ATOMOVÁ ENERGIE II. – ATOMOVÉ ELEKTRÁRNYAtomové reaktory: Atomové reaktory jsou technické zařízení pro uvolňování jaderné energie z jaderných paliv - uranu nebo plutonia. Jaderné, energie se uvolňuje v reaktoru řízenou řetězovou reakcí v podobě tepla a záření. Reaktory určené jen k uvolňování tepla pro průmyslové účely a k pohonu elektráren nazýváme energetické. Reaktory, u nichž se využívá mocného toku neutronů a pronikavého záření gamma, nazýváme výzkumné.+39Z čeho se skládá atomový reaktor?: Tzv. aktivní pásmo reaktoru se skládá z uranových článků v podobě tyčí, trubek nebo pásů, vložených do moderátoru /grafit, těžká voda, beryllium, obyčejná voda/. Když je reaktor v chodu, aktivní pásmo se silné zahřívá probíhající řetězovou reakci, která se stává současně zdrojem značného množství neutronů a pronikavého záření gamma. Pro ochranu pracovníků před tímto zářením je aktivní pásmo obklopeno tzv. reflektorem, který vrací část neutronů spět do reakce, a tzv, ochranným krytem z vody, betonu a olova, které zabraňuje unikání záření.Neutrony v reaktoru: Část neutronů v reaktoru přenáší řetězovou reakci na jádra U 235, část se jich ztrácí v U 236 a ve stavebním materiálu reaktoru. Zbytek neutronů uniká z reaktoru, ale reflektor jich většinu odrazí. Malý přebytek neutronů je pohlcován regulačními tyčemi, jinak by se reakce nebezpečně rozrůstala.Schéma reakce s pomalými neutrony v reaktoru: Rychlé neutrony uvolněné rozpadem některého jádra U 235 jsou zpomaleny srážkami s atomy moderátoru, který obklopuje uranové tyče. Zpomalené neutrony se od jader II 236 jen odrážejí; silně však jsou pohlcovány štěpitelným U 235. Tímto způsobem probíhá řízená řetězové reakce i v přírodním uranu, v němž se U 235 podílí toliko jednou stočtyřicetinou.Řízení reakce: Reakce se řídí zasouváním tyčí z látek, které silně pohlcují neutrony, do aktivního pásma reaktoru. Nejčastěji se používá tyčí z boru a z kadmia. Pohyb tyčí obstarávají automaticky elektrické motory ovládané počítači neutronů. Atomové reaktory patři mezi nejpřesněji řiditelné stroje.K jakým pracím se používá výzkumných reaktorů?: Mohutného toku neutronů a pronikavého záření gamma lze využít rozmanitým způsobem: k výrobě radioisotopů ozařováním vzorků látek, k fysikálním výzkumům /například rozptyl neutronů na vzorcích látek/, k lékařským účelům /jako "zářič” neutronů a záření gamma/, k technickým a průmyslovým účelům /výzkum materiálů/ a ke školení vědeckých pracovníku.Výzkumný atomový reaktor pro Československo: Zanedlouho bude v laboratořích Ústavu jaderné fysiky uveden v chod reaktor, pro výzkumné práce s tepelným výkonem 2000 kW, dodaný Sovětským svazem. Aktivní pásmo reaktoru tvoří kovové klece, naplněné 45 kg uranu /obohaceného na 10% U 235/ ve tvaru tenkých tyčí s hliníkovým povlakem. Voda v reaktoru zastává úlohu moderátoru a současně i chladíce a reflektoru. Reaktor se spouští a řídí 9 tyčemi z borové oceli.Pohled na výzkumný atomový reaktor o výkonu 2000 kW: Na ochranu před unikáním neutronů a záření gamma je reaktor obklopen litinovým, vodním a betonovým pláštěm. Shora i se stran ústí plastem reaktoru do aktivního pásma několik kanálů, v nichž se ozařují látky neutrony a zářením gamma. Uranové tyče se vyměňuji po otevření horního litinového víka.Práce u výzkumného