21. Jaderná energetika
A) Štěpná reakce obecně
samovolné štěpení těžkých jader nemá z hlediska
uvolňování energie praktický význam
v úvahu přichází pouze 238
U, poločas přeměny je velký a
uvolněná energie je mizivá
 průmyslové využití energie jádra je založeno :
na štěpné jaderné reakci
je vyvolána jaderným projektilem
pro jadernou energii má význam
účinný průřez reakce (tj. pravděpodobnost jejího
provedení) závisí na energii neutronů
235
U a 239
Pu
Průběh štěpení:
1. záchyt neutronu, vznik složeného jádra
2. excitované složené jádro má více možností rozpadu
štěpení (cca 85 %)
deexcitace emisí fotonů bez
štěpení  reakce (n, ), (15 %)
3. štěpení se může dít mnoha způsoby
4. všechny nuklidy mají nadbytek neutronů a podléhají,
což vede k několikanásobné přeměně -
5. vznikají tak štěpné produkty, z nichž některé emitují
zpožděné neutrony
*
6. je zřejmé, že štěpení vede vždy k jedné lehčí a k jedné
těžší trosce
7. při každém štěpení se uvolňuje několik okamžitých
(štěpných) neutronů (2-3)
8. jejich emise je umožněna vysokou excitační energií
jádra a neschopností štěpných produktů udržet vysoký
poměr N/Z
9. tato skutečnost má pro průmyslové provedení štěpné
jaderné reakce zásadní význam
10. spektrum okamžitých neutronů je spojité (od velmi
malých energií až do několika MeV.
Nejvíce neutronů má energii kolem 0,7 MeV (rychlé
neutrony)
Štěpení jádra popisuje kapkový model jádra
energie potřebná ke zvětšení povrchu jádra až do
kritického zaškrcení se nazývá aktivační energie EA
jádro EA (MeV) E* (MeV) štěpení
235
U 6,5 6,8 pomalé n (~10-2
eV)
239
Pu 6,05 6,6 pomalé n
238
U 7,02 5,5 rychlé n
E* - excitační energie uvolněná při vzniku slož. jádra, tj. při
absorpci neutronu terčovým jádrem
při štěpení jádra se uvolňuje značná energie
Q  210 MeV/jádro
- z toho cca 175 MeV připadá na kinetickou energii
primárních štěpných produktů- jejich jádra jsou
v materiálu paliva silně bržděna a kinetická energie
se přemění na energii tepelnou
- zbytek energie připadá na kinetickou energii
neutronů, emisi fotonů a na excitační energii
primárních štěpných produktů
B) Řízená štěpná reakce a regulace reaktoru
z obrázku plyne skutečnost, že při každém aktu štěpení se
počet neutronů znásobuje minimálně 2x  při
nekontrolované reakci by došlo během zlomku vteřiny k
explozi
v řízeném jaderném reaktoru se z ponechává k udržení
jaderné reakce pouze jeden neutron, který je využit
k dalšímu štěpení (ideální případ)
proto se v jednom časovém okamžiku v soustavě nachází
vždy stejný počet neutronů a uvolňuje se stále stejné
(řízené) množství energie
i bez záměrného zasahování do neutronové bilance je však
v reaktoru méně neutronů, neboť probíhají další procesy
spojené se spotřebou neutronů
- 15% jader 235
U zachytí neutron 235
U(n,) 236
U
30% jader 239
Pu zachytí neutron 239
Pu(n,) 240
Pu
v reaktoru je mnoho materiálů a štěpných produktů, které
parazitně absorbují neutrony
jistý počet z reaktoru unikne
Multiplikační faktor ­ číslo vyjadřující průměrný počet
neutronů na konci každé generace
multiplikační faktor k
kritická soustava
(nutná podmínka pro udržení
štěpné reakce)
= 1
nadkritická soustava
(nebezpečný stav ­ reakce se
velmi rychle rozbíhá, hrozí trvalé
poškození reaktoru přehřátím)
>1
podkritická soustava
(počet neutronů se zmenšuje, až
se reakce zastaví ­ tento stav se
vyvolá tehdy, je-li potřeba
reaktor zastavit)
<1
Zpomalování neutronů se realizuje pomocí moderátorů
Z ekonomických důvodů se nejčastěji používá obyčejná
voda, přestože má vyšší účinný průřez pro záchyt neutronů
než ostatní uvedené materiály
voda plní funkci moderátoru i chladiva
Výpočty lze zjistit, že rychlé neutrony mají malý
multiplikační faktor (0,13) ­ to se projeví v účinném
průřezu pro reakci (viz předchozí tabulka)
 nelze pomocí nich v přírodním uranu udržet štěpnou
reakci
 reakce s pomalými neutrony (0,025 eV) má
podstatně vyšší šanci na udržení a průmyslové provedení
lehká voda
těžká voda
grafit
Pro udržení štěpné reakce platí:
