Sheldonův koutek 5. díl: Jak funguje jaderná elektrárna?

 

V 18. díle 4. série Sheldon nemůže rozlousknout, jak Howard provádí magický karetní trik, což ho žere natolik, že se neváhá nabourat do superpočítače Cray v Oak Ridge, který je používán pro národní obranu. „Zajímalo by mě, jestli Howard použil radioaktivní indikátor. Jenže kde mám teď sehnat uran-235?“ No a určitě víte, jak to skončilo: „Jak se zdá, nemůžeš hacknout vládní superpočítač a snažit se přes něj koupit uran, aniž by to Úřad pro národní bezpečnost nevyslepičil tvé matce.“ Shánět uran-235, abychom si na vlastní kůži vyzkoušeli, jak funguje jaderná elektrárna, tedy určitě nebudeme, ale aspoň si to krok za krokem vysvětlíme a do detailu popíšeme.

Temelin 

Doby, kdy jsme si museli svítit loučemi a stroje popohánět šlapáním na kole po vzoru křečka v kolečku, jsou dávno pryč. Dnes máme k dispozici elektřinu 24 hodin 7 dní v týdnu. Můžeme ji využívat, kdy se nám zamane, a bereme to jako samozřejmost, takže nás ani nenapadne přemýšlet nad tím, co by bylo, kdyby nebyla. Nad absurditou takové situace se maximálně pousmějeme v jedné ze scén Cimrmanovy jednoaktovky Vizionář, když se uhlobaron Ptáček durdí nad tím, že by přece nemohl přijít o uhelné doly, protože se přeci nedají ukrást jako třeba peněženka nebo kočár. Stejně se nijak zvlášť nezajímáme o to, kde se vlastně elektřina bere.  

Na exkurzi v tepelné elektrárně

Abyste mohli porozumět principu výroby elektřiny v jaderné elektrárně, je třeba si nejdříve vysvětlit, jak funguje elektrárna tepelná. Ve zkratce by se dalo říct, že v ní dochází k přeměně energie tepelné na mechanickou a mechanické na elektrickou. Uhlí vytěžené z dolů se rozdrtí na prášek a pomocí ventilároru je spolu se vzduchem dopraveno k hořákům, kde dochází k jeho spalování. Uvolněné teplo zahřívá vodu v trubkách, díky čemuž vzniká pára o teplotě až 550 °C a vysokém tlaku. Ta proudí do parní turbíny a předává svou mechanickou energii lopatkám – roztáčí je. 

  
Stejná elektřina, různé ceny: Neplatíte víc, než musíte? Srovnejte si nabídky dodavatelů online

Jelikož je turbína pomocí hřídele pevně spojena s generátorem, roztáčí se i on a mechanická energie se přeměňuje na elektrickou, která je poté dodávána do přenosové sítě. Z turbíny je pára vedena do kondenzátoru, kde se pomocí studené vody chladí a kondenzuje, tj. přechází z plynného stavu zpět do kapalného. Část vody pak putuje do chladících věží a odpařuje se, zbytek se vrací zpět do kotle a celý proces začíná znovu.

 ZAJÍMAVOST: Jev, na němž je založena výroba elektřiny ve většině elektráren, se nazývá elektromagnetická indukce. Podle Faradayova zákona o elektromagnetické indukci se na koncích smyčky, která se otáčí v magnetickém poli, indukuje střídavé elektrické napětí. Uzavřeme-li obvod, prochází smyčkou střídavý elektrický proud. Platí, že čím rychleji vodičem v magnetickém poli pohybujeme, tím je indukované napětí větší.

Princip výroby elektřiny v jaderné elektrárně

Jaderná elektrárna se skládá ze tří částí: primárního okruhu, sekundárního okruhu a chladícího okruhu. Principiálně funguje v podstatě dosti podobně jako ta tepelná, jen je teplo vznikající při spalování uhlí nahrazeno teplem uvolňujícím se při štěpné reakci.  Ta probíhá v primárním okruhu, který je z důvodu zamezení úniku radioaktivity neprodyšně oddělen od okolního prostředí tzv. hermetickým boxem, někdy se také můžete setkat s názvem kontejnment. „Obal“ primárního okruhu musí odolat například zemětřesení nebo pádu meteoritu, o útoku UFO nemluvě. Jeho srdcem je reaktor, do něhož se umisťuje jaderné palivo. Nejčastěji se používá obohacený uran ve formě oxidu uraničitého UO2, nebo Plutonium. 

