Jadrová energetika

Jadrová energetika
Z hľadiska výroby elektriny je medzi jadrovými a klasickými elektrárňami rozdiel iba v spôsobe, akým sa vyrába para na pohon turbín: kotol na uhlie alebo vykurovací olej sa jednoducho nahradí jadrovým reaktorom. Toto si však vyžaduje vlastné priemyselné odvetvie. Urán-235 je formou prvku uránu, používaného ako palivo vo väčšine jadrových reaktorov. Vo vyťaženom uráne sa však vyskytuje iba v malej koncentrácii- menej ako 1%- zvyšok tvorí urán-238. Pre mnoho reaktorov sa podiel U-235 zvyšuje zložitým a veľmi drahým postupom, nazývaným obohacovanie. Z paliva- obohateného alebo prírodného uránu- sa vyrábajú palivové články, ktoré sa vkladajú do aktívnej zóny reaktora.

Jadrá atómov U-235 sa niekedy pri náraze neutrónov rozpadajú; tento proces sa nazýva jadrové štiepenie. Pri rozštiepení jadra sa uvoľňujú dva alebo tri ďalšie neutróny, ktoré zasa ostreľujú ďalšie jadrá a môžu spôsobiť ich štiepenie a vyvolať reťazovú reakciu. Táto reakcia je v podstate riadenou verziou výbuchu jadrovej bomby. Aby neutróny ľahšie vyvolali štiepenie U-235, spomaľujú sa pomocou moderátora, napr. grafitu. Pri štiepení sa uvoľní toľko energie, že jediná tona uránu sa vyrovná 25 000 tonám uhlia. Na vyvolanie reťazovej reakcie je potrebné tzv. Kritické množstvo štiepneho materiálu. Pre U-235 je to asi 44,5 kg. Výskum štiepnej reakcie viedol k zostrojeniu amerických atómových bômb, ktoré boli 6. a 9. augusta 1945 zhodené na japonské mestá Hirošimu a Nagasaki. Nádoba, v ktorej sú uložené palivové články, je naplnená chladivom. Palivové články ako zdroj energie sa ním ochladzujú, takže jeho teplota stúpa. Neprestajne cirkulujúce chladivo chráni aktívnu zónu pred prehriatím a zároveň z nej odvádza teplo na výrobu pary. Jadrovú reakciu možno spomaliť, alebo celkom zastaviť, ak sa do aktívnej zóny spustia riadiace tyče s obsahom materiálu, ktorý pohlcuje neutróny, napr. bóru.

4.1 Typy jadrových reaktorov
Pre mierové využitie reťazovej reakcie v jadrových reaktoroch je nutné, aby sa reakcie zúčastnil len určitý počet účinných neutrónov – k - multiplikačný faktor. Ak je k väčšie ako 1 reakcia je lavínovitá - atómová bomba, ak je k < 1 reakcia vyhasína. V jadrových reaktoroch je reťazová reakcia riadená tak, aby k=1. Prvú takúto reakciu uskutočnil v r. 1942 E. Fermi. Prvá komerčná jadrová elektráreň, spustená r. 1956 v Calder Hall v Anglicku, používala magnoxový reaktor. Volá sa tak preto, lebo jeho palivo – prírodný urán – je pokryté zliatinou magnézia a hliníka, zvanou magnox. Chladené sú plynným kysličníkom uhličitým. V 70. rokoch vyvinuli v Británii novú generáciu oveľa väčších, plynom chladených reaktorov – zdokonalené plynom chladené reaktory, čiže AGR. Medzi tým v Kanade vyvinuli reaktory na „ťažkú vodu“. Pretože ťažká voda absorbuje málo neutrónov, reaktory, kde sa používa ako moderátor a chladivo, môžu byť prevádzkované na neobohatené palivo. Úsporu na palivových nákladoch však vyrovnávajú ďalšie náklady na výrobu ťažkej vody.

