Jaderná energie bude sloužit našemu hospodářství
Elektřina je právem pokládána za ústřední nerv našeho hospodářství. Je základem růstu produktivity práce a zároveň ukazatelem vyspělosti naší výroby. Bez elektřiny bychom nezmodernizovali dopravu, bez elektrifikace bychom nesplnili obrovské úkoly v zemědělství a ve stavebnictví, bez elektřiny bychom nevybudovali nové hutě a průmyslové závody, jejichž výstavbu plánujeme v třetí pětiletce. Zkrátka – bez energie by to v našem hospodářství nešlo.
Odkud čerpáme energii
Československá energetika stojí doslova „na uhlí“. Jeho zásoby, v průměru asi 10 miliard tun, představují v současné době téměř 97 % veškerých zdrojů energie našeho státu. Malý zbytek do sto procent připadá na energii z vodních elektráren. Pravda, nedá se říci, že bychom na tom byli s těmito klasickými zdroji energie nejhůře. Ve srovnání se světovým průměrem činí naše zásoby energie připadající na 1 obyvatele asi trojnásobek množství, které mají jiné země. Avšak počtem kilowatthodin vyrobené elektřiny na jednoho obyvatele jsme dokonce o něco pod polovinou spotřeby v nejvyspělejších státech. Spotřeba elektřiny v období budování průmyslu a elektrifikace národního hospodářství roste téměř fantastickým tempem – u nás ročně téměř o 10 %. To znamená, že téměř každých sedm let se musí kapacita našich elektráren téměř zdvojnásobit! Na Vltavě a na Váhu se však dokončují poslední vodní elektrárny a chystaná naše největší průtoková vodní elektrárna na Dunaji bude asi posledním převážně energetickým vodním dílem! V další budoucnosti budeme muset vodní díla orientovat především na využití vody jako suroviny v průmyslu, v zemědělství i pro zásobování obyvatelstva a pro rekreaci; výroba elektřiny bude přitom možná jen v některých případech a v omezeném rozsahu.
Proto celá tíha výroby energie spočine na tepelných velkoelektrárnách. Přes svoje zdokonalování však tepelné elektrárny využívají z uhlí jen nepatrného zlomku energie. A protože chemický průmysl z uhlí vyrábí vše, od benzínu přes umělé hmoty a vlákna až po léčiva a barviva, a rovněž růst naší hutní výroby si vyžádá další milióny tun nejjakostnějšího černého uhlí pro výrobu koksu, vzroste zanedlouho spotřeba uhlí tou měrou, že už ji nebude možno krýt sebelépe prováděnou těžbou. Proto nezbývá než nastoupit nové cesty v naší energetice. Je třeba lépe než dosud využívat elektrické energie stavbou rozvodné sítě o obrovských napětích, širokým využíváním zářivek, polovodičů a úsporným navrhováním elektrických motorů. Východiskem z energetické krize však nakonec může být jen zdroj zcela nové energie, čerpané z jader atomů. Proto bylo usnesením XI. sjezdu KSČ rozhodnuto vybudovat u nás první velkou atomovou elektrárnu!
Smělé rozhodnutí…
Před šesti lety – 27. června 1954 se poprvé na světě roztočila turbína první atomové elektrárny, spuštěné nedaleko Moskvy. Tato elektrárna vyrábí energii štěpením jader uranu. Stala se „vlaštovičkou“ věku atomové techniky. Po ní následovaly další… V současné době pracuje v zahraniční již čtrnáct atomových elektráren a plány dalších opouštějí prkna projekčních kanceláří. Sovětský svaz i Spojené státy hledají nejvýhodnější typ atomové elektrárny, který by bylo možno stavět všude tam, kde nejsou jiné zdroje levnější energie. V SSSR se v současné době staví pět velkých jaderných elektráren a čtyři menší, zaměřené na vyzkoušení zvláštních koncepcí atomových reaktorů. K výstavbě velkých atomových elektráren přikročila zatím jedině Velká Británie, která se ocitla v náhlé energetické krizi.
