV 4

10 Takže ze tří jader vodíku 2 1 H vzniklo v tomto případě jedno jádro hélia, jeden proton, jeden neutron, a uvolnilo se 21,63 MeV [3]. V současnosti se zkoumá možnost sestrojení řízené termonukleární fúze jako zdroj energie, ale k tomu aby se jaderná fúze mohla uskutečnit, musejí se jádra zahřát na teplotu, která je vyšší než 10 6 K. To se povedlo zatím jen na krátký okamžik, především pak při výbuchu vodíkové (termojaderné) bomby. Termonukleární fúze se odehrává uvnitř hvězd, kde se slučují atomy vodíku na atomy hélia. Když hvězdy ve svém jádru vypotřebují zásoby vodíku, gravitační síla jej smrští, zvýší se tlak a hlavně teplota, která je potřebná k další přeměně jader hélia na těžší prvky. Takto vše probíhá v závislosti na hmotnosti až do vytvoření jader železa. Další fúze pak není možná, neboť slučováním jader železa by energie nevznikala, ale naopak se spotřebovávala [11]. Obrázek 3 Prvky ve hvězdách po průběhu fúze Štěpení těžkých jader S pojmem štěpení jádra jsme se už setkali určitě všichni, ale pochopit, jak to opravdu funguje, je poměrně složité. Nejprve zmíním pár osobností, které se zasloužily o objevy na úrovni atomového jádra a položily tak základy pro pozdější využívání energie ze štěpení jader. Ernest Rutherford v roce 1911 dokázal existenci atomového 5

11 jádra, pomocí ostřelování zlaté fólie zářením alfa. James Chadwick v roce 1932 objevil neutron. Enrico Fermi v roce 1934 začal pomocí neutronů ostřelovat různé prvky a zjistil, že vznikají jiné radioaktivní prvky. Když mezi neutrony a ostřelovanou stříbrnou fólii vložil vosk, zjistil, že se radioaktivita stříbra zvýšila stokrát. Tyto neutrony se označují jako pomalé nebo tepelné. Radioaktivitou, která vznikala záchytem neutronů, se zabývali Frédéric Joliot a Irène Curie, kteří po svatbě používali společné příjmení Joliot-Curie. Objevitelé jaderného štěpení jsou Otto Hahn, Fritz Strassmann a Lise Meitnerová [8]. Obrázek 4 - Hahn, Strassmann, Meitnerová Štěpení jader probíhá za pomoci tepelného neutronu. Neutron snadno vniká do jádra z toho důvodu, že nemá žádný náboj a tedy není jádrem odpuzován. Na Obrázek 5 vidíme, jak tepelný neutron vnikne do jádra atomu. Tím se atomu zvýší hmotnostní číslo, jádro má nadbytek energie a uvnitř jádra probíhají velké oscilace. Jádro je deformováno a uprostřed se vytvoří úzké hrdlo. V tu chvíli začíná mít navrch Coulombova síla, která obě kladně nabité části jádra odpuzuje a tím jádro trhá. Jádro se tedy rozštěpí a navíc unikne i několik neutronů, které po zpomalení mohou vyvolat štěpení dalších jader [1,3]. 6

