70 let jaderné energetiky v Rusku

Historie jaderné elektrárny Dukovany (EDU) sahá až do počátku 70. let, kdy tehdejší Československo a Sovětský svaz v roce 1970 podepsaly mezivládní dohodu o výstavbě dvou jaderných elektráren s výkony 1 760 MW (Jaslovské Bohunice na Slovensku a Dukovany na jižní Moravě). První reaktorový blok v Dukovanech byl uveden do provozu v květnu 1985, poslední čtvrtý blok v červenci 1987. Stavba provozních objektů elektrárny Temelín byla zahájena v roce 1987 a v roce 2000 vyrobil první blok první elektřinu (zdroj: Skupina ČEZ).

Začátky jaderného průmyslu v Rusku se datují mnohem dříve, do čtyřicátých let dvacátého století, kdy budoucí nepřátelé ve Studené válce zahájili masivní jaderné zbrojení a předháněli se v počtu a výkonu svého jaderného arsenálu. Letos je tomu sedmdesát let, kdy byl postaven první sovětský jaderný reaktor a poprvé spuštěna řetězová reakce (1945). Vůbec první jaderný reaktor postavili a spustili Američané již v roce 1942. Nicméně ani jedna světová velmoc v té době neměla v plánu jaderné energie používat k prospěchu lidstva, ale naopak k jeho zastrašování a v nejhorším případě i vyhlazení (Hirošima a Nagasaki 1945). Tato doba je již naštěstí za námi (upřímně doufám), a přestože ještě dnes několik států (deset těch, které to přiznávají) disponuje jadernými zbraněmi, mají podepsané dohody o jejich nešíření. A většinou se tedy věnují vývoji jaderných technologií pro mírové, civilní využití.

Právě k příležitosti oslav 70. výročí jaderné energetiky v Rusku byla od září otevřena výstava ve výstavní síni Manéž v Moskvě. Návštěvníky provázela celým obdobím rozvoje sovětského, později ruského atomového průmyslu. Modely hladinových i podvodních plavidel, jaderných zbraní, reaktorů, paliva apod., videa i interaktivní expozice velmi dobře přiblížily situaci v jednotlivých obdobích vojenského rozvoje až do současného velmi propagovaného mírového využití jaderných technologií.

U příležitosti tohoto výročí byla také generálním ředitelem Rosatomu S. V. Kirienkem udělena vyznamenání veteránům jaderné oblasti a na jejich počest byla uspořádána v prostorech Kremelského paláce slavnostní ceremonie a koňská i pěší vojenská přehlídka. Mezi vyznamenanými byli i čeští veteráni jaderného průmyslu: Jiří Marek, Jindřich Beroun, Václav Urbánek a Aleš John.

Národní koncern Rosatom přizval k oslavám také novináře ze států, kde již postavil či má v plánu stavět reaktorové bloky, a připravil pro ně pestrý doprovodný program. Historie Mašinostrojitělného zavodu sahá do dvacátých let dvacátého století, kdy se zde vyráběla primárně munice včetně velmi rozměrných dělostřeleckých granátů. K tavení kovů na výrobu patron byl používán elektrický proud, takže město, které vzniklo společně se závodem, dostalo název Elektrostal. V roce 1945 byl závod přetransformován a státem uznán jako nukleární projekt. Dnes se zde vyrábí jaderné palivo pro různé typy jaderných reaktorů (RBMK, VVER, BN – ruská konstrukce a BWR, PWR – západní konstrukce) a zásobuje se jím 13 % světového trhu.

Vstup do areálu Mašinostrojitělného zavodu podléhá velmi přísným bezpečnostním opatřením a identifikační (pasové) kontrole. Pro vstup do prostor, kde probíhá výroba jaderných pelet, a na montážní linku, kde dochází k plnění palivových proutků peletami a ke kompletaci palivových kazet, již bylo nutné vybavit se ochrannými prvky včetně dozimetru, přístroje na měření radiace. Výroba pelet i samotná montážní linka palivových kazet je moderní a automatizovaná. Pro představu: v závodě se vyrábějí desítky různých typů pelet, liší se nejen rozměry, obohacením, ale také tvarem. V Rusku byly původně vyráběny válcové pelety s centrálním otvorem v ose, které mají lepší bezpečnostní rezervy, to znamená, že v případě přehřátí se mají kam rozpínat. Dnes se ale přechází k válcovým peletám s prohlubněmi v obou podstavách, protože má při stejných vnějších rozměrech větší objem, obsahuje tedy více uranu a palivová kazeta může v aktivní zóně reaktoru zůstat déle, než vyhoří energeticky využitelný uran 235. (Při pracovní teplotě, která se v reaktorech VVER pohybuje kolem 300 °C, se peleta roztáhne a prohlubně se vyrovnají.)

