Pondělí, Prosinec 18

osel.cz: Současný stav a budoucnost jaderné energetiky

Jaké jsou nejnovější trendy jaderné energetiky? Jakou cestou se ubírá výzkum? Budeme v budoucnu využívat rychlé reaktory k výrobě elektrické energie? Vladimír Wagner, přední český specialista na jadernou fyziku, se ve volných chvílích zajímá o jaderné reaktory. V následujících odstavcích si můžete přečíst jeho pohled na reaktory vyrobené v minulosti, provozované elektrárny, či jaké novinky může přinést budoucí výzkum. Celý článek najdete zde.

Bloky APR1400 se dokončují i ve Spojených arabských emirátech (zdroj enec.gov.ae).

V současnosti jsou základními tématy, které ovlivňují a rozhodují budoucnost jaderné energetiky tyto tři. Prvním a klíčovým je uvádění do provozu prvních reaktorů III. generace a otázka, zda se podaří přechod k těmto typům reaktorů a jestli budou úspěšné i ekonomicky. Zde se podařilo zprovoznit první exempláře už tří typů. Jsou to japonský varný reaktor ABWR, jihokorejský tlakovodní reaktor APR1400 a ruský tlakovodní reaktor VVER1200, který je první reaktor III+ generace v provozu. Další jsou pak těsně před spuštěním.

Druhým hlavním tématem je vývoj konkurenceschopných malých modulárních reaktorů. Zde jsme zatím nejdále v cestě k plovoucím jaderným elektrárnám, první z nich se už v Rusku buduje. Existuje řada dalších rozpracovaných koncepcí, které by se mohly dočkat prvních realizací během následujících deseti let.

Bloky APR1400 se dokončují i ve Spojených arabských emirátech (zdroj enec.gov.ae).

Třetím problémem je přechod k reaktorům IV. generace. Zde je zatím nejdále vývoj rychlých sodíkových reaktorů, prototypové vzory reaktorů, které jsou jejich předobrazem, už fungují jako komerční elektrárny v Rusku a spouští se v Indii.

V následujících řádcích bude nejdříve přehled jaderných technologií a jejich principů. Pak si rozebereme současný stav jaderné energetiky a její předpokládaný rozvoj a podíváme se také na možnosti uplatnění jaderných zdrojů v Česku.

Jaderné reaktory a jejich různé typy

Jaderné reaktory využívají k uvolňování energie štěpnou řetězovou reakci. Ta je umožněna tím, že těžká jádra mají oproti těm středně těžkým větší přebytek neutronů oproti protonům. Při jejich štěpení se tak kromě energie uvolňuje i několik neutronů. Zároveň se při záchytu neutronu tímto těžkým jádrem uvolňuje vazebná energie. Protože protony a neutrony mají tendenci se v jádře párovat, je uvolněná energie při záchytu sudého neutronu mnohem vyšší, než lichého. U těžkého jádra s lichým počtem neutronů stačí energie uvolněná záchytem neutronu k jeho rozštěpení. Uran má 92 protonů, tedy sudý počet, štěpit záchytem neutronů se tak dají jeho liché izotopy, například uran 235 nebo 233. Takové izotopy uranu se označují jako štěpné. Naopak sudý izotop uranu, například uran 238, prostým záchytem neutronu štěpit nelze. Je to možné pouze v případě, kdy má neutron dostatek energie, kterou do jádra vnese.

Jádra těžší než olovo nejsou stabilní a rozpadají se radioaktivním rozpadem. Ovšem některé z nich mají velmi dlouhý poločas rozpadu. Jde o uran 238 s poločasem rozpadu 4,5 miliardy let, uran 235 s poločasem rozpadu 0,7 miliardy let a thorium 232 s poločasem rozpadu 14 miliard let. Tato jádra vznikla při výbuchu supernov, což jsou konečná stádia velmi hmotných hvězd a ve Sluneční soustavě jsou od jejího počátku. Po celou dobu její existence se postupně rozpadají. Uran 235 má kratší poločas rozpadu a tak se rozpadá rychleji. To je důvod, proč v přírodní uranové rudě je pouze 0,7 % tohoto štěpného izotopu.

Všechny neutrony, které vzniknou při štěpení, nevedou k dalšímu štěpení. Mohou být zachyceny jádry, která se neštěpí. Úkolem jaderném reaktoru je zajistit, aby zhruba jeden neutron uvolněný pří štěpení způsobil další štěpení. V tom případě dosáhneme toho, že štěpná řetězová reakce bude stabilní, řízená a udržitelná. Neutrony s velmi nízkými energiemi a rychlostmi mají velmi vysokou pravděpodobnost, že budou zachyceny štěpnými jádry a způsobí štěpení. Ovšem při štěpení vznikají neutrony s relativně vysokou energií. Proto je výhodné neutrony zpomalovat – moderovat. Nejvíce energie ztrácí neutrony při rozptylu na jádrech, které mají podobnou hmotnost, tedy těch nejlehčích. Lze využít například vodu nebo grafit, což jsou materiály, které obsahují velmi lehké prvky.

Existují tak dva základní typy reaktorů. Termální reaktory využívají moderované neutrony s velmi nízkými rychlostmi blízkými jejich tepelnému pohybu a rychlé reaktory, u kterých se neutrony nemoderují.

Jednotlivé konkrétní typy reaktorů se pak liší tím, jaké materiály využívají jako palivo, moderátor a chladivo. V padesátých a šedesátých letech se vyzkoušela většina kombinací a z nich se postupně vytříbily sestavy, které se ukázaly být výhodné k energetickému využití a tvoří současnou světovou jadernou flotilu. Nejčastěji se využívají tlakovodní a varné reaktory, které jsou moderované a chlazené vodou. Příkladem tlakovodního reaktoru jsou například naše bloky v Dukovanech a Temelínu.

První komerční elektrárnou byla Calder Hall ve Velké Británii (zdroj energy.gov).
První komerční elektrárnou byla Calder Hall ve Velké Británii (zdroj energy.gov).

Dalším užívaným typem je reaktor moderovaný a chlazený těžkou vodou, která obsahuje těžký vodík – deuterium. Jeho výhodou je, že deuterium pohlcuje neutrony s menší pravděpodobností než lehký vodík. Reaktoru tak při vhodném uspořádání stačí daleko menší obohacení štěpným izotopem uranu 235 a může tak využívat přírodní uran. Příkladem takového typu jsou například kanadské reaktory CANDU.

Celý článek najdete zde.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *