Chemie na jaderné elektrárně – co tam proboha dělá?

aneb vše se točí kolem vody

S otázkami podobného typu se setkávám ve své praxi poměrně dlouho a nezdá se mi, že by jich ubývalo. Spíše naopak. Rozhodl jsem se proto, že se pokusím čtenáři trochu osvětlit co že vlastně chemie na jaderné elektrárně pohledává, jakou má roli a v čem je užitečná.

Na začátek jen malé připomenutí. Jaderné štěpení probíhá v těsných palivových tyčích umístěných v reaktoru. Jejich kovový povrch se ohřívá tepelnou energií vznikající při štěpení jaderného paliva uvnitř tyčí a své teplo pak předává vodě. Ta potom v tepelném výměníku, zvaném parogenerátor ohřívá zevnitř tisíce trubek, z jejichž vnějšího povrchu přestupuje teplo do vody a přeměňuje ji v páru. Dále je to již v principu stejné jako v každé jiné, tepelné elektrárně. Pára točí turbínou, kondenzuje a zkondenzovaná se vrací zpět do parogenerátoru. Kondenzace páry probíhá v kondenzátoru, který je z druhé strany chlazen chladící vodu, která se dále chladí například v chladících věžích. Tolik tedy ve zkratce. Co je tomuto přenosu a přeměně energie společné? Je to použití vody. Voda tady pracuje jako přenašeč energie v primárním okruhu (rusky se voda v primárním okruhu nazývá mile „teplonositěl“) v sekundárním okruhu točí turbínou a v chladících okruzích odvádí odpadní teplo pryč z výroby, tak jak to vyžadují přírodní zákony formulované ve druhé větě termodynamické. Žádná magie.

Voda je zvláštní tekutina. Díky tvaru své molekuly má značně atypické chování. Rozpustí kde co, je to médium, které je nesmírně „života filní“ a má dobré termodynamické vlastnosti. Z toho plynou pro jadernou elektrárnu jisté výhody a jisté nevýhody.

Výhody:

Voda je schopna převést značné množství tepla, je levná, není nebezpečná pro životní prostředí. Slouží i jako zpomalovač neutronů, nutných pro štěpení uranu.

Nevýhody:

Nelze ji použít nad teplotu 374°C, kdy již neexistuje v kapalné formě. Je korozně agresivní a každé zařízení se v ní rozpouští. Některé velmi málo, některé velmi rychle. Jakmile vzniknou v podmínkách používání vody jen trochu příznivé podmínky pro existenci života, můžeme si být jisti, že se tam život objeví a zkomplikuje nám život náš.

Co tedy chemici na JE dělají? Zabývají se předevšímě vodou

- Upravují vodu tak, aby její vlastnosti v různých technologických systémech byly v souladu s materiály použitými pro konstrukci zařízení. Zařízení nesmí zreznout dříve, než doslouží. 40 – 60 let provozu je ta doba, po kterou by mělo hlavní zařízení sloužit bez velkých oprav! Bez nadsázky se dá říci, že chemický režim pracovních médií výrazně spolurozhoduje o životnosti elektrárny a ve velké míře i o nákladech na její údržbu.

- Chemici řídí složení pracovních roztoků tak, aby jejich úprava a používání neprodukovala mnoho odpadů, zejména radioaktivních odpadů.

- Protože v primárním okruhu voda proudí aktivní zónou, místem kde probíhá štěpení, místem o extrémní radiaci, a protože voda je vynikajícím rozpouštědlem, může sem transportovat i rozpuštěné mikronečistoty, které se v aktivní zóně mohou přeměnit na některé velmi „nepříjemné“ radionuklidy. Ty pak způsobují známá omezení v přístupu k zařízení, zejména při jeho údržbě. V tomto případě je cílem chemiků zajistit maximální čistotu vody v primárním okruhu a nepřipustit sebemenší znečištění vody dobře se aktivujícími prvky.