Atomové, přesněji řečeno „jaderné“ elektrárny již vyrostly z dětských střevíčků. Jsou technicky i provozně spolehlivé a již za několik málo let budou vyrábět elektřinu levněji než nejmodernější tepelné elektrárny na uhlí.
Stavba naší první atomové elektrárny je smělým krokem k řešení problému nejvýhodnějšího typu jaderné elektrárny, podnikaným jako součást společného programu SSSR a zemí socialistického tábora. Velkou výhodou přitom je, že máme dostatečné množství vlastního uranu. Můžeme se spolehnout i na náš vyspělý průmysl, který dokáže zvládnout neobyčejné obtíže, jež se staví v cestu tomuto projektu. Avšak to nejhlavnější, o co se opírá rozhodnutí naší strany a vlády – to je nezištná bratrská pomoc zkušených sovětských atomových odborníků. Na základě mezistátní dohody nám poskytne Sovětský svaz prvotřídní technickou i vědeckou pomoc jak při projektu atomové elektrárny, tak i při její stavbě a provozu.
Od slov nebylo daleko k činům. Již několik let pracují sovětští jaderní inženýři, fyzikové a chemici s našimi vědci a s našimi projektanty. V Sovětském svazu se školí v atomových elektrárnách a u reaktorů nejen stavitelé, ale i budoucí provozní zaměstnanci naší atomové elektrárny.
Zatímco na Západě musí jednotlivé státy začínat ve výstavbě atomových elektráren vlastně „od Adama“ a musí jít zdlouhavou cestou přes pokusné energetické reaktory a malé atomové elektrárny k velkým projektům, ušetří nám sovětské zkušenosti a sovětská technická pomoc alespoň deset let nákladných výzkumů, které v celém svém rozsahu by byly nad síly malého státu. Tak můžeme přistoupit přímo ke konkrétní práci na velkém zařízení, jaké naše energetika nutně potřebuje.
Pokrok ve stavbě atomových elektráren a atomového průmyslu se dnes stává měřítkem vyspělosti průmyslu té které země. A Československo, díky sovětské pomoci, se svou velkou první atomovou elektrárnou zařadí mezi nejvyspělejší průmyslové státy.
Začátek je v Jáchymově
I když uran doslova prostupuje celou zemskou kůru, je na světě jen několik míst, kde jsou jeho ložiska obzvlášť bohatá. Port Radium v Kanadě, Republika Kongo – a pak náš Jáchymov. Sláva jáchymovských dolů se zrodila v době stříbrné horečky – v roce 1520. Jak dosvědčuje věhlasný učenec Georgius Agricola ve své „Rozmluvě o hornictví“, leželo tam prý stříbro doslova pod trávou. Víc než deset tisíc havířů a dobrodruhů se tam pustilo za štěstím. V honičce za stříbrem jim překážel načernalý kámen. Celé týdny i měsíce jej musili odhazovat na haldy – a nakonec pod ním stříbro stejně nebylo. Kámen, který jim přinášel jen dřinu a smůlu, nazvali „smolincem“.
Uplynula čtyři století. Jáchymovské stříbrné tolary leží v muzeích a sláva Jáchymova znovu ožila. Rýpadla, automobily a nenasytné drtírny pohltily staré hromady hlušiny. Obsahovaly totiž uranovou rudu, a ta má dnes mnohem větší cenu než samo stříbro. Za novou rudou se denně vydávají havíři do velkých hlubin. Kdysi kámen smůly – smolinec – se ukázal být nejbohatší rudou na světě.
„Kutačkáři“, vyzbrojení sovětskými pátracími přístroji, vedou party havířů za rudonosnou žílou. Vrtačky s vodním výplachem, dokonalá ventilace a řada jiných technických opatření umožnily dosáhnout toho, že práce v uranových dolech není o nic nebezpečnější než práce v dolech uhelných a rudných. Seismické výzkumy spolu s Geiger-Müllerovými indikátory kutačkářů se starají o to, aby ani kousek vzácné rudy nezůstal opomenut.