Vyslechneme si bezpečnostní školení, oblékáme bílé pláště, návleky na boty, roušky na obličej a připínáme si dozimetry. Vstupujeme do výrobní haly na výrobu pelet. V rušné hale se nacházejí dvě výrobní linky. Palivové pelety, které nebyly ozářeny v jaderném reaktoru, vyzařují jen ty typy radiace, které odstíní pokožka, takže obsluha se obejde bez protiradiačních obleků. Jediné nebezpečí představuje vdechnutí prášku, z nějž jsou pelety vyráběny. Uvnitř plic není žádná vrstva, která by člověka chránila, a proto je nutné v prostorech, kde se s práškem manipuluje, nosit ochrannou roušku. Součástí obou linek je pec, v níž jsou lisované pelety vyžíhány, čímž získají požadovanou mechanickou a tepelnou odolnost. Výroba prášku probíhá v jiné hale, kam je dodávána obohacená sloučenina uranu v plynné podobě. Ta je chemickými procesy převáděna do pevné podoby oxidu uraničitého (UO2). Prášek je pak tady na lince již automaticky dávkován, lisován a spékán při teplotě 1 750 °C do pelet požadovaných rozměrů. Po dopravníku putují pelety mezi brousicími kotouči, kde se každá peleta brousí s velikou přesností na požadovaný rozměr a samozřejmě důkladně kontroluje. Cesta pelety je na této lince zakončena pádem do krabice.

Vyrobené pelety v krabicích pak putují na linku pro fabrikaci jaderného paliva. Vcházíme do další haly, kde se nachází 30 až 40 m dlouhá montážní linka - už na první pohled vypadá moderněji. Stejně jako v předcházející hale i tato montáž podléhá přísným pravidlům vysoké čistoty. Zde již nehrozí náhodné vdechnutí uranového prášku, a proto můžeme odložit roušky – dozimetr však ponecháváme zapnutý. Krabice s peletami jsou na začátku linky vysypávány a přes vibrační rošt se řadí na dopravníkovém pásu jedna za druhou. Do cesty se jim staví dutý palivový proutek ze zirkoniové slitiny, což je také jeden z produktů Mašinostrojitělného zavodu. Proutky se naplní peletami, ale ne zcela. V každém se nechává volné místo, aby se pelety měly kam rozpínat, až se v reaktoru ohřejí štěpením. V další části linky jsou proutky s palivem plněny heliem, které by upozornilo na případné netěsnosti proutku, a dále jsou v ochranné atmosféře zavařeny jejich volné konce. Po přivaření obou koncovek je tedy proutek hermeticky uzavřen a tuto hermetičnost je možné ověřit právě pomocí měření helia v jeho okolí. Proutky jsou dále kontrolovány opticky, ultrazvukem a dalšími postupy. Díky tomu lze zjistit, zda se uvnitř již hotového proutku nenachází nežádaný kyslík, vlhkost, zda má obsažený uran správný stupeň obohacení, zda nejsou mezi peletami mezery a zda není povrch kontaminován. Pokud proutek projde těmito testy, je automaticky nasunut na správné místo v palivové kazetě.

Proutky procházejí distančními mřížkami, které zajišťují stejnou vzdálenost mezi každými dvěma proutky a umožňují tak stejnoměrné obtékání každého proutku chladicí vodou. Koncovka proutků je zacvaknuta do hlavice palivové kazety. Každý proutek je navíc označen jedinečným kódem a pomocí elektronického systému je tak zaznamenána jeho existence, obsah, obsluha, jež byla přítomna při jeho plnění i kontrole, nebo místo destinace apod.

Na hale se nacházejí čtyři výrobní linky a každá z nich slouží k výrobě jiného typu paliva. Z těchto linek také pochází palivo pro české reaktory typu VVER-440 a VVER-1000. Linky na výrobu palivových proutků vyrobí každou minutu jeden proutek, který je vzápětí namontován do palivové kazety. Každá směna vyrobí jen několik palivových kazet, což je dáno objemem poptávky. Aby byly zabezpečeny palivem všechny reaktory typu VVER-440 na světě, stačí vyrobit denně asi čtyři kazety a pro reaktory typu VVER-1000 tři kazety. V současnosti přechází pod Mašinostrojitělnyj zavod také výroba paliva pro reaktory VVER-1200, které se řadí k pokročilým reaktorům generace III+. Spouštění prvního bloku tohoto typu má být zahájeno před koncem letošního roku v Novovoroněžské jaderné elektrárně. Tento typ reaktorů byl také nabízen česko-ruským konsorciem ve zrušeném tendru na rozšíření Temelína.