kanálu: V tomto kanálu lze ozařováním prvků, vyrábět velmi cenné radioaktivní isotopy, které se stávají důležitými pomocníky v průmyslu, lékařství, zemědělství i jiných oborech. Manipulace s ozářeným vzorkem látky se provádí v olověných krytech dlouhými kleštěmi při stálé kontrole unikajícího záření. Tak je zaručena bezpečnost práce.Výzkumný reaktor s grafitem: Obrázek ukazuje výměnu uranových tyčí u čelní stěny uranografitového reaktoru o výkonu 4000 kW v laboratořích Oak Ridge. Reaktor slouží pro výrobu radioaktivních isotopů.Výzkumný reaktor s těžkou vodou: Za betonovými štíty výzkumného reaktoru CP-5 jsou ve válcovité nádobě se 6,5 tuny těžké vody uloženy uranové tyče, obsahující jen 1,2 kg U 235. Těžká voda je tak dobrým moderátorem, že umožňuje použít i přírodního uranu jako jaderného paliva. Zároveň však slouží i jako reflektor a chladič. Výkon reaktoru CP-5, umístěného v Argonnské laboratoři, je asi 1000 kW.Výzkumný reaktor s obyčejnou vodou /MTR/: Betonové štíty reaktoru pro výzkum materiálu zaručují i při plném tepelném výkonu 30 000 kW bezpečnou práci vědců. Ve 23 vodorovných i svislých kanálech se provádějí přesná měření v oboru neutronové spektrometrie, provádí se analysa materiálů a zjišťuje se jejich chování v toku neutronů, který v aktivním pásmu reaktoru dosahuje až 200 bilionů neutronů na cm2 za vteřinu.Řídící deska reaktoru /MTR/: Reaktor MTR je řízen z dispečerské místnosti na galerii haly reaktoru. Hustota neutronů, která je měřítkem výkonu reaktoru, je kontrolována počítači a registračními přístroji na střední části přístrojového panelu.Čerenkovův jev: Modrobílé záření v oblastí uranových tyčí vyvolávají elektrony vzniklé při štěpení uranu. Snímek je pořízen z tzv. plujícího reaktorů, který byl letecky dopraven do Ženevy a předváděn v exposici Spojených států amerických. Podobný reaktor dodá Sovětský svaz našemu ústavu jaderné fysiky.Homogenní reaktor: V homogenním reaktoru je uran přímo rozpuštěn v moderátoru — v těžké neb obyčejné vodě. Se zřetelem na vynikající stabilitu a možnost přímého odstraňování otravných štěpných produktů bez zastavení provozu se přikládá homogenním reaktorům velká budoucnost.Jak se odvádí teplo z reaktorů: V energetických reaktorech se využívá tepla uvolňovaného štěpením uranu. Látky používané k jeho odvádění z reaktoru do výměníku tepla musí mít dobré vlastnosti pro přestup tepla, nesmí příliš pohlcovat neutrony ani způsobovat korosi materiálů v reaktoru, výměníku tepla ani potrubí. Nejlépe se osvědčila demineralizovaná voda obyčejná i těžká, plyn kysličník uhličitý C02 nebo tekuté kovové slitiny sodík-draslík anebo olovo-vizmut. Teplo je však možno odvádět i přímým odpařováním vody v reaktoru.Palivové články energetických reaktorů: Ke snazšímu odvádění tepla a pro rychlou výměnu paliva bývá uran v reaktoru umístěn v seskupení trubek neb uranových pásů, v podobě tzv, palivových článků. Obrázek vlevo ukazuje uranové články reaktoru první sovětské atomové elektrárny. Články tvoří ocelové trubky obklopené uranem a grafitem a omývané vodou. Snímek vpravo znázorňuje modernější článek, v němě uran tvoří tenké proužky, opatřené na povrchu povlakem ze zirkonu. Povlak chrání Uran před korozí a zabraňuje unikání štěpných produktů.Vznik plutonia v reaktoru: Část