12 Obrázek 5 Štěpení jádra po záchytu neutronu HALLIDAY D., RESNICK R. a WALKER J. Fyzika 7

13 4 ŠTĚPENÍ URANU Postupem času, si lidé pokládali otázku, proč se nedá tepelnými neutrony štěpit každé těžké jádro. Například jádro uranu 235 U se štěpí snadno, ale jádro uranu 238 U se tepelným neutronem štěpit nedá. Na tuto otázku odpověděli v roce 1939 fyzici N. Bohr a J. A. Wheeler. Zjistili, že každé jádro má potenciálovou bariéru E b, kterou je potřeba překonat, aby mohlo dojít ke štěpení. Tepelný neutron ke štěpení dodává tzv. excitační energii E n. Jádro uranu 235 U po přijetí tepelného neutronu zvýší své hmotnostní číslo. Nový izotop uranu 236 U má potenciálovou bariéru E b = 5,2 MeV, excitační energie, dodaná tepelným neutronem, je E n = 6,5 MeV. Proto štěpení tepelným neutronem může proběhnout [1]. Jádro uranu 238 U po přijetí tepelného neutronu zvýší své hmotnostní číslo, nový izotop uranu 239 U má potenciálovou bariéru E b = 5,7 MeV a excitační energie tepelného neutronu je E n = 4,8 MeV. Proto v tomto případě štěpení tepelným neutronem nemůže proběhnout. Přesto se dá jádro uranu 238 U štěpit, ale ne tepelným neutronem, ale tzv. rychlým neutronem, to je neutron o vysoké energii. Toto štěpení pak nazýváme rychlé štěpení [1]. Nyní konkrétně ke štěpení uranu U, které je vyvolané tepelným neutronem. Na Obrázek 6 je znázorněno, jak po srážce jádra s tepelným neutronem se jádro stává nestabilním a začíná se štěpit na dva lehčí prvky. V zobrazeném případě to je baryum 144 Ba a krypton 36 Kr. Jádra těchto prvků jsou také nestabilní a dále se rozpadají již standardními rozpady α, β, γ. Při štěpení se uvolní gama záření, velké množství energie a dva až tři další neutrony o vysoké energii [2]. 8

14 Obrázek 6 - Štěpení uranu Uvolněné neutrony, které vznikly po štěpení, se využívají k dalším srážkám s dalšími jádry uranu U. Jelikož ale mají velkou energii, musejí se nejprve zpomalit. K tomu nám slouží látka, zvaná moderátor. Nejčastěji se používá voda nebo grafit, tedy látka s lehkými jádry (Enrico Fermi na počátku výzkumu štěpení použil vosk). Neutrony totiž nejefektivněji ztrácejí svou kinetickou energii, srážejí-li se s lehkými jádry. Zpomalené tepelné neutrony nyní můžou štěpit další jádra, čímž vzniká tzv. řetězová reakce [1,2,3]. 9

15 Obrázek 7 - Řetězová rekce Řetězovou reakci při štěpení jader využila americká armáda za druhé světové války. První atomová bomba, pojmenovaná Little Boy, byla svržena 6. srpna 1945 na japonské město Hirošima. Bomba obsahovala uran 235 U. Druhá atomová bomba, pojmenována Fat Man, byla svržena 9. srpna 1945 na japonské město Nagasaki. Tato bomba obsahovala plutonium 239 Pu. 10

16 Obrázek 8 - Atomový hřib Nagasaki 11

17 5 JADERNÉ ELEKTRÁRNY K využití štěpení jader uranu dochází hlavně v jaderných elektrárnách. Uran se zde používá jako palivo, cílem jaderných elektráren je výroba elektrické energie. První experimentální jaderný reaktor byl postaven za druhé světové války v roce 1942 v americkém Chicagu fyzikem Enricem Fermim. Od té doby se počet jaderných elektráren výrazně zvýšil. K 1. červenci 2017 Světová jaderná asociace (WNA) uvádí, že ve 30 státech světa je v provozu 446 jaderných reaktorů a dalších 59 reaktorů je ve výstavbě. Podíl vyrobené elektřiny v jaderných elektrárnách je ve světě přibližně 13% a v Evropě to je přibližně 33%. Například ve Francii tvoří elektřina z jaderných elektráren téměř 77%. Nejvíce jaderných reaktorů je postaveno ve Spojených státech amerických, přesně 99. Přesto jaderná energetika v USA tvoří pouze 19% vyrobené elektrické energie v zemi [4]. Obrázek 9 - Jaderné reaktory v Evropě 12

