Jaderná energie

Získávání jaderné energie Základní stavební jednotkou hmoty jsou atomy (různých chemických prvků)- každý má atom má jádro složené z jaderných částic. Za určitých okolností se může jádro atomu "přeorganizovat" - zachytit další částice, uvolnit je, nebo se rozštěpit na dvě nová jádra. Některé z těchto (jaderných) reakcí jsou spojeny s uvolněním značného množství energie. Například při rozštěpení jádra uranu se uvolní tepelné energie doprovázené radioaktivním zářením. Tato reakce pak může proběhnout buď velmi rychle (při jaderném výbuchu) nebo relativně pomalu (v jaderném reaktoru). Nejčastěji používané je dnes jádro Uranu 235.

Princip štěpení jádra atomu Štěpení jádra Impulsem pro štěpní jádra atomu je interakce jádra s neutronem. Neutron nenese elektrický náboj a nemusí tedy překonávat bariéru elektrických sil. Štěpící se jádro se deformuje, protahuje, až odpudivé elektrické síly převáží a kladná dceřiná jádra se od sebe rozletí (rychlostí asi 10 000 km/s). Tato jádra o obrovské kinetické energii se srážejí s dalšími atomy, odebírají jim elektrony a tvoří si z nich nové elektronové obaly. Postupně se uklidňují a jejich kinetická energie přechází až na energii kmitů atomů a molekul. Tedy do formy tepelné energie, kterou lze využít v jaderné elektrárně. Při štěpení jádra uranu, které se stalo základem jaderné energetiky, se vždy uvolní i dva až tři neutrony; ty pak mohou narazit do dalších jader uranu a vyvolat další štěpení. Vzniká řetězová štěpná reakce jádra, kterou může obsluha elektrárny řídit zachycením přebytečných neutronů. Efektivita jaderného štěpení a palivo Zatímco při klasickém hoření získáváme z hmoty jen zcela nepatrný zlomek v ní skryté energie, při jaderném štěpení je to až desetina procenta klidové energie štěpeného jádra. Po technickém zvládnutí jaderné fúze (opak technologie štěpení), bylo by možné z klidové energie slučovaných částic získat téměř jedno procento energie. Palivem jaderných elektráren v České republice je oxid uraničitý UO2 s uranem mírně obohaceným o štěpitelný izotop 235 (na 2-4 % celkového množství uranu; v přírodním uranu je jen asi 0,7 % izotopu 235).

Jaderné elektrárny Elektrická energie se v jaderné elektrárně vyrábí stejně jako v elektrárnách používajících fosilní paliva. Rozdíl je pouze ve zdroji tepelné energie. Tím je v případě jaderné elektrárny tepelná energie uvolňovaná při řízené štěpné reakci probíhající v jaderném reaktoru. Většina jaderných elektráren je dvouokruhová Jaderné elektrárny typu VVER, pracující v ČR, se skládají ze dvou uzavřených okruhů: primárního (jaderného) a sekundárního (nejaderného). V primárním okruhu koluje voda, která chladí reaktor. Trubky primárního okruhu procházejí výměníkem, tzv. parogenerátotrem, kde ohřívají vodu sekundárního okruhu. Tepelná energie vznikající v reaktoru se tedy pomocí primární vody předává vodě okruhu sekundárního. V reaktoru a v celém primárním okruhu je poměrně vysoký tlak, který zabraňuje vodě ve varu a vzniku páry. Ta proto vzniká až v sekundárním okruhu, kde umožňuje přeměnu tepelné energie na energii pohybovou a elektrickou. K tomu slouží turbosoustrojí, tj. turbína poháněna sytou parou a generátor, který využívá pohybovou energii vyvinutou turbínou. Pára, jejíž tlak i teplota poklesly, je z turbíny odváděna do kondenzátorů, kde se po ochlazení sráží (kondenzuje) na vodu; ta je vracena zpět do parogenerátoru, čímž se sekundární okruh uzavírá.

