Tlakový hrnec v domácnosti má s reaktorem společný tvar, uzavíratelnou pokličku a zvýšený tlak uvnitř.
Jaderný reaktor je srdcem a hlavním zdrojem energie v jaderné elektrárně. Stejně jako kotel v uhelné elektrárně, motor v autě nebo baterie v elektronice tvoří základní prvek, zásobující další funkční části potřebnou formou energie. Nehledě na to, jak složité děje v reaktoru probíhají, zvenku se zdá, že je reaktor jenom obyčejným zdrojem tepla. Všechna ostatní zařízení jaderné elektrárny dále umožňují, aby se toto teplo postupně přeměnilo na jiné formy energie a nakonec opustilo elektrárnu jako ušlechtilá elektřina.
Tlakový hrnec v domácnosti má s reaktorem společný tvar, uzavíratelnou pokličku a zvýšený tlak uvnitř.
Nejdříve si vysvětlíme, jak reaktor vypadá, z čeho se skládá a pak se pokusíme názorně přiblížit to, co se v něm odehrává. Ve světě existují různé typy jaderných reaktorů, lišící se tvarem, konstrukcí, materiály nebo látkami, které z reaktoru odvádějí teplo. Soustředíme se ale na nejpoužívanější typ – tlakovodní reaktor, pracující v temelínské i dukovanské elektrárně.
Reaktor je vlastně takový obrovský papiňák. Válcový ocelový tlakový hrnec s pokličkou, v němž se ohřívá voda na teplotu až 320 °C. To je podobná teplota, jakou má rozpálená elektrická trouba nebo pec na pizzu. Aby si voda zachovala potřebné vlastnosti a zůstala v kapalném stavu, musí být v tom papiňáku pod vysokým tlakem (asi jako v hloubce 1,5 km pod hladinou moře). Už je zřejmé, proč se reaktoru říká tlakovodní? Tomuto vysokému tlaku musí odolávat nejen samotná tlustostěnná nádoba reaktoru (tloušťka stěny nádoby je přibližně stejná jako šířka listu papíru A4), ale v principu i všechna zařízení primárního okruhu elektrárny, kterými následně horká voda protéká.
Uvnitř tlakové nádoby reaktoru se nachází jaderné palivo. Není tam samozřejmě nasypáno, ale důmyslným způsobem uloženo tak, aby kolem něj mohla proudit chladicí voda. Vezmeme to ale raději po pořádku.
V reaktoru je palivo ve formě palivových souborů složených z palivových proutků obsahujících palivové tablety z UO2.
V tlakovodních reaktorech se nejčastěji používá jaderné palivo ve formě lisovaného oxidu uraničitého UO2. Jsou to malé, asi centimetrové válečky černé barvy. Když se jich hodně naskládá do dlouhé a tenké kovové trubičky, vznikne palivový proutek. Z několika stovek palivových proutků, pravidelně rozložených v šestiúhelníkovém tvaru, je složena palivová kazeta – základní palivová jednotka o váze dospělého býka, která je následně vkládána do reaktoru. 163 takových kazet je v něm uloženo jako sada pastelek v penálu.
Nekonečné uhelné hady plazící se dennodenně do uhelných elektráren.
Celkem je v reaktoru asi 90 tun paliva, což je hmotnost běžné elektrické lokomotivy. Palivové kazety zůstávají v reaktoru po dobu 4 let (každoročně se postupně vymění jen asi čtvrtina paliva) a celou dobu v nich probíhají jaderné reakce a palivo produkuje potřebné teplo. Kdybychom chtěli vyrobit stejný výkon, jaký má temelínský blok, pomocí uhelné elektrárny, musela by se pomyslná lokomotiva s nákladem uhlí pěkně obracet. Do elektrárny by musela za 4 roky přitáhnout asi 15 000 vlaků s uhlím.
V periodické tabulce je uváděn jen převažující izotop uranu.