Dnes sú najrozšírenejšie jadrové elektrárne s ľahkovodnými reaktormi. Chladivo i moderátor -  obyčajná voda je dostupná a lacná, no uránové palivo musí byť vysoko obohatené. Vo varných reaktoroch para z vriacej vody znižuje účinnosť chladenia a moderovania, preto sa musí zabrániť zvyšovaniu teploty v aktívnej zóne. V tlakovodných reaktoroch sa voda udržuje ešte pod vyšším tlakom ako u BWR, takže dosahuje potrebnú teplotu bez vrenia.
4.1.1 Tlakový reaktor ( PWR ). V podstate tvorí uzavretú slučku, v ktorej sa kombinované chladivo a moderátor- obyčajná („ľahká“) voda – pod tlakom asi 150 atmosfér prečerpáva cez aktívnu zónu reaktora. V aktívnej zóne vytvorenej z palivových článkoch obsahujúcich tablety obohateného oxidu uraničitého, sa chladivo ohrieva asi na 325 ºC a potom prechádza cez výmenník, kde odovzdáva teplo sekundárnemu vodnému okruhu. Z tejto vody vzniká para, ktorá sa potrubím odvádza na pohon turbíny.

4.1.2 Zdokonalený, plynom chladený reaktor (AGR ). V AGR sú výmenníky tepla umiestnené priamo v tlakovej nádobe. Pri prečerpávaní cez aktívnu zónu z palivových článkov, naplneným oxidom uraničitým, sa chladivo – stlačený oxid uhličitý – ohrieva na 600ºC i vyššie.

4.1.3 Rýchly množinový reaktor (FBR). Vo FBR neutróny uvoľnené z vysoko obohateného paliva ( urán – 235 a plutónium ) pretvárajú obalový plášť z uránu – 238 na ďalšie plutónium – reaktor „množí“ plutónium. Reaktor je „rýchly“, pretože neutróny sa v aktívnej zóne naspomaľujú žiadnym moderátorom. Chladivom je tekutý sodík, schopný účinne odvádzať teplo z kompaktnej aktívnej zóny a odolávať vysokým prevádzkovým teplotám. Okruh chladiva je od parogenerátora oddelený ďalším, celkom samostatným sodíkovým okruhom.

Svetové zásoby uránu nevydržia večne, no jeden druh reaktorov ich využívanie poriadne predĺži – rýchly množinový reaktor. Nevýhodou rýchlych reaktorov je, že si vyžadujú prepracovanie vyhoreného paliva za účelom extrahovania plutónia. Prepracovanie je vysokonáročný a drahý proces, navyše nepopulárny u ekológov. Napriek všeobecnému obmedzeniu vývoja FBR existuje viacero prototypov, napr. v Dounreay v sev. Škótsku, veľký reaktor na Rhône vo Francúzku a jeden v Indii.

4.2 Jadrová bezpečnosť
 V apríli 1986 došlo v jadrovej elektrárni v Černobyle v Sovietskom zväze, k najstrašnejšej jadrovej havárii na svete. Reaktor – sovietska modifikácia BWR – bol prevádzkovaný tak, že para sa vyrábala z vriacej vody vo vnútri reaktora. Toto viedlo k zhoršeniu chladenia a zvýšeniu tlaku. Napokon para reagovala s grafitovým moderátorom v aktívnej zóne a vznikol vodík, ktorý explodoval. Tridsaťtri ľudí zomrela priamo na chorobu z ožiarenia, no oveľa viac ďalších po celej severnej Európe môže v budúcnosti ochorieť na následky z ožiarenia rádioaktívnym mrakom, ktorý pri tom vznikol.

V dôsledku černobyľskej a ďalšej rozsiahlej, hoci menej nebezpečnej havárie PWR v Three Mile Island, USA, mnohé krajiny spomalili, alebo zastavili svoj jadrový program. Taliansko zastavilo výstavbu jadrových reaktorov tesne pred dokončením prvého z nich a Švédsko sa rozhodlo odstúpiť od svojho rozsiahleho jadrového programu. Francúzsko a bývalý Sovietsky zväz vo výstavbe nových jadrových elektrární pokračujú aV. Británia sa rozhodla budovať ďalšie PWR v Sizewelle v Suffolku. Sú v pláne aj viaceré, všetky však vyvolávajú prudké verejné diskusie.

