Pre veľký úspech a záujem nekončíme. Dnes 238 za cenu 235, nepremeškajte tento jedinečný okamih! Áno, trošku zabŕdneme do fyziky. Bránil som sa zubami nechtami, toto nie je moja podlahová krytina. Aj napriek týmto prekážkam sa vám pokúsim veľmi zjednodušene a po lopate vysvetliť, čo sa to vlastne v reaktore deje a ako sa to šoféruje. Veľká vďaka patrí Halflife-ovi, ktorý mi poskytol svoje podklady a čo to som aj na drzovku použil.
V prírode existujú chemické prvky a ktorým sa dosť venoval istý pán Mendelejev. Iní vedci sa ich skúmaniu venovali už skôr, ale až tento pán dal všetkému systém a prišiel na pár zaujímavých vlastností týchto prvkov. Usporiadal si ich do excelu a zistil, že čím viac ide doprava, tým sú prvky ťažšie a narastá im počet protónov a neutrónov. Až narastajú do takej miery, že začínajú byť prirodzene nestabilné a rozpadajú sa. A to je celkom dobre, lebo stačí do nich trošku ťuknúť a budú sa rozpadávať ešte ochotnejšie. Ako najvhodnejší kandidát na atómový gulečník sa ukázal urán, konkrétne izotop 235. Jeho brat U238 je taký problémový, s ním sa až tak hrať nechceme. Ak totiž zachytí neutrón jadro uránu 238 U vznikne urán 239 U a keďže ten je tiež nestabilný (rádioaktívny) rozpadá sa na 239 Np (neptúnium), ktoré je tiež nestabilné a to sa rozpadá na 239 Pu (plutónium) bez
ďaľšej produkcie neutrónov. A keďže pri takejto jadrovej reakcii nevzniknú neutróny, nemôže prebiehať štiepna reťazová reakcia. Plutónium 239 Pu, ak by ho bolo dostatočné množstvo, by sa dalo za istých podmienok tiež použiť ako palivo do reaktorov. Ale v bežných reaktoroch, kde sa ako palivo požíva urán tieto podmienky nie sú splnené. Dôvodom sú najmä konfigurácia a zloženie paliva, prítomnosť moderátora a následné spomaľovanie neutrónov, a celkové technické riešenie reaktora. Taktiež je plutónium 239 Pu veľmi dobré palivo do štiepnych jadrových bômb. Čo však čert nechcel, v prírode sa vyskytuje 99,3% izotopu 238 a len 0,7% izotopu 235, ktorý je vhodný do reaktora na výrobu elektrickej energie. Pri štiepení sa uvoľní energia, a jadro sa rozpadne. S najväčšou pravdepodobnosťou sa rozpadne na dva približne rovnaké kúsky a vzniknú tak dva nové izotopy. A keďže aj tu platí, keď sa rúbe les, lietajú triesky, tak okrem nových prvkov vyletia do okolia nejaké 2 - 3 neutróny.
Tu je príklad štiepenia uránu 235 U.
n + 235U → 147La + 87Br + 2n
Neutrón rozštiepi jadro uránu, vznikne izotop lantánu a brómu plus dva neutróny. Urán sa takto môže štiepiť cca 30 spôsobmi.
Uvoľnenie energie sa dá vysvetliť približne tak, že na udržanie jedného veľkého jadra pokope treba viac energie, ako je potrebné na udržanie jadra dvoch menších stabilných prvkov. Zvyšok sa uvoľní do okolia. Pri jednom štiepení sa uvoľní energia cca 200 MeV (mega elektrón volt) Samo o sebe to nie je veľa. Ale keď naštiepame taký kilový uránový klátik, tak z toho dostaneme 5x1026 MeV, preložené do ľudskej reči je to ekvivalent 2700 ton uhlia a to sa už počíta.
