Několika mým známým, kteří se na mě obrátili, s otázkou, jak to bude s energií už nikoli za sto … dvě stě let, jestli nás jádro zachrání, jsem doporučil tyto stránky, ale připadaly jim, zejména v oblasti jaderné fyziky příliš složité a obsáhlé. Proto mi dovolte trochu jednoduché teorie.
Štěpení
V jádru atomu jsou protony a neutrony. Čím je jádro větší, tím má více protonů, které jsou kladně nabité, proto se odpuzují. Aby se tyto síly vyrovnaly, jsou přítomny neutrony, které je za pomoci jaderných sil drží pohromadě. Podle jedné teorie se jádro chová jako kapka kapaliny. Na povrchu jsou protony, které se odpuzují a uvnitř neutrony, které to drží pohromadě. Pokud kapce dodáme energii, rozkmitá se. To znamená, že chvíli je placatá a chvíli je podlouhlá. Pokud je podlouhlá, protony se přemístí na konce a snaží se ji dále protahovat. Při dostatečné energii se kapka protáhne natolik, že se ve středu zaškrtí tak, že vazebné síly jsou překonány elektrostatickými a jádro se roztrhne na dvě. Zatímco protony jsou na koncích a ženou obě trosky od sebe, několik neutronů, které byly v místě spojení se uvolní a odletí samostatně. Pokud tyto neutrony vniknou do jádra, uvolní se vazebná energie. Její velikost je dána rozdílem stability jádra původního a vzniklého. Obecně jsou stabilnější jádra se sudým počtem nukleonů, takže vznikem nového jádra z 235U se uvolní více energie než z 238U. Proto musí mít pro štěpení 238U neutron vyšší energii než pro 235U, protože samotná vazebná energie nestačí. Tu sice vzniklé neutrony mají, ale tyto rychlé neutrony se s větší pravděpodobností od jádra odrazí a po cca 2100 srážkách se „ochladí“ na rychlost tepelného pohybu molekul. Takové neutrony jsou pak zachycovány 235U a vyvolávají u něj štěpení. Většina neutronů ale je zachycena 238U, kterého je v přírodním uranu 140x více. Jejich energie ale už není taková, aby jej rozštěpily. Neutrony, které se zachytily v 238U jej přemění na 239U, který se rozpadne na plutonium, které je nově vzniklým palivem. Aby řetězová jaderná reakce probíhala, je nutné, aby jeden neutron vzniklý štěpením zasáhl atom, ve kterém dojde k dalšímu štěpení a tak dále … prostě jako u řetězu, kde se řadí jeden článek za druhý. Proto řetězová reakce. Pokud je to méně než jeden, reakce postupně vyhasne a pokud je to více, reakce se rozšiřuje, až dojde k explozi.
Toho se dosáhne buď tím, že se uran obohatí 235U, aby byla vyšší pravděpodobnost zasažení 235U, nebo se uran „naředí“ jinými atomy, které neutrony zpomalí, aniž by je zachytily. Zpomalené neutrony pak reagují přednostně s 235U. První způsob je využíván v rychlých reaktorech, druhý v tepelných, jako jsou naše „veverky“.
Moderátor
Pokud chceme, aby reakce probíhala i v přírodním, nebo málo obohaceném uranu, musíme neutrony zpomalit jinak, než srážkami s 238U. Postup je zdánlivě jednoduchý. Přidáme do systému jinou látku, která je zpomalí. Látce, která neutrony zpomalí, se říká moderátor. Souvislost názvu s televizními moderátory, kteří zpomalí diskusi, když už se divák těší, že si přítomní politici šáhnou do úsměvu je čistě náhodná. Zpomalování neutronů dochází převážně předáním energie a hybnosti dvou pružných předmětů. Kdo hrál kuličky, možná si pamatuje, jak reagují při čelní srážce. Neutron je taková skleněnka. Pokud narazí do těžší cínové, kterou lze přirovnat k těžkému jádru, odrazí se zpět a část energie předá té těžší. Pokud se srazí s lehčí, pálenou, jenom se trochu zpomalí. Při srážce druhou skleněnkou se zastaví a veškerou energii předá. Podobně se chová neutron. Při srážce s 238x těžším uranem předá necelou tisícinu energie, při srážce s 2000x lehčím elektronem je ztráta energie ještě mnohokrát nižší. Naopak při srážce s vodíkem (proton je stejně těžký jako neutron) je zpomalení maximální.