Jak takové palivo vypadá? Trochu jako lidská nervová soustava. Obvykle má tvar malých tobolek nebo tabletek založených do velmi tenkých trubiček, kterým se říká palivové proutky. Ty jsou ještě dále seskupeny do svazků tvořících palivové kazety. Konstrukce kazety je navržena tak, aby se proutky nedotýkaly a současně byly dobře chlazeny chladícím médiem. U některých typů reaktorů se využívá palivo ve formě koulí.   

 

Při proniknutí neutronu do těžkého jádra (například zmíněného uranu-235, tedy izotopu uranu) dojde k předání tak velkého množství energie, že se jádro celé rozkmitá a rozdělí, většinou na dva vzájemně se odpuzující odštěpky, které se od sebe velkou rychlostí vzdalují. Než ale stihnou vzít roha kamsi do tramtárie, zbrdí se nárazy do dalších atomových jader a jejich pohybová energie se přemění na tepelnou → vzniká teplo. Během štepení také dochází k uvolnění 2 až 3 dalších neutronů. Ty je potřeba zpomalit (moderovat) srážkou s moderátorem, tím může být voda (používá se v ČR), různé roztoky nebo například grafit. 

 ZAJÍMAVOST: V ČR máme celkem dvě jaderné elektrárny. Temelín, který se nachází 24 km od Českých Budějovic, a Dukovany, jenž najdete 40 km od Znojma. Obě spolu zajišťují okolo 35 % z celkové výroby elektřiny v republice. 

Pokud bychom však neutrony pouze zpomalovali a neregulovali, jejich počet by rostl exponenciálně ke štěpení, a po nějaké době by došlo k neřízené řetězové reakci – výbuchu. Proto se při štěpení využívají také regulační tyče z kadmia nebo bóru, které přebytečné neurony pohlcují nebo vytahují z aktivní zóny reaktoru (obsahují absorbátor). Jejich pomocí lze reakci i naopak zesílit.

 

Pro případ nutnosti, kdy je třeba reaktor okamžitě odstavit jsou nad aktivní zónou pomocí elektromagnetů připraveny také bezpečnostní tyče. V nich bývá mnohem vyšší koncentrace absorbátoru než v tyčích regulačních. Jakmile je spuštěn poplašný signál, elektromagnety se vypnou, tyče spadnou volným pádem do aktivní zóny a štěpení se zastaví.

Kde se berou bílá oblaka?

Část vody, která se po kondenzaci rozstřikuje ven z chladící věže, se odpaří do vzduchu. Ten postupně stoupá vzhůru, ochlazuje se a vodní pára v něm obsažená kondenzuje. Díky tomu můžete nad věží jaderné elektrárny pozorovat velká bílá oblaka mlhy.

 

Teplo vzniklé při reakci se prostřednictvím chladiva v reaktoru odvádí do okruhu sekundárního, konkrétně tepelného výměníku – parogenerátoru, kde ohřívá vodu v sekundárním okruhu na bod varu. Přitom se vyvíjí velké množství páry, která stejně jako v případě tepelné elektrárny roztáčí turbínu a generátor, čímž vzniká elektřina. Po výstupu z turbíny se pára svádí do kondenzátoru, kde se ochladí a kondenzuje zpět na vodu. Aby mohl probíhat kondenzační proces, je potřeba chladící voda. Ta proudí ve třetím chladicím okruhu, která cirkuluje mezi reaktorem a parogenerátorem v uzavřené smyčce skrz čerpadlo. 

Výhody a nevýhody jaderné elektrárny 

  • Výroba energie je velmi efektivní a spolehlivá.
  • Výkon u moderních bloků lze dobře regulovat → pomáhají udržovat stabilitu sítě.  
  • Cena paliva tvoří pouze malou část z ceny vyrobené elektřiny. 
  • Prakticky nulové exhalace. 
  • Neustálé zvyšování bezpečnosti.
  • U jaderných elektráren jsou vysoké náklady na výstavbu. 
  • Problém s likvidací vyhořelého jaderného paliva. 
  • Možnost jaderné havárie s fatálními následky.

Kde se těží uran?

Uran je v horninách často rozptýlen, netvoří souvislá ložiska, těží se tedy uranová ruda. Z jedné tuny vytěžené rudy lze získat zhruba 1 kg uranu, z kterého se pak vyrábí jaderné palivo. Nejvýznamnější těžiteli jsou Kanada, Spojené státy americké, Německo, Rusko, Austrálie, Jižní Afrika, Nigerie, Kazachstán či Namibie. V České republice se uran těžil pouze v dole Rožná, odkud vyjel poslední vozík s rudou 26. dubna 2017.

 
 
Hodnocení článku:
Počet hlasů: 7