Černé hrudky smolince musí projít složitým čisticím a chemickým procesem, než se z nich vytaví stříbrolesklé tyče kovu uranu. Tento kov však obsahuje velmi málo izotopu uranu, který má ve svém jádře 235 protonů a neutronů. A teprve kilogram tohoto izotopu je schopen vydat množství tepla, s nímž se může měřit jen spálení 300 vagonů kvalitního uhlí nebo 2 miliónů litrů benzínu.
Jaká bude „A-jednička“
„A-1“ je označení, kterým si projektanti zkrátili název svého velkého úkolu, a ten už zůstal i vyrůstající první československé jaderné elektrárně. V současné době známe asi deset typů jaderných elektráren. Liší se od sebe jednak po stránce fyzikální různou kombinací použití zpomalených či rychlých neutronů, různého druhu látky brzdící neutrony (tzv. moderátoru) a látkami odvádějícími teplo, jednak v technickém uplatnění rozmanitých konstrukčních koncepcí.
Při volbě typu naší atomové elektrárny se hledělo zejména na to, aby se využilo domácích uranových surovin. Proto bylo rozhodnuto vybudovat jadernou elektrárnu založenou na využití přírodního uranového paliva. Takové palivo je totiž nejlevnější. Použití přírodního uranu však znemožňuje využít k brzdění neutronů, podmiňujících průběh štěpné reakce, obyčejné vody. Ze dvou možných brzdicích látek – grafitu a těžké vody – byla zvolena těžká voda. Aby spotřeba této drahé látky byla co nejmenší, bude k odvádění tepla z uranových tyčí použito plynu kysličníku uhličitého. To si sice vyžádá obtížnější konstrukční řešení reaktoru a výměníků tepla, ale je vyváženo vysokou bezpečností a dalšími výhodami, o nichž se přesvědčili britští konstruktéři, kteří budují jen elektrárny chlazené kysličníkem uhličitým.
Elektrický výkon naší první atomové elektrárny byl stanoven na 150 MW, což je výkon současných moderních parních elektráren. Místo stavby bylo vyhlédnuto na Slovensku, v Bohunicích u Trnavy. V této oblasti nejsou totiž nejvhodnější podmínky pro stavbu tepelných elektráren na uhlí a spotřeba energie tu neustále vzrůstá. Proto zde bude postavení atomové elektrárny velmi výhodné. Na staveništi se již pracuje a spuštění elektrárny se plánuje na rok 1965.
Obr. Model tlakové nádoby reaktoru, který je v poměru k projektované nádobě pětkrát zmenšen. (Archív Závodů V. I. Lenina v Plzni)
Prohlížíme atomový reaktor „A-1“
Atomový reaktor je srdcem jaderné elektrárny. V něm probíhá řízené štěpení jader uranu a odsud je odváděno uvolněné teplo, kterého se využívá v tepelném cyklu elektrárenského zařízení. Reaktor „A-1“ se skládá z mohutné ocelové tlakové nádoby, do níž je vložena hliníková nádrž s těžkou vodou. V nádrži jsou svisle uloženy trubky, které prostupují polokulovitým víkem nádoby, kde jsou opatřeny automatickými závěry. Do těchto trubek se vkládají vlastní palivové články. Každý palivový článek je vlastně svazkem 150 až 200 zavěšených, 4 m dlouhých uranových drátů o průměru 4 mm. Dráty jsou pokryty tenkým povlakem ze slitiny hořčíku a berylia. Tento povlak je velice důležitý, neboť chrání uran před korozí (uran se na povrchu tak rychle okysličuje, že by se mohl na vzduchu vznítit plamenem) a zároveň znemožňuje přestup štěpných produktů z uranu do chladicího okruhu.
Články vkládá do trubic důmyslný sázecí stroj. Po určité době provozu se články „otráví“ produkty štěpení jader U 235. Jejich radioaktivita je v té době přímo fantastická. Jeden kilogram produktů štěpení má takovou aktivitu jako 2 tuny radia (!). Nezbývá nic jiného, než otrávený článek vyjmout a nahradit novým. Dříve se však musí „vychladit“, protože se v něm i po vyjmutí z reaktoru vyvíjí teplo radioaktivním rozpadem. Proto jej sázecí stroj nejprve jen zdvihne ve svislé trubce z normální polohy v „aktivní zóně“ do tzv. „chladicího pásma“. O něco později jej sázecí stroj automaticky přepraví z chladicího pásma do velké „vymírací“ vodní nádrže, umístěné poblíže reaktoru. Tam se nechá článek vyzářit. Za několik měsíců klesne jeho radioaktivita do té míry, že ve zvláštním radiochemickém závodě lze „nevyhořelý“ uran oddělit, zformovat jej na nové palivové články a znovu zavést do reaktoru.
