Struktura jaderné elektrárny

Jaderná elektrárna se skládá z mnoha částí, které dohromady tvoří jeden funkční celek.
Fungování elektrárny lze rozdělit do dvou okruhů. Primární okruh zařizuje přenos tepelné energie z jaderného reaktoru, kde probíhá štěpná reakce do parogenerátoru. V parním generátoru dochází k předání tepla do sekundárního okruhu, kde dochází k přeměně vnitřní energie páry na točivý pohyb turbíny. Důležitým je též okruh chladicí, kde dochází k ochlazení vody a následném přivedení vody do parogenerátoru.[1]

Schéma dvouokruhové jaderné elektrárny[2].

Primární okruh jaderné elektrárny

Primární okruh tvoří několik součástí. Nejdůležitější komponentou tohoto okruhu je jádro a nádoba reaktoru, kde v aktivní zóně dochází k jaderné řetězové reakci. V ocelové nádobě reaktoru se dále nachází palivo (nejčastěji UO₂), chladivo a regulační tyče. Řetězová reakce ohřívá vodu, která v nádobě cirkuluje a následně je ohřátá voda vedena potrubím do parogenerátoru. Voda do parogenerátoru vstupuje tryskou ve spodní části a pod vysokým tlakem prochází trubkami. Teplo z trubek následně přemění vodu, která je obklopuje, na vodní páru. Následně se ochlazená voda z trubek vrací zpět do reaktoru, kde se znovu nahřeje.

Rovnováhu páry v primární smyčce udržuje tlakový kompenzátor. Dojde-li ke zvýšení tlaku v primárním okruhu, tak se do kompenzátoru vpustí studená voda. To způsobí přeměnu vodní páry na vodu a sníží se tlak. Pokud se tlak v systému sníží, spustí se elektrické ohřívače, aby došlo k přeměnění více vody na páru a tím pádem k zvýšení tlaku. Řízení tlaku umožnuje vodě, která v systému teče, dosáhnout vyšší teploty bez toho, aniž by se voda začala vařit. [3]

Schéma primárního okruhu jaderné elektrárny. [4]

Sekundární okruh jaderné elektrárny

V sekundárním okruhu dochází k přeměně tepelné energie páry na mechanickou energii rotoru parní turbíny. Hlavní části tohoto okruhu tvoří turbína a generátor. Pára z parogenerátoru putuje potrubím do turbíny, tam roztáčí lopatky turbíny, čímž dochází k přeměně energie páry na energii mechanickou. Lopatky turbín jsou spojeny s hřídelí, která následně roztáčí rotor generátoru. Takto vytvořenou elektrickou energii je nutno před vyvedením do celostátní energetické rozvodné sítě transformovat na napětí 400kV. [5]

Nukleární reaktory

Generace jaderných reaktorů

Generace I: Reaktory první generace byly stavěny hlavně v 50. a 60. letech 20. století. Do provozu se zaváděly zejména jako experimentální reaktory. Využití v energetice tak našly pouze některé z nich. Nejdůležitější bylo ověřit, zda je možné používat reaktory k výrobě elektrické energie. Reaktory měly pouze základní bezpečnostní prvky, které byly později rozšiřovány. Posledním provozu schopným reaktorem byl reaktor v britské jaderné elektrárně Wylfa (540MWe), který vyráběl elektřinu od roku 1971 do prosince 2015. [6][7]
Generace II: Reaktory druhé generace jsou spojeny s ropnou krizí ze 70. let minulého století. Kvůli nárůstu ceny ropy přibližně ze 3 na 11 dolarů za barel, byl velký zájem o diverzifikaci zdrojů a zejména USA investovala velké peníze do vývoje jaderné energetiky. Větší polovinu nově budovaných reaktorů tvoří tlakovodní reaktory (PWR). Hlavní výhodou bylo využívání vody, která byla relativně levnou a dostupnou surovinou, reaktory byly kompaktní a technologie obohacování již byla výborně technicky zvládnutá. Druhý nejpoužívanější reaktor byl grafitový reaktor chlazený oxidem uhličitým (AGR), který byl vyvinut ve Velké Británii. Do této generace také řadíme reaktory VVER, což byly tlakovodní reaktory vyráběné v Rusku. Tyto reaktory byly budované a provozované v bývalém Československu. Největším posunem oproti reaktorům první generace byla hlavně zvýšená bezpečnost celého systému. Nejvýznamnějším zástupcem II. generace v Česku je jaderná elektrárna Dukovany. [6][7]
Generace III: Reaktory třetí generace byly evolučním vývojovým stupněm reaktorů. Technologicky jsou velmi podobné reaktorům druhé generace. Hlavními rozdíly je standardizace projektů a snížení investičních nákladů (mají jednoduší a robustnější konstrukci, sníženou spotřebu uranu i nižší objem radioaktivního odpadu). Velmi se zlepšila také bezpečnost elektráren (odolnost vůči vnějším vlivům a lepší zvládání vícenásobných poruch). Zástupcem III. generace jaderných elektráren je například druhý blok kanadské jaderné elektrárny Gentilly (první reaktor typu CANDU-6). [6][7]
Generace III+: Rozdělení reaktorů III a III+ nemá pevnou hranici, avšak hlavním znakem těchto reaktorů je zvýšení počtu pasivních bezpečnostních prvků. Tím se výrazně snížila možnost lidských chyb při ovládání reaktoru. Krizové stavy řeší tyto reaktory automaticky na základě přírodních zákonitostí bez zásahu operátora. Momentálně se jedná o nejlepší dostupnou technologii v oblasti jaderných elektráren. [6][7]
Generace IV: Cílem reaktorů čtvrté generace je dosáhnout udržitelného vývoje jaderné energetiky, konkurenceschopného provozu s ostatními zdroji energie a zároveň zachovat vysokou úroveň bezpečnosti. Zatím se jedná o demonstrační reaktory, které pracují s rychlými neutrony a uzavřeným palivovým cyklem. Patří sem i další technologie pracující s tepelnými neutrony a otevřeným palivovým cyklem. Zahájení komerčního provozu těchto reaktorů je odhadováno po roce 2050. [6][7]