Poďme ďalej. Urobili sme jedno štiepenie a vzniklo nám pár neutrónov. To je prvá generácia. Časť neutrónov uletí kade tade, ale niektoré si to presne vpália do iného jadra uránu, spôsobia štiepenie a vznikne ďalšia generácia neutrónov. Tomu hovoríme reťazová reakcia. Ak by sa nám takto množili ako králiky v Austrálii, o chvíľu máme prúser väčší ako celá Austrália. Nastala by totiž nadkritická štiepna reakcia a tú by sme už nevedeli kontrolovať. Ideálne je, ak je to vyrovnané a udržujeme populáciu neutrónov na rovnakej úrovni. Tomu hovoríme kritický stav a aj keď to znie strašidelne, znamená to, že je dobre a tak sme to chceli. Ak by sme mali podkritický stav, tak by nám počet novovznikajúcich neutrónov klesal až by reťazová reakcia ustala. Zatiaľ jednoduché čo? Po štiepení ešte vzniknuté prvky nie sú stabilné. Tie majú prebytok neutrónov, ošívajú sa a chcú sa ich zbaviť. Darí sa im to beta mínus rozpadom, až kým neostane stabilné jadro. Tieto rozpady trvajú niekoľko minút až desiatky rokov. Ani so samotnými neutrónmi to nie je také ľahké. Majú príliš veľkú rýchlosť a tak miesto štiepenia uránu 235 sa od neho maximálne odrazia, alebo zdrhnú preč. Aby sa tak nestalo a ostali nám v kotli, musíme ich nejako spomaliť, prípadne odraziť späť do reaktora. Spomaľujeme ich pomocou moderátora (voda, ťažká voda, grafit) Rýchly neutrón sa oťukáva o molekuly vody, stráca svoju kinetickú energiu, ktorá sa premieňa na teplo a stráca rýchlosť, až je z neho tepelný neutrón. Ten už je schopný preniknúť do jadra U235, vybudiť ho a spôsobiť štiepenie. O návrat neutrónov, resp. odrazenie späť do aktívnej zóny sa stará reflektor. Je to v podstate plech z vhodného materiálu, ktorý je umiestnený okolo aktívnej zóny - paliva. Samozrejme, že sa na to vzťahujú vzorčeky, teórie a kopec iných vecí. Až to chcete podrobnejšie, niečo istotne nájdete na googli, nechcem to tu úplne zahltiť.
Ako som už spomínal, regulácia výkonu sa deje pomocou prvku, ktorý pohlcuje neutróny a pritom je tak kľudný, že ho to nerozhádže. Ten prvok je bór, konkrétne Bór 10. Riadiace tyče sú vyrobené z ocele s veľkým obsahom bóru. Tlakovodné reaktory fungujú kampaňovo. Čiže sa do nich zavezie vypočítané množstvo paliva. Samotné tyče majú rôzne obohatenie a o výpočty sa starajú fyzici. Zo začiatku je produkcia neutrónov vysoká, vzniká ich nadbytok a preto ich musíme odchytávať, aby nespôsobili ďalšie štiepenie. Lebo samotné palivo nevie, že je na začiatku kampane a má sa štiepiť menej. Postupne klesá produkcia neutrónov a preto ich stačí vychytávať menšie množstvo. Toto sa dá veľmi dobre opäť zabezpečovať pomocou bóru. V podobe kyseliny je rozpustený vo vode a úpravou koncentrácie bóru vo vode riadime množstvo vychytaných neutrónov. Riadeniu ešte napomáha veľmi dôležitá vec, a to sú samoregulačné schopnosti reaktora. Toto už je trošku zložitejšia vec a pokúsim sa to len tak veľmi jednoducho. V tlakovodnom reaktore platí, že čím je nižší výkon a studenšia voda, tým lepšie prebieha štiepna reakcia. A naopak, Čím je voda teplejšia a výkon sa zvyšuje, štiepna reakcia sa brzdí. Na svedomí to majú koeficienty reaktivity. Zároveň to aj zvyšuje bezpečnosť prevádzky, ak by sa niečo stalo a reaktor by sa nechladil, do určitej miery pri zvyšujúcej sa teplote by reakcia klesala. Viac sa do toho nejdem zamotávať, tejto téme sa venuje nie jedna prednášková hodina a fakt sa to ťažko zjednodušuje.
Na záver hodím takú pikošku. Vedeli ste, že reaktor sa môže otráviť? Jasné, že to nebude z muchotrávok, prípadne od čaju. No naozaj sa to volá otrava otravnými produktami. Tie majú na svedomí znižovanie výkonu, pretože pohlcujú neutróny. Jedným z najotravnejších prvkov je xenón. Buď vznikne priamo zo štiepenia, alebo rádioaktívnym rozpadom jódu. Vychytáva neutróny, ktoré by inak mohli štiepiť urán. Našťastie sa xenón aj rýchlo rozpadá, takže ak sa výkon nemení, nastane rovnovážny stav. Problém vznikne, ak by sa na konci kampane musel znížiť výkon. Môže nastať taký stav, že znížením výkonu už neprodukujeme dosť neutrónov, pritom xenón ešte pár hodín vzniká a žerie zvyšné neutróny. Vtedy sa nám nemusí podariť ani zvýšiť výkon, kým sa xenón nerozpadne. Iným typom otravy je samárium. Vzniká ho menej, ale je stabilné a tak sa z reaktora odstraňuje len tzv. vypaľovaním počas kampane a čiastočne vyvezením z reaktora po výmene paliva
Na dnes stačí, nabudúce sa povenujeme palivovému cyklu.
Oveľa oveľa viac informácii nájdete tu. Len si to musíte stiahnúť.
