Výroba elektřiny v tlakových jaderných elektrárnách - historie
Tlakovodní jaderný reaktor byl vyvinut americkou firmou Westinghouse před čtyřmi desítkami let jako kompaktní zdroj energie pro americké námořnictvo. Jeho přednosti se však ukázaly být natolik významné, že byl velmi rychle přizpůsoben i pro použití v jaderných elektrárnách na souši. První generace tlakovodních reaktorů se začala komerčně používat v roce 1961. Reaktor instalovaný v americké jaderné elektrárně Yankee Rowe v USA měl výkon 175 MW. Tlakovodní reaktory byly dále vyvíjeny a dnes jsou standardně používány reaktory o výkonu až 1300 MW. Vůbec nejpoužívanějšími se tlakovodní reaktory staly také proto, že firma Westinghouse prodala licenci na jejich výrobu německé firmě Kraftwerk Union (Siemens), francouzské Framatome a japonské Mitsubishi Heavy Industries. Vlastní tlakovodní reaktor pak vyvinuly další dvě americké firmy - Combustion Engineering a Babcock Wilcox. Téměř souběžně s USA byl tlakovodní reaktor vyvíjen v Sovětském svazu

Princip
V reaktoru vzniká teplo při štěpení jader uranu 235, obsažených v jaderném palivu. Toto teplo je z reaktoru odváděno vodou, která reaktorem protéká a ochlazuje jeho aktivní zónu. Vysoký tlak, jež v reaktoru a v celém primárním okruhu panuje, zabraňuje vodě ve varu (odtud název tlakovodní reaktor). Z reaktoru proudí ohřátá voda do tepelného výměníku - parogenerátoru - kde svoji tepelnou energii předává vodě cirkulující v odděleném sekundárním okruhu. Tlak vody v tomto okruhu je nižší než v okruhu primárním a voda v parogenerátoru se tudíž může přeměnit v páru o vysokém tlaku a teplotě. Pára z parogenerátoru proudí do turbíny, kterou roztáčí působením na její lopatky. K přeměně pohybové energie na energii elektrickou dochází v generátoru, jehož rotor roztáčí právě turbína. Pára je z turbíny odváděna do kondenzátorů, kde se sráží na vodu (kondenzuje). Chlazení kondenzátorů, v nichž je páře odnímána její již nevyužitelná energie, zajišťuje třetí tzv. chladicí okruh elektrárny. Jeho nejznámější část tvoří mohutné chladicí věže, které nenajdeme pouze u elektrárny, kde lze vodu z chladicího okruhu ochlazovat v moři nebo velké řece. Voda z kondenzátorů je vedena zpět do parogenerátorů, kde se znovu změní v páru a proudí do turbíny. Tím se cyklus vody a páry v sekundárním okruhu uzavírá.

Štěpná reakce
Řetězová štěpná reakce v jaderném reaktoru je založena na poměrně snadné štěpitelnosti atomů uranu 235. Štěpení může nastat v okamžiku, kdy do jádra atomu narazí volný neutron. Jádro se rozštěpí zpravidla na dva odštěpky, které se vysokou rychlostí od sebe vzdalují. Odštěpky jádra uranu jsou prakticky okamžitě zbržděny nárazy na okolní atomy a jejich pohybová energie se mění na energii tepelnou, využívanou k výrobě energie elektrické. Při rozštěpení každého atomového jádra se rovněž uvolní zpravidla dva až tři neutrony, které mohou rozštěpit další jádra atomů uranu. Pokud se jim to podaří, uvolní se dalších čtyři až devět neutronů, a pokud jsou vytvořeny příhodné podmínky, počet rozštěpených jader a uvolňovaných neutronů může exponenciálně vzrůstat, štěpná reakce se rozvinula do řetězové štěpné reakce. Aby množství štěpených jader atomů uranu 235 zůstalo v jaderném reaktoru pod kontrolou, je počet volných neutronů regulován. Ty přebytečné jsou pohlcovány materiály jako je bór, obsažený v řídicích tyčích nebo v chladicí vodě.

