- info@jaroprodukovany.cz
Ahoj Jaderníci! Posledně jsme si popsali obecný princip jaderné elektrárny, nakreslili jsme si schéma a vysvětlili hlavní části technologie. Dnes si přiblížíme to slovíčko „jaderné“. Ve studentském okénku si představíme radioaktivitu a štěpnou reakci – povíme si z čeho se skládá hmota, co to je radioaktivita a jak probíhá štěpná reakce uvnitř reaktoru.
Každý z vás už určitě slyšel v hodinách fyziky nebo chemie o atomech – takzvaných nedělitelných částicích (z latinského átomos = nedělitelný). Dnes už ale na rozdíl od starověkých Řeků víme, že atom dělitelný je a že se skládá z dalších menších částic – protonů, neutronů a elektronů. Protony a neutrony tvoří jádro atomu, zatímco elektrony obíhají kolem tohoto jádra. Můžeme si představit jádro atomu (protony a neutrony) jako naše Slunce, kolem kterého obíhají planety – elektrony.
(1)
Protony jsou částice, které jsou kladně nabité, a protože příroda si přeje mít vše v rovnováze, tak v atomu je právě takový počet záporně nabitých částic, elektronů, aby vykompenzovaly kladný náboj protonů. Na obrázku 1 vidíme šest protonů uvnitř jádra, takže i v obalu musí být šest elektronů. Možná se ptáte:“ Jak to, že kladně nabité částice drží v jádře pospolu, když například kladně nabité póly magnetů se od sebe odpuzují?“ Uvnitř jádra atomů totiž působí silné jaderné síly, které přitahují protony a neutrony k sobě a drží je pohromadě. Silné jaderné síly působí na krátkou vzdálenost a jsou silnější než odpuzující síly. A tady hrají roli právě neutrálně nabité neutrony, které „vyplňují“ prostor mezi protony a pomáhají k celkové rovnováze jádra. Vidíme tedy, že v jádře dochází k neustálé tvorbě rovnováhy mezi přitažlivými jadernými silami a odpuzujícími elektromagnetickými silami.
„Teď už vím, proč jádro drží pohromadě … ale jak to, že kladně nabité jádro nepřitáhne elektrony k sobě? Na škole nás přeci učili, že kladně a záporně nabité částice se přitahují?!“ Vysvětlení jevu, proč elektrony „nespadnou“ do jádra je komplikovanější a museli bychom více nahlédnout do kvantové mechaniky. Ale pro zjednodušení si připomeňme analogii, že stejně jak planety krouží kolem Slunce, tak se elektrony pohybují kolem jádra.
Se stabilitou jádra atomu úzce souvisí pojem radioaktivita. Radioaktivita je samovolný děj, což znamená, že jej nemůžeme ovlivnit vnějšími podmínkami jako je například teplota, tlak a podobně. Je to pouze pravděpodobnostní děj. Obdobně jako při hodu kostkou je pravděpodobnost, že spadne právě číslo 6, tak pro různé atomy platí pravděpodobnost, že dojde k jejich „rozpadu“. Příroda si vlastně také hází kostkou.
Radioaktivita neboli uvolnění energie z atomu, může nastat několika způsoby – rozpadem na dva různě velké atomy nebo vyzářením energie (α, β, γ nebo n-záření). Co jednotlivá písmenka pro označení vyzářené energie znamenají, si povíme v článku o dozimetrii – měření vlivu záření na člověka.
Tak teorii jsme si prozradili a teď se podívejme do reaktoru, kde vlivem jaderné energie ze štěpení vzniká teplo.
Už víme, že jako palivo používáme v reaktoru uran 235U. Číslo 235 značí součet protonů a neutronů, tedy v tomto konkrétním případě je to 92 protonů a 143 neutronů. „Ale proč používáme zrovna 235U?“ Tento izotop uranu se používá v jaderné energetice z toho důvodu, že při štěpení těžkého prvku je možné využít fyzikální proces štěpení jader k uvolnění energie, která je pak dále transformována na energii tepelnou. Konkrétně 235U má ještě jednu výhodu a to tu, že se dá lehce štěpit (pro zjednodušení, je to největší prvek nacházející se v přírodě). Pro tento izotop je také charakteristický růst pravděpodobnosti štěpení s poklesem rychlosti (energie) neutronů, což si vysvětlíme na následujících řádcích.