volných neutronů z řetězové reakce je pohlcována jádry U 238. Jádro se po pohlcení stane nestabilním, dvakrát po sobě vymrští elektron a přemění se v plutonium Pu 239, které se štěpí pomalými neutrony jako U 235. lak se vlastně v reaktoru rodí z jinak nezužitkovatelného U 238 nové jaderné palivo - plutonium a zůstává v palivových článcích, z části se začne podílet na štěpném procesu. Produkty štěpení jader U 235 a plutonia jsou většinou - radioaktivní a silně pohlcují neutrony. Po určité době "otráví" palivovou tyč, takže místo produkce neutronů působí naopak jako regulační „tyč - brzdí chod reaktoru.Jak se mění výkon reaktoru: I když se do spouštěného reaktoru vkládá více uranu, než je zapotřebí pro dosažení kritické velikosti, "vyhořívá" časem U 235, jak ukazuje červená čára na diagramu, a zvýšený obsah štěpných produktů otráví uranové tyče tak, že výkon reaktoru, označený modrou křivkou, klesá až pod kritickou velikost – řetězová reakce se zastaví. U většiny reaktorů se však uranové tyče po částech očistí od otravných produktů ještě dříve, než se reaktor zastaví. V upotřebeném článku je obsaženo i plutonium, jehož "plození" ukazuje žlutá křivka na diagramu. Budova reaktoru vpravo mé mohutné ventilační komíny, které odvádějí "otrávený vzduch" od reaktoru.„Stárnutí“ otrávených tyčí uranu: Většina štěpných produktů je tak silně radioaktivní, že jediný kilogram těchto prvků se vyrovná svým působením několika metrickým centům radia. Proto před očištěním musí být tyče uloženy po několik měsíců hluboko pod vodou ve zvláštních nádržích poblíž reaktoru. Zde "stárnou", tj. vyzáří převážnou část své aktivity. Namodralé záření, které obklopuje jednotlivé tyče v půdorysu na obrázku v nádrži, je nám již známý Čerenkovův jev. Čím méně některé tyče září, tím jsou "starší".Regenerace jaderného paliva: Po "vystárnutí" přicházejí uranové tyče do speciálních chemických závodů, kde se ž nich oddělí: a/ štěpné produkty jakožto odpad, b/ čisté plutonium Pu 235 jako cenné koncentrované palivo. Z takto očištěného neboli "regenerovaného" uranu se zhotoví opět tyče, kterých se znovu využije v reaktoru. Dvacet kilogramů spotřebovaného uranu při tomto koloběhu nahradí 6.0 000 tun kvalitního uhlí.Závod pro regeneraci jaderného paliva: Vzhledem k značnému nebezpečí, které přináší práce s radioaktivními produkty štěpení nebo s nesmírně jedovatým plutoniem, probíhá regenerační proces zcela samočinně v uzavřených celách. Barevné schéma na prostředním panelu názorně ukazuje složitost procesu, který se odehrává v jedné z mnoha cel závodu.Schéma atomové elektrárny s vodou: Atomovým reaktorem je proháněna voda pod vysokým tlakem 100 atm., aby se nevařila. V reaktoru se ohřívá a proudí tzv. primárním okruhem do parního generátoru, v němž předává svoje teplo vodě sekundárního okruhu. Tato voda se ohřívá, odpařuje a vzniklé pára se přehřívá. Z parního generátoru pak proudí do turbíny, kde vykoná práci. Po ochlazení v kondenzátoru se sráží na vodu a vrací se zpět do parního generátoru.První atomová elektrárna Akademie věd SSSR: Dne 27. června 1954. byla spuštěna první průmyslové atomová elektrárna Akademie věd SSSR. Za 24 hodin napře tržitého provozu spotřebuje tato elektrárna, pracující s elektrickým výkonem 5000 kW, jen pouhých 30 gramů U 235 