Horké komory,

První člověkem zkonstruovaný jaderný reaktor postavil a spustil Enrico Fermi se svými spolupracovníky pod tribunou univerzitního fotbalového stadionu v Chicagu koncem roku 1942. Byl to milíř z grafitových cihel, které sloužily jako moderátor, do něhož se ručně zasouvaly tři palivové tyče. Celý bezpečnostní systém představoval asistent s kbelíkem roztoku kadmiové soli stojící nad reaktorem a připravený ho zalít, kdyby došlo k nečekanému zvýšení výkonu. V tomto případě šlo o výzkumný reaktor sloužící k testování principů zahájení, udržení, řízení a zastavení jaderné štěpné reakce. Kdybychom přirovnali Fermiho experiment k vývoji kamen na uhlí, cílem tohoto a brzy následujících pokusů bylo dospět k tomu, jak zkonstruovat kamna tak, aby se v nich dalo uhlí vůbec zapálit, aby do nich šlo dost vzduchu potřebného ke spalování, aby se do nich dalo přikládat a současně aby od rozpálených kamen hned nechytil celý dům.

První jaderný reaktor, který dodával elektrický proud do veřejné sítě, byl spuštěn v roce 1954 v Obninsku v tehdejším Sovětském svazu. S rozvojem jaderné energetiky postupně začaly být řešeny otázky zvýšení výkonnosti a účinnosti provozu elektráren. V duchu našeho přirovnání šlo o to, jak z kamen získat co nejvíce tepla, aniž bychom museli platit hodně peněz za uhlí, a zároveň si co nejvíce ušetřili práci s přikládáním a vybíráním popela.

Cest k tomuto cíli je ovšem několik – je možné vylepšit konstrukci kamen tak, aby měla lepší tah, modifikovat používané palivo, tj. zavést místo uhlí například brikety, nebo instalovat automatický systém pro přikládání. K tomu všemu je nanejvýš vhodné mít k dispozici nějaká experimentální kamna neboli výzkumný reaktor, aby bylo možné nové metody „v malém“ zkoušet. Komerční reaktory k tomuto účelu využívat nelze, podobně jako není možné provádět žádné velké experimenty s kotlem v teplárně.

S tím, jak začaly první provozované reaktory stárnout, začala se rovněž řešit otázka prodlužování jejich životnosti. Nikomu se přece nechce rozebrat kamna, která dobře sloužila 20 let a ještě stále vypadají celkem zachovale, jen proto, že kamnář při stavbě předpokládal, že déle než 20 let se v nich topit nebude. Bylo třeba vyvinout metody, které by umožnily prozkoumat a zhodnotit, v jakém stavu je reaktorová nádoba i její vnitřní součásti a je-li tedy bezpečné ji nadále provozovat.

Na materiál reaktorové nádoby i dalších komponent důležitých z hlediska bezpečnosti působí kombinace různých negativních vlivů, především radiace a koroze. Abychom mohli s předstihem předvídat, v jakém stavu bude konkrétní materiál za dalších deset let, je opět vhodné mít k dispozici experimentální reaktor. V něm můžeme působení sledovaných negativních vlivů značně urychlit, typicky např. ozařovat vzorek zkoumaného materiálu vyšším radiačním tokem.

Kromě výše zmíněných účelů jsou výzkumné reaktory využívány jako nejvýkonnější dostupné zdroje neutronů. Svazky neutronů jsou užitečné k experimentům v oblasti materiálového výzkumu a neutronové fyziky, k výrobě polovodivého křemíku jakož i k naplnění dávného snu alchymistů – transmutace prvků. Namísto zlata se však dnes v experimentálních reaktorech vyrábí např. izotop molybdenu 99, který se posléze samovolně rozpadá na vzácné technecium používané v nukleární medicíně.