(2)
Palivo samo o osobě radioaktivní není, klidně můžete stát vedle něj a nic se vám nestane. Radioaktivní, a tedy i nestabilní, se stává až v reaktoru. Na začátku kampaně, když spouštíme reaktor do provozu, tak ve své podstatě do 235U vystřelíme neutron z „neutronové pistole“. Pro představu je to levá strana obrázku 2. Ale v ten moment se 235U stále nestává radioaktivní. Nestabilní se stává až tehdy, kdy jádro uranu absorbuje neutron, tedy jej zachytí v sobě. Tento proces je však trochu složitější. Použiji zde analogii s pistolí. Představte si, že z pistole vystřelíte na zeď a chcete, aby kulka zůstala ve zdi. Když vystřelíte kulku moc rychle, tak zdí proletí. Naopak když vystřelíte moc pomalu, tak se zase od zdi odrazí. Kulka musí mít přesně danou rychlost, aby zůstala ve zdi. Když dodáme neutronu požadovanou rychlost, zachytí se na uranu. Naruší se rovnováha mezi jadernými a odpudivými silami, atom se rychle roztočí a utvoří dva vzdálené konce, jak je vidět na obrázku 2 uprostřed. Silné jaderné síly, které působí na velmi krátkou vzdálenost, nedosáhnou svojí působností na protější konce jádra, které mají kladný náboj. Převáží odpudivé síly a konce se od sebe rozletí. Vytvoří se tak dva jiné atomy, které letí obrovskou rychlostí. Podobně, jak si třeme ruce o sebe, abychom je zahřáli (a čím víc třeme, tím vytváříme víc tepla), tak stejným způsobem třeme rychlými atomy o vodu, která je v reaktoru. Voda se zahřeje a zbytek už víme z předchozího článku.
Při štěpení atomu uranu na dva nové menší atomy (tzv. štěpné produkty) doprovází tento jev ještě záření a dva až tři samostatné neutrony. Tyto neutrony, stejně jako nové dva atomy, také letí obrovskou rychlostí. Pro řízenou štěpnou reakci je musíme zpomalit, aby měli dostatečnou rychlost pro zásah dalšího atomu uranu a mohli jej rozštěpit. Princip proč, jsme si vysvětlili výše. „A jak neutrony zpomalíme?“ Voda má skvělé vlastnosti, nejen že díky ní odvádíme teplo z reaktoru, ale zároveň působí také jako zpomalovač rychlých neutronů, takzvaný moderátor. Krásný příklad je s tenisovým míčkem a velkým gymnastickým balónem. Když hodím tenisák na velký balón, tak se prostě jen odrazí a v podstatě neztratí žádnou rychlost. Ale pokud tenisák hodím na další stejně velký tenisák, tak se významně změní jeho rychlost. Nás tenisák = neutron je podobně velký jako další částice, a tou je proton. A jaký prvek má jenom jeden proton? Správně, je to vodík. A kde se vyskytuje vodík v reaktoru? Ano, ve vodě, jejíž chemická značka H2O napovídá, že je molekula vody tvořena dvěma vodíky a jedním kyslíkem. Ke zpomalování neutronů tedy dochází pomocí atomů vodíku ve vodě.
„Jaký je rozdíl mezi jadernou bombou a jadernou elektrárnou?“ Princip je ve své podstatě podobný, nicméně největší rozdíl je v počtu vzniklých neutronů při štěpné reakci. Zatímco v jaderné bombě vzniknou při štěpení tři neutrony, které rozštěpí další tři atomy uranu, ze kterých vznikne devět neutronů, které rozštěpí dalších devět atomů uranu, ze kterých vznikne dvacet sedm neutronů, které … a tak dále a tak dále. Tomu se říká neřízená štěpná reakce. Naopak v jaderné elektrárně při štěpení vzniknou tři neutrony, ale dva jsou pohlceny atomem bóru a jen jeden neutron způsobí rozštěpení dalšího atomu uranu. Tomu se říká řízená štěpná reakce. Bór, který je přítomen v chladivu v určité koncentraci, zde funguje jako lapač neutronů a slouží k pomalé regulaci výkonu reaktoru. Aby mohli operátoři reaktoru z blokové dozorny kontrolovat a případně rychle řídit jeho výkon, je přítomen bór také v některých palivových tyčích (tzv. HRK – havarijních, regulačních a kompenzačních tyčích).
Nakonec jsem si nechal perličku. Voda totiž zároveň funguje i jako takový regulátor. Totiž, čím je reaktor teplejší, tím je voda teplejší (přenos energie ve formě tepla). A čím je voda teplejší, tím méně zpomaluje neutrony (protony vodíku se teplem rozkmitají a neutrony je nemohou trefit). Čím jsou neutrony méně zpomalovány, tím budou méně absorbovány uranem a nebude docházet ke štěpné reakci (řekli jsme si, že neutron musí mít správnou rychlost, aby mohl být zachycen atomem uranu) a čím je méně štěpné reakce, tím se reaktor ochlazuje. Tomuto jevu se říká „negativní teplotní koeficient reaktivity“, který ze své podstaty zaručí, že při zvyšující se teplotě v reaktoru dojde k utlumení štěpné reakce, což odvrátí nebezpeční tavení aktivní zóny. Tato samoregulační schopnost tlakovodního jaderného reaktoru funguje bez zásahu vnější pomoci a bez ní by jaderný reaktor v Česku nemohl být provozován (pozn. Takový typ reaktoru nebyl v Černobylu).
Prosím, berte článek jen jako stručné a snáz pochopitelné vysvětlení principu jaderné energie. Ve skutečnosti je princip daleko komplikovanější a náročnější.
D.
14.04.2021