PROVOZ JADERNÉHO REAKTORU

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ CZ.1.07/1.1.00/08.0010 PROVOZ JADERNÉHO REAKTORU Mgr. DAGMAR AUTERSKÁ, Ph.D. TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

6 Provoz jaderného reaktoru JADERNÉ ŠTĚPENÍ KOMPONENTY JADERNÉHO REAKTORU RŮZNÉ TYPY REAKTORŮ CEA Od štěpení k řetězové reakci 1

Str. 2 Obsah Štěpení jádra 4 Štěpné atomy 5 Energie uvolněná štěpením 5 Neutrony a řetězová reakce 6 Komponenty jaderného reaktoru 7 Palivo 8 Kontrolní tyče, past na neutrony 9 Chladící kapalina, přenášeč tepla 9 Moderátor, zpomalovač neutronů 10 Parogenerátor, výměník tepla 10 Různé typy reaktorů 11 Různé druhy reaktorů 12 Tlakovodní reaktory (REP, PWR) 15 Reaktory s rychlými neutrony, rychlé množivé reaktory (RNR, FBR) 15 Reaktory chlazené plynem (RCG, GCR) 15 Detail aktivní zóny reaktoru Text k větší fotografii: Zavážka paliva do reaktoru a uzavření víka nádoby reaktoru v Centre national de production d électricité CNPE (Národní centrum pro výrobu elektřiny) v Civaux (blok 1) Str.3 Úvod Tvůrci prvního zkušebního reaktoru: Lew Kowarski (vlevo) a Fréderic Joliot-Curie ( vpravo) Obrázek vedle : budova, ve které byl umístěn první zkušební reaktor Zoé. 2

První jaderný reaktor byl sestrojen v roce 1942 ve Spojených státech. O šest let později byl podobný reaktor uveden do provozu ve Francii. Úvod Elektrárna je továrna, která vyrábí elektřinu. Existují tepelné elektrárny, vodní elektrárny a jaderné elektrárny. Všechny jsou založeny na stejném principu: roztočit turbínu spojenou s alternátorem, který vyrábí elektřinu. Rozdíly ve fungování se nacházejí na úrovni pohybu turbíny. Ve vodních elektrárnách je to voda z přehrady, která uvádí turbínu do chodu. V klasických tepelných elektrárnách se spalováním fosilního paliva (uhlí, přírodní plyn nebo ropa) přeměňuje voda na páru a ta je schopná roztočit turbínu. V jaderných elektrárnách je fosilní palivo nahrazeno jádrem uranu. Při rozbíjení tato velká jádra uvolňují jadernou energii, která se využívá při výrobě vodní páry, která stejným způsobem jako v tepelných elektrárnách může roztočit turbínu. První jaderný reaktor byl postaven ve Spojených státech Enricem Fermi. Tvoří ho milíř ze 6 tun kovového uranu, 34 tun kysličníku uranu a 400 tun grafitu. Atomový milíř Enrica Fermiho odvozený od slova empilement nahromadění (naskládání na sebe) generuje výkon pouze 0,5W. Ve Francii je první zkušební reaktor Zoe sestrojen ve výzkumném středisku Komise pro atomovou energii (CEA) ve Fontenay-aux-Roses. Tento reaktor je poprvé uveden do provozu 15. prosince 1948. V roce 1953 jeho výkon dosahuje až 150 kw a z provozu je vyřazen v roce 1976. Od tohoto okamžiku je budova Zoe přeměněna na Muzeum atomu. Dnes mají francouzské atomové elektrárny reaktory s elektrickým výkonem od 900 do 1450 MW. Základní částí atomové elektrárny je jaderný reaktor, který dodává teplo nezbytné k výrobě vodní páry. Ostatní prvky (turbína, alternátor atd.) jsou společné všem elektrárnám. 3

Str. 4 Štěpením atomu vzniká energie, která se přeměňuje na teplo: principem jaderného reaktoru je pojmout (získat) toto teplo a vyrobit z něj elektřinu. Atomové štěpení 4

