Jak fungují těžkovodní reaktory – a proč na nich záleží

Těžší druh vody

Ve většině jaderných elektráren plní obyčejná voda dvojí funkci: ochlazuje aktivní zónu reaktoru a zpomaluje – neboli „moderuje“ – neutrony, které udržují řetězovou reakci. Menší, strategicky významná třída reaktorů se však spoléhá na něco jiného: těžkou vodu, molekulu, ve které jsou oba atomy vodíku nahrazeny deuteriem, těžším izotopem vodíku nesoucím extra neutron. Chemicky zapsaná jako D₂O, těžká voda vypadá a chová se velmi podobně jako běžná voda, ale je zhruba o 10 procent hustší – a pro jaderné inženýry mnohem užitečnější.

Proč deuterium mění vše

Fyzika se scvrkává na jedinou vlastnost: absorpci neutronů. Když se atomy uranu štěpí, uvolňují rychlé neutrony, které je třeba zpomalit, než mohou spustit další štěpení. Obyčejná („lehká“) voda je slušný moderátor, ale také absorbuje značný podíl těchto neutronů, čímž je promrhává. Deuterium zpomaluje neutrony stejně účinně a přitom absorbuje mnohem méně. Tato vynikající „neutronová ekonomie“ znamená, že těžkovodní reaktory mohou udržet řetězovou reakci pomocí přírodního uranu – rudy tak, jak se těží ze země, s pouhými 0,7 procenta štěpitelného uranu-235 – namísto obohaceného paliva, které vyžadují lehkovodní reaktory.

Tento kompromis je určujícím rysem této technologie. Těžká voda je drahá a obtížně se vyrábí, obvykle se odděluje od obyčejné vody energeticky náročnou destilací nebo elektrolýzou. Tyto náklady jsou však vyváženy eliminací potřeby infrastruktury pro obohacování uranu, která je sama o sobě technicky náročná a přísně kontrolovaná.

CANDU: Pracovní kůň mezi konstrukcemi

Nejúspěšnějším těžkovodním reaktorem je kanadský CANDU (Canada Deuterium Uranium), vyvinutý v 50. letech 20. století a nyní provozovaný v sedmi zemích včetně Argentiny, Jižní Koreje, Rumunska, Číny a Indie. Reaktory CANDU používají těžkou vodu pod tlakem jak jako moderátor, tak jako chladivo, které cirkuluje stovkami horizontálních tlakových trubek, z nichž každá obsahuje svazek paliva z přírodního uranu.

Výraznou výhodou je doplňování paliva za provozu: operátoři CANDU mohou vyměňovat vyhořelé palivové soubory za nové bez nutnosti odstavení, což zvyšuje dostupnost. Konstrukce také akceptuje různé typy paliva, včetně recyklovaného uranu z jiných reaktorů a paliv na bázi thoria – což je oblast aktivního výzkumu v Indii, která provozuje největší flotilu domácích těžkovodních reaktorů na světě.

Stín šíření jaderných zbraní

Stejná neutronová účinnost, která činí těžkovodní reaktory palivově flexibilními, také vytváří riziko zbraní. Když přírodní uran absorbuje neutrony uvnitř reaktoru, část se přemění na plutonium-239 – štěpný materiál vhodný pro jaderné zbraně. Pokud je palivo odstraněno brzy a přepracováno, lze extrahovat plutonium vhodné pro výrobu zbraní. Indie to ostře demonstrovala v roce 1974, kdy odpálila jaderné zařízení s použitím plutonia vyrobeného v kanadském výzkumném reaktoru moderovaném těžkou vodou dodanou Spojenými státy.

Tato historie je důvodem, proč Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE) uplatňuje přísné záruky na transfery těžké vody a technologii výroby. Íránský komplex těžké vody Arak se například stal ústředním bodem jaderné dohody z roku 2015 právě proto, že jeho plánovaný 40megawattový výzkumný reaktor mohl vyprodukovat dostatek plutonia pro zhruba jednu zbraň ročně. Podle dohody Írán souhlasil s přepracováním jádra reaktoru a zalitím původního betonem.

Příběh o původu z druhé světové války

Strategický význam těžké vody byl rozpoznán dlouho před prvním energetickým reaktorem. Během druhé světové války nacistické Německo usilovalo o těžkou vodu jako moderátor pro svůj vlastní jaderný program a získávalo ji z továrny Norsk Hydro ve Vemorku v okupovaném Norsku – tehdy jediného průmyslového výrobce na světě. V únoru 1943 proniklo do továrny devět norských komandos v rámci operace Gunnerside, zničilo zařízení na výrobu těžké vody a více než 100 galonů nashromážděného produktu. Následná sabotáž v roce 1944 potopila trajekt přepravující zbývající německé zásoby. Historici připisují těmto nájezdům významné zpoždění německého úsilí o bombu.

Stále relevantní i dnes

Těžkovodní reaktory představují malou část globálního jaderného parku – zhruba 50 ze zhruba 440 provozovaných energetických reaktorů na světě. Přesto zůstávají strategicky důležité. Jejich schopnost pracovat na přírodní uran je přitažlivá pro země bez obohacovacích kapacit. Jejich flexibilní palivové cykly podporují výzkum paliv nové generace. A jejich spojení s výrobou plutonia je udržuje v centru nešířící se diplomacie, od Íránu po jižní Asii.

Pochopení toho, jak fungují těžkovodní reaktory, je zásadní pro pochopení toho, proč některá jaderná zařízení přitahují tolik mezinárodní pozornosti – a proč molekula jen o 10 procent těžší než obyčejná voda může posunout rovnováhu globální bezpečnosti.