Sedmdesát let s jadernou energií

Už jen bronzová deska pod skulpturou od Henryho Moorea v parku areálu Univerzity Chicago připomíná místo, kde se 2. prosince 1942 v nejpřísnějším utajení poprvé na světě rozběhla v urano-grafitovém reaktoru řízená štěpná reakce, která dala našemu věku přízvisko „atomový“.

Objev štěpení uranu Stavbě prvního jaderného reaktoru světa ve stínu příprav na druhou světovou válku předbíhalo soupeření tří skupin významných evropských fyziků o vysvětlení záhady rozporuplných reakcí doprovázejících ozařování uranu neutrony za účelem vyvolání umělé radioaktivity a vzniku transuranů.

Začalo to roku 1938 zveřejněním zprávy ředitelky Pařížského ústavu pro výzkum radia Iréne Joliot-Curieové, že místo očekávaných těžších transuranů se v produktech bombardování uranu neutrony našly podstatně lehčí prvky, což by popíralo periodicitu Mendělejevovy tabulky. Otto Hahn v berlínském Chemickém ústavu opakováním pokusů chtěl dokázat, že se mýlí. Přesnější analýzy však potvrdily, že jádro uranu se zejména při ostřelování pomalými neutrony rozpadá na středně těžké prvky baryum a krypton. Kopii rukopisu o tomto závažném objevu poslal ještě před zveřejněním do Švédska dlouholeté spolupracovnici Lise Meitnerové, která tam uprchnula před nacisty pro svůj židovský původ. Meitnerová spolu se synovcem Otto Frischem, pracujícím v laboratoři Nielse Bohra, pochopili, že takový rozpad atomového jádra na lehčí atomy musí být spojen s uvolněním obrovské dávky energie. Jev pojmenovali jaderné štěpení (Nuclear Fussion) a neprodleně informovali Alberta Einsteina a Enrica Fermiho, kteří spolu s řadou dalších vědců před nacisty uprchli do Spojených států.

Profesor Fermi (1901–1954) experimentováním zjistil, že štěpení jádra uranu provází uvolnění dalších neutronů, které za příznivých podmínek mohou v tzv. kritickém množství uranu rozvinout samovolnou řetězovou reakci. U vědomí, že nacistům by se mohla dostat do rukou ničivá zbraň, se podařilo Einsteinovi v srpnu 1939 přimět prezidenta F. D. Roosevelta nejprve ke zřízení tzv. Uranového výboru a po vstupu USA do války i tajného vojenského projektu „Manhattan“, jehož cílem bylo využít nejnovějších poznatků kolem štěpení uranu U 235 nebo i plutonia Pu 239 k co nejrychlejší výrobě atomové pumy, která mohla rozhodnout o vítězství. Plutonium Pu 239 se podle objevu amerických fyziků mohlo „rodit“ v uranových reaktorech z nejrozšířenějšího uranu U 238, štěpením zpomalenými neutrony.

Grafit místo chybějící těžké vody Možnost nastartovat a řídit štěpnou reakci bylo nutné prověřit okamžitou stavbou urano-grafitového reaktoru nulového výkonu, kterou byl pověřen Artur Compton a Enrico Fermi. Vzorem byl experimentální těžkovodní reaktor, který se – do obsazení Paříže Němci – pokoušel postavit prof. Joliot Curie. Nemožnost zajistit potřebnou těžkou vodu, která se ukázala jako nejvhodnější moderátor schopný zpomalovat neutrony, donutil vědce použít chemicky čisté grafitové kostky. Pro stavbu bylo vybráno sklepení pod tribunou stadionu Stagg Field v areálu Univerzity Chicago, reaktor dostal označení CP-1 (Chicago Piler1).