Reaktor Julesa Horowitze

Moderní výzkumný reaktor Jules Horowitz, jehož výstavba nyní probíhá v areálu jaderného výzkumného střediska CEA Cadarache v jižní Francii, bude sloužit právě k ozařování vzorků konstrukčních materiálů a jaderného paliva a okrajově i k produkci radioizotopů pro medicínské použití. Výzkumných reaktorů podobného typu a účelu, ovšem staršího vydání, funguje v současnosti po světě několik. Jeden takový máme i u nás doma v České republice. Nachází se v Řeži u Prahy, má označení LVR-15 a je provozován výzkumnou organizací Centrum výzkumu Řež s. r. o. (CV Řež). Jeho služeb využívají také další subjekty včetně Akademie věd České republiky. Strategický význam reaktoru byl oceněn i zahrnutím mezi tzv. velké infrastruktury pro výzkum, vývoj a inovace České republiky.

Konstruktéři začali na návrhu základních komponent reaktoru Jules Horowitz pro CEA Cadarache pracovat v roce 2003, přípravné práce na staveništi byly zahájeny v roce 2006, výstavba vlastní budovy reaktoru v roce 2009. Uvedení reaktoru do provozu je plánováno v průběhu roku 2016. Projektovaný tepelný výkon reaktoru je 100 MW, což je přibližně polovina výkonu reaktorů, které pohánějí dnešní největší ponorky. Tento tepelný výkon nebude nijak využíván, všechno teplo bude odváděno prostřednictvím vody v chladicím systému.

Vzorky budou v reaktoru uloženy v ozařovacích sondách. Jde o složitá zařízení tyčovitého tvaru, až půl tuny těžká a šest metrů dlouhá, která mají ve spodní, asi metr dlouhé části založeny zkoumané vzorky a nahoře rozšířenou hlavici s připojovacími konektory a upínacími díly. Sondy se svisle zasouvají do aktivní zóny reaktoru, mezi palivové články nebo do otvoru v jejich středu. Další typy sond jsou umístěny v zóně reflektoru – to je těsně okolo aktivní zóny mimo vlastní reaktorovou nádobu. Vzorky naskládané ve špici sondy budou moci být ozařovány za rozličných podmínek (radiační tok, teplota, korozní prostředí) simulujících prostředí v reaktorech stávajících i nově vyvíjených typů.

Kromě běžných provozních podmínek bude možno simulovat i podmínky havarijní. Například studium chování paliva při havarijním zvýšení teploty, které může být způsobeno ztrátou chlazení reaktoru (k čemuž naposledy došlo na jaře 2011 v jaderné elektrárně Fukušima), je důležité pro ověřování stávajících a vývoj nových havarijních postupů. Je jednoduše užitečné vědět, jestli se palivový prut po dvaceti hodinách strávených při určité teplotě zdeformuje, rozpadne či zda ho bude možné po ochlazení ještě vytáhnout z reaktoru v celku.

Horké komory

A k čemu budou horké komory vůbec sloužit? Připravuje se v nich palivo i vzorky určené k ozařování. V praxi to znamená například naskládat vzorky do opakovaně používaných ozařovacích sond. Pouze v případě, že vzorky i ozařovací sonda jsou zcela nové, a tedy dosud neozářené, lze naskládání provést manuálně v běžné dílně mimo komory. Mezi komorami a reaktorem jsou převáženy koše s ozářenými palivovými články a ozařovací sondy podvodním dopravníkem. Doprava pod vodou je nezbytná, protože silná vrstva vody slouží rovněž jako poměrně dobré stínění proti záření. Po ozáření jsou naopak sondy v komorách rozebírány, vzorky vyjímány, tříděny, vyhodnocovány a ukládány do připojovaných stíněných kontejnerů, ve kterých jsou dopravovány k dalšímu zpracování, měření či jinému použití. Z košů jsou vyjímány použité palivové články, které pak po nezbytné kontrole putují v přepravních kontejnerech k přepracování. Zároveň je také v komorách zachycován nepoužitelný odpad. Jde například o neopravitelně poškozené části ozařovacích sond či vnitřního vybavení reaktoru i horkých komor nebo o savé materiály, jimiž se otírají kontaminované části zařízení i stěny komor. Velké kusy zařízení jsou v komorách rozebrány, v případě nutnosti rozřezány a pak opět putují pryč ve stíněných kontejnerech.