Jaderný reaktor-hlavní část elektrárny -zařízení v němž probíhá štěpná reakce Jaderné palivo Vsázka paliva do reaktoru typu VVER představuje dané množství UO2 ve tvaru válečků (pelet). Ty jsou uloženy v palivových proutcích sdružených do palivových souborů (kazet). Energetický obsah jedné pelety (v reaktoru jsou jich řádově desítky milionů) nahradí 1,6 t hnědého uhlí. Tato energie se z pelety získává v průběhu 4 let. Palivo se vkládá do aktivní zóny reaktoru. Palivové proutky jsou chráněny povlakem ze speciální slitiny, nejčastěji na bázi zirkonia. Tento povlak zaručuje předání tepla z paliva chladivu a zároveň nepropustí radioaktivní štěpné produkty. Chladivo Štěpící materiál vyžaduje neustálé ochlazování tak, aby nedošlo k roztavení povlaku jaderného proutku, úniku štěpných produktů a aby byla zajištěna bezpečnost reaktoru. To zajišťuje chladivo, které odvádí teplo tam, kde ho lze využít. Jako chladivo se nejlépe osvědčuje obyčejná voda, těžká voda, oxid uhličitá, helium, sodík a některé soli nebo slitiny.

Regulace - moderátor, absorbátor K nastartování reaktoru se používá vnější neutronový zdroj. Pravděpodobnost, že při svém letu neutron rozštěpí jádro izotopu uranu 235 je malá, spíše se při srážce s ním jen odrazí aniž by předal část své velké energie. Je třeba ho zpomalit. Látkou, která neutrony zpomaluje, je tzv. moderátor. Moderátorem bývá u reaktoru, kde štěpení obstarávají pomalé neutrony, nejčastěji voda, ale také grafit nebo těžká vody (D2O). U reaktorů, které pracují na bázi rychlých neutronů, moderátor chybí. Živelnému štěpení zabraňuje tzv. absorbátor, který zachycuje přebytečné neutrony. Absorbátor se do aktivní zóny vkládá také ve formě tyčí, podobně jako palivo. Výkon reaktoru se reguluje výškou vytažení nebo zasunutí kazet do aktivní zóny. Bezpečnost jaderného reaktoru Při konstrukci jaderné elektrárny je kladen hlavní důraz na bezpečnost reaktoru. Pro případ okamžitého zastavení reaktoru jsou připraveny havarijní tyče. V nich bývá mnohem vyšší koncentrace absorbátoru než v tyčích regulačních. Havarijní tyče jsou vysunuty nad aktivní zónu, kde je drží elektromagnety. V případě nebezpeční havárie elektrárny havarijní signál vypne elektromagnety a tyče spadnou do aktivní zóny reaktoru a štěpnou reakci zastaví.

Konstrukce jaderného reaktoru Reaktor je v podstatě veliká nádoba, nebo soustava nádob, která musí odolávat vysokým tlakům, teplotám a intenzivnímu toku neutronů. V současnosti se používají tři typy nádob reaktoru: Reaktor s tlakovou nádobou (používají ho obě české jaderné elektrárny) je vhodný tam, kde je objem paliva přibližně stejně velký jako objem moderátoru. Reaktorová nádoba je vyrobena ze speciální nerezavějící oceli, průměr bývá okolo 7 metrů a výška až 23 metrů. Reaktory s nádobou ze železobetonu se používá v elektrárnách, kde se ke zpomalování neutronů využívá grafit. Vnitřní rozměry takových železobetonových nádob dosahují desítek metrů. Jsou velmi odolné proti tlaku. Reaktor s tlakovými trubkami je vhodný v případech, kde objem moderátoru je mnohem větší než objem paliva. Palivo je umístěno v trubkách obklopených bloky moderátoru. Celý systém je uzavřen v betonové budově.

