Mimochodem, Čerenkovovo záření je, navzdory zažitým klišé, modré.
11. března byla jaderná elektrárna Fukušima 1 zastavena kvůli zemětřesení,
následná cunami vyřadila systémy havarijního chlazení. Výsledkem bylo neopravitelné
zničení v podstatě všech šesti reaktorů, únik z dlouhodobějšího hlediska
prozatím nepodstatného množství a druhu radioaktivních látek a smrti a
zranění několika lidí - převážně v důsledku cunami samotné a výbuchů vodíku.
Naše sdělovací prostředky v souvislosti s tím postupovaly podle léty
ověřeného receptu - seberu zprávu z Reuters, blbě ji přeložím, doplním
ji píčovinami, neboť o procesech v jaderném reaktoru nevím ani příslovečné
prd, přidám ilustrační obrázek z iStocku, ideálně koláž chladicích věží
uhelné elektrárny a hřibu z Castle Bravo a za stálého míchání leju tuhle
lahůdku rovnou do éteru.
Vrchol investigativní novinařiny je pak najít si ve slovníku, že dai-iči
znamená „číslo jedna“.
Lidi se odjakživa bojí toho, co nechápou a především toho, co nemůžou
svými smysly zaznamenat. Jaderná energie tyto vlastnosti bohužel velmi
dobře kombinuje. Vsadím se, že kdyby si na fukušimském pobřeží lebedila
chemička a po cunami by vypustila do moře některou z jedovatých sraček
svého repertoáru, bylo by kolem toho míň křiku, než kvůli jódu, který bude
za pár měsíců neškodný. Na odkaliště maďarské hliníkárny, které z padesáti
kilometrů čtverečních přírody před rokem udělala marsovský NASA polygon,
si už nikdo ani nevzpomene.
Zkusme se tedy podívat, s čím vůbec máme v jaderné energetice co dočinění.
Rozpad a ionizující záření
Nezanedbatelná část prvků kolem nás se samovolně rozpadá. To jest, že
mají tendenci se po nějaké době rozpadnout na lehčí prvky a částice, které
se už nikam nevešly, vyzářit do prostředí. Doba, kdy se takto statisticky
rozpadne polovina atomů nějakého vzorku, se označuje jako poločas rozpadu.
Složení atomu, a tedy i částic vyzářených po jeho rozpadu, je různorodé.
Rozděluje se většinou na nabité částice, jako jsou protony a elektrony
(alfa a beta záření), neutrální částice (neutrony) a proud fotonů vysoké
frekvence (gama záření). Souhrnně se tomuto záření říká ionizující. Je
to v současné době pravděpodobně jediný fyzikální jev, který je ještě schopen
mediální mrdky odněkud odehnat. Važme si toho, nemusí to trvat věčně.
Už samotný název trochu napovídá něco o účincích. Zjednodušeně řečeno
je to záření, schopné vytvářet kladně nabité ionty vyrážením elektronů
z ozářených atomů. U lidského organismu pak ionty poškozují buňky, především
jejich choulostivé části, jako DNA.
Nabité částice (alfa a beta záření) jsou logicky nejvíc nebezpečné,
ovšem zároveň, kvůli svému náboji, nepřekonají ani tenkou překážku, jako
je papír, lidská kůže nebo větší vrstva vzduchu. Rozsáhlé škody můžou napáchat,
pokud se jejich zdroj dostane přímo do těla – například když si jako Alexandr
Litviněnko dáte k obědu polonium.
Gama záření (světlo s velmi malou vlnovou délkou) má oproti tomu ionizační
potenciál menší, nicméně zase dokáže snadno proniknout i velkou vrstvou
hmoty. Všichni operátoři černobylské elektrárny, kteří nakoukli přes okraj
zříceného reaktorového sálu, aby viděli hořící reaktor na vlastní oči,
byli do čtrnácti dnů mrtví.
Proud neutronů ionty bezprostředně nevytváří. Může ovšem vytvářet nestabilní
izotopy. Tomu se věnuji dále.