Oddělení primárního a sekundárního okruhu umožňuje použití různých druhů chladiv reaktoru a dále zabraňuje přítomnosti radioaktivních látek v sekundárním okruhu.

Tabulka jaderných reaktorů

Typ reaktoru	Hlavní země	Počet	GWe	Palivo	Chladivo	Moderátor
Tlakovodní reaktor (PWR)	USA, Francie, Japonsko, Rusko, Čína, Jižní Korea	307	293.7	obohacený UO₂	Voda	Voda
Varný reaktor (BWR)	USA, Japonsko, Švédsko	61	61,9	obohacený UO₂	Voda	Voda
Těžkovodní reaktor (PHWR)	Kanada, Indie	47	24,3	přírodní UO₂	Těžká voda	Těžká voda
Lehkovodní grafitový reaktor (LWGR)	Rusko	11	7,4	obohacený UO₂	Voda	Grafit
Plynem chlazený reaktor (AGR)	Velká Británie	8	4,7	přírodní U (kov), obohacený UO₂	CO₂	Grafit
Rychlý množivý reaktor (FBR)	Rusko	2	1,4	PuO₂ a UO₂	Tekutý sodík	–
Vysokoteplotní plynem chlazený reaktor (HTGR)	Čína	1	0,2	obohacený UO₂	Helium	Grafit
Celkem		437	393,6

Přehled jaderných reaktorů ve světě. [8]

Na této mapě: https://www.wano.info/members/wano-world-map se můžete podívat na různé typy reaktorů v zemích celého světa.

Reference

[1] Techmania Science Center [online]. Plzeň: Mgr. Magda Králová, 2007 [cit. 2022-12-13]. Dostupné z: http://edu.techmania.cz/cs/encyklopedie/fyzika/atomy-castice/jaderna-elektrarna
[2] Vovcr. In: Https://www.vovcr.cz/odz/tech/284/page28.html [online]. Praha 9: Ing. Bc. Anna Mudruňková, 2019 [cit. 2022-12-13]. Dostupné z: https://www.vovcr.cz/odz/tech/284/image/small/img022.jpg
[3] Emirates Nuclear Energy Corporation [online]. Abú Dhabí: Emirates Nuclear Energy Corporation, 2022 [cit. 2022-12-13]. Dostupné z: https://www.enec.gov.ae/discover/how-nuclear-energy-works/how-does-a-nuclear-energy-plant-generate-electricity-/secondary-loop-components/
[4] TUCKER, Colin. How to Drive a Nuclear Reactor [online]. Cham: Springer International Publishing, 2019 [cit. 2022-12-13]. ISBN 978-3-030-33875-6. Dostupné z: doi:10.1007/978-3-030-33876-3
[5] Emirates Nuclear Energy Corporation [online]. Abú Dhabí: Emirates Nuclear Energy Corporation, 2022 [cit. 2022-12-13]. Dostupné z: https://www.enec.gov.ae/discover/how-nuclear-energy-works/how-does-a-nuclear-energy-plant-generate-electricity-/secondary-loop-components/
[6] Atominfo. Atominfo [online]. [cit. 2022-12-13]. Dostupné z: https://atominfo.cz/2016/03/generace-jadernych-reaktoru-jake-generace-mame-cim-se-navzajem-lisi/
[7] SKUPINA ČEZ. Cez [online]. Praha: Praha 4, 2022 [cit. 2022-12-13]. Dostupné z: https://www.cez.cz/cs/o-cez/vyrobni-zdroje/jaderna-energetika/je-ve-svete/zakladni-typy-jadernych-reaktoru
[8] World Nuclear Association. World-nuclear [online]. London: World Nuclear Association, 2022 [cit. 2022-12-13]. Dostupné z: https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/nuclear-power-reactors.aspx