- Chemie na JE má i významnou diagnostickou úlohu. Jak je známo, jsou štěpným, radiotoxickým produktům, vznikajícím při dělení jader uranu postaveny do cesty bariery zamezující jejich průniku do životního prostředí. Těmito barierami jsou zejména pokrytí palivových tablet, primární okruh jako celek a kontejnment. V elektrárně však existuje i mnoho dalších rozhraní, barier, tepelných výměníků, jejichž absolutní těsnost je nutná. Zde je chemie jedinečná v tom, že může odhalit již velmi malé netěsnosti na základě chemických a radiochemických rozborů médií na obou stranách monitorované bariery. Jednoduše se vybere to, co je na jedné straně hojné a nemůže být na druhé straně bariery, co je dobře stanovitelné a pak se již „jen“ sleduje, zda-li se tento indikátor objeví tam, kde být nemá. Tato metoda také dovoluje kvantifikaci případného problému. To znamená, že nám umožňuje spočítat, kolik vody by z jednoho okruhu prolínalo do okruhu druhého v případě nějaké netěsnosti.

- Proudí-li kapalné médium zařízením stává se nosičem informace o stavu tohoto zařízení. Například v sobě nese více či méně korozních zplodin. Měřením koncentrace a složení těchto zplodin hodnotíme průběh koroze zařízení. U velkých elektrických transformátorů se ve složení jejich pracovní náplně objevuje informace o stavu celého zařízení. U točivých strojů mazaných olejem je možno na základě analýzy olejů určit stav třecí plochy a můžeme s velkým předstihem stanovit, zda-li je stroj na cestě k zadření, či nikoliv.

- Chemie má také co do činění s účinností elektrárny. Špatné složení chladící vody může způsobit zarůstání výměníků tepla různými organizmy. Jsou známé patálie s bakteriemi, řasami ale i s vyššími organizmy, jako jsou například šneci, kteří ucpou chladící okruh a odstaví tak elektrárnu z provozu. Snažíme se o to, aby voda svým základním složením nepodporovala růst organizmů. V nouzi přistupujeme k používání různých biocidů, což se nám nelíbí, ale díky někdy nevhodné kvalitě vod v našich řekách nám nezbývá než v nutných případech přijmout i toto řešení. Pak je naším úkolem omezit tento způsob ošetřování vody na nezbytné minimum.

Jaké máme nástroje pro naší práci?

- Podíváme-li se na technologii jaderné elektrárny podrobněji, zjistíme, že jde v podstatě o jednu velkou úpravnu vody. Vyrábíme demineralizovanou vodu, která se svojí kvalitou blíží chemicky čisté vodě. Tato voda se doplňuje do systémů JE, ve kterých se dále upravuje dávkováním korekčních chemikálií, případně se dále přečišťuje. Nadbilanční vody se také čistí. Vrací se do technologie, případně se vypouští do řeky jako čistá voda, někdy daleko čistší, než byla když byla ještě vodou říční. Nejhojněji, že se na JE používají iontovýměnné technologie, odparky, filtry všeho druhu, biologické čistírny. Co je bezesporu chemickou továrnou je technologie zpracování radioaktivních odpadů. K chemii vody zde přistupuje i chemie cementu, bitumenu, technologie srážení, odstřeďování a dokonce mohou být používány i sklářské technologie.

- Zvláštní kapitolou je analytická chemie aplikovaná pro potřeby jaderné elektrárny. Abychom mohli řídit provoz technologií JE, zajišťovat požadovanou kvalitu výpustí elektrárny do životního prostředí, mít pod kontrolou radiační situaci, korozi a degradaci zařízení potřebujeme mít k dispozici dokonalou analytickou chemii včetně automatického technologického měření jakosti provozních médií. Je to kapitola sama pro sebe a na dlouhé popisování. Ve zkratce řečeno. Dnešní laboratoř JE se zabývá zejména analýzou vody, stopovou analýzou, gamaspektrometrickou analýzou atd. Má specifikum v tom, že musí zpracovávat radioaktivní vzorky, vzorky plynů, pevných látek, kapalin včetně ropných produktů. Některé vzorky mají speciální složení, takže nelze použít standardních metod k analýze a musíme si vypracovávat svoje zvláštní postupy. Laboratoř se zabývá i speciálními biologickými rozbory.