Trubkami podél palivových článků proudí shora dolů plynný kysličník uhličitý pod vysokým tlakem 60 atmosfér a odvádí uvolněné teplo. To je tzv. primární teplosměnný okruh. O něm budeme ještě v dalším hovořit. S uranem a chladicím plynem se samozřejmě ohřívá i těžká voda. Její teplota nesmí v žádném případě překročit 90 oC. Zvláštní čerpadla proto prohánějí těžkou vodu z nádrže v reaktoru do chladičů. Jiný oběh vede menší část těžké vody do zvláštního přístroje na čištění a rekombinaci zářením rozložené vody.
Reaktor tedy není nikterak jednoduchým zařízením. Pracuje při vysoké teplotě pod značným tlakem plynu a je vydán působení radioaktivního záření a mocného toku neutronů. Proto není divu, že nádoba, v níž je celé toto zařízení neprodyšně uzavřeno, bude chloubou naší ocelářské a hutní výroby. Nádoba i s víkem je 19 m vysoká, tzv. že její výška přesahuje výšku třípatrového domu. Vnější průměr nádoby je téměř 5 metrů a tloušťka stěny dosahuje 15 centimetrů.
I kdyby naše hutě dokázaly takovou nádobu vyrobit, nenalezl by se dopravní prostředek, který by ji přepravil do Bohunic. Proto se nádoba vyrobí až na místě svářením ze skruží, dna a víky, které budou s využitím krajních možností, jaké skýtá železnice, dopraveny na stavbu. Aby se zaručila úplná bezpečnost této obrovské nádoby, která po sváření bude stahována silným vnitřním pnutím, bude třeba celou nádobu vyžíhat. Nádoba bude zasypána do izolační hmoty jako obrovská termoska a elektricky vyhřáta až do červeného žáru. Poté bude dlouhou dobu pozvolna chladnout, až se napětí v kovu dobře vyrovná. Na výrobě nádoby již naše největší huť pracuje. Její součásti se válcují z ingotů o váze až 230 t. Dokončení nádoby dovrší vynikající úspěchy československého hutnictví.
Radioaktivní záření a mocný tok neutronů nesmí z reaktoru proniknout do okolí. Proto bude nádoba uložena ve stínicím krytu z těžkého betonu (s přísadou železa) a obklopena vodním pláštěm.
U parních generátorů – a ve strojovně „A-1“
Z uranu v atomovém reaktoru nešlehají plameny jako třeba z uhlí pod elektrárenským kotlem. Přece však se teplem ze štěpné reakce uranové dráty ohřívají, a kdyby nebyly chlazeny – roztavily by se vlastním žárem. Aby se nepoškodil ochranný povlak uranových článků, nesmí jejich teplota na povrchu překročit 500 oC. Proto šest mohutných odstředivých regulačních dmýchadel, každé o výkonu téměř 6 tisíc koní, prohání pod vysokým tlakem podél uranových článků plynný kysličník uhličitý. V místech, kde vstupuje do nádoby reaktoru, je plyn sotva 100 oC teplý, v místech, kde reaktor opouští, je již ohřát na 425 oC. Žhavý plyn proudí soustavnou potrubí do parních generátorů. To jsou vlastně parní kotle vytápěné plynem ohřátým v reaktoru.
Parní generátor je soustava klikatě zohýbaných trubek, jimiž proudí horký plyn. Uvnitř trubky však je až deset malých trubiček vodního okruhu. Voda, která jimi prochází, se v jedné části generátoru nejprve ohřívá, pak odpařuje a nakonec přehřívá.