Bezpečnost
Předností tlakovodních reaktorů je vedle jejich jednoduchosti i tzv. inherentní bezpečnost. Tento termín vyjadřuje, že k bezpečnému provozu reaktoru významně přispívají fyzikální principy využité při jeho konstrukci. Voda, která protéká reaktorem a ochlazuje ho, zároveň umožňuje, aby jaderná reakce vůbec probíhala. Tato voda zpomaluje totiž uvolněné neutrony tak, aby se zvýšila pravděpodobnost, že při srážce s jádrem atomu uranu 235 toto jádro rozštěpí. Pokud tato pravděpodobnost přesáhne určitou hranici, dochází k řetězové štěpné reakci. Fyzikální vlastnosti vody tedy umožňují, aby řetězová štěpná reakce probíhala, ale zároveň nedovolují, aby se její intenzita libovolně zvyšovala, protože se vzrůstající teplotou vody a její přeměnou v páru se snižuje její brzdicí účinek na neutrony.

Filozofie bezpečnosti
Pokud bychom hledali něco, co prostupuje a provází výstavbu jaderné elektrárny od začátku do konce, našli bychom pojem jaderná bezpečnost. Na to, jak rozsáhlý soubor principů a postupů se za ním skrývá, vyznívá cíl jaderné bezpečnosti jednoduše: ochránit pracovníky elektrárny a její okolí před následky případné havárie a především nedopustit, aby k havárii vůbec došlo. Nejdůležitějším z principů je tzv. princip hloubkové ochrany definující pět úrovní ochrany a pět ochranných bariér stojících mezi radioaktivními látkami v reaktoru a životním prostředím
1. bariérou je pevná keramická struktura samotného paliva
2. bariérou je pokrytí palivových proutků
3. bariérou je tlaková hranice primárního okruhu
4. bariérou je železobetonová šachta reaktoru
5. bariérou je ochranná obálka (kontejnment)
Uplatňování principů jaderné bezpečnosti začíná již při výběru místa, kde má být elektrárna postavena. Takové místo musí vyhovovat rozsáhlému souboru umisťovacích kritérií, která vylučují, že by nějaké přírodní podmínky nebo katastrofa mohly elektrárnu ohrozit. Přesto musí být elektrárna schopna těmto přírodním a všem ostatním vlivům odolat - jaderné elektrárny jsou projektovány tak, aby pravděpodobnost havárie, spojená s únikem radioaktivity, byla co nejmenší. Ke stejnému cíli směřuje i kontrola kvality všech technologických zařízení elektrárny a systém, jakým je kontrolována kvalita její výstavby. Tento systém je natolik důsledný, že investorovi předepisuje kontrolovat kvalitu výroby důležitých technologických částí elektrárny přímo u výrobců. Dalším prvkem v systému zajištění jaderné bezpečnosti jsou informační a diagnostická zařízení, která neustále monitorují chod elektrárny a stav jednotlivých součástí. Jejich úkolem je pracovníky elektrárny dostatečně dopředu upozornit na zařízení, která se začínají chovat jinak, než jak předpokládá projekt. V případě, že se řídicím a limitačním systémům nepodaří odchylku od pracovního režimu odstranit, systém ochrany okamžitě, bez zásahu člověka, odstaví jaderný reaktor. Pro případ, že by přes všechna opatření k poruše došlo, musí být elektrárna vybavena zařízeními, která nedopustí, aby jakákoliv z myslitelných poruch nebo havárií ohrozila pracovníky elektrárny či obyvatele v jejím okolí. Na tyto bezpečnostní a havarijní systémy jsou kladeny nesmírné nároky, protože by nikdy neměly selhat. Ale protože jednotlivá zařízení teoreticky selhat mohou, jsou tato zařízení diverzifikována a zálohována. Diverzifikace odstraňuje nebezpečí, že by dvě nebo několik zařízení mohlo selhat ze stejné příčiny, právě proto jsou některé mnohonásobné bezpečnostní systémy, které mají plnit stejnou funkci, postaveny např. na různých fyzikálních principech nebo jsou různé konstrukce a jsou umisťovány v navzájem oddělených prostorech. Zálohování bezpečnostních zařízení znamená, že stejné bezpečnostní systémy jsou v elektrárně vybudovány několikrát, přestože by ke zvládnutí svého úkolu stačil jediný. Přestože selhání všech bezpečnostních systémů je prakticky nemožné, jsou pro jadernou elektrárnu připravovány vnitřní a vnější havarijní plány.Jejich smyslem je při podezření na vznik či při vzniku havárie omezit její rozvoj, likvidovat její následky a především ochránit pracovníky elektrárny a obyvatele jejího okolí.