V tomto nástinu úlohy chemie na JE není možno jít do podrobností a jako autor mám problém s tím co zmínit a co přejít bez komentáře. Proto jsem se rozhodl na závěr uvést pár chemicko-technicko-biologických zajímavostí jen tak, jako pár střípků do mozaiky:

Chladící okruh JE Temelín coby čistírna odpadních vod

Každého upoutá pohled na chladící věže elektrárny. Co se ale děje uvnitř? Věže slouží ke chlazení vody z kondenzátorů turbín. Mimoto se tam ale dějí i jiné věci. Chladící věž je ve spodní části doslova napěchována plastovými výplněmi, které zajišťují rovnoměrné rozdělení proudu vody po průřezu věží. Na površích těchto výplní se po nějaké době provozu vytvoří biologické blána, která začne pracovat jako biologický filtr vody. Ve věži je zahájen proces čištění vody. Odbourávají se organické nečistoty, probíhá likvidace amoniaku. Jde v podstatě o technologii biofiltrace užívané v čistírenství a i ve vodárenství. Rozdíl je pouze v tom, že na JE je tato technologie provozována s jiným hydraulickým a jiným látkovým zatížením. V případě ETE to znamená, že vracíme do Vltavy méně organických nečistot, než jsme z ní odebrali.

Chladící okruhy technické vody – producent exotických řas

Na ETE jsou k dispozici chladící bazény, chladící tzv. technickou vodu. Jde v podstatě o umělé otevřené vodní nádrže, obsahující vždy teplou vodou. V těchto nádržích se provádí korekce chemického režimu dávkováním inhibitorů koroze a dalších činidel. Po uvedení elektrárny do provozu se nám však v těchto bazénech objevily v poměrně velkém množství zelené organizmy. Byli jsme nuceni se tímto problémem zabývat a na pomoc jsme si pozvali odborníky z ČAV z Botanického ústavu v Třeboni. Všichni byli překvapeni. To co se nám množí v technické vodě je exotický organismus, teprve nedávno, v rybníkách u Paříže objevená řasa. Její zvláštnost spočívá v tom, že obsahuje kapičku oleje, která ji udržuje u hladiny vody, na slunci. Je teorie, která říká, že tento typ řas stál u zrodu ropných ložisek. A tak je tu problém biologicko-technologicko-chemický. Technologii ETE tyto planktonní řasy zřejmě nevadí a tak se snažíme odpovědět na otázku, zda-li je řasa trachydiskus naším nepřítelem, kterého je nutno hubit, či je naším spojencem potlačujícím korozi, kterého je třeba hýčkat? Kdo má k tomuto problému na JE nejblíže? Samozřejmě chemici. A tak se tím zabýváme.

Analytická chemie – jak se ve vodě rozpouští nerezové oceli?

Co se dostane do aktivní zóny reaktoru a co má schopnost se aktivovat na radioaktivní nuklid to se tam aktivuje. Dříve, nebo později. Tak vznikají v primárním okruhu JE tzv. aktivované korozní produkty, které jsou hlavním problémem radiační ochrany při odstávkách. Jde o aktivované atomy z konstrukčních materiálů primárního okruhu. Ty se dostávají do aktivní zóny tím, že se nerezová ocel po atomech rozpouští a rozpuštěné atomy pak na jiném místě s jinou teplotou vykrystalizují. Abychom poznali, jak tento proces běží na ETE, musíme být schopni analyzovat tato stopová množství rozpuštěné nerezové oceli. Stanovujeme tedy nanogramy Ni, Cr a dalších kovů v primární vodě. Ano, všechno je ve vodě rozpustné i austenitická ocel.

Kouzlo titanu

Toto by byl příběh téměř historický. Tady chemie velmi efektivně a úspěšně zasáhla do projektu JE. Po dlouhých debatách ve fázi projektu ETE se nakonec udělalo moudré rozhodnutí a kondenzátory turbín se na ETE vybavily titanovými trubkami. Tato materiálová změna má dalekosáhlé důsledky. Jako kouzlem bylo najednou možno úplně změnit koncepci chemického režimu sekundárního okruhu. Umožnilo to zvýšit alkalitu vody sekundárního okruhu tak, že do té doby strašák, erozní koroze okruhu, zcela zmizel. Čistota vody okruhu se řádově zlepšila, životnost konstrukcí parovodů se nyní odhaduje na stovky let a parogenerátory jsou nyní čisté jak pračka v reklamě na kalgon.

Občas své kolegy elektrikáře, strojaře a další profese dráždím konstatováním, že jaderná elektrárna je chemická továrna. I když to na první pohled zní divně, myslím, že nebudu daleko od pravdy.

Václav Hanus

zpět na úvodní stránku