V přírodě se uran vyskytuje jako směs dvou izotopů (atomů, jejichž jádra se liší počtem neutronů), z nichž se ke štěpení lépe hodí právě ten méně zastoupený U235. Proto se pro využití v reaktorech uran obohacuje – ve směsi se zvyšuje koncentrace tohoto vzácnějšího izotopu. Kdyby se daly vyrovnat atomy uranové rudy do řady, obsahoval by jen každý 143. atom jádro potřebného uranu U235. V obohaceném uranu by to byl každý 25. atom.
Palivo se jako každá látka skládá z atomů a ty z obíhajících elektronů a jádra složeného z protonů a neutronů. Další dělení již není pro naše vysvětlení jaderně-fyzikálních procesů důležité. Jak je známo, prakticky veškerá hmotnost atomu je soustředěna v jeho jádru, protože hmotnost protonů i neutronů je asi 2 000krát větší než hmotnost elektronu. Stejně jako hmotnosti, jsou v nepoměru i průměry jádra atomu a oběžných drah elektronů. Nejlépe se to dá přiblížit populární mouchou v katedrále – moucha představuje malé jádro a vnější zdi katedrály jsou místa výskytu elektronů. Takže jádro je přibližně 100 000krát menší než celý atom, ale obsahuje 4 000krát více hmoty než elektrony. A všechny jaderné reakce, jak již název napovídá, se odehrávají právě v tomto malém jádru.
Hmotné jádro z protonů a neutronů v obrovském prostoru atomu
Protony a neutrony drží namačkané v jádru speciální jaderné síly, působící jako lepidlo. Čím je jádro těžší a má více částic, tím je méně stabilní a lepící síla slábne. Narušením silové rovnováhy se jádro může stát natolik nestabilním, že to neustojí a rozpadne se na dvě části. Tento proces se nazývá jaderným štěpením. Samovolné rozštěpení jádra v přírodě je poměrně vzácné, umělé štěpení těžkých prvků (především uranu) se využívá právě v jaderných reaktorech. Tam mu ovšem musíme trochu pomoct. Ukázalo se, že nejlepším projektilem, kterým můžeme narušit křehkou stabilitu jádra paliva, je letící neutron. Štěpitelné jádro jej zachytí a rozpadne se na dvě menší. A proč je to tak důležité? Protože tím asi něco můžeme získat…
Jádro štěpitelného uranu 235 se po zasažení neutronem rozdělí na dvě nová jádra.
Energie potřebná k letu je stejná jako energie rozštěpení 5 000 jader uranu.
Rozštěpení jádra uranu je doprovázeno uvolněním značné porce energie, vycházející z rozdílu energetického uspořádání vzniklých štěpných produktů a původního jádra. Štěpné produkty jsou stabilnější. Každý proton nebo neutron, končící v štěpném produktu, uvolní při reakci energii rovnající se přibližně 0,8 MeV (elektronvolt je velmi malá jednotka energie, používaná v jaderné fyzice). Vynásobením počtem částic vychází celková uvolněná energie při rozštěpení jednoho jádra uranu na 200 MeV. Je to málo, nebo hodně?
Pohybová energie letícího komára je asi bilion elektronvoltů. Pro získání stejného množství energie se musí rozštěpit aspoň 5 000 jader uranového paliva. Takže je to asi dost málo. Na druhou stranu je rozdíl v hmotnosti komára a štěpitelných jader 15 řádů…
Shořením jednoho atomu uhlíku se uvolní jen velmi málo energie.
Porovnejme tuto energii ještě jednou, tentokrát se známým spalováním uhlíku při hoření. Každý uhlíkový atom uvolní při spálení pouze 6 eV, takže stejné množství energie, jaké se uvolní při rozštěpení jednoho atomu uranu, můžeme získat spálením 33 milionů atomů uhlíku. Zdá se, že si jádro uranu nestojí v konkurenci až tak špatně…
Když si uvědomíme, kolik tun paliva se nachází v reaktoru a kolik je to potenciálně štěpitelných jader (1 g je asi 1020 jader), je jasné, že získávání energie na bázi štěpení těžkých jader v jaderném reaktoru je výhodné. Pro představu rozsahu a aktuálního počtu štěpení v reaktoru lze poznamenat, že k dosažení výkonu jednoho wattu se musí rozštěpit každou sekundu asi 3.1010 jader.