18 5.1 Části jaderné elektrárny Začneme v úplném srdci jaderné elektrárny, v jejím reaktoru. V jaderném reaktoru probíhá štěpení jader uranu U. Jak už víme z předchozí kapitoly, při štěpení dochází k uvolnění několika dalších neutronů, které jsou zpomaleny moderátorem na tepelné neutrony, a vzniká řetězová reakce. Abychom dostali tuto řetězovou reakci pod kontrolu, používá se tzv. absorbátor. To jsou ocelové regulační tyče vyrobené z bóru nebo kadmia, které pohlcují neutrony. Tím, že absorbátor pohlcuje neutrony, snižuje množství jaderných reakcí v reaktoru. Tyto tyče jsou vysouvatelné a proto, když chceme zvýšit výkon reaktoru, tyče vysuneme, nebo pro snížení výkonu reaktoru tyče zasuneme. V reaktoru se nacházejí ještě bezpečnostní tyče. Bezpečnostní tyče obsahují větší množství bóru nebo kadmia, takže při jejich zasunutí dojde k úplnému zastavení štěpení. Využívají se také jako prostředek k minimalizování rizika jaderné havárie. Obrázek 10 - Jaderný reaktor Nezkreslená věda YouTube V nejběžnějším jaderném reaktoru voda, ochlazující palivové články, cirkuluje pod vysokým tlakem a teplotou v primárním okruhu, jehož součástí je parogenerátor. V něm horká voda primárního okruhu ohřívá vodu v sekundárním okruhu a přeměňuje ji v páru o vysokém tlaku. 13

19 Celý primární okruh s reaktorem je uzavřen v tzv. kontejnmentu (containment), což je betonová budova, která je konstruována tak, aby odolala například raketovému útoku zvenčí nebo zemětřesení. Sekundární okruh přivádí vysokotlakou páru z parogenerátoru do turbíny. Pára svým tlakem a prouděním roztáčí lopatky turbíny, které jsou napojeny na generátor, který vytváří elektrickou energii. Ta se po transformaci na velmi vysoké napětí dodává do sítě. Po průchodu turbínou se už nízkotlaká pára přivádí do poslední části sekundárního okruhu, do kondenzátoru, kde se pomocí studené vody z terciárního (chladícího) okruhu ochlazuje a kapalní. Zkapalněná pára se opět vede do parogenerátoru a tím se sekundární okruh uzavírá. Celý sekundární okruh je ještě vybaven čerpadly. Terciární okruh přivádí studenou vodu do kondenzátoru, kde se ohřeje od páry ze sekundárního okruhu. Ohřátá voda se dále vede do chladících věží. Část této vody zkondenzuje a padá zpět, aby se znovu podílela na odvádění tepla z kondenzátoru, část se vypařuje a vychází z chladících věží jako čistá pára. Obrázek 11 - Schéma jaderné elektrárny Nezkreslená věda - YouTube 14

20 5.2 Druhy reaktorů Tlakovodní reaktor Z anglického pojmenování Pressurized light-water moderated and cooled Reactor se reaktor zkráceně označuje PWR. V Rusku se tento typ také vyrábí, ovšem jeho pojmenování je Vodo -Vodjanoj Energetičeskij Reaktor, zkráceně VVER. Jedná se o nejčastěji používaný typ reaktoru na světě, hlavně z důvodu vysoké bezpečnosti. Jako palivo se používá přírodní uran obohacený izotopem U 235 na 3,1% - 4,4%. Uran je ve formě tabletek oxidu uraničitého, uspořádaných do palivových tyčí. Pro výměnu paliva se musí odstavit reaktor přibližně jednou za 1 1,5 roku. Nahrazuje se vždy třetina vyhořelých článků. Moderátorem i chladivem je obyčejná voda, která proudí v primárním okruhu pod velkým tlakem a o teplotě přibližně 300 C. V parogenerátoru ohřívá vodu sekundárního okruhu, ta se mění na páru a roztáčí turbínu [6]. Obrázek 12 - Tlakovodní reaktor V českých jaderných elektrárnách se používají právě tlakovodní reaktory. V jaderné elektrárně Dukovany se používá typ VVER-440, v jaderné elektrárně Temelín se používá typ VVER