Další požadavek je nízký záchyt neutronů. Pokud vezmeme lehké prvky, lehký vodík má poměrně vysoký, těžký vodík nízký, helium nulový, lithium vysoký - navíc vzniká radioaktivní tritium, berylium nízký ale je velmi jedovaté, bor velmi vysoký, uhlík, dusík a kyslík nízký. Z toho vyplývá, že nejlepší je těžká voda a uhlík. Pokud jsou použity jako moderátor, lze jako palivo použít i přírodní uran. Obyčejná voda má o něco vyšší záchyt a uran musí být obohacený.
Další požadavek je dostatečná hustota moderátoru. Je to dáno tím, že se snižováním hustoty roste vzdálenost, kterou musí neutron urazit, než dojde ke srážce. Pokud je hustota příliš nízká, narůstá objem systému, vzrůstají náklady a dochází k většímu úniku neutronů do okolí. Z tohoto důvodu můžeme vyřadit helium, které je plynné. Zároveň je nutná tepelná odolnost. Nejlepší je uhlík, stabilní v inertu do 3000°C. Voda má sice při teplotách nad 200°C poměrně nízkou hustotu, ale její cena je velmi nízká a lze ji tedy použít velké množství. Naproti tomu těžká voda má o něco nižší schopnost brždění neutronů, takže nárůst nutného objemu při vyšších teplotách je ještě vyšší než u obyčejné vody. Její cena je navíc velmi vysoká, při jednorázové elektrolýze je nutno pro výrobu 1 litru těžké vody rozložit 165 tun vody. To lze snížit použitím zpětných toků, přesto je její výroba velice energeticky náročná. Proto se používá oddělený okruh těžké vody pro chlazení a odvod energie o teplotě nad 300°C a chlazeného moderátoru o teplotě do 65°C. Teplo odváděné z moderátoru přitom nelze energeticky využít. Pokud bychom chtěli jeden reaktor v Temelíně naplnit těžkou vodou, abychom mohli spalovat přírodní uran, pro její výrobu bychom museli elektrolyticky rozložit asi 10 milionů tun vody na což bychom spotřebovali energii, kterou reaktor vyrobí asi za čtyři roky.
Bezpečnost provozu
V současné době nejvíce používané tlakovodní reaktory jaké jsou v Temelíně a Dukovanech mají zcela oddělený primární okruh. Voda v něm je radioaktivní.Ta se vede do parogenerátoru, který je společně s reaktorem v kontejmentu – ochranné nádobě. To znamená, že do turbíny již jde z parogenerátoru neaktivní voda. Pokud by udělala obsluha stejně osudnou chybu jako před dvaceti lety v Černobylu a došlo by k obrovskému nárůstu výkonu, došlo by k úniku radioaktivní vody do kontejmentu, reaktor by ztratil moderátor a reakce by se samovolně zastavila. Jediný problém by nastal s tím, že i po ukončení reakce produkují palivové články teplo, ihned po ukončení reakce 6%, které asi po šesti hodinách klesne pod jedno procento. Kdyby zcela selhalo chlazení, došlo by k destrukci článků. Vzhledem k tomu, že palivo je oxid uraničitý s teplotou tání 2800°C, protavilo by se žhavé jádro do podloží, zde by postupně ztrácelo aktivitu, až by se srovnala produkce tepla s vodivostí hornin a jádro by zatuhlo. Aby k tomu došlo, musela by samozřejmě zcela zblbnout obsluha a sekyrkou odsekat všechny bezpečnostní prvky, protože jinak je vypnout nelze. Přesto se při ochraně obyvatelstva s takovou eventualitou počítá. Jaká je pravděpodobnost této maximálně možné havárie? Ve srovnání s Černobylem, kde reaktor s grafitovým (název grafit je zavádějící, neboť se jedná o uměle vyrobený uhlík, který má podstatně vyšší hořlavost) moderátorem s odpojitelnými bezpečnostními prvky a obsluhou, jejíž hlavní kompetencí je členství v komunistické straně, téměř nulová. V Temelíně je nejnebezpečnějším provozem závodní jídelna, kde se můžete udusit knedlíkem.