Aby se co nejlépe využilo tepla v tomto složitém okruhu, vyrábí parní generátor dvojí páru: vysokotlakou a nízkotlakou. Vysokotlaká pára (29 atmosfér při 400 oC) se vede do vysokotlaké části parní turbíny, kde předá část své energie. Na výstupu z vysokotlaké turbíny se do výfukové páry připouští čerstvá pára nízkotlaká, s níž pak ještě jednou předává svoji energii nízkotlaké turbíně. Teprve potom se pára sráží v kondenzátorech a kondenzát se vrací do parního generátoru. Tím se uzavírá tzv. sekundární, převážně parní okruh jaderné elektrárny. Ve strojovně „A-1“ budou tři turbogenerátory, kterými se běžně vybavují naše tepelné elektrárny.
I když jsme se vůbec nezajímali o složitou úpravnu napájecí vody, o speciální filtry a čisticí okruhy jak pro kysličník uhličitý, tak pro vodu, i když jsme dosud nehovořili o tzv. startovacích kondenzátorech, vidíme, že teplosměnný systém jaderné elektrárny je složitější než stejné zařízení elektráren uhelných. Přitom přes všechny snahy tepelných techniků se ztrácejí v teplosměnném okruhu tři čtvrtiny energie uvolněné štěpením v reaktoru. Tepelná účinnost jaderné elektrárny tedy nebude lepší než 25 %. To je ovšem nedostatek společný všem tepelným elektrárnám a musíme se s ním smířit do té doby, než bude nalezena cesta přímé přeměny jaderné energie v elektrickou.
Řízení „A-1“ bude plně automatizováno
Přes svoji složitost je jaderný reaktor v podstatě nejpřesněji řiditelným motorem vůbec. Řízení množství uvolňovaného tepla se provádí zasouváním a vysouváním zvláštních regulačních tyčí, nebo dokonce i palivových článků z prostoru aktivní zóny. Velké množství údajů od teploměrů, průtokoměrů, tlakoměrů chladicího okruhu a měřičů toku neutronů v aktivní zóně se sbíhá v jaderné elektrárně do jejího automatického mozku – do ústřední dispečerské síně. Jakmile dozírající inženýr nastaví na ovládacím stole potřebný výkon, reaktor jej odevzdává s přesností 1 %! V případě jakékoliv poruchy – např. přehřátí článku, nebezpečně narůstajícího toku neutronů, vysoké teploty moderátoru apod. – se okamžitě spouští samočinná havarijní ochrana, která reaktor odstaví z provozu a řídí po dlouhou dobu odvádění tepla uvolňovaného radioaktivitou zadrženou v aktivní zóně.
Automatické řízení „A-jedničky“ pamatuje na jakoukoliv možnost v poruše chodu elektrárny. Při náhlém zastavení chodu elektrárny se automaticky přeponou motory chladicích dmýchadel na veřejnou rozvodnou síť a při jejím poškození na zvláštní vedení spojující jadernou elektrárnu s některou ze čtyř blízkých menších vodních elektráren na Váhu. A kdyby i tato síť byla porušena, jsou v záloze silné baterie akumulátorů, které stačí dodávat proud po dobu nutnou k opravě sítě.
Aby se předešlo eventuálním poruchám v činnosti jednotlivých zařízení, budou do některých obvodů zapojeny elektronické samočinné regulační aparatury.
Nehrozí nebezpečí radioaktivního úniku?
Všechny pracovní prostory kolem reaktoru a primárního okruhu, v nichž hrozí nebezpečí úniku radioaktivního plynu či prachu, budou hermeticky uzavřeny a při provozu pro personál nepřístupné. V těchto prostorách bude stále udržován mírný podtlak, takže i při nahodilé netěsnosti by radioaktivní plyn nemohl uniknout, naopak, touto netěsností by vstupoval do ohroženého prostoru vzduch zvenčí. Před vyvedením z komína projde vzduch z těchto prostorů důkladnou filtrací a kontrolou. Ani vyhořelé články se svojí nesmírnou radioaktivitou nemohou škodit. Budou uchovávány ve zvláštních pouzdrech na dně vymírací vodní nádrže, vybudované hned vedle reaktoru. Radioaktivní prach a zbytky z filtrů a čističů budou hermeticky zality do ochranných pouzder a uloženy ve zvláštních „pohřebištích“. Radioaktivní vody projdou důkladným zpracováním a kontrolou, aby byly zdravotně nezávadné, a teprve pak budou vypuštěny do řeky.