21 5.2.2 Varný reaktor Z anglického pojmenování Boiling Water Reactor je označován zkratkou BWR. Jedná se o druhý nejrozšířenější typ reaktorů. Jako palivo se používá přírodní uran mírně obohacený izotopem U 235 na 2,1% - 2,6% ve formě válečků oxidu uraničitého, uspořádaných do palivových tyčí. Pro výměna paliva se musí odstavit reaktor přibližně jednou za 1 1,5 roku. Aktivní zóna je podobná aktivní zóně tlakovodního reaktoru. Moderátorem i chladivem je také obyčejná voda. Voda se ohřívá až do varu přímo v tlakové nádobě. Pára se hromadí v horní části reaktoru a po zbavení vlhkosti se žene přímo k turbíně. Elektrárny s reaktory BWR jsou tedy jednookruhové. Tento typ reaktorů byl použit například v jaderné elektrárně Fukušima [6]. Obrázek 13 - Varný reaktor Těžkovodní reaktor Tento reaktor byl vyvinut v Kanadě a od toho vzniklo jeho pojmenování Canada Deuterium Uranium zkráceně označován jako CANDU. Jedná se o reaktor, který jako jaderné palivo využívá zcela přírodní (neobohacený) uran a jako chladivo a moderátor slouží těžká voda. Aktivní zóna reaktoru CANDU je umístěna ve vodorovně položeném válci z nerezové oceli, který je zaplněn těžkou vodou. Vnější povrch nádrže je obklopen betonovou vodotěsnou konstrukcí, ve které se nachází voda, představující tepelnou a biologickou ochranu. Výměna paliva se provádí za provozu reaktoru tak, že se z jedné strany kanálu vkládá čerstvá kazeta a vyhořelá kazeta je tím z 16

22 druhé strany vytlačována. Chladivo v parogenerátoru předává svoje teplo obyčejné vodě sekundárního okruhu a vrací se zpět do reaktoru [6]. Obrázek 14 - Těžkovodní reaktor Plynem chlazený reaktor Zkrácené pojmenování Magnox GCR z anglického Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor. Tento reaktor se používá pouze ve Velké Británii a v Japonsku. Jako palivo se používá přírodní kovový uran ve formě tyčí pokrytých oxidem magnezia. Moderátor je vytvořen z grafitových bloků, kterými prochází několik tisíc kanálů, přičemž do každého se umísťuje několik palivových tyčí. Aktivní zóna je uzavřena v kulové ocelové tlakové nádobě se silným betonovým stíněním. Palivo se vyměňuje za provozu. Chladivem je oxid uhličitý, který se po ohřátí na přibližně 400 C vede do parogenerátoru, kde předá teplo vodě sekundárního okruhu. Pára sekundárního okruhu pohání turbínu [6]. 17

23 Obrázek 15 - Plynem chlazený reaktor Modernější typ plynem chlazeného reaktoru je typ AGR, který se zatím používá pouze ve Velké Británii. Jako palivo se používá uran obohacený na 2,3% izotopu U Rychlý množivý reaktor Zkráceně FBR z anglického názvu Fast Breeder Reactor. Jako palivo využívá obohacené plutonium ve směsi oxidu plutoničitého a uraničitého. Během provozu vyprodukuje více plutoniového paliva, než kolik sám spotřebuje. Reaktor nemá moderátor, díky plutoniu může pracovat s rychlými neutrony. Aktivní zóna je tvořená svazky palivových tyčí, je obklopena pláštěm z uranu a potopena v ocelové nádobě, naplněné sodíkem. Tekutý sodík je v tomto reaktoru použit jako chladivo. Sodík má na výstupu z reaktoru teplotu až 620 C. Uvnitř reaktoru je tepelný výměník, kde sodík předává teplo sekundárnímu chladicímu okruhu, ve kterém proudí také roztavený sodík. Sodík ze sekundárního okruhu proudí z reaktoru do parogenerátoru, kde ve třetím okruhu ohřívá vodu na páru [6]. 18

24 Obrázek 16 - Rychlý množivý reaktor Reaktor RBMK Reaktor dostal zkratku podle názvu Reaktor Bolšoj Moščnosti Kanalnyj, někdy označován také jako LWGR. Používá se výhradně na území bývalého SSSR. Byl použit například v jaderné elektrárně Černobyl. Další reaktory tohoto typu se již nestaví. Palivem je přírodní uran nebo slabě obohacený uran ve formě oxidu uraničitého. Palivové tyče jsou vloženy v kanálech, kudy proudí obyčejná voda jako chladivo. Jako moderátor se používá grafit, který obklopuje kanály. V tlakových kanálech přímo vzniká pára, která po oddělení vlhkosti pohání turbínu. Elektrárna je tedy jednookruhová [6]. 19