Vyhořelé palivo a jeho uložení Vyhořelé palivo z jaderných reaktorů tvoří méně než 1% objemu všech jaderných odpadů, ale obsahuje přes 90% veškeré radioaktivity. Jeden reaktor s výkonem 1 000 MW produkuje ročně 30 tun vyhořelého paliva. Po vyhoření se palivové články z reaktoru vyjmou a přesunou do bazénu vyhořelého paliva. Tam jsou 3-4 roky. Voda je stále chladí, protože radioaktivním rozpadem stále vzniká teplo. Jejich radioaktivita mezitím klesne na 50% původní hodnoty. Vyhořelé články se pak vloží do speciálních kontejnerů a odvezou do meziskladu vyhořelého paliva. Zde se skladují řádově několik desítek let. Pak se zalité ve skle nebo v betonu ukládají do hlubinných úložišť se stabilním podložím (např. do bývalých solných dolů). Vždy je zajištěno, aby nedošlo ke kontaminaci spodních vod. Některé země s rozsáhlým jaderným programem se rozhodly pro přepracování vyhořelého jaderného paliva. V provozu jsou komerční přepracovací závody např. v La Hague a v Marcoule ve Francii či v Sellafieldu ve Velké Británii. Kapacita těchto závodů představuje asi jen 25 % vyhořelého paliva ze současně provozovaných jaderných elektráren. Francouzi vypočítali, že recyklace 10 až 11 tun plutonia z vyhořelých palivových článků za rok se rovná 11 milionům tun ropného ekvivalentu. Přepracování je poměrně složitým a nákladným chemickým procesem, jehož princip je znám již od 40. let minulého století. Plutonium se opět použije jako palivo, uran se uskladní nebo použije pro výrobu nového paliva. Z jedné tuny vyhořelého paliva tak vznikne pouze 115 litrů vysokoaktivního odpadu převedeného do formy skla.

Reaktory budoucnosti-jaderná fúze Vedle štěpení těžkých jader existuje ještě jeden způsob, jak uvolnit jadernou energii, a tím je slučování (fúze) jader lehkých prvků. Při štěpení těžkých jader se energie uvolňuje, protože vznikají jádra s větší střední vazebnou energií nukleonu, tj. jádra se stabilnější jadernou strukturou. Při slučování lehkých jader (1H, 2H, 3H, 3He, 6Li, 7Li), při kterých vzniká jádro 4He, také získáme značnou energii. Je tomu tak proto, že mezi lehkými jádry má právě toto jádro obzvlášť vysokou střední vazebnou energii a tedy nejstabilnější jadernou strukturu. Vydatnost takové reakce přitom může být při slučování téměř o řád vyšší než v případě štěpení. Takových reakcí lehkých jader je známo více než třicet. Pro praktické využití této energie však zatím přichází v úvahu jen reakce mezi deuteriem a tritiem (reakce DT) 2H+ 3H=> 4He+n+17,58MeV,(49)protože ze všech reakcí probíhá nejsnadněji a uvolňuje se při ní značné množství energie. Uvolněnou energii odnášejí ve formě své kinetické energie neutron (14,06 MeV) a jádro helia (3,52 MeV). Energetický potenciál této reakce je obrovský - reakcí jednoho gramu směsi deuteria a tritia v poměru 1:1 se uvolní stejné množství energie jako při spálení osmi tun ropy. Ukazuje se, že jedinou praktickou možností realizace jaderného slučování k získání energie je zahřátí paliva na teplotu dostatečnou k překonání elektrostatické bariéry mezi jádry paliva (odtud název termojaderná reakce). Reagující látky, deuterium a tritium, se zahřejí na teploty 107-109 K, při nichž se hmota nachází ve stavu ionizovaného plasmatu, tj. volných jader a elektronů. Za těchto podmínek dochází mezi jádry k velkému počtu srážek a vysoká kinetická energie jader deuteria a tritia způsobuje, že jádra překonávají coulombovskou bariéru a reagují.

Účinky záření Již brzy po objevu radioaktivity se ukázalo, že radioaktivní záření může vést k poškození lidského organismu. Záření, které prochází tkání, působí destruktivně na jednotlivé molekuly, rozbíjí vazby mezi atomy v molekulách, ionizuje atomy a molekuly. Kromě toho může vlivem záření docházet k jaderným reakcím a k přeměně jednotlivých atomů na druhé. Navíc absorbce záření tkání vede ke zvýšení teploty tkáně. Všechny tyto děje způsobují destrukci buněk v ozařované tkáni. Proto byla již roku 1928 založena Mezinárodní komise pro ochranu před zářením (ICRP), která vypracovala během své existence řadu doporučení pro práci se zářením a radionuklidy. Z těchto doporučení vychází většina předpisů a norem platných pro práci se zářením v jednotlivých státech. U nás je to norma ČSN 341730. Lidský organismus může přijít do styku se zářením dvojím způsobem, buď vnějším ozářením nebo vnitřním ozářením. O vnějším ozáření mluvíme tehdy, když je organismus ozařován zdroji záření z našeho okolí. K vnitřnímu ozáření dochází tehdy, když se radioaktivní látky dostanou do organismu dýcháním, s potravou nebo povrchovými poraněními.

