Kapitoly článku:
Naše civilizace je navyklá – nebo lépe závislá – na levné a stále dostupné energii. Jenže kde najít dlouhodobý a stabilní zdroj elektrické energie a tepla, který nevypouští do vzduchu pro Zemi tak vražedný skleníkový CO2? Jedním z řešení je reaktor, atomový reaktor.
Když se štěpí uran
Současným základem výroby elektrické energie z atomu je využití rozpadu atomového jádra – štěpení. Při něm dojde k uvolnění energie především ve formě gama záření a také k produkci neutronů. To vše se postupně v atomovém reaktoru převede na teplo a vyrábět energii z tepla umíme už dlouho a účinně.
Jak takové štěpení vypadá? Předně potřebujeme vhodné palivo z prvku, který se rád štěpí. Jako je třeba uran 235. Číslo označuje celkový počet neutronů a protonů v atomovém jádře (společně se jim říká nukleony a číslo se potom nazývá nukleonové).
Pokud se nám do jádra podaří přidat ještě jeden neutron, zničíme jeho stabilitu a jádro se rozpadne se všemi pro nás užitečnými projevy. V našem případě zachycením neutronu v jádře na velmi krátkou dobu vznikne uran U236, který se následně rozpadne například na barium, krypton a zároveň tři neutrony.
Uranová ruda
Neutron při štěpení jádro nerozbije, jako když praštíme baseballovou pálkou do piňaty. Podobá se to spíše roztržení příliš plného mikrotenového sáčku. Použití neutronu coby baseballové pálky se budeme věnovat v části věnované transmutaci.
Z rozštěpeného jádra vyletí tři neutrony, které jsou schopné rozštěpit další tři atomy, následně je to devět a tak dále. To je řetězová štěpná reakce, kterou musíme zkrotit. Pokud by počet neutronů klesal (tzv. podkritický režim), řetězová reakce vyhasne. Pokud by narůstal, nebo dokonce prudce narůstal (nadkritický až superkritický režim), tak tento typ reakce už nepatří do reaktoru, ale do jiného atomového zařízení. Do atomové bomby. V reaktoru potřebujeme udržovat stále stejné množství štěpných reakcí, tzv. kritický režim.
Reaktory lze základním způsobem rozdělit podle toho, jestli neutrony uvnitř zpomalujeme, nebo ne. Zpomalením neutronu se velmi zvýší pravděpodobnost zachycení neutronu v jádře, proto můžeme používat jenom mírně obohacené palivo, tedy přírodní uran 238 se 3–4 % U235. Rychlé reaktory, které neutrony nebrzdí, oproti tomu potřebují mnohem vyšší poměr, typicky okolo 25 %. Každý z typů má svoje výhody a nevýhody.
Reaktory tří generací
Úplně první reaktor provozovala už před dvěma miliardami let sama příroda v Oklo, v oblasti dnešního Gabonu (Wikipedie, mapa). V té době totiž bylo v přírodě mnohem více uranu U235, než je dnes, a tak mohly vzniknout příhodné podmínky pro nastartování řetězové štěpné reakce bez zásahu člověka.
První generace reaktorů vyrobených lidmi sloužily vesměs jako pokusná a výzkumná zařízení. Stala se základem konstrukce reaktorů druhé generace. Bez výjimky se jednalo o klasické reaktory, které zpomalují neutrony pomocí moderátoru uvnitř aktivní zóny.
Obvyklé bylo též uspořádání jednotlivých prvků reaktorů do tyčí, postavených svisle. Základem jsou palivové tyče, k ovládání počtu neutronů a udržování kritického režimu slouží řídící tyče a nakonec jsou uvnitř havarijní tyče, jejichž účelem je co nejrychlejší zastavení štěpné reakce v případě nehody.
Palivové tyče obsahují různě směsi izotopů uranu, oxidů uranu, plutonia – podle typu reaktoru. Řídící tyče spolu s havarijními jsou zase vyrobeny z materiálu, který velmi dobře pohlcuje neutrony, jako je například bór.
V reaktoru potřebujeme mít také zpomalovač neutronů, moderátor. Neutrony z rozpadlého jádra jsou příliš rychlé, je potřeba je zpomalit a tak zvýšit pravděpodobnost záchytu do jiného jádra. Mezi typické moderátory patří voda, demineralizovaná, lehká, těžká nebo grafit. Moderátor obvykle zároveň funguje jako chladicí materiál, který odnáší z horké zóny teplo.
Konstrukce pokusných reaktorů se promítla do stavby prvních reaktorů druhé generace. Některé z nich, jako například ty fukušimské, jsou v provozu dodnes, nebo byly odstaveny teprve v nedávné době. V současnosti se budují již pouze vylepšené reaktory třetí generace, které čerpají z mnoha let zkušeností s konstrukcí a provozem předchozích generací.
Jedná se již o standardizované typy, takže schvalovací řízení je jednodušší a především je vylepšena jejich konstrukce. Snahou je udělat je co nejjednodušší a nejodolnější vůči všem možným ohrožení, především vůči lidským chybám obsluhy. Mají také delší životnost, lepší využití paliva a rovněž delší dobu mezi výměnami paliva.