25 Obrázek 17 - Reaktor RBMK Vysokoteplotní reaktor Z anglického názvu High Temperature Gas Cooled Reactor dostal reaktor zkratku HTGR. Tento typ reaktoru má výborné bezpečnostní parametry a patří k velmi perspektivním typům. Vysokoteplotní reaktory jsou zatím vyvinuty pouze experimentálně. Palivem je vysoce obohacený uran ve formě malých kuliček oxidu uraničitého (0,5 mm v průměru). Kuličky povlékané třemi vrstvami karbidu křemíku a uhlíku jsou rozptýlené v koulích z grafitu, velkých asi jako tenisový míček. Palivové koule se volně sypou do aktivní zóny, na dně jsou postupně odebírány. V koncepci USA se používají místo koulí šestiúhelníkové bloky, které se skládají na sebe. Chladivem je helium proháněné skrz aktivní zónu. V parogenerátoru helium předá teplo chladicí vodě sekundárního okruhu, vzniklá pára pohání turbínu. Horké helium může být vedeno přímo do průmyslových a chemických procesů [6]. 20

26 Obrázek 18 - Vysokoteplotní reaktor Katastrofy jaderných elektráren Pokud by v jaderné elektrárně došlo k havárii, představovalo by to obrovskou katastrofu. Poškozena by byla nejen příroda v okolí, ale o život by mohla přijít i velká spousta lidí. Proto jsou bezpečnostní požadavky na jaderné elektrárny velice vysoké. Při živelném nebezpečí nebo při útoku zvenčí nesmí do okolí uniknout žádná radioaktivita. U jaderných elektráren typu PWR, což jsou tlakové rektory chlazené a moderované lehkou vodou, se používá čtyř ochranných bariér. První bariérou je samotná matrice paliva, jeho nerozpustná chemická forma. Kovový povlak palivových článků zajišťuje druhou ochranu. Samotný reaktor se nachází v odděleném plášti třetí ochrana. Jako poslední ochrana slouží betonový kontejnment, ve kterém se nachází celý primární okruh. I přes přísné bezpečnostní požadavky známe několik závažných havárií jaderných elektráren. Jedna z nich se stala 28. března 1979 v jaderné elektrárně Three Mile Island v USA [7,8]. Na jejím počátku byla porucha čerpadla v sekundárním chladícím okruhu. Následovala nešťastná rozhodnutí obsluhy a selhání záložních systémů. Primární okruh se začal přehřívat a pojistný ventil, který se měl uvolnit, aby se snížil tlak, se zasekl a nešel zavřít. Začaly praskat palivové tyče, rektor se začal tavit a do ovzduší unikla radioaktivní pára. Po dvanácti hodinách se podařilo obsluze dostat reaktor pod kontrolu. Havárie si nevyžádala žádný lidský život, řada lidí však trpěla 21

27 zdravotními potížemi, které se mnohdy proměnily v chronické záněty. Havárie je označována jako největší havárie jaderné elektrárny v dějinách Spojených států. Obrázek 19 - Three Mile Island Mnohem větší jaderná katastrofa se stala 26. dubna 1986 v Černobylu na severu Ukrajiny [7,8]. V elektrárně měl být proveden pokus, za jak dlouho se zapnou záložní zdroje energie po vypnutí turbín, pohánějících vodní čerpadla, která by ještě pracovala setrvačností. Příčin katastrofy je více, uvádí se například nekvalitní proškolení personálu, špatná konstrukce reaktoru nebo nedodržení podmínek pokusu. Při přehřátí reaktoru došlo k protavení ochranných bariér a výbuch měl tak velkou sílu, že odlétlo betonové víko kontejnmentu. Následně se do okolí uvolnilo velké množství radiace, která postupovala s větrem do okolních států Evropy. Havárie si vyžádala velké množství obětí. Přesné číslo ale neznáme, neboť hodně lidí zemřelo na následky radiace až několik let po havárii. 22

