Svět jaderných reaktorů: Cesta k řízenému štěpení

Tento seriál bude zaměřen na důležitá fakta okolo jaderných reaktorů. Bude popsána historie řízeného štěpení a cesta až do současnosti.

Články budou popisovat nejen principy fungování nejznámějších typů reaktorů, ale i zajímavá fakta o zemích využívajících jadernou energii. Cílem této „ságy“ je poskytnout jednoduchý a stručný náhled do jaderné energetiky.

Přírodní reaktor v Oklu

První jaderné reaktory jsou staré několik miliard let. Pozůstatky některých z nich byly objeveny ve 20. století týmem vědců v západní Africe, konkrétně v oblasti státu Gabon. Podle nalezených důkazů zde dříve probíhala řetězová štěpná reakce, která se přerušovaně udržela více než 100 tisíc let. Tepelný výkon reaktoru v Oklu se odhaduje na 100 kW. Jak je ale možné, že se štěpení, kromě toho že vůbec probíhalo, udrželo tak dlouhou dobu?

Jaderné materiály lze rozdělit na štěpné a štěpitelné. Pro štěpení je nutné překonat aktivační energii jádra. Velikost této energie se liší právě druhem materiálu.

U štěpných materiálů stačí pro překonání aktivační energie, energie samotné střely, v našem případě tepelného neutronu. Pro štěpení jádra štěpitelného materiálu je potřeba vazebná a kinetická energie střely. Takovou energií disponují rychlé neutrony. Typickým štěpným materiálem je izotop ²³⁵U či ²³⁹Pu. Klasickým štěpitelným materiálem je ²³⁸U a ²⁴⁰Pu.

Pro úplnost je třeba dodat, že s rostoucí energií neutronu klesá pravděpodobnost interakce s molekulou (snižuje se pravděpodobnost, že se neutron do molekuly trefí).

Tepelný neutron – neutron o energii 0,002 – 0,5 eV (eV – elektronvolt; 1 eV = 1,602*10E^-19 J – joulů)

Rychlý neutron – neutron s energií 1 keV – 10 MeV

Při samotném štěpení uranu, dochází k rozdělení jádra na dvě nová jádra a uvolní se průměrně 2 – 3 neutrony, které mají nejpravděpodobnější energii 0,8 MeV. Je tedy potřeba jejich energii snížit, abychom získali vyšší pravděpodobnost interakce s jádrem. Energii snížíme pomocí moderace. Při moderaci naráží neutrony na jádra lehčích atomů (např. vodíku) a tím předávají část své energie. V běžném tlakovodním reaktoru je potřeba přibližně 18 takovýchto srážek.

Pro udržení štěpné řetězové reakce potřebujeme vždy minimálně stejný počet neutronů po štěpení jader, jako byl počet neutronů nutný pro jejich štěpení. Vzhledem k tomu, že v klasickém reaktoru typu PWR dojde ke ztrátě přibližně 30 % neutronů ještě před moderací a dalších 30 % neutronů z původního počtu je ztraceno v průběhu moderace, je nutné, aby počet nově vzniklých neutronů při štěpení byl vyšší.

Vědcům při studiu přírodního reaktoru v Oklu vrtalo hlavou, jak mohlo být dosaženo dostatečného množství neutronů pro udržení řetězové reakce. První důležitou podmínkou je, že současné zastoupení ²³⁵U v uranové rudě bylo vyšší, protože s poločasem rozpadu radioaktivního prvku klesá jeho množství.

Poločas rozpadu – doba, během které se rozpadne polovina jader radioaktivního prvku na jádra jiná (T_1/2 = 7,04*10E⁸ let pro ²³⁵U)

Ani přesto by množství štěpného materiálu nebylo dostatečné. Proto druhým předpokladem je výskyt vody, jako moderátoru, pro zpomalování vzniklých neutronů. Vědci se domnívají, že dříve byl takovýto reaktor v provozu periodicky. V době deště byla díky moderátoru nastartována štěpná řetězová reakce, díky vzniklému teplu se voda odpařila, čímž byl odebrán moderátor a štěpení bylo utlumeno.

Nikoho asi v závěru nepřekvapí, že na tomto místě probíhala těžba uranu. Díky níž byly tyto přírodní reaktory odhaleny, protože zaměstnanec pracující s vytěženou rudou v palivovém závodě objevil nižší zastoupení ²³⁵U, než jaké se předpokládalo. Jen doplním, že před 3 miliardami let mohl být podíl ²³⁵U na úrovní asi 3 % objemového zastoupení, tedy o něco nižší množství než obohacené palivo pro tlakovodní JE.