Palivo Moderátor
přírodní uran těžká voda
uran obohacený izotopem 235
U
na 3-4 %
obyčejná voda
uran obohacený izotopem 235
U
na 20 %
není třeba moderovat,
štěpná reakce běží i
s rychlými neutrony
Regulace reaktoru
reaktor jako dynamický systém podléhá během provozu
změnám, neboť se v něm hromadí štěpné produkty ­ mají
vysoké účinné průřezy pro záchyt neutronů , dochází
k tzv. otravě reaktoru
proto se do reaktoru vkládá více paliva, než odpovídá
hodnotě k=1
tento přebytek paliva určuje reaktivitu reaktoru
reaktor má tedy před spuštěním jistou zásobu reaktivity,
která se dá snížit pomocí kompenzačních tyčí, které jsou
zhotoveny z materiálu s vysokým účinným průřezem pro
neutrony
během provozu reaktoru se tok neutronů reguluje
zasouváním tyče do aktivní zóny reaktoru
okamžité změny toku neutronů v aktivní zóně reaktoru se
regulují pomocí řídících tyčí
kromě to obsahuje reaktor tyče havarijní (obsahují bor, Cd
nebo Hf)
reaktorové jedy
133+135
Xe, 149
Sm
Jaderné reaktory
Jaderný reaktor  zařízení, ve kterém lze realizovat řízenou
nepřetržitou štěpnou reakci a plynule odvádět vyvíjené teplo
Typy reaktorů:
školní,
výzkumný
produkční (výroba izotopů)
demonstrační (reaktory menšího výkonu pro ověření určité
koncepce)
energetické reaktory
VVER ..... vodou chlazený-vodou moderovaný (válcová nádoba
z oceli průměr cca 7 m, výška až 23 m, několik set tun, mř.
požadavky na kvalitu)
Aktivní zóna reaktoru  prostor, ve kterém štěpení probíhá
(palivo, moderátor u pomalých reaktorů, řídící tyče, chladicí
médium). Je obklopena reflektorem, který snižuje úniky
neutronů (voda, grafit u pomalých reaktorů; železo, ochuzený
uran u reaktorů rychlých)
Palivo se vyrábí z přírodního nebo obohaceného uranu
kovový uran (s příměsí legujících prvků pro zlepšení
mechanických vlastností) má formu kovových prutů
pokrytých vrstvou slitiny Mg+Al
palivo z obohaceného uranu je nejčastěji v podobě UO2
(tzv. keramické palivo v podobě tablet o průměru 1 cm
a výšce 1-2 cm, které jsou naskládány do kovového
obalu délky 2-3 m, hermeticky uzavřené a zhotovené ze
slitiny Zr nebo nerez oceli)
kovový obal paliva udržuje palivo v kompaktním stavu,
brání rozrušení palivového elementu ­ má zpravidla
tvar hranolu, zadržuje radioaktivní štěpné elementy
v uzavřeném prostoru
soubor palivových elementů tvoří palivový článek.
Palivových článků je v reaktoru několik set, do reaktoru
se vkládají a z reaktoru vyjímají pomocí zavážecího
stroje
palivové články nemohou zůstat v reaktoru do úplného
spotřebování paliva
o snižuje se reaktivita aktivní zóny
o výrazně se zhoršují mechanické vlastnosti
palivového článku
poloha palivových článků se v průběhu provozu
reaktoru mění
částečně vyhořelé palivo se v pravidelných intervalech
vyjímá a nahrazuje se palivem čerstvým
vyjmuté články se skladují po jistou dobu v bazénu
s vodou v primárním okruhu elektrárny, kde se chladí
Chladicí médium cirkuluje mezi palivovými články a odvádí
z aktivní zóny teplo.
vysoké měrné teplo,
dobrou tepelnou vodivost,
tepelně i radiačně stálé,
nesmí příliš absorbovat neutrony
nesmí způsobovat korozi pokrytí palivových elementů
pomalé reaktory voda, těžká voda helium
rychlé reaktory roztavený sodík
Tlakovodní reaktory
jsou nejrozšířenější
palivem je 2-4 % obohacený uran
voda v reaktoru je pod vysokým tlakem (při teplotách cca
300 °C je kapalná)
pára pro pohon turbíny vzniká v sekundárním okruhu
elektrárny
řídicí tyče se zasouvají shora
v ČR jde o reaktory:
- VVER 44O MW (Dukovany)
- VVER 1000 MW Temelín)
tlakovodní reaktory malých rozměrů pracují s vysoce
obohaceným palivem (až 90 % 235
U) ­ jsou malé,
kompaktní, slouží jako pohon např. jaderných ponorek,
vydrží v provozu 2-3 roky)
Palivový cyklus
Další typy reaktorů
Varné reaktory ­ jsou větší než tlakovodní, voda se
částečně mění v páru, řídicí tyče se zasouvají zespodu
Těžkovodní reaktor ­ reaktor s tlakovými kanály,
chlazen i moderován těžkou vodou, palivem je
přírodní uran (Kanada ­ CANDU).