CP-1 se rozběhl 2. prosince 1942 v 15.20 h V červnu 1942 začal třicetičlenný tým vědců s krycím názvem „Metallurgical Laboratory“ pod vedením tehdy 41letého Enrica Fermiho stavět moderátorový blok z kostek čistého grafitu, do něhož s roztečí 20 cm ukládali rafinovaný kovový uran v hliníkových plechovkách. Podle Fermiho výpočtů i pokusů na dvou menších předchozích modelech se mělo potřebné kritické velikosti urano-grafitového bloku (a tím rozběhu samovolné řetězové štěpné reakce) dosáhnout při padesáté vrstvě grafitu. Té dosáhla šest metrů vysoká černá krychle sestavená ze 45 tisíc grafitových kostek a prokládaná 50 tunami oxidu uraničitého navečer 1. prosince 1942. Do vodorovných kanálů bloku byly založeny tři regulační tyče z kadmia, schopné intenzivně pohlcovat neutrony, jejichž tok začal prudce růst při položení jedenapadesáté vrstvy ráno 2. prosince 1942.

Obklopen pozvanými vědci a zástupci armády u kontrolních přístrojů vlastní konstrukce řídil operaci sám Fermi. Dramatický okamžik zrodu atomového věku je dokumentován jen díky kreslířskému talentu jednoho z asistentů, protože byl vydán přísný zákaz fotografování. S postupným vytahováním poslední kadmiové tyče rostl praskot z reproduktorů signalizujících ionizačními komorami měřenou hustotu neutronů v bloku, až se sléval v nepřetržitý tón. Bylo 15 hodin 20 minut, když se poprvé pohnula ručka citlivého termometru a zaznamenala ohřátí grafitového bloku o několik stupňů Fahrenheita. Jak později Fermi historický okamžik sám komentoval: „Bylo to málo – jenže teplo k tomu potřebné poprvé v dějinách lidstva nevydalo ani uhlí, ani hoření, nýbrž jaderná reakce v uranu!“ Pro případ že by se reakce vymkla z rukou a hořlavý grafit se přehřátím vznítil, byl nad grafitovým blokem zavěšen balonový plášť. Na vrcholku monstra si tři asistenti zřídili stanoviště se džbery kadmiové soli, kterou by mohli řetězovou reakci zastavit pro případ, že by se na rozdíl od výpočtů vymkla z ruky a další (dnes tzv. havarijní) kadmiová tyč spuštěná shora reakci nezastavila. Asistent Weil podle pokynů zasunoval a vysunoval kadmiovou tyč – a výkon prvního reaktoru světa se dalších 33 minut měnil od několika wattů do několika kilowattů.

Šťastný Fermi si připil s týmem i hosty oblíbeným chianti, jehož lahev propašoval při útěku do USA z Itálie. Artur Compton ohlásil generálnímu štábu, že reaktor funguje přesně jako hodinky šifrovanou zprávou, která podle historiků vědy zněla: „Italský mořeplavec přistál u Nového světa!“ Nejrozsáhlejší a nejtajnější projekt světa odstartován O několik týdnů později se rozběhl projekt výroby atomových bomb naplno. „Manhattan District“ hned v prvé fázi zmobilizoval 125 tisíc lidí. Americký průmysl dostal objednávku na stavbu velkého pokusného grafitového reaktoru v Oak Ridge s tepelným výkonem až 100 MW, který měl prověřit možnost výroby plutonia Pu 239 ozařováním článků z uranu U 238 grafitem zpomalenými neutrony. Projekt reaktoru označeného jako X-10 řídil osobně Fermi. Osmimetrový grafitový kubus s betonovou ochrannou obálkou měl na čele uzávěry 1250 vodorovných kanálů, do kterých se zasunovaly z pojízdné plošiny uranové tyče s hliníkovým pláštěm, ve svislých kanálech se nastavovala regulačními a kompenzačními kadmiovými tyčemi úroveň hustoty neutronů a tím i výkon reaktoru. Na obrovském pozemku vyrůstaly téměř kilometr dlouhé haly pro separaci plutonia z ozářených článků. V nedalekém Hanfordu se začalo se stavbou tří ještě větších urano-grafitových reaktorů – tzv. plodičů – které měly vyprodukovat potřebná množství plutonia pro výrobu atomových bomb, jejichž výrobu zajišťovaly laboratoře v Los Alamos v Novém Mexiku. Skupina vědců se marně pokoušela varovat nově nastupujícího prezidenta H. S. Trumana před následky, jaké bude mít svržení atomových bomb na Japonská města. Obavy potvrdil již první pokus s výbuchem 16. července 1945 v písečné poušti Alamogordo, s ničivostí odpovídající 20 000 tun TNT. Tragické následky na vše živé a totální zničení všeho na zemi prokázalo krátce poté svržení atomových bomb 6. srpna 1945 na japonskou Hirošimu a o tři dny později na Nagasaki.