Str.5 Při každém štěpení se uvolní 2 až tři neutrony vysoké energie s rychlostí 20 000km/s Štěpné atomy Jádro některých velkých atomů má schopnost rozdělit se na dvě části na základě kolize s dobře vybraným projektilem. Za těchto okolností je zvláště dobře adaptovaným projektilem neutron. Tato částice bez elektrického náboje má schopnost přiblížit se dostatečně blízko k jádru, nabitému pozitivně, aniž by byla odpuzována elektrickými silami. Neutron tak může proniknout dovnitř jádra a rozdělit ho na dvě části. Nejedná se o explozi jádra pod vlivem mechanické srážky s neutronem, ale o vnitřní rozštěpení jádra, které spustil příchod nadbytečného neutronu. Je to výsledek otřesu vyvolaného během integrace neutronu s jádrem, za působení jaderné síly (viz brožura Jaderná energie: štěpění a fúze). Rozdělení jádra se nazývá štěpná reakce. Atom, který má schopnost se rozdělit na dvě části během kolize, je nazýván štěpitelným. Nejznámějším z nich je uran 235 a plutonium 239. Dvě části vzniklé štěpením velkého jádra jsou produkty štěpení. Jsou většinu času radioaktivní. Atomy, jejichž jádra jsou nestabilní se nazývají radioaktivní. Tato jádra se přirozeně přeměňují na jiná jádra a vysílají záření (viz Radioaktivita). Energie uvolněná štěpením Reakce štěpení atomu je doprovázena uvolňováním velkého množství energie. Oba dva produkty štěpení odnáší velkou část této energie v podobě kinetické energie (kinetická energie je energie tělesa v pohybu. Stoupá s jeho hmotou a s jeho rychlostí. Auto jedoucí velmi rychle má více kinetické energie než stejné auto jedoucí pomalu. Jestliže první auto narazí do nějakého předmětu, škody budou větší než u druhého auta. Stejně tak má malé auto méně energie než kamion jedoucí stejnou rychlostí): jsou vystřeleny s velkou rychlostí (8 000 km/s). Prorazí si cestu mezi jinými atomy tím, že do nich narážejí, protože vlastně představují velké projektily. Během těchto srážek ztrácejí rychle svoji rychlost (tudíž svoji energii) a zahřívají okolní látku (prostředí) a zastavují se v hmotě uranu. Jejich energie na startu se nakonec přemění na teplo: místně teplota uranu stoupá. Str.6 Princip jaderného reaktoru spočívá v tom, že se získané teplo přemění na elektřinu. Obrázek. Kontrolovaná řetězová reakce v jaderných reaktorech 5

V jaderném reaktoru je řetězová reakce řízena, aby se dosáhlo konstantního tempa štěpení. Neutrony a řetězová reakce Při každém štěpení se zrodí v průměru dva až tři neutrony s vysokou energií, které se přemisťují velmi vysokou rychlostí (20 000 km/h) mezi atomy uranu. Energie, kterou s sebou neutrony odnáší, představuje malou část celkové energie uvolněné během štěpení, hlavní část této energie byla odnesena produkty štěpení. Ale neutrony, jejichž hmota je malá při srovnání s produkty štěpení, mají rychlost velmi vysokou. Neutrony, projektily malých rozměrů, elektricky neutrální se budou šířit relativně daleko, než se dostanou do vzájemné interakce s jiným jádrem atomu. Jestliže se bude jednat o atomové jádro uranu 235, dojde eventuelně k novému štěpení. Dva nebo tři uvolněné neutrony během jednoho štěpení budou moci vyvolat zase nové štěpení a uvolnění nových neutronů a tak pořád dále a to se nazývá řetězová reakce. V jaderném reaktoru je řetězová reakce řízena, aby se udrželo konstantní tempo reakcí. (jedná se o řízené štěpení). To znamená, že ze dvou až tří uvolněných neutronů během štěpení pouze jeden z nich vyvolá nové, ostatní jsou zachyceny. Musí být dosaženo rovnováhy: jedno štěpení vyvolá pouze jedno nové, které opět vyvolá pouze jedno štěpení atd. (a ne aby z jednoho štěpení vzešly dvě a z nich poté čtyři, které dají vzniknout osmi atd.). Množství tepla uvolněné z hmoty uranu je tak každou sekundu dokonale kontrolováno. 6