Podobný reaktor byl i reaktor A1 v Jaslovských
Bohunicích, v r. 1977 došlo k havárii a reaktor byl
trvale odstaven.
Plynem chlazené grafitové reaktory (Velká Británie) ­
reaktor je chlazen heliem , které proudí palivovými
kanály pod tlakem 3-5 MPa. Pracuje s mírně
obohaceným uranem, dosahuje se teploty až 850 °C.
Grafitové reaktory chlazené vodou - provozovány
pouze v zemích bývalého SSSR (např. v Černobylu).
Palivem je mírně obohacený uran
Rychlé reaktory ­ používají nezpomalené neutrony.
Vzhledem k tomu, že účinný průřez pro rychlé
neutrony je podstatně menší než pro neutrony
pomalé, musí se pracovat s palivem obohaceným na
20-50% 235
U nebo palivo s odpovídajícím obsahem
239
Pu. Chaldí se roztaveným sodíkem. Pracují hlavně
ve Francii (Phénix, Superphénix).
Množivé reaktory ­ rychlé reaktory s plutoniem, kdy
průměrný počet neutronů při jednom aktu štěpení
i=3. Jeden z neutronů je využíván (zcela záměrně) j
záchytné reakci 238
U(n,), která vede k plutoniu. Při
provozu reaktoru vzniká více plutonia než se
spotřebuje. Vnější část reaktoru je obklopena tzv.
plodivou zónou, která je zhotovena z tablet
z ochuzeného UO2.
C) Jaderná bezpečnost
 stav a schopnost elektrárny a její obsluhy zabránit
nekontrolovatelnému rozvoji jaderné štěpné reakce,
nedovolenému úniku radioaktivních látek a ionizujícího záření
do životního prostředí.
aktivita v aktivní zóně dosahuje cca 1020
Bq 
hlavním cílem je udržet aktivní zónu v neporušeném
stavu
Příčiny možné havárie:
přehřátí reaktoru při ztrátě chladiva (roztržení potrubí,
porucha hnacích čerpadel
poruchy regulace reaktoru
stárnutí konstrukčních materiálů vlivem dlouhodobého
působení toku neutronů
mechanické poškození reaktoru (teroristický útok, pád
letadla, zemětřesení apod.)
Způsoby předcházení haváriím:
systém nepřetržitého měření neutronového toku a teploty
při výraznějších odchylkách od provozních norem se
aktivuje systém havarijní ochrany (rychlé spuštění
havarijních tyčí)
bezpečnostní systémy jsou několikanásobně zálohovány a
paralelní systémy jsou na sobě nezávislé
neustálá dozimetrická kontrola plynných a kapalných
výpust
chlazení reaktoru je rozděleno do několika smyček, z nichž
má každá vlastní oběhové čerpadlo a parogenerátor
lehkovodní reaktory v Temelíně jsou vybaveny zásobníky
s roztokem kyseliny borité (hydroakumulátory). Pokud
klesne tlak chladiva, začne tento roztok samovolně vnikat
do reaktoru
v primárním okruhu je instalován systém chlazení reaktoru
při odstavení ­ aktivní zóna se zahřívá teplem, které se
uvolňuje při radioaktivních přeměnách štěpných produktů
elektrické pohony všech zařízení jsou zálohovány pomocí
baterií a dieselagregátů
šíření radioaktivních látek do okolí brání několik bariér
(pokrytí palivových elementů, umístění reaktoru ve
speciální budově ­kobky a prostory pro zdržení uniklého
chladiva
instalace kontejnmentu (záchytná budova odolná vůči
přetlaku i mechanickému poškození)
Cvičení z jaderné chemie
1. Bezpečnost práce a principy radiační ochrany.
2. Chyby při měření radioaktivních vzorků.
3. Geiger-Müllerův počítač.
4. Krystalový scintilační detektor.
5. Absorpce a samoabsorpce beta záření.
6. Kapalná scintitace.
7. Absorpce gama záření.
8. Určení poločasu krátkodobého radionuklidu.
9. Určení poločasu dlouhodobého radionuklidu.
10. Radioaktivní rovnováha.
11. Aktivace.
12. Indikátorová metoda - určení náboje iontu v roztoku.
13. Spektroskopie gama záření s krystalovým detektorem.
14. Spektroskopie gama záření s polovodičovým detektorem.