Podívejme se na základní jadernou reakci štěpení uranu podrobněji. Projektil zvaný neutron je z pomyslné zbraně vystřelen směrem k jádru. Nestabilní uranové jádro jej pohltí, rozkmitá se a rozpadne se na dva štěpné produkty. Kromě nich ale z místa rozpadu vyletí ještě další 2 až 3 neutrony. Rozpad jádra je jako opětovné nabití pomyslné zbraně a letící neutrony jako další vystřelené projektily. Ostřelování dalších štěpitelných jader může pokračovat. A to je základ principu fungování všech jaderných reaktorů. Říká se tomu řetězová štěpná reakce, protože dochází k zřetězení štěpení jader uranu (neutrony jednoho štěpení vyvolají další štěpení) a tím k soustavnému uvolňování energie rozpadu.
Opakování procesu štěpení jádra v čase připomíná efekt domina.
Celý proces stále se opakujícího štěpení má ale dvě hlavní podmínky, které je nutné při práci reaktoru dodržet.
První podmínkou je zpomalení letících neutronů. Při štěpné reakci vznikají neutronové projektily, které letí prostorem obrovskou rychlostí. Když narazí do jádra paliva, s velkou pravděpodobností se od něj pouze odrazí jako pingpongový míček od bowlingové koule. Aby došlo k rozštěpení jádra paliva, musí neutron letět podstatně pomaleji. A to je práce pro zpomalovače (moderátory) neutronů – látky tvořící určité překážky v dráze neutronů. Při každé srážce neutronu s moderátorem se neutron trochu zbrzdí (odevzdá část své energie), až je z něj po několika srážkách pomalý neutron, schopný rozštěpit další jádro.
Rychlý se odrazí, pomalý neutron jádro rozštěpí.
Druhou podmínkou je zajištění stálého počtu štěpících neutronů. Do reakce jeden neutron vstupuje a 2 až 3 z něj vystupují. Pokud by každý nový neutron vyvolal další štěpení, jejich počet by lavinovitě rostl a sled jaderných reakcí by přerostl ve výbuch. V jaderném reaktoru tomu zabraňují pohlcovače (absorbátory) neutronů – materiály, které odchytávají přebytečné neutrony. Jsou z nich vyrobeny řídicí tyče. Množství odchytávaných neutronů se řídí mírou zasunutí pohlcovačů mezi palivo.
Řízení pracujícího reaktoru (zasouváním nebo vysouváním řídicích tyčí) je vlastně udržování řetězové štěpné reakce na stejné úrovni. Křehká rovnováha v počtu štěpících neutronů se malinko vychýlí jen při zvyšování výkonu reaktoru nebo při jeho odstavování. V podstatě je to jako v kotli na uhlí. I ten potřebuje ke spalování určité množství vzduchu. Pokud je vzduchu víc, hoření je intenzivnější a výkon kotle roste, pokud je vzduchu míň, spalování probíhá nedokonale a výkon klesá.
Nejdůležitější úlohou je uchlazení reaktoru za všech možných režimů.
Teplo vzniklé při štěpení jader uranu ohřívá palivové proutky. Pokud bychom toto teplo neodváděli pryč z reaktoru, palivové články by se roztavily a bylo by zaděláno na pořádný problém zvaný havárie. Proto je základní zásadou bezpečnosti všech jaderných elektráren zachování spolehlivého chlazení reaktoru (odvádění tepla) za všech myslitelných režimů a stavů. To zabezpečují hlavní cirkulační čerpadla při normálním provozu i prakticky všechny bezpečnostní systémy, když se něco pokazí.