Zelená záře nad Fukušimou

Featured Image

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
 

12345 (2x hodnoceno, průměr: 1,00 z 5)
281x přečteno
Updatováno: 27.11.2015 — 23:56
D-FENS © 2017