Návrat k experimentálním reaktorům s ušlechtilejším cílem Fermiho tým se po dokončení pokusů na CP-1 přestěhoval do nedalekého univerzitního Palos Parku, kde na o něco větším uranografitovém reaktoru, označovaném jako CP-2, chráněném již betonovou obálkou, mohli provádět fyzikální měření a poprvé zde začali ověřovat možnost výroby „umělých“ radioizotopů ve vyhrazených kanálech ozařováním vzorků neutrony a gama-zářením. Tento reaktor je dnes k vidění v Muzeu vědy a průmyslu v Chicagu. Třetí pokusný reaktor CP-3, tentokrát již podle Curieova vzoru moderovaný těžkou vodou s tepelným výkonem kolem 300 kW spustili v Argonské národní laboratoři v Illinois v květnu 1950. Ten už ale byl pětadvacátým experimentálním reaktorem na světě. Dne 12. prosince 1948 se totiž podařilo Joliotu Curiemu spustit ve sklepení v Chatillonu u Paříže do provozu těžkovodní „bazénový“ reaktor ZOÉ se 14 m3 těžké vody, sloužící k přípravě radioizotopů i k ozařování materiálů neutrony různých energií i gama-zářením. K vývoji experimentálních reaktorů pro vědu a výzkum přispěla zejména Kanada, která v areálu v Chalk River postupně spustila těžkovodní ZEEP, ZOÉ a NRX. Tepelný výkon posledního dosáhl až 40 MW a byl využit přes chladicí okruh poprvé i k vytápění hal.

Cesty jaderné energetiky Kanada, která měla k dispozici zdroje těžké vody, zůstala tomuto moderátoru věrná v celé další generaci jaderných elektráren CANDU, zatímco jak USA, tak Velká Británie a Sovětský svaz po éře urano-grafitových reaktorů přešly převážně na tzv. tlakovodní a varné reaktory s obyčejnou vodou. První elektrické žárovky se proudem z turbogenerátoru poháněného párou z jaderného reaktoru EBR I. rozsvítily 20. 12. 1951 v americkém Idahu. Éru jaderných elektráren zahájila 27. června 1954 pokusná elektrárna Akademie věd SSSR v Obninsku u Moskvy s elektrickým výkonem 5 MW, která přes počáteční materiálové problémy přežila až do roku 2002. Za skutečnou komerční elektrárnu je však pokládána britská jaderná elektrárna Calder Hall se čtyřmi urano-grafitovými reaktory o celkovém výkonu 200 MW, uvedená do plného provozu 27. října 1960. Po prvním nadšení z nového zdroje energie, rychlém vývoji nových a bezpečnějších technologií v důsledku dvou vážných havárií (The Mile Island 1979 a Černobyl 1986) dochází vstupem do 21. století k tomu, že se některé státy od jádra odvracejí, přestože jaderná elektřina je prokazatelně nejlevnější. V současnosti však navzdory katastrofě v japonské Fukušimě nečekaně dochází zejména v asijských státech k renesanci jaderné energetiky. Globálně je komerčně provozováno 436 jaderných bloků s celkovým instalovaným výkonem 372 GW v 31 zemích, které se na světové výrobě elektřiny podílejí 17 %. 53 bloků se staví, 143 bloků je plánováno, o 327 dalších se předběžně uvažuje.

Zdroj: Technik

zpět na úvodní stránku