Zvyšování ceny uranu
Dnes se mluví o problému, že se zvyšuje cena uranu a nemá cenu se jaderné technologii věnovat. Pokud bychom se dostali do problémů s uranem, máme dostatek zásob, jejichž vytěžení by bylo ekonomické už dnes, kdy cena přírodního uranu, která činí zlomek ceny obohaceného paliva, zažila jistou renesanci. Problém vyhořelého paliva je ale opačný. Uran je příliš levný. Velké množství uranu je totiž vyprodukováno jako vedlejší produkt při těžbě jiných surovin. Obrovské kapacity původně vojenských komplexů na obohacování uranu jsou využity maximálně z jedné pětiny. V důsledku toho je nevýhodné zpracovávat vyhořelé jaderné palivo a množivé reaktory, ať už na bázi štěpení rychlými neutrony, nebo využití cyklu 232Th -233U jsou zoufale neekonomické.
Termojaderná fúze
Známe 92 přírodních prvků. S atomovou hmotností od 1 do 238. Nejstabilnější je železo. Při štěpení těch těžších na lehčí, stabilnější se uvolní energie. Stejně tak spojením těch nejlehčích.
Zatímco štěpení těch nejtěžších je zvládnuto, spojování jader čelí velkému problému. Všechna jádra jsou totiž kladně nabita a navzájem se odpuzují. I když náboj jádra vodíku činí pouze 0,00000000000000000016 C, dosahuje odpudivá síla dvou jader při přiblížení na vzdálenost poloměru atomu 0,000000000000001 m velmi vysokých hodnot. Abychom tuto sílu překonali, musíme jádrům dodat vysokou kinetickou energii. Nabitá jádra můžeme urychlit pohybem mezi dvěma deskami s vysokým napětím. Získaná energie se měří v elektronvoltech (eV). To je energie jednoho elektronu( = protonu), urychleného napětím jednoho voltu. Aby se k sobě přiblížila jádra deuteria 2H a tritia 3H, je zapotřebí energie 4 keV. Pokud chceme dodat jádrům energii termickou aktivací, musíme počítat na jeden keV asi 5 milionů °C. Pro srovnání: i nejodolnější kov, wolfram se vypařuje při teplotě tisíckrát nižší. Termojaderné reakce byly uskutečněny ve velkém měřítku začátkem padesátých let minulého století jako výbuchy vodíkových bomb, kde vysoká iniciační teplota byla získána výbuchem klasické atomové nálože. Tehdy se začalo i s pokusy s řízenými termojadernými reakcemi. Podmínky pro uskutečnění těchto reakcí mohou existovat pouze ve vysokoteplotní plazmě, tj. za stavu úplné ionizace atomů. Vysokoteplotní plazma se získávala impulsními elektrickými výboji a její teplota se zvyšovala pomocí elektrického nebo magnetického pole. Udržení plazmy v určitém objemu a její termická izolace se zabezpečovala silnými magnetickými poli. První pokusy vedly zpočátku k optimistickým závěrům o relativně rychlé realizaci řízené termojaderné reakce. Později se zjistilo, že těžkosti souvisí hlavně s nestabilitou plazmy a energetickými ztrátami, které jsou zapříčiněny brzdným zářením urychlených nabitých částic plazmy. Problematiku konstrukce energetického termojaderného reaktoru můžeme rozdělit do tří etap.
1. konstrukce stacionárně pracujícího zařízení s velmi malou účinností (skoro nulovou)
2. konstrukce reaktoru s účinností větší než 1, tedy vyrábějící víc energie než spotřebuje
3. konstrukce demonstračního termojaderného reaktoru
Doposud nebyla realizována ani první etapa. Takže … zatím v nedohlednu
Závěr
Často bývá jako alternativa doporučována studená fúze. Co to je? V osmdesátých letech se objevila tzv. studená fúze: elektrolýzou těžké vody na paladiových elektrodách dochází ke vzniku helia a uvolňuje se obrovská energie. Na mnoha pracovištích, mj. SAV v Bratislavě, oznámili, že se jim podařilo pokus zopakovat. V květnovém čísle časopisu se však objevila zpráva, že to byl aprílový žertík. Takže máme na vybranou. Buď uran – vrabec v hrsti, nebo si počkáme na holuba na střeše. Špatné taky není počkat si pod větrnou elektrárnou, jestli nám nesundá nějako kachničku …
Štěpení a fúze