Ne všechny kazety v jaderném reaktoru mají stejný stupeň obohacení (tedy poměr uranu 235, který je štěpen v současných reaktorech). Míra obohacení se liší podle vzdálenosti kazety od středu aktivní zóny a také v rámci samotného palivového proutku. Na koncích proutku jsou pelety s jiným obohacením než uprostřed. Důvodem k tomuto profilování je optimalizace vyhořívání paliva a také radiačního namáhání tlakové nádoby. Působením teplot a radiace dochází k degradaci tlakové nádoby a jde o hlavní parametr určování životnosti jaderné elektrárny. Proto jsou ke stěnám nádoby umisťovány kazety s menším obohacením, aby byl materiál nádoby méně namáhán tokem neutronů.

Zásadním parametrem každé kazety je její geometrie. Uvnitř reaktoru se nacházejí distanční mříže, které zajišťují přesné rozměry mezi jednotlivými kazetami a ty do nich musejí přesně zapadat. Kazeta tak nesmí být zkroucená, prohnutá ani jinak deformovaná, a to s velkou přesností. Po sestavení je tak testována geometrie každé kazety.

Ne každá kazeta pro jaderný reaktor je určená k podpoře řetězové štěpné reakce. Jsou zde také kazety, které ji mají tlumit. Jde o řídicí a havarijní kazety, které jsou také vyráběny v Mašinostrojitělném zavodě. Tyto kazety jsou vyrobeny z materiálů absorbujících neutrony, je používán především bor. Řídicí kazety slouží v reaktoru k řízení jeho výkonu a k jeho běžnému odstavení. Havarijní tyče slouží k okamžitému zastavení řetězové štěpné reakce. Nacházejí se v horní části tlakové nádoby a v této poloze jsou udržovány pomocí elektromagnetů. Dojde-li k přerušení proudu v elektromagnetech, kazeta okamžitě spadne do aktivní zóny a za něco málo než vteřinu zastaví řetězovou reakci.

Pár čísel k palivu na českých energetických reaktorech:

Palivová kazeta pro dukovanské reaktory (typ VVER-440) je 3,2 metru dlouhá, přičemž palivo jako takové představuje 2,42 m dlouhý sloupec pelet o průměru 7,8 mm a o výšce kolem 10 mm. Každá kazeta se skládá ze 126 proutků a v aktivní zóně je 349 kazet. V každé kazetě je 132 kg uranu se stupněm obohacení až 4,76 procenta, což znamená, že v aktivní zóně je celkem 46 tun uranu.

Do temelínských reaktorů (typ VVER-1000) jsou zaváženy kazety dlouhé 4,57 m, přičemž palivový sloupec je vysoký 3,68 m a je tvořen peletami o průměru 7,6 mm. V aktivní zóně se nachází 163 kazet, což představuje celkem 85 tun uranu. V každé kazetě je 312 palivových proutků, každý s obsahem 1,68 kg uranu obohaceného až na 4,88 procenta. To znamená, že v každé kazetě je 26 kg uranu 235, který slouží jako palivo.

V Mašinostrojitělném závodě bylo v roce 2014 vyrobeno zkušební palivo pro vesmírný jaderný reaktor. Tento reaktor má vyrábět elektřinu, kterou budou urychlovány ionty, čímž bude vznikat tah potřebný pro pohon vesmírné lodě. Díky tomuto pohonu bude možné doletět na Mars za 30 až 90 dní, namísto 4 až 5 let dosažitelných se současnými chemickými motory. Reaktor vyvíjený ruským výzkumným ústavem NIKIET bude pracovat při velmi vysokých teplotách. Klasická jaderná energetika se pohybuje v oblasti teplot nižších zhruba o tisíc stupňů, což znamená použití nových konstrukčních materiálů.

Výše popsané technologie ale nebyly vždy takto perfektní. Ani jaderné reakce nebyly vždy tak dobře zvládnuté, jako je tomu dnes. Ve dvacátých a třicátých letech bylo v tehdejším Sovětském svazu založeno hned několik výzkumných institutů na podporu výzkumu radioaktivity s tím spojené. V roce 1943 byla založena tzv. Laboratoř #2 (budoucí Kurčatovův institut) pod vedením nadaného fyzika I. V. Kurčatova, který měl v oné laboratoři za úkol postavit atomovou bombu. Kurčatov se však hlásil k mírovému používání jaderné energie a v jeho výzkumném programu byly vedle jaderných zbraní také jaderné elektrárny, jaderná plavidla a zařízení pro využívání jaderné energie v letectví a později i v astronautice.