4.3 Jadrová syntéza
Konečným cieľom jadrového priemyslu nie je štiepenie ťažkých jadier, ako v súčasnosti, ale zlučovanie ľahkých – využívanie jadrovej syntézy, a nie jadrového štiepenia. Teoreticky je jadrová syntéza ideálnym riešením. Potrebné palivo – izotopy vodíka deutérium a trícium – sa dajú vyrábať pomerne jednoducho a takmer v neobmedzených množstvách. Hoci časti reaktora budú od energetických neutrónov rádioaktívne, z vlastného paliva neostane rádioaktívny odpad.

Existuje však iný problém: udržať reťazovú jadrovú syntézu by prakticky znamenalo napodobniť podmienky v strede Slnka, alebo pri výbuchu vodíkovej bomby. Izotopy vodíka musia byť zohriate na extrémne vysoké teploty – také vysoké, že elektróny sa odtrhnú od svojich jadier a jadrá sa spoja s takou vysokou energiou, že ich zlúčením vznikne hélium a uvoľní sa ďalšia energia. Pravdepodobne budú potrebné teploty niekoľko sto miliónov stupňov, takže použité materiály budú izolované laserovými lúčmi alebo silným magnetickým poľom. V jednotlivých ústavoch po celom svete sa horúčkovito pracuje na príprave experimentálnych reaktorov.
Bezpečná a čistá energia je zrejme snom všetkých ekológov. Zďaleka však nemusí ísť iba o nejakú predstavu z oblasti vedeckej fantastiky. Takýto zdroj energie, ktorý je navyše takmer ne­vyčerpateľný a pre našu planétu by po­stačoval na tisícky rokov, je reálne do­stupný. Zatiaľ iba na papieri, a treba po­vedať, že jeho využitiu nebránia vedecké problémy, ale politici. Tí sa totiž nevedia dohodnúť na tom, kde by prevratné za­riadenie malo stáť.

Prométheov oheň: V skutočnosti ide o ex­perimentálny obrí termonukleárny reak­tor, vyvíjaný v rámci projektu ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), na ktorom sa spoločne podieľa Európska únia, USA, Kanada, Japonsko, Rusko a čiastočne niekoľko ďalších štátov. Reaktor využíva termonukleárnu fúziu, reakciu podobnú tej, ktorá prebieha na Slnku a iných hviezdach. Zjednodušene povedané, dochádza pri nej k premene ľahkých prvkov na ťažšie, pričom sa môže uvoľniť obrovská energia. Aby sa prekonali veľké odpudivé sily medzi jadrami týchto prvkov, treba vyvinúť teplotu rátanú v desiatkach až stovkách miliónov stupňov. Rozdiel medzi reakciou vo hviez­dach a umelo riadenou termonukleárnou reakciou je v zúčastnených prvkoch. Na Zemi sa ako najefektívnejšie ukazuje po­užitie dvoch ťažkých izotopov vodíka - deutéria a trícia. Pri tejto reakcii vzniká jad­ro hélia, a predovšetkým sa uvoľní ohrom­ná energia. Na ilustráciu -10 gramov trí­cia a 15 gramov deutéria by dokázalo uvoľniť takú energiu, akú v priemere spotrebuje jeden človek v priemyselne rozvi­nutej krajine za celý svoj život.

Na získanie 15 gramov deutéria pritom stačí 500 litrov obyčajnej vody. Trícium možno získať z lítia, použitého na obal (blanket) reaktora. Z hľadiska globálnych zásob energie sú teda pre termonukleárny reaktor dôležité zásoby lítia, ktoré je po­trebné na výrobu trícia. Jeho množstvo v zemskej kôre postačuje rádovo na tisícky rokov. V reaktore však možno prevádzko­vať aj technologicky náročnejšiu reakciu deutérium-deutérium.

Čistá energia: Ide o jeden z najbezpečnejších spôso­bov získavania energie, pretože aj v obrovskom re­aktore je vždy prítomné iba malé množstvo paliva v sta­ve plazmy, dosahujúcej teplo­tu vyše sto miliónov stup­ňov. Ak by sa mala reakcia vymknúť spod kontroly, stačí plazmu ochladiť a do­slova v zlomku sekundy príde k jej prerušeniu. K ďalším výhodám patrí aj to, že pri termojadrovej fú­zii nevzniká žiadny rádio­aktívny odpad, ako je to v bežných jadrových elektrárňach, a zároveň ne­vznikajú ani žiadne exhaláty ako v tepel­ných elektrárňach. To všetko však zďale­ka nie je také jednoduché, ako to vyzerá.