Str. 7 DÍKY SVÝM RŮZNÝM KOMPONENTÁM JADERNÝ REAKTOR PŘÍMO VYUŽÍVÁ TEPLO A ZÁROVEŇ HO PŘEMĚŇUJE. Komponenty jaderného reaktoru 7

Str.8 Zatímco řídící tyče pohlcují neutrony, chladící kapalina odvádí teplo z reaktoru. Tlaková nádoba reaktoru Je to nepropustná ocelová nádoba, ve které je aktivní zóna reaktoru, podpůrné systémy a kontrolní systémy. Vodící trubka řídící tyče prim. okruhu Víko vstup vody primárního okruhu Výstup vody prim.okruhu Palivové proutky obsahují kysličník uranu Palivo Palivo jaderné elektrárny obsahuje štěpné atomy, z nichž se získává energie prostřednictvím štěpení. Hlavními štěpnými atomy jsou uran 233, uran 235, plutonium 239 a plutonium 241. Pouze uran 235 existuje v přírodním stavu. Proto se také nejčastěji používá v atomových elektrárnách jako palivo. Jaderné palivo je umístěno v aktivní zóně reaktoru. (viz brožura Cyklus jaderného paliva). nádoba reaktoru Řídící tyč Palivový soubor Vnitřní nástroje str.9 8

Řídící tyče se zachycováním neutronů V reaktoru je permanentní kontrola řetězové reakce zajištěna díky řídícím tyčím (takzv. klastrům), které jsou rovněž nazývány kontrolními tyčemi, které pohlcují neutrony a jsou např. na bázi bóru.tyto tyče uvnitř reaktoru jsou posuvné. Lze je zasunovat a vysunovat v závislosti na počtu neutronů, které je třeba absorbovat. Umožňují řídit reaktor. Navíc, v případě nehody, jejich úplné zasunutí nebo pád dovnitř zastaví téměř okamžitě řetězovou reakci. Schéma Aktivní zóna jaderného reaktoru Barre de kontrole Řídící (kontrolní tyč) výstup teplé chladící kapaliny palivová uranová tyč Moderátor Vstup studené chladící kapaliny Chladivo, přenašeč tepla Energie uvolněná v podobě tepla během štěpení jader uranu 235 musí být z aktivní zóny odvedena, aby posloužila k výrobě elektřiny. Tento úkol zajišťuje chladící médium. Jak naznačuje jeho jméno (ve francouzštině caloporteur nosič tepla), jedná se o médium, která přenáší teplo. Médium proudící kolem uranových tyčí má dva úkoly: odebrat teplo palivu, aby ho mohlo odvést mimo aktivní zónu reaktoru, a zároveň udržet teplotu paliva na hodnotě slučitelné s chováním materiálů. Obrázky Nakládka aktivní zóny reaktoru. Simulace pohybu neutronů Palivo se nachází v kovovém obalu v podobě nepropustné schránky, která izoluje vnitřek od chladící kapaliny. Toto opatření zabrání tomu, že se palivo, které je horké nedostane do přímého kontaktu s chladícím médiem, a tudíž nemůže mezi nimi dojít k chemickým reakcím. Brání rovněž tomu, aby se částice paliva nedostaly do chladící kapaliny a tak neunikly z nádoby reaktoru. V podstatě to ani tak nejsou částice uranu, které by nás měly nejvíce znepokojovat, kdyby unikly do chladící kapaliny, ale spíše produkty štěpení, které jsou radioaktivní. Transport parogenerátoru 9