Radioaktivní záření je proud nejmenších částic s obrovskou energií Radioaktivní záření je proud nejmenších částic s obrovskou energií. Pokud taková částice proletí naším tělem, zanechá za sebou stopu v podobě řetízku nabitých atomů, které jsou chemicky agresívní. Nabité atomy obvykle vybijí svoji agresivitu neškodnou chemickou reakcí. Někdy však dojde k chemickému poškození složité organické molekuly, která řídí životní pochody našeho organizmu. Nejdůležitější organická molekula, šroubovice DNA, která nese genetickou informaci a řídí život buňky, je naštěstí dvojitá, takže když dojde k poškození jedné její části, okamžitě se opraví podle části druhé. K neopravitelnému poškození dochází teprve tehdy, je-li ozáření velmi intenzívní. Buňka pak chybně pracuje, chybně se množí, případně umírá. Radiace je jen jednou z mnoha příčin poškozování buněk a každý organizmus má schopnost podobné ztráty nahrazovat, ovšem jen do jisté míry. Podle doporučení ICRP - 26 rozlišujeme dva typy poškození tkáně zářením: nestochastické poškození (tedy nenáhodné), pro něž je typická určitá minimální dávka - práh, nutná k tomu, aby došlo k poškození. Patří sem např. popálení kůže, poškození krvotvorné kostní dřeně, ap. stochastické poškození (náhodné), které je charakterizováno pravděpodobností poškození, přičemž tato pravděpodobnost s rostoucí dávkou vzrůstá. Patří sem zejména karcinogenní a genetické účinky záření. Jak už bylo řečeno, část buněk je schopna po určité době poškození opravit, popřípadě se poškozené buňky nahradí novými. Jsou však případy, kdy se poškození od ozáření z různých období mohou skládat.

Jaderné zbraně Jaderná zbraň je zbraň hromadného ničení Jaderné zbraně Jaderná zbraň je zbraň hromadného ničení. Ničivé působení jaderné zbraně je dáno energií, která se uvolňuje při jaderném výbuchu, jehož základem je jaderná reakce. Z hlediska principu rozlišujeme dvě základní skupiny jaderných zbraní – štěpné jaderné zbraně a termonukleární jaderné zbraně. Kombinací těchto základních skupin mohou být zkonstruovány jaderné zbraně se specifickými vlastnostmi. Štěpné jaderné zbraně Štěpná jaderná zbraň musí obsahovat nadkritické množství štěpných látek (obvykle uranu 235 nebo plutonia 239). Do okamžiku roznětu zbraně musí být její náplň podkritická-hustota látky je tak vysoká, že neutrony vznikající při štěpné reakci jsou plně pohlcovány a nemohou vyvolávat štěpení dalších jader. K dosažení nadkritického stavu jsou používána dvě základní konstrukčně-technická uspořádání - implozní a hlavňové. V implozním uspořádání dochází výbuchem vysoce účinných klasických výbušnin, obklopujících podkritickou štěpnou náplň k jejímu prudkému rovnoměrnému stlačení (implozi), čímž tato přejde do nadkritického stavu. V hlavňovém uspořádání roznětu jaderné zbraně jsou dva nebo více kusů podkritického množství štěpného materiálu vstřeleny explozí klasické výbušniny vůči sobě uvnitř zařízení, tvarem připomínajícím uzavřenou dělovou hlaveň. Termonukleární jaderné zbraně  Termonukleární jaderné zbraně využívají k uvolnění energie principu jaderné syntézy. Jaderná syntéza je proces, při němž se atomová jádra lehkých prvků (např. deuteria, tritia, lithia) spojují a tvoří jádro těžšího prvku. Pro iniciaci jaderné syntézy se využívá štěpné řetězové reakce. Radiologické zbraně  Radiologické zbraně jsou zbraně, využívající škodlivé účinky ionizujícího záření. K rozptýlení radionuklidů nebo radioaktivní látky se může použít nálož klasické trhaviny, čímž dochází k rozsáhlé radioaktivní kontaminaci území.