28 Obrázek 20 - Havárie v Černobylu Další závažná havárie jaderné elektrárny se stala 11. března 2011 v japonském městě Fukušima [8]. Tato tragédie však nebyla způsobena chybným pokusem nebo lidským selháním, ale přírodním živlem. Nedaleko Fukušimy došlo k silnému zemětřesení, které elektrárna bez problémů zvládla, ale následná vlna tsunami, která se zvedla na hladině Tichého oceánu, celou jadernou elektrárnu zaplavila. Po zatopení došlo k poškození tlakových nádob reaktoru. Při obnažení paliva začal vznikat vodík, který byl příčinou explozí reaktorů. Obrázek 21 - Fukušima před a po havárii 23

29 6 JADERNÁ ENERGETIKA V ČR V České republice se elektřina vyrábí různými způsoby. Největší podíl ve výrobě mají uhelné elektrárny 50,88% (z toho hnědé uhlí 43,91% a černé uhlí 6,97%). Druhým největším výrobcem elektřiny jsou jaderné elektrárny s 30,36% z celkově vyrobené elektřiny na našem území. Dále elektrárny na zemní plyn 8,4%, na biomasu 5,57%, sluneční 2,77%, vodní 1,15%, větrné 0,63%. Údaje jsou podle společnosti OTE k roku 2016 [5]. Podrobněji jsou tato data zachycena v tabulce. Obrázek 22 - Vývoj výroby elektřiny Na území České republiky se nachází dvě jaderné elektrárny: Jaderná elektrárna Dukovany, nacházející se na jižní Moravě jihovýchodně od Třebíče, a jaderná elektrárna Temelín, která se nachází v jižních Čechách severně od Českých Budějovic. Obě provozuje společnost ČEZ. 24

30 Obrázek 23 - Mapa jaderných elektráren ČR Dukovany Stavba O stavbě první jaderné elektrárny na území Československé republiky se začalo mluvit na začátku roku 1970, kdy vlády naší republiky a Sovětského svazu podepsaly dohodu o výstavbě. Zároveň s Dukovanskou elektrárnou byla podepsána dohoda o výstavbě jaderné elektrárny v Jaslovských Bohunicích (dnes Slovenská republika). Po několika změnách v projektech se zahájila výstavba čtyř jaderných bloků až v roce

31 Obrázek 24 - Stavba jaderné elektrárny Dukovany Na přelomu let 1984 a 1985 se začalo do elektrárny zavážet palivo a první blok začal pracovat ve zkušebním provozu od 3. května V následujícím roce se spustil zkušební provoz druhého a třetího bloku a v roce 1987 se spustil zkušební provoz posledního čtvrtého výrobního bloku [8,9]. Obrázek 25 - Jaderná elektrárna Dukovany 26

32 Z důvodu tenčících se zásob hnědého uhlí a dlouhodobě rostoucí spotřeby elektřiny nejen v České republice, ale i v Evropě, se uvažuje o výstavbě nových bloků. V minulosti proběhla celá řada průzkumů a studií s cílem prověřit možnost nové výstavby. Na základě výsledků lze konstatovat, že výstavba nových bloků je v jaderné elektrárně Dukovany proveditelná a momentálně všechny přípravné práce směřují k možnému termínu spuštění prvního nového bloku mezi léty Obrázek 26 - Plánované rozšíření JE Dukovany Reaktor a chlazení Dukovany mají čtyři tlakovodní reaktory VVER typ V213. Původně měl každý z reaktorů elektrický výkon 440 MW, ale po dokončené modernizaci v roce 2012 má každý z reaktorů elektrický výkon 510 MW. Jako palivo se používá obohacený uran U 235 na 4,25%. V aktivní zóně je umístěno 312 palivových souborů, z nichž každý obsahuje 126 palivových proutků. Každý rok se vyměňuje jedna pětina paliva. Voda určená k chlazení se získává z vodní nádrže Dalešice, ta zároveň slouží jako přečerpávací elektrárna o výkonu 480 MW. Jako vyrovnávací nádrž slouží vodní nádrž Mohelno. Obě přehrady se nacházejí na řece Jihlavě. 27