Umělá radioaktivita a řetězová reakce
Před osmdesáti lety manželé Curieovy pozorovali, že na ozářené hliníkové
fólii vzniká vrstva radioaktivního izotopu fosforu. Dostali za to Nobelovu
cenu. A taky leukémii.
Jeden ze zmiňovaných zástupců ionizujícího záření je proud neutronů.
Ty mají tendenci být pohlceny jádry ozářených atomů a vytvářet tak jejich
nestabilní izotopy, které se pak rozpadají na lehčí prvky plus přebytečné
smetí zmiňované v předchozí kapitole. Je jasné, že tento proces lze zacyklit
a vytvořit řetězovou reakci, kdy neutrony z rozpadlých atomů rozbíjejí
další atomy a produkují další neutrony. Tak v kostce funguje jaderná energie.
Uran a jeho štěpné produkty
Klíčový štěpný prvek je uran, hlavně jeho izotop s 235 nukleony. Běžnější
v přírodě je uran 238 (přes 99%), který přímo štěpitelný není. Oba izotopy
jsou poměrně dost stabilní (poločas rozpadu v řádu miliard let). Používat
tabletu uranu jako těžítko na stole by asi nebylo úplně košer, ale dohromady
by vám to nic neudělalo. Uran 238 se běžně používá jako projektil průrazné
munice nebo jako vyvažovací element například u letadel, protože má větší
hustotu než olovo a je docela levný.
Pokud uran 235 pohltí volně letící neutron, má tendenci se rozpadnout
na lehčí prvky plus přebytečné částice a energii. Aby se neutronový cyklus
v běžném tepelném reaktoru udržel v chodu, je potřeba podíl uranu 235 v
palivu zvýšit na přibližně 5%. Vzniklé prvky jsou z větší části nestabilní
a dále se rozpadají. Souhrnně tvoří onen ve všech pádech skloňovaný jaderný
odpad a jsou právě tím zdrojem případné kontaminace, samotný uran je, jak
už jsem zmiňoval, prakticky neškodný.
V případě havárie jsou důležité především prvky, které mají poločas
rozpadu dost krátký na to, aby byla intenzita jejich záření nebezpečná
a dost dlouhý, aby vůbec stihly napáchat nějaké škody. Z lidského hlediska
tedy v řádu desítek let, jako například stroncium a cesium s poločasem
rozpadu necelých třiceti let, které z ukrajinské Pripjati udělaly na sto
let skanzen.
V médiích je teď taky poměrně populární jód. Jeho nedostatek způsobuje
u malých dětí kretenismus. Pro lidi, co si ho teď šli v panice koupit do
lékárny, už je na něj bohužel pozdě. Radioaktivní izotop jódu 131 je jeden
z hlavních štěpných produktů. Má sice poločas rozpadu krátký, přibližně
9 dní, háček je ale v tom, že i v malých koncentracích dokáže způsobit
vážné zdravotní problémy. Jód velmi ochotně vstřebává štítná žláza a samozřejmě
nepohrdne ani tím radioaktivním. To je právě důvod, proč mají doma obyvatelé
z bezprostředního okolí jaderných elektráren tablety s (normálním) jódem.
Plutonium jako alternativa k uranu
Plutonium je další prvek, který může jaderný reaktor pro štěpení použít.
Přidává se do paliva místo uranu 235. Vzniká tak směs, označovaná jako
MOX. Pro mírové účely se plutonium používá málo, protože je toxické a míň
stabilní než uran. V přírodě se nevyskytuje, vzniká za určitých podmínek
v jaderných reaktorech z uranu 238. Vzhledem k tomu, že je mnohem jednodušší
vyrobit ve vojenském reaktoru velmi čisté plutonium, než chemicky separovat
čistý uran 235, je plutonium oblíbeným prvkem jaderných zbraní.
Některé starší kardiostimulátory používaly plutoniem doživotně napájenou
termoelektrickou baterii. Zajímavá představa v době, kdy mobil vydrží jeden
den běžného používání.