Člověk a radioaktivita si nejsou dobrými přáteli. Proto se největší péče soustředí na ochranu zdraví zaměstnanců. Budou musit používat osobních ochranných pomůcek, dodržovat veškeré bezpečnostní předpisy platné při práci v radioaktivním prostředí. Díky moderní měřicí a ochranné technice nebude práce v jaderné elektrárně o nic nebezpečnější než v jakékoliv jiné elektrárně.
Co přinese první jaderná elektrárna našemu hospodářství
Stavba první velké jaderné elektrárny nového typu, jaký ještě nikde na světě není v provozu, je velikým úkolem našich dělníků a techniků. K jeho splnění se soustředily síly našich nejlepších strojírenských závodů a výzkumných ústavů. Vždyť většinou jde o zařízení, která svou konstrukci, velikostí a vysokými požadavky na materiál i kvalitu práce jsou skutečnými unikáty. Zařízení musí být také naprosto spolehlivé, protože oprava v radioaktivním prostředí by byla obtížná, zdlouhavá a nebezpečná. Nesmíme se proto divit, že náklady na výstavbu této první naší jaderné elektrárny budou nejméně dvaapůlkrát vyšší než náklady na stavbu uhelné parní elektrárny stejného výkonu. Jaderná elektrárna však nepotřebuje dovážet tisíce vagonů uhlí na velké vzdálenosti. Palivo pro celý rok jejího provozu lze dovézt asi deseti vagóny. Navíc se z části uranu (z izotopu U 238) rodí při chodu reaktoru jisté množství umělého čistého jaderného paliva – plutonia. Toto palivo bude možno oddělit při čištění otrávených uranových článků a získat neobyčejně cennou látku pro pozdější využití v dokonalejších jaderných elektrárnách. Vezmeme-li v úvahu podrobné ekonomické výpočty, vyjde kilowatthodina elektrického proudu z naší první jaderné elektrárny asi o jednu třetinu dráž než z elektrárny uhelné.
Můžeme tedy očekávat, že po zaběhnutí počne „A-jednička“ dodávat každým rokem našemu hospodářství téměř dvacetinu veškeré elektrické energie, vyráběné dnes v ČSSR. Nahradí tak ročně půl miliónu tun nejlepšího černého uhlí nebo jeden a půl miliónu tun hnědého uhlí. První jaderná elektrárna bude tedy důležitým činitelem v našem energetickém systému a účinně napomůže industrializaci Slovenska. Avšak její hlavní význam spočívá v tom, že jako prototypové, unikátní zařízení přinese bohaté zkušenosti pro široké využívání jaderné energie v příštích letech.
Perspektivy jaderných elektráren v Československu
V nedaleké budoucnosti nebude již možné zvyšovat v Československu těžbu uhlí. V té době proto připadne dalším jaderným elektrárnám důležitý úkol – nahradit uhlí při výrobě elektrické energie. V té době se již cena kilowatthodiny z jaderné elektrárny bude rovnat nebo bude i menší než kilowatthodina z uhelné elektrárny.
Po „A-jedničce“ bude vybudováno ještě několik, zřejmě daleko větších jaderných elektráren na uranové palivo. Tyto elektrárny kromě energie vyrobí tolik plutonia, že v další „generaci“ budeme moci naši jadernou energetiku opřít již o plutoniovou základnu. Ani tím však neskončí rozvoj jaderné energetiky. Vždyť fyzikové usilovně zkoumají možnosti vybudování termojaderné elektrárny, která bude čerpat svoji energii z těžkého vodíku přímou přeměnou!
Inž. Karel Rosa, XX století, Orbis 1960
Obr. na úvod: Perspektivní pohled na projektovanou čs. atomovou elektrárnu A-1