Fermiho dřevěný reaktor

V době asi 5 století př. n. l. přišel Démokritos s teorií, že vše je složeno s miniaturních částic, které jsou již dále nedělitelné, neměnné a stálé a liší se navzájem od sebe pouze velikostí, tvarem a uspořádáním. Tyto částice pojmenoval „atomy“ a pomocí jejich skládání vznikaly tělesa, která přebírají vlastnosti na základě atomů.

Roku 1897 pozoroval J. J. Thompson při pokusu s katodovou trubicí částice, které byly přibližně 1000 krát lehčí než atom vodíku. Určil, že se musí jednat o částice pohybující se uvnitř atomů a pojmenoval je elektrony.

Další významný objev v této oblasti provedl britský fyzik James Chadwick ve spolupráci s Ernestem Rutherfordem. Ostřelováním jader beryllia pomocí alfa záření objevili částici, která nereagovala na elektrické pole a bez problému procházela elektrickou bariérou. Za tento objev dostal Chadwick v roce 1935 Nobelovu cenu za fyziku. Následně se zapojil do projektu Manhattan a podílel se na vytvoření prvních jaderných pum. Zajímavostí je, že ve stejné době neutron objevil i německý vědec Hans Falkenhagen. Svůj objev však v té době nezveřejnil.

Cesta k řízené jaderné reakci byla završena německým chemikem Ottem Hahnem, který v roce 1938 odhalil takzvanou uranovou anomálii. Předtím panovala domněnka, že prvky s atomovým číslem vyšším než 92 vznikají bombardováním jader uranu. Hahn, ale přišel na to, že bombardování jader uranu neutrony způsobí jejich rozštěpení na dva prvky s nižším atomovým číslem.

Po těchto zásadních objevech v oblasti jaderného štěpení již nic nebránilo Enricu Fermi dne 2. prosince 1942 sestrojit pod tribunou stadionu Chicagské univerzity první jaderný reaktor, který byl později pojmenován jako Chicago Pile-1. Konstrukce reaktoru byla velice jednoduchá. Palivo v tomto reaktoru byl neobohacený uran jak ve formě oxidu, tak v kovové formě. Jako moderátor použil grafit o vysoké čistotě. Pro výstavbu bylo připraveno téměř 40 tun uranu a 350 tun grafitu. Aktivní zónu tvořil uran obklopený grafitem. Konstrukce byla zhotovena ze stavebních dřevěných trámů. Řídící tyče byly s příměsí účinných absorbátorů kadmia a bóru. Jako havarijní odstavení sloužil muž se sekerou stojící na vzniklém reaktoru, který byl na příkaz připraven přeseknout lana nesoucí absorpční tyče a také nádobu s vodou, ve které byly rozpuštěny kadmiové sole.

Jaderná elektrárna Obninsk

Uplynuly více než 2 miliardy let od prvního přírodního reaktoru k prvnímu komerčnímu energetickému reaktoru. Jaderné elektrárně v Obninsku ještě předcházelo několik reaktorů určených k produkci štěpného plutonia pro vojenské účely a několik set testů jaderných hlavic. Těmi nejznámějšími byla dozajista 1. atomová bomba odpálená v poušti v Novém Mexiku (operace Trinity – 16. 7. 1945) a dvě nejznámější jaderné pumy svržené na japonská města Hirošima (uranová) a Nagasaki (plutoniová).

Elektrárně v Obninsku ještě předcházel americký výzkumný reaktor EBR-1, jeho výkon však dostačoval pouze k rozsvícení několika žárovek. První jadernou elektrárnou, která dodávala energii do elektrizační sítě, byl Obninsk. Jaderná elektrárna byla postavena na přímý rozkaz J. V. Stalina a tento projekt řídil samotný otec ruské jaderné energetiky I. V. Kurčatov. Elektrárna byla vybudována u města Obninsk, které leží přibližně 100 km jihozápadně od Moskvy a její instalovaný výkon činil 5 MW_e. Šlo o reaktor typu RBMK (podobný typ jako černobylské reaktory) moderovaný grafitem a chlazený běžnou vodou. Palivem byl uran obohacený na koncentraci 5 % izotopu ²³⁵U. Reaktor tedy byl kanálového typu, se 128 kanály, ve kterých bylo uloženo palivo. Aktivní zóna měla tvar válce o průměru 3 m a výškou 1,7 m.

Jak je vidět, cesta k civilnímu využití jaderné energie nebyla vůbec snadná a trvala velmi dlouho. V příštím díle budou představeny reaktory, které následovaly po Obninsku.