Str.10 Moderátor zpomaluje neutrony tak, aby po setkání s atomy vyvolaly štěpení. Moderátor, zpomalovač neutronů Kromě paliva v hermetickém obalu, chladícího média a řídící tyče většina reaktorů obsahuje zařízení, které nazýváme moderátor. (viz schéma str. 9) Role moderátoru spočívá ve zpomalení neutronů, které jsou často příliš energetické pro účinné vyvolání nového štěpení. Tyto neutrony, s ohledem na jejich velkou energii, se pohybují velkou rychlostí (20 000km/s). Protože tyto rychlé neutrony míjejí velkou rychlostí atomy uranu v blízkosti, je těžké uskutečnit štěpné reakce. Tyto reakce jsou velmi vzácné. Aby k štěpným reakcím docházelo snadněji a ve větším množství, je třeba významně zpomalit neutrony, z rychlosti 20 000 km/s až na rychlost řádově 2 km/s. Takové neutrony se pak nazývají pomalé nebo tepelné. Neutrony jsou brzděny při procházení látkou, která se skládá z atomů, jejichž jádra je neabsorbují. Neutrony ztrácejí rychlost při srážkách s jádry stejně jako se koule srážejí na kulečníkovém stole. Proces zpomalení je rychlejší, když rychlé neutrony naráží do lehkých jader, jako je například jádro vodíku. Látka skládající se z těchto atomů se nazývá moderátor. Aby reaktor dobře fungoval, musí se palivo a moderátor střídat: palivo, moderátor, palivo, moderátor Parogenerátor, tepelný výměník Chladící kapalina se zahřívá při kontaktu s palivem. Opouští aktivní zónu s velmi vysokou teplotou, mezi 300-550 C. Toto chladivo je poté využito v zařízení, kterému se říká parogenerátor, k ohřevu vody na páru. Tato pára potom uvádí do pohybu turbínu spojenou s alternátorem, který vyrábí elektřinu. Při výstupu z turbíny se pára kondenzuje na vodu v kondenzátoru ochlazovaném vodou z řeky. Parogenerátory se nenacházejí v elektrárnách s varným reaktorem (REB, BWR), kde je pára vyráběna přímo v aktivní zóně reaktoru. Tento druh elektráren ve Francii neexistuje. 10

Str. 11 VŠECHNY MOŽNÉ KOMBINACE MEZI PALIVEM, CHLADIVEM A MODERÁTOREM URČUJÍ KATEGORII, KE KTERÉ PATŘÍ DANÁ ELEKTRÁRNA. Různé typy reaktorů 11

Jaderná elektrárna v Civaux (département Vienne) Str.12 Různé typy reaktorů Atomová elektrárna je předurčena k tomu, aby vyráběla elektřinu na základě jaderného paliva. Přestože je tento princip provozu společný pro všechny atomové elektrárny, existují různé typy reaktorů. Pro koncepci aktivní zóny reaktoru jsou nezbytné čtyři základní prvky: palivo, ve kterém probíhá štěpení chladící kapalina, která transportuje teplo mimo reaktor moderátor (kromě reaktoru s rychlými neutrony), který umožňuje zpomalit neutrony řídící tyče, které kontrolují řetězovou reakci Pro tyto prvky, zvláště pak pro tři první existuje více možností. Např. chladivem může být plyn (CO 2 oxid uhličitý), nebo tekutina (voda). Ze všech možných kombinací mezi různým palivem, chladivem a moderátorem byly vybrány pouze ty, které se realizovaly v průmyslu. Základní typy jsou popsány v tabulce na další stránce. Princip fungování je stejný ve všech jaderných elektrárnách, ale existuje více druhů jaderných elektráren. Str. 13 Ve Francii je téměř polovina jaderné elektřiny vyprodukována tlakovodními reaktory. 12