Vyhořelé jaderné palivo a radioaktivní odpady
V každé jaderné elektrárně vznikají během provozu dva druhy radioaktivních materiálů. Jedním je vyhořelé (tedy použité) jaderné palivo, druhým jsou radioaktivní odpady. Úroveň aktivity těchto radioaktivních materiálů je různá, proto je také nutné k nim různě přistupovat. Vyhořelé jaderné palivo je vysoce radioaktivní. Nakládání s ním je složité a vyžaduje špičkové technologie a techniku. Jinak je tomu s radioaktivními odpady. Ty vznikají při provozu reaktoru především "ozářením" jeho dříve neaktivních součástí, materiálů a vybavení. Práce s nimi je vcelku jednoduchá - jejich radioaktivita rychle klesá a ukládání není technicky náročné.

Radioaktivní odpady
Radioaktivní odpady se podle aktivity a podle poločasu rozpadu hlavních obsažených radionuklidů dělí na 5 kategorií. Každá skupina vyžaduje jiný přístup při zneškodňování a jiné podmínky pro trvalé uložení. Pro názornost u každé kategorie uvedeme doporučený způsob uložení. Samozřejmě můžeme vždy využít úložiště vyšších kategorií pro radioaktivní odpady s nižší aktivitou, avšak odpady budou zabezpečeny více než je nezbytné, což je sice dobré, ale většinou neúměrně nákladné a zbytečné.

Kategorie I: Vysoká aktivita, obsah dlouhodobých zářičů, vysoká produkce tepla, doba nebezpečnosti až miliony let. Doporučené trvalé uložení: v hlubinném úložišti ve stabilní hornině, vybudovaném speciálně pro tento účel, vyjímečně v opuštěném solném dole.
Kategorie II: Střední aktivita, obsah dlouhodobých zářičů, malá produkce tepla, doba nebezpečnosti statisíce let. Doporučené trvalé uložení: hlubinné geologické formace, opuštěné solné doly, vyjímečně jiné opuštěné doly.
Kategorie III: Nízká aktivita, obsah dlouhodobých zářičů, nevýznamná produkce tepla, doba nebezpečnosti desetitisíce let. Doporučené trvalé uložení: hlubinné geologické formace, opuštěné solné doly, vyjímečně jiné vybrané opuštěné doly.
Kategorie IV: Střední aktivita, bez obsahu dlouhodobých zářičů, mírná produkce tepla, doba nebezpečnosti tisíce let. Doporučené trvalé uložení: opuštěné solné doly, vybrané jiné opuštěné doly, jeskyně, povrchová a podpovrchová úložiště se zesílenou inženýrskou strukturou (např. stavební konstrukce a izolace).
Kategorie V: Nízká aktivita, bez obsahu dlouhodobých zářičů, nulová produkce tepla, doba nebezpečnosti stovky let. Doporučené trvalé uložení: opuštěné solné a jiné vybrané opuštěné doly, jeskyně, povrchová a podpovrchová úložistě.