Moderátor neutronů
„Víte, ono záleží na tom, jak se do toho třískne. Ale já na to jednou
přijdu…“
Aby mohl být letící neutron lehce absorbován, je potřeba jej zpomalit
zhruba na rychlost kmitání cílového atomu. Asi jako když házíte magnet
na ledničku, při moc velké rychlosti se odrazí. Jako moderátor neutronů
funguje třeba voda, do jejíchž atomů neutrony naráží a ztrácí rychlost.
Demineralizovaná voda je navíc neutrony aktivována jen minimálně a i tak
jen na stabilní a neškodné deuterium a velmi nestabilní (v řádech sekund)
izotopy kyslíku. Technicky vzato byste mohli vodu z primárního okruhu klidně
vypít. Přestože voda většinou plní i funkcí chladiva a tím pádem představuje
bezpečnostní prvek omezující reaktivitu, není její použití zcela bezproblémové.
Především proto, že jindy neškodná sloučenina hořlaviny a kyslíku se má
tendenci za velmi vysokých teplot rozložit.
Konstrukce varného a tlakovodního tepelného reaktoru
Uranové palivo má většinou tvar malých centimetrových válečků oxidu
uraničitého. Ty jsou uvnitř zirkoniové trubice. Ta brání palivu a především
jeho štěpným produktům v kontaktu s vodou. Zirkonium je použito, protože
je pro neutronové záření transparentní. Větší množství pevně spojených
trubic pak tvoří jeden palivový soubor. Palivové soubory jsou pak v reaktoru
zasunuty spolu s regulačními tyčemi z oceli s příměsí boru. Úlohou regulačních
tyčí je bez užitku pohlcovat neutrony a reakci tak řídit.
Nárazy částic z rozpadlých atomů vzniká velké množství tepla, které
je vlastně zdrojem energie elektrárny. Je zdrojem také současných potíží
fukušimské elektrárny, protože přestože štěpení uranu bylo zastaveno několik
sekund po zemětřesení, štěpné produkty se dále přirozeně rozpadají a produkují
záření a tedy i teplo. Tento proces bude pokračovat několik let – zhruba
dobu, kdy se vyhořelé palivo běžně přemísťuje z chladicího bazénu do kontejnerů.
Na zbytku elektrárny už není nic zajímavého. Jen tlakovodní reaktor
(všech šest našich reaktorů) má o jeden okruh navíc, pára v něm nevzniká
přímo v reaktoru, ale až v tepelném výměníku – parogenerátoru. Pára pak
expanduje přes turbínu. Nevyužité teplo nakonec odevzdá kondenzátoru, který
je chlazen typicky posledním okruhem, vedoucím přes chladicí věž. Mimochodem,
to je důvod, proč se elektrárny staví (když to jde) většinou na pobřeží
velké vodní plochy – pro uzavření Carnotova cyklu pak není této ikony jaderné
energetiky zapotřebí a ušetřené miliardy se dají použít třeba na pár kilometrů
cyklostezky.
Fukušima a Černobyl
Oblíbené srovnání, jak jinak. Já se do něj nemám moc chuť pouštět a
tak jen dva hlavní rozdílné konstrukční faktory.
Hlavní rozdíl je typ moderátoru. Černobylský RBMK je moderován grafitem.
To má dvě blbé a dvě šikovné vlastnosti. Blbý je kladný dutinový koeficient
reaktoru. Zatímco voda s rostoucí teplotou moderační vlastnosti ztrácí,
grafit samozřejmě ne. Reaktivita tak má kladnou zpětnou vazbu. To dává
dobrý prostor zkombinovat aušusový design bezpečnostních a řídicích mechanismů
s nekompetencí obsluhy a nechat tlakovou nádobu reaktoru roztrhat na kusy.
Grafit je navíc hořlavý. Drtivou většinu spadu z havárie Černobylu způsobil
tři dny trvající požár. Sovětští inženýři nicméně neměli v hlavě úplně
nasráno, vyšší reaktivita, při které mohl takto moderovaný reaktor pracovat,
umožňovala použití méně obohaceného uranu a hlavně z uranu vyrábět, jen
mimochodem, zbraňové plutonium.
