Jaderná fyzika - zápisky

Z hlediska využití jaderné energie mají zásadní význam dva druhy jaderných reakcí - syntéza jader (jaderná fúze) a štěpení jader (štěpná reakce).

Jaderný reaktor a řetězová reakce

Řetězová reakce = Štěpná řetězová reakce je z hlediska procesu využívání jaderné energie nejdůležitější jaderný proces, při němž se uvolňuje značné množství tepla, další neutrony a rovněž vzniká i řada štěpných produktů.

Jaderný reaktor = Jaderný reaktor je zařízení, v němž se energie uvolněná při jaderném štěpení přeměňuje na energii tepelnou, která se pak v klasické elektrárenské části využívá k výrobě elektrické energie.

• Palivem je obohacený uran ve formě oxidu uraničitého UO2, moderátorem i chladivem obyčejná voda. Přírodní uran je složen ze dvou izotopů s nukleonovými čísly 238 a 235. Pro štěpení je vhodný jenom izotop 235, kterého je v přírodním uranu pouze 0,7 % a proto se musí jaderné palivo tímto izotopem uměle obohacovat.

• V jaderném reaktoru dochází k řízené štěpné reakci v palivu - jádra izotopu 92U235 zasažená pomalými neutrony se rozpadají na jádra lehčích prvků (odštěpky, fragmenty) a současně se při každém štěpení uvolní 2 - 3 rychlé neutrony. Fragmenty se vzájemně odpuzují a velkou rychlostí se od sebe rozlétají.

• Při jejich zabrzdění srážkami s ostatními atomy paliva se kinetická energie mění na teplo, materiál se silně zahřívá. Uvolněné neutrony mohou způsobit štěpení dalších uranových jader a jaderná reakce může dál probíhat jako řízená řetězová reakce.

Vysvětlení:

Pravděpodobnost štěpení jádra uranu je tím větší, čím pomalejší jsou ostřelující neutrony. Při štěpení však vzniknou rychlé neutrony s průměrnou kinetickou energií do 2 MeV. Mají-li vyvolat štěpení, musí se jejich energie snížit na hodnotu mezi 0,025 - 0,5 eV. Zpomalování neutronů se děje jejich srážkami s jádry moderátoru, který obklopuje palivo. Zpomalené neutrony buď štěpí jádra uranu, nebo jsou pohlcovány stíněním reaktoru nebo materiálem (absorbátorem)regulačních tyčí. Pomocí regulačních tyčí se reguluje množství volných neutronů v reaktoru a tím i průběh štěpení a výkon reaktoru. Okamžité zastavení reakce zajišťují bezpečnostní tyče, které obsahují mnohem vyšší koncentraci absorbátoru. Pozvolné regulace změn výkonu se dosahuje změnou koncentrace kyseliny borité v chladivu. Část reaktoru, ve které je uloženo palivo a ve které probíhá štěpná reakce, se nazývá aktivní zóna. Vzniklé teplo se z aktivní zóny odvádí chladivem a slouží v parogenerátoru k výrobě páry pro pohon turbogenerátoru elektrárny.

Jaderný reaktor podle učebnice:

• Jaderný reaktor je soustava, ve které může probíhat řízená řetězová reakce. Palivem je nejčastěji obohacený uran ve tvaru palivových proutků (uranové tyče). Funkci moderátoru i chladiva zde plní voda. Voda má velký tlak, aby mohla na výstupu dosahovat teplot přes 300 stupňů. Výkon reaktoru se řídí regulačními tyčemi. V případě havárie se řetězová reakce zastaví havarijními tyčemi.

• Podmínkou je, aby kombinace jaderného paliva a ostatních látek dosáhla kritické velikosti.

• Nejdůležitější součástí reaktoru je aktivní zóna. Nejčastěji má tvar válce. Dochází v ní k uvolňování energie řetězovou reakcí. Základem jsou aktivní palivové články, v zóně jich bývá i několik set. Každý palivový článek obsahuje velké množství tenkých proutků, ve kterých je vlastní palivo → uran obohacený na několik procent 23592 U.

• V celé aktivní zóně jsou rozmístěny regulační tyče. Ty jsou z látky značně pohlcující neutrony. Pro zvýšení bezpečnosti jsou v některých kanálech havarijní tyče. Ty jsou při provozu mimo aktivní zónu. Pohltí značné množství neutronů a řetězovou reakci zastaví.