Radioaktivní odpady vznikající při provozu jaderné elektrárny se dělí na tři kategorie - plynné, kapalné a pevné. Plynné radioaktivní odpady vznikají především z odvětrávání pracovního prostředí, nádrží s aktivní vodou a podobně. Jsou čištěny ve filtrech a zadržovány v absorpčních komorách, v nichž se jejich radioaktivita snižuje pod úroveň limitů pro vypouštění do ovzduší. Hlavní kapalné radioaktivními odpady jsou radioaktivní chladicí voda a náplně většiny filtrů, kterými jsou čištěny aktivní kapaliny. Platí přitom, že jak v chladicí vodě, tak v ostatních aktivních tekutinách není radioaktivní sama voda, ale i v ní obsažené soli a korozní částice. Při zpracování v elektrárně budou všechny kapalné odpady nejprve zahuštěny částečným odpařením vody. Po shromáždění dostatečného množství bude tento koncentrát za současného ohřevu smíchán s asfaltem. Při tom se odpaří zbytek vody a radioaktivní materiály budou spolu s asfaltem, v němž zůstanou rozptýleny, naplněny do dvousetlitrových sudů. Pevné radioaktivní odpady vznikají nejčastěji při údržbářských pracích - třeba při výměnách některého zařízení nebo jeho součástí. Patří mezi ně jak vyměněné součásti (např. těsnění čerpadla nebo čidla z reaktoru), tak údržbářské pomůcky (nástroje, pracovní oděvy, rukavice, hadry) i pevné radioaktivní odpady se ukládají do dvousetlitrových sudů. Například se předpokládá , že roční produkci radioaktivních odpadů v Temelíně pojme 1200 až 1400 sudů. Přitom aktivita v nich uložených radioaktivních odpadů bude obdobná, jako aktivita, kterou mají radioaktivní odpady běžně vznikající především ve zdravotnictví a ve výzkumných laboratořích. Tyto odpady se v České republice ukládají na několika místech do bývalých a dnes už opuštěných dolů

Vyhořelé jaderné palivo
Za dobu třiceti let, po kterou by podle nynějších předpokladů měla být jaderná elektrárna Temelín v provozu, zde bude vyprodukováno zhruba 1080 tun vyhořelého jaderného paliva. Z reaktoru bude vyjmuto v téže formě, v jaké do něj bylo vloženo, když bylo čerstvé - v palivových kazetách. Ty budou po vyjmutí z reaktoru uloženy do bazénů vyhořelého jaderného paliva uvnitř kontejnmentu, zde budou dochlazovány minimálně po dobu 3 až 5 let Poté budou převezeny do centrálního meziskladu vyhořelého jaderného paliva.

Mezisklad, a co dál
Obecně se nabízejí dvě možnosti . Vyhořelé palivo trvale uložit nebo přepracovat: Při přepracování se z vyhořelého paliva oddělují uran a plutonium, které je možno znovu použít při výrobě nového jaderného paliva. Zbylý odpad však obsahuje i vysoce aktivní materiály a není pro něj jiné cesty než konečné uložení. Navíc platí, že přepracování je ve srovnání s výrobou jaderného paliva z uranové rudy ekonomicky méně výhodné, proto mnohé země možnosti přepracování zatím nevěnují pozornost a soustředí se na vybudování konečného úložiště. Nejdále v tomto směru pokročili v USA, Švédsku a Německu, přípravné práce však probíhají i v České republice Výsledky pokračujících vědeckých výzkumů však naznačují, že se vedle přepracování a konečného uložení otevře třetí cesta nakládání s jadernými odpady. V několika zemích, především v USA, je vyvíjena technologie založená na řízení jaderné reakce v reaktorech prostřednictvím lineárních urychlovačů. Pokud se v nejbližších letech potvrdí, co zatím vědci od tohoto projektu očekávají, bude ADTT (jak se technologie zkráceně nazývá) schopna vyrábět energii i z vyhořelého jaderného paliva, tedy z paliva, které už v klasických jaderných elektrárnách nelze využít

Ekologie
Význam jaderných elektráren pro ozdravení životního prostředí vyplývá z toho, že při svém provozu nevypouštějí do ovzduší škodlivé látky jako oxid siřičitý, oxidy dusíku, popílek, těžké kovy nebo oxid uhličitý, který významně přispívá ke skleníkovému efektu - oteplování naší planety. V případě České republiky bude tento pozitivní vliv jaderné elektrárny Temelín ještě výraznější, protože umožní natrvalo odstavit nejstarší tepelné elektrárny v severních Čechách, jejichž modernizace a ekologizace by byly již výrazně neekonomické. Tyto elektrárny mohly být odstaveny díky poklesu spotřeby elektřiny, který nastal po roce 1989, a v době, kdy se spotřeba opět vyšplhá na úroveň roku 1989, nebudou muset být uvedeny do provozu, protože jejich výkon dlouhodobě nahradí elektrárna Temelín .

Maturita.cz - referát (verze pro snadný tisk)
http://www.maturita.cz/referaty/referat.asp?id=2191