33 6.2 Temelín Stavba O stavbě druhé jaderné elektrárny na českém území Československé republiky se začalo uvažovat na konci 80. let 19. století. Nejprve byl vydán investiční záměr a v roce 1980 bylo Československou vládou rozhodnuto o výstavbě. V roce 1982 se uzavřela dohoda o dodání sovětského technického projektu, který obsahoval projekty na budovu reaktoru, budovy aktivního a pomocného provozu a budovy dieselgenerátorových stanic. Tyto projekty byly ovšem v průběhu let vylepšovány československými odborníky [8,10]. Obrázek 27 - Stavba chladících věží fotografie z infocentra JE Temelín V roce 1983 začaly první přípravné práce, které měly připravit plochu ke stavbě. V roce 1985 byl vypracován projekt pro stavbu 1. a 2. výrobního bloku. V následujícím roce bylo vydáno stavební povolení a na začátku roku 1987 byla zahájena vlastní stavba provozních objektů. 28

34 Obrázek 28 - stavba reaktoru fotografie z infocentra JE Temelín Původní projekt obsahoval čtyři výrobní bloky, každý s výkonem 1000 MW. Po roce 1989, kdy proběhly politické a ekonomické změny, vydala vláda v roce 1993 změnu plánu o snížení počtu výrobních bloků na dva. Celkový výkon elektrárny byl tak místo původních 4000 MW snížen na polovinu. Obrázek 29 - stavba JE Temelín fotografie z infocentra JE Temelín 29

35 První palivo bylo do Temelína dovezeno v červenci roku 2000, v říjnu téhož roku bylo aktivováno a 21. prosince roku 2000 byl první blok elektrárny připojen do rozvodné sítě. Nejprve byl 10. června 2002 spuštěn zkušební provoz prvního výrobního bloku. Ve stejném období bylo zavezeno palivo i k druhému bloku, který byl na konci téhož roku připojen do rozvodné sítě. Zkušební provoz druhého bloku byl spuštěn 18. dubna Obrázek 30 - JE Temelín Do budoucna se plánovala výstavba dalších dvou výrobních bloků, které byly v původním projektu a které byly následně v roce 1993 zamítnuty. Elektrárna se tedy měla rozrůst o další dva jaderné reaktory a čtyři chladící věže. Jak by měla jaderná elektrárna vypadat po dostavbě je zobrazeno na Obrázek 31. Ovšem v roce 2014 se opět od výstavby ustoupilo, protože vláda České republiky nebyla ochotna projekt finančně podpořit, a také průzkum prokázal, že by se výstavba v poměru k ceně elektřiny nevyplatila. 30

36 Obrázek 31 - plánované rozšíření JE Temelín Reaktor a chlazení Temelín má dva tlakovodní reaktory VVER Jedná se o nejrozšířenější typ jaderného reaktoru. Je to tepelný reaktor moderovaný i chlazený obyčejnou vodou. Voda pod vysokým tlakem proudí aktivní zónou kolem palivových proutků, ohřívá se na přibližně 320 C a je vedena potrubím do parogenerátorů, ve kterých uvádí do varu vodu ve druhém (sekundárním) okruhu. Vzniká pára, která pohání turbínu spojenou s generátorem elektrického proudu. Obrázek 32 - Části reaktoru VVER 1000 fotografie z infocentra JE Temelín 31

37 Hmotnost reaktoru je přibližně 800 t (bez použité vody). V primárním okruhu se objem vody pohybuje okolo 337 m 3. Voda pro Temelínskou elektrárnu je brána z vodní nádrže Hněvkovice, která byla postavená zároveň s jadernou elektrárnou, a zpět je vypouštěna do vodní nádrže Kořensko, která byla taktéž vybudována zároveň s jadernou elektrárnou. Obě nádrže se nacházejí na řece Vltavě. Jaderná elektrárna při plném provozu spotřebuje 2-3 m 3 vody za sekundu [10] Ochrana Pro ochranu okolí je nainstalováno mnoho bezpečnostních prvků. Mezi okolím a aktivní zónou reaktoru je ochrana reaktoru provedena v několika vrstvách. První vrstva spočívá v tom, že každý palivový článek má svou vlastní pevnou keramickou strukturu. Druhá ochranná vrstva spočívá v uzavření každé palivové tyče. Třetí ochranná vrstva je tlaková obálka primárního okruhu. Čtvrtá ochranná vrstva je železobetonová šachta reaktoru. A poslední ochranná vrstva je kontejnment. Všechny tyto ochranné prvky by měly odolat přírodním jevům jako například vichřici, blesku, povodním, zemětřesení, extrémním teplotám a extrémním srážkám. Také by měly odolat například pádu letadla nebo tlakovým vlnám po výbuchu v okolí elektrárny. 32