Horké komory mají ovšem ještě jednu velmi důležitou funkci. Provádí se v nich opravy poškozených částí výbavy reaktoru, ozařovacích sond a také vlastního vybavení komor. Tyto opravy spočívají zpravidla v demontáži poškozeného dílu, popř. bloku spojených dílů, a montáži nového bloku na uvolněné místo. Díly musejí být k takovému servisnímu zásahu speciálně uzpůsobeny již ve fázi, kdy je konstruktéři navrhují. Zásadou je například používat u spojů, které bude v budoucnu nutné rozebrat, pouze dostatečně velké a snadno přístupné šrouby.

Cílem zmíněného uzpůsobení je co nejvíce zjednodušit veškeré úkony, s nimž se v komorách počítá. Z důvodu ochrany operátorů komor před ozářením a radioaktivní kontaminací se totiž veškeré operace provádějí na dálku z vnějšku komor. Operátor tedy stojí za dostatečně silnou zdí, která ho chrání před zářením, sleduje dění uvnitř komory skrz průzor z olovnatého skla (popř. pomocí kamery) a manipuluje s předměty a nástroji uvnitř pomocí elektromechanických rukou zvaných dálkové manipulátory. Pokročilá konstrukce manipulátorů sice dnes operátorům umožňuje mnohé a skýtá jim při práci i určité prvky pohodlí, šikovné lidské ruce však asi ještě dlouho nenahradí.

Navrhnout používané nástroje i výbavu pro dálkovou manipulaci je pro konstruktéry skutečnou výzvou. Při budoucím provozu reaktoru a horkých komor se však vynaložené úsilí a čas mnohonásobně vrátí. Každý problém, který nepůjde vyřešit jinak než vstupem operátorů do komory, bude znamenat spoustu práce a dočasné vyřazení komory z provozu. Před vstupem totiž musí být z komory nejen odsunuty všechny zářiče, ale komoru je rovněž potřeba co nejlépe uklidit – dekontaminovat. I poté však může operátor vstoupit dovnitř pouze v ochranné kombinéze, v níž se také nepracuje snadno, a měl by se tam zdržet co nejkratší dobu. Téměř všechny materiály trvale umístěné v komoře se totiž stanou v důsledku jejich aktivace neutrony časem mírně radioaktivními a tuto aktivitu nelze žádnou dekontaminací odstranit.

Aby bylo možno navržené díly výbavy a uvažované principy manipulace před samotnou výrobou řádně vyzkoušet, vznikl v Řeži unikátní zkušební stend. Stend je vytvořen jako model jedné velké a jedné malé komory v měřítku 1 : 1. Posuvné dřevěné stěny umožňují simulovat geometrické uspořádání a rozměry libovolné z navrhovaných komor. S výjimkou dřevěných stěn však stend není žádnou lacinou maketou. Jeho konstrukce je dostatečně robustní na to, aby umožnila osazení dálkových manipulátorů, vybavení komor i jeřábů, které budou muset být testovány s plnou provozní zátěží.

Komplex horkých komor sestává ze čtyř velkých a tří navazujících malých komor. Aby v nich bylo možno pracovat s celými ozařovacími sondami, mají velké komory vnitřní výšku 10 metrů. To je výška srovnatelná s dvoupatrovým domkem i se střechou. Malé komory jsou určeny především pro servisní operace a k provádění základních nedestruktivních měření na ozářených vzorcích. Předpokládá se, že jejich vnitřní vybavení bude podstatně méně kontaminováno a aktivováno než u velkých komor, servisní vstupy operátorů tedy mohou být v případě potřeby častější. Proto jsou tyto komory vybaveny i dveřmi a přestupními prostory, které mají stejnou funkci jako třeba přestupní komory u kosmických modulů.

Vnější zdi všech komor mají tloušťku 1,2 m a všechny dveře jsou kvůli stínění tak masivní, že si nezadají ani s dveřmi protiatomového krytu. Horké komory nakonec takovým krytem v podstatě jsou, jenomže jaksi naruby, radioaktivita musí zůstat bezpečně zavřená uvnitř.

Pokud bude celý složitý projekt výstavby reaktoru Jules Horowitz v Cadarache zdárně pokračovat, kompletní horké komory z Řeže se jeho součástí stanou někdy v roce 2015.