zatím co by uhelná elektrárna za stejnou dobu spotřebovala asi 100 tun uhlí.Reaktor atomové elektrárny AV SSSR: V nitru reaktoru, vyloženém grafitem a obloženém betonem, je umístěno 128 dutých, samostatně vodou chlazených uranových článků. Střední litinová deska na víku reaktoru je právě odklopena, neboť pracovník pomocí elektrického jeřábu "přikládá" nový uranový článek náhradou za starý, který byl dopraven k vystárnutí a k regeneraci.Parní generátor atomové elektrárny AV SSSR: Parní generátor se skládá z několika trubkových výměníků tepla. Při plném výkonu elektrárny se v nich tvoří až 40 tun páry za hodinu, teplota páry činí 230°C, tlak 12,5 atm. červené označení na isolaci potrubí vedoucího do generátoru zřetelně odlišuje primární okruh s vodou "otrávenou" radioaktivitou od modře natřeného potrubí pro vodu a páru sekundárního okruhu, která již radioaktivní není.Řídící deska atomové elektrárny AV SSSR: Pozoruhodná technika a automatika soustřeďuje v této místnosti světelnými, zvukovými, registračními a počítacími přístroji zprávu o činnosti všech zařízení elektrárny. Záblesky žlutých a červených varovných návěští upozorňují službu konajícího inženýra na odchylky od normální činnosti zařízení.Velká sovětská atomová elektrárna: Obrázek ukazuje reaktor velké sovětské atomové elektrárny pro-výkon 100 000 kW, která má být spuštěna roku 1958. Upotřebené uranové články se vyjímají víkem ocelové nádoby reaktoru a vkládají se jeřábem do vodních, komor /na obrázku vpravo/. Po několika měsících se pak odvážejí speciálním vagonem /vpravo dole/ do závodu na regeneraci paliva.Atomová elektrárna s přímým odpařováním vody: Loni byla uvedena do provozu pokusná atomové elektrárna s přímým odpařováním vody o výkonu 2000 kW. Pára, jež vzniká v reaktoru /1/, je vedena potrubím /2/ přímo do turbíny /3/. Zkondensovaná voda se čerpadlem /4/ přečerpává zpět do reaktoru. Napájecí voda se filtruje ve stanici /5/ a shromažďuje se v nádržích /7/. Samočinnou funkci elektrárny kontroluje dispečer se stanoviště /6/. Vzhledem k radioaktivitě vody a páry, musí být strojovna dobře stíněna.První britská atomová elektrárna: Od roku 1953 buduje Velké Británie svoji prvou atomovou elektrárnu v Calder Hall na březích Irského moře. Reaktory této elektrárny jsou chlazeny plynem kysličníkem uhličitým C02 pod tlakem 7 atm. Prvá část této elektrárny o výkonu 43 000 kW byla spuštěna královnou Alžbětou 17.října 1956. Po dokončení stavby roku 1957 dosáhne elektrárna se čtyřmi reaktory výkonu 200 tisíc kW.Reaktor atomové elektrárny Calder Hall: Reaktor atomové elektrárny Calder Hall je uzavřen ve zvláštní budově uprostřed. Po stranách budovy stojí 4 mohutné výměníky tepla, v nichž se vyvíjí pára k pohonu turbín.Stavba francouzské atomové elektrárny: Obrázek ukazuje montáž konstrukce francouzské atomové elektrárny s reaktorem G-1. Tato elektrárna od jara roku 1956 napájí svým výkonem 5500 kW přilehlé laboratoře pro jaderné výzkumy. Reaktor je s grafitem a plynovým chlazením.Rychlý reaktor pro elektrárnu v Dounreay: Rychlý reaktor pro elektrárnu v Dounreay je v podstatě řízen atomovou pumou. Teplo z jeho nepatrného nitra je tak velké, že se k jeho přenosu do výměníku tepla musí použít tekutých slitin kovu sodíku, které mají asi 25krát lepší přestup