První sovětský jaderný reaktor F-1 s grafitovým moderátorem byl poprvé spuštěn v roce 1945 a dodnes v Kurčatově institutu stojí, v aktivní zóně je stále palivo, ale momentálně se nepoužívá. Zachováno je dokonce i řídicí středisko, které vedle velmi moderně vybavených laboratoří vypadá jako z historického románu – a přitom uběhlo „jen“ sedmdesát let. Rozvoj atomových technologií za velmi silné státní podpory byl doslova raketový a ani zdaleka se ještě nezastavil. V pozdějších letech došlo v institutu k rozvoji řízené termonukleární fúze a to vedlo ke vzniku zařízení Tokamak. Tokamak T-10, zařízení, které vyrábí silné magnetické pole pro oddělení plazmatu od stěny reaktoru při procesu termojaderné fúze, dodnes v institutu také stále plně funkční stojí. Mezi další významné mezníky z „dílny“ Kurčatovova institutu, které poté přispěly také ke světovému vývoji mezinárodního experimentálního termonukleárního reaktoru ITER, patří i Tokamak se supravodivým niob-titanovým vinutím T-7 nebo největší supravodivý Tokamak v zemi T-15. Výzkum a vývoj se v pozdějších letech rozšiřuje i do dalších oborů fyziky (nukleární a neutronová spektroskopie, fyzika elementárních částic, studium plazmatu či materiálů).

V dnešní době se poznatky z jaderné fyziky promítají do výzkumu a vývoje dalších vědních disciplín, jako jsou mikroelektronika, komunikační technologie a systémy – superpočítače, bio- a nanotechnologie, medicína a další, které jsou zde v Kurčatovově institutu také velmi podporovány. Svědčí o tom nejen dosahované výsledky, ale i velmi moderně vybavené laboratoře nejlepšími přístroji.

Moderně vybavené laboratoře jsme viděli i na poslední zastávce, kterou byla vysoká jaderná škola v Moskvě MIPI. Ředitel školy nám nejprve hrdě představil univerzitu, její aktivity a v neposlední řadě se pochlubil i spoluprací se zahraničními univerzitami při představení skoro dvou desítek zahraničních studentů.

U vchodu do laboratoře Inženýrského centra výzkumného institutu MIPI nás obletěl monitorovací dron vybavený kamerou a dalším sledovacím zařízením. Uvnitř laboratoří nám studenti hrdě představili další vynálezy. Přístroj na detekci zhoubných nádorů nebo endoskopické kapsle pro diagnózu onemocnění trávicího traktu. Kapsle měří okolo dvou centimetrů a obsahuje kameru se záběrem 180°. V laserovém centru nám studenti předvedli aplikaci aditivní technologie či řezání 3D profilu pomocí laseru. Chloubou nanocentra je zase přístroj na hodnocení nanopovrchů nanášených na polovodiče. Pro využití jedinečného přístroje jsou přijímány i externí zakázky – hodnocení tenkých vrstev obecně.

Rusko nepochybně patří k předním společnostem zabývajícím se jadernými technologiemi. Za vysoké státní podpory probíhá nadále intenzivní vývoj a výzkum jaderných technologií a dalších k nim již dnes přidružených vědních oborů. Často se jedná o Top Secret programy, neboť jsou to mladé vědní obory, kde se stále bojuje o světové prvenství. Vedle těchto tajných projektů se Rusko, lépe řečeno státní korporace Rosatom, podílí na mnoha mezinárodních programech. Jako jedna z mála společností na světě pokrývá Rosatom celý jaderný cyklus – počínaje těžbou uranu přes výrobu jaderného paliva, projektování jaderných bloků a stavbu celých jaderných elektráren a konče nakládáním s vyhořelým jaderným palivem a likvidací odstavených reaktorů. Podle WNA (Světová jaderná asociace) má Rusko více než 20 projektů jaderných bloků v jiných zemích, které jsou ve fázi výstavby nebo plánování, plus deset bloků ve výstavbě doma, čímž v součtu předstihuje dokonce i Čínu, která je co do počtu stavěných bloků na druhém místě ve světě. Součet portfolia zahraničních projektů státní korporace Rosatom je více než 100 miliard dolarů (za rok 2014).

Eva Buzková, Vladislav Větrovec, Moskva

eva.buzkova@mmspektrum.com