Reaktory v Černobylu také nejsou uzavřeny uvnitř kontejnmentů, které
by následky havárie minimálně podstatně zmenšily. Sbírat po elektrárně
kusy uranových kazet pak musí dělníci s pracovní dobou kratší, než je průměrná
pauza na cigáro. Mimochodem, skutečný kontejnment nemají ani reaktory v
Dukovanech.
K jadernému výbuchu dojít v elektrárně nemůže
Ať už si tn.cz tvrdí co chce. Zbraňový (weapons-grade) uran musí mít
mnohem větší koncentraci uranu 235 – skoro 100%. Jaderná bomba navíc není
konstrukčně zrovna triviální. Reagující uran má tendenci se rozpínat a
reakci tak de facto zastavit, proto bomby obsahují neutronové reflektory,
implozní roznětky a podobná hejblata.
Rychlé množivé reaktory požírající jaderný odpad
Jak jste mohli vidět, reaktory druhé a třetí generace jsou v principu
triviálně jednoduché. Stačí ponořit dostatečně čistý uran do vody. První
reaktor poskládal Enrico Fermi, byla to hromada uranových a grafitových
cihel v suterénu starého stadionu. Tohle vidět ekologové dneska, tak budou
chcát magi v kostkách. Jednoduchý princip je vykoupen drahým palivem, ze
kterého po použití zůstane přes devadesát procent nevyužitého uranu a radioaktivní
prvky s velmi dlouhým poločasem rozpadu.
Tento problém řeší rychlé reaktory, používající typicky plutonium jako
zdroj rychlých neutronů, které pak dopadají na jinak neštěpitelný uran
238 a vytváří z něj štěpitelné plutonium 239. Za určitých podmínek tak
vyrobí víc paliva, než spotřebují – proto se jim říká množivé. Rychlé neutrony,
které mají jiné absorpční vlastnosti, pak také dokáží jadernou transmutací
přetvořit izotopy s dlouhým poločasem rozpadu na výrazně kratší a vytvářet
tak mnohem bezpečnější odpad.
Vzhledem k podstatně vyšší reaktivitě a tedy provozní teplotě (až 800
°C) už nemůže plnit funkci chladiva voda. Ta by navíc neutrony moderovala,
což není žádoucí. Většinou se tedy používá roztavená sůl nebo kov s nízkou
teplotou tání, jako olovo nebo sodík. Obrovská tepelná kapacita těchto
médií umožňuje reaktoru pracovat za téměř atmosférického tlaku. Dopplerův
jev kmitajících atomů paliva také navíc poskytuje velmi rychlou zápornou
zpětnou vazbu v případě růstu teploty snížením koeficientu absorpce rychlých
neutronů. Rychlé reaktory jsou tak pasivně velmi bezpečné.
Jeden z prvních funkčních prototypů v našem sousedství byl francouzský
Superphénix nedaleko Lyonu. Není bez zajímavosti, že ještě na rozestavěný
kontejnment elektrárny, která měla fakticky likvidovat jaderný odpad, nějaký
zelený cvok vystřelil pět raket z RPG.
Česká republika je mimochodem jedním ze tří zájemců na hostování experimentálního
heliem chlazeného rychlého reaktoru francouzsko-švýcarsko-japonské provenience.
Pikantní je, že zájem účastnit se tohoto programu projevila ještě vláda,
ve které byli zastoupeni Zelení. Možná si to spletli s reaktorem na bioplyn.
Závěrem
Představte si svět, kde auta netankují. Letadla vydrží rok ve vzduchu.
Notebooky a mobily nepotřebují nabíjet. A vy držíte v ruce prospekt a přemýšlíte,
jestli připojit rodinný dům k síti nebo si do sklepa koupit generátor na
leasing.
Kontrolovaná termojaderná fúze je pořád sci-fi. Tohle ne. Tohle lidstvo
umí už desítky let. Zbývá jen dořešit dílčí technické problémy. Před sto
lety jsme objevili svatý grál vědy, umíme ovládat hmotu způsobem, který
bible popisuje souhrnně termínem „zázrak“. Neexistuje logický důvod nepokračovat
ve výzkumu a vývoji oblasti, která už teď hraje v lidském vývoji klíčovou
roli.
26. 4. 11, Martin Hozík