Pudingový problém: Termonukleárna re­akcia nie je odpozorovaná len z hviezd a tí, čo tvrdia, že sa zahrávame s ohrom­nými silami, ktoré sa ľahko môžu vym­knúť kontrole a zničiť život na Zemi, tiež nemajú celkom pravdu. Termonuk­leárne reaktory totiž už existujú, aj keď zďaleka nedosahujú parametre ITER-u. Vedci s nimi experimentujú napríklad vo Francúzsku (Tore Supra), Veľkej Británii (JET), USA (TFTR), ale aj v Rusku (T-15) a Japonsku (JT-60). Týmto zariadeniam sa zvykne hovoriť aj tokamaky (TOroid-naja KAmera a MAgnetnyje Katuški), pričom ide už o medzinárodne vžitú a ak­ceptovanú skratku - ak dešifrujeme ná­zov pokusného amerického termonuk­leárneho reaktora TFTR, dostaneme ná­zov Tokamak Fusion Test Reactor. Všet­ky sa však potýkajú s jedným zásadným problémom - nemožnosťou udržať dlhší čas plazmu v stave umožňujúcom termo­nukleárnu reakciu.

Špičkový vedec v oblasti termojadrových fúzií Edward Teller svojho času pri­rovnal tento problém k pokusu udržať pokope puding pomocou gumičky. Doteraz sa reakciu podarilo udržať len zopár sekúnd a energia potrebná na spus­tenie reakcie bola vždy pod­statne väčšia, než energia pokusom získaná. Kvantum energie je potrebné predo­všetkým na vyvolanie ex­trémnych podmienok v re­aktoroch, napríklad v nich bola dosiahnutá mimoriad­ne vysoká teplota, s akou sa vedci nestretávajú ani vo hviezdach - a to doslova. Kým v reaktoroch JET a TFTR sa teplota vyšplhala na neuveriteľných 300 mi­liónov stupňov, tak vnútri Slnka je teplota takmer 20-krát nižšia, “iba" 15 až 20 miliónov stupňov.

Komerčné využitie: Odbor­níci odhadujú, že výstavba prvej komerč­nej termonukleárnej elektrárne by sa v optimálnej situácii mohla začať nieke­dy medzi rokmi 2030 - 2035, všetko však závisí od politických ťahaníc, týkajúcich sa umiestnenia ITER-u. Zo štyroch mož­ných miest - francúzskeho Cadarache, kanadského Claringtonu, Rokkashomura v Japonsku a Vandellos v Španielsku,
Nakoniec sa vyprofilovali dvaja horúci kandidáti a vyzerá to tak, že sa bude roz­hodovať medzi Japonskom a Francúz­skom. Obe miesta sú takmer rovnako vhodné, no po roztržke medzi Európou a USA v súvislosti s vojnou v Iraku je momentálne situácia patová. Japonsko z pochopiteľných príčin výrazne podporu­jú Spojené štáty a pridáva sa aj Južná Kórea. Európa si zas získala na svoju stranu z dôležitých hráčov Rusko a Čínu. Jed­ným z možných riešení je aj to, že namiesto ITER-u zač­nú obe strany stavať vlast­ný obrí Tokamak. To by však znamenalo výrazný časový posun a napokon aj finanč­né problémy - suma, ktorá by sa mala investovať do projektu od súčasného stavu až po fázu testovacej pre­vádzky, sa odhaduje na vyše 10 miliárd eur.

Kým z technologického hľadiska sú všetky zásadné problémy viac-menej vy­riešené už od roku 2001, v priebehu tohto roka malo byť definitívne rozhodnuté o jeho umiestnení a so stav­bou sa malo začať v roku 2005, pričom skúšobná prevádzka sa mala spustiť oko­lo roku 2020. Z nej získané poznatky majú slúžiť ako podklad na projekt ko­merčnej termonukleárnej elektrárne, no ak politici nenájdu spoločnú reč, môže sa stať, že sa jej dočkáme až niekedy v dru­hej polovici 21. storočia.