38 7 ZÁVĚR Práce obsahuje základní informace o jaderné energii a energetice. Nejprve byla popsána energie, která drží nukleony v jádře pohromadě, a následně bylo vysvětleno, jak změny této energie při jaderném štěpení využívat. Teoretický výklad byl doplněn o názorné obrázky. V druhé části závěrečné práce byla vysvětlena funkce jaderných elektráren a popsány jejich části. Zaměřena byla hlavně na jaderné elektrárny na území České republiky. Součástí práce jsou prezentace k jednotlivým tématům, určeným k výuce předmětu Atomová a jaderná fyzika pro studenty učitelského zaměření. 33

39 Seznam obrázků OBRÁZEK 1 - ZÁVISLOST VAZEBNÍ ENERGIE NA JEDEN NUKLEON NA NUKLEONOVÉM ČÍSLE A... 3 OBRÁZEK 2 - JADERNÁ FÚZE... 4 OBRÁZEK 3 PRVKY VE HVĚZDÁCH PO PRŮBĚHU FÚZE... 5 OBRÁZEK 4 - HAHN, STRASSMANN, MEITNEROVÁ... 6 OBRÁZEK 5 ŠTĚPENÍ JÁDRA PO ZÁCHYTU NEUTRONU... 7 OBRÁZEK 6 - ŠTĚPENÍ URANU... 9 OBRÁZEK 7 - ŘETĚZOVÁ REKCE OBRÁZEK 8 - ATOMOVÝ HŘIB NAGASAKI OBRÁZEK 9 - JADERNÉ REAKTORY V EVROPĚ OBRÁZEK 10 - JADERNÝ REAKTOR OBRÁZEK 11 - SCHÉMA JADERNÉ ELEKTRÁRNY OBRÁZEK 12 - TLAKOVODNÍ REAKTOR OBRÁZEK 13 - VARNÝ REAKTOR OBRÁZEK 14 - TĚŽKOVODNÍ REAKTOR OBRÁZEK 15 - PLYNEM CHLAZENÝ REAKTOR OBRÁZEK 16 - RYCHLÝ MNOŽIVÝ REAKTOR OBRÁZEK 17 - REAKTOR RBMK OBRÁZEK 18 - VYSOKOTEPLOTNÍ REAKTOR OBRÁZEK 19 - THREE MILE ISLAND OBRÁZEK 20 - HAVÁRIE V ČERNOBYLU OBRÁZEK 21 - FUKUŠIMA PŘED A PO HAVÁRII OBRÁZEK 23 - VÝVOJ VÝROBY ELEKTŘINY OBRÁZEK 24 - MAPA JADERNÝCH ELEKTRÁREN ČR OBRÁZEK 25 - STAVBA JADERNÉ ELEKTRÁRNY DUKOVANY OBRÁZEK 26 - JADERNÁ ELEKTRÁRNA DUKOVANY OBRÁZEK 27 - PLÁNOVANÉ ROZŠÍŘENÍ JE DUKOVANY OBRÁZEK 28 - STAVBA CHLADÍCÍCH VĚŽÍ OBRÁZEK 29 - STAVBA REAKTORU OBRÁZEK 30 - STAVBA JE TEMELÍN OBRÁZEK 31 - JE TEMELÍN OBRÁZEK 32 - PLÁNOVANÉ ROZŠÍŘENÍ JE TEMELÍN OBRÁZEK 33 - ČÁSTI REAKTORU VVER

40 Použité zdroje [1] HALLIDAY D., RESNICK R. a WALKER J. Fyzika. 2. přeprac. vyd., Brno, VUTIUM, ISBN [2] SVOBODA, E. Přehled středoškolské fyziky. 5. přeprac. vyd., Praha, Prometheus, ISBN [3] BEISER, A. Úvod do moderní fyziky. Praha, Academia, [4] [ ] [5] [ ] [6] [ ] [7] [ ] [8] [ ] [9] [ ] [10] [ ] [11] [ ] Další zdroje