Různé druhy reaktorů Druh (kategorie) Palivo Moderátor Chladivo Reaktor UNGG (přírodní Přírodní uran Pevný uhlík Oxid uhličitý uran, grafit, plyn) GCR (0,7% uranu 235) (grafit) (angl) První kategorie uvedená do provozu ve Francii. Všechny reaktory tohoto typu byly ve Francii odstaveny, poslední v roce 1994. Těžkovodní reaktor Přírodní uran Těžká voda Těžká voda CANDU typ reaktoru pod tlakem vyvinutý v Kanadě Reaktor RBMK tyto Obohacený uran Grafit Vroucí voda reaktory představují 40% na 1,8% uranu jaderného parku bývalého 235 Sovětského svazu (např. Černobyl) Varný reaktor (REB) BWR (angl) nejvíce rozšířený v USA, v Japonsku a Švédsku Obohacený uran na 3 % uranu 235 Obyčejná (lehká) voda, která se v aktivní zóně zahřeje až k bodu varu 13

Tlakovodní reaktor (REP), nejrozšířenější v západním světě. Rovněž je využíván v bývalém SSSR pod názvem VVER Rychlý množivý reaktor (RNR- réacteur à neutrons rapides) ang FBR Charakteristickým znakem těchto reaktorů je, že nemají moderátor. Neutrony zůstanou rychlé. Prototypem ve Francii je reaktor Phénix (250 MWe) Obohacený uran na 3 % uranu 235 Obohacený uran nebo plutonium Voda pod tlakem udržovaná v tekutém stavu. Voda pod tlakem je současně moderátorem i chladivem Žádné Tekutý sodík. Nezpomaluje neutrony Těžká voda se skládá se z molekul vody, v nichž je obsažen atom vodíku a jeden atom deuteria, těžký izotop vodíku. (viz brožura L atome) Str. 14 14

Schéma principu tlakovodního reaktoru Jaderný reaktor Řídící (regulační) tyč Nádoba reaktoru Kompenzátor objemu Parogenerátor (výměník tepla) vodní pára Chladící médium teplé(320 C) vroucí voda Aktivní zóna Oběhové čerpadlo primárního okruhu Studené chladící médium (280 C) Oběhové čerpadlo sekundárního okruhu Turbína Alternátor Kondenzátor Ochlazování řeka, moře, chladící věž CNPE Cruas budova reaktoru - sonda nakládání (založení) palivových článků do otevřené nádoby CNPE Cruas budova reaktoru - sonda nakládání (založení) palivových článků do otevřené nádoby 15

Str. 15 Některé reaktory používají helium jako chladivo, které transportuje teplo mimo reaktor a stabilizuje teplotu. Tlakovodní reaktory (REP) Generace tlakovodních reaktorů je ve světě nejrozšířenější. Tyto reaktory vyrobí přibližně polovinu světové produkce jaderné elektřiny. Ve Francii jsou všechny jaderné reaktory, s výjimkou Phénixu, tlakovodní REP. 34 elektráren má reaktory o výkonu 900 MWe (megawatů elektrických), 20 reaktorů s 1 300 MWe a 4 s výkonem 1 450 MWe. Rychlé množivé reaktory (RNR, s rychlými neutrony) Rychlé množivé reaktory byly koncipovány tak, aby se využila štěpná látka (uran nebo plutonium) kompletněji než v reaktorech pracujících na bázi tepelných (pomalých) neutronů. Chladivem může být tekutý kov jako např. sodík (Phénix) nebo plyn (hélium). Jejich výhodou je, že mohou vyrobit štěpný materíál (množívý reaktor) nebo naopak spálit odpad (aktinidy), který má dlouhou životnost (dlouhou dobu rozpadu). Rychlé množivé reaktory nepoužívají moderátor. Reaktory chlazené plynem Použítí hélia jako chladiva umožňuje uvažovat o škále reaktorů s přímým cyklem (vysokoteplotní helium zásobuje přímo, bez výměníku, skupinu turbo-alternátoru) se zvýšeným termodynamickým výkonem. Byly již studovány v minulosti, ale dnes těží z pokroku učiněného v oblasti plynových turbín. Jsou schopny umožnit realizaci malých jednotek (od 100 do 300 MWe), ekonomických a bezpečných. Tento druh reaktoru je rovněž schopen fungovat na bázi rychlých neutronů a představovat tudíž doplňkové výhody reaktorů s rychlými neutrony. 16