tepla než voda. Reaktor, jehož fungující model při pohledu shora a se strany snímek ukazuje, plodí dokonce více jaderného paliva, než se ho při práci spotřebuje.Porovnání rozměrů uhelné a atomové elektrárny pro výkon 100 000 kW: Přestože vývoj atomových elektráren je dosud v počátcích, stávají se již dnes vážným konkurentem elektráren uhelných. Kromě čtyřikrát menší váhy strojů a zařízení atomové elektrárny je nutno uvážit další přednosti: pro nepatrnou váhu spotřebovaného paliva nemusí stát u zdrojů paliva, ale přímo u spotřebitelů, jejich provoz je automatický a velmi čistý, vystačí se s malým počtem obsluhujících a lze dosáhnout neobyčejně vysokých výkonů.Rozvoj atomových elektráren v SSSR, USA a Velké Británii v příštích letech: Největší program výstavby předložil Sovětský svaz. Do konce šesté pětiletky uvede v chod čtyři velké a čtyři menší atomové elektrárny o celkovém výkonu až 2500 MW. Technicky vyspělé Spojené státy americké hodlají do té doby uvést do provozu atomové elektrárny o celkovém výkonu jen 800 MW. Zvláště velký zájem o využití atomové energie jeví Velká Británie, která se snaží takto uspořit uhlí, jež musí pro svůj průmysl dovážet draze z USA.Sovětský atomový ledoborec: V sovětské loděnici se buduje mohutný atomový ledoborec o výkonu 44000 koní. S využitím výhod atomového pohonu bude moci operovat i v nejpevnějším ledu Arktidy po desítky měsíců, aniž se musí vrátit do přístavů pro palivo. Loď bude 150 m dlouhá a 30 m široká.Atomová lokomotiva: Nedávno uveřejnily odborné časopisy zprávu o projektu atomové lokomotivy "Utah" a o potížích, které bude nutno při jejím vývoji očekávat. Kryt reaktoru musí být co nejlehčí, reaktor musí mít možnost rychlé regulace výkonu. Poháněči agregát lokomotivy o výkonu 7000 koní bude vážit 300 tun, proto bude lokomotiva nesena třemi samostatnými podvozky a bude dlouhá 48 metrů.Projekt atomového letadla: Se vzrůstajícími rychlostmi velkých letadel roste mnohonásobně i potřeba vyššího výkonu motoru. Zde by mohl úspěšně zasáhnout atomový pohon. Jednu z možností uspořádání turboreaktivního pohonu obrovitého dopravního letounu pro nadzvukové rychlosti ukazuje obrázek vlevo. Zvládnutí atomové energie k pohonu raket Umožní v budoucnu meziplanetární lety.Atomová energie slouží Československu: Vyspělý průmysl, mocné zdroje uranových rud a hluboký zájem strany a vlády na využití atomové energie v Československu umožňuje rychlý rozvoj našeho jaderného průmyslu a výzkumu. Nově budované středisko Ústavu jaderné fysiky bude vybaveno výzkumným reaktorem, cyklotronem a nejmodernějším radiochemickým vybavením. Do pěti let bude na Slovensku vybudována i první velká atomová elektrárna o výkonu 150 000 kW a po ní další. Levný elektrický proud pro závody, pro elektrifikaci železnic, pro zemědělství a stavebnictví spolu s netušenými možnostmi, které poskytne použití radioisotopů v praxi, bude prvým přínosem atomového věku, na jehož prahu žijeme.׋›Atomová energie II.díl Atomové elektrárnyVýrobceDPrahaRok1956Délka43 okénekAutor kresebSamešová VěraAutor textuTůma Jan Ing.PředlohaFYZKOznačení6198Další diafilmy výrobceMechanizační prostředky na zpracování půdy II.Elektrotechnika a radiotechnika 4.díl Vysokofrekvenční zařízení a impulsní systémyBezruč PetrČtení radiotechnických schémat
