Jaderné reaktory

Radionuklidy, které se uvolňují do životního prostředí z jaderného reaktoru, mohou vznikat nejen v jaderných elektrárnách, ale také ve výzkumných reaktorech (Ústav jaderného výzkumu v Řeži). V obou našich jaderných elektrárnách (Temelín i Dukovany) je instalován tlakovodní reaktor (VVER).

Princip jaderné elektrárny.

Při výrobě energie jaderným reaktorem vznikají radionuklidy:

•  štěpením v palivu - štěpné produkty;

•  aktivací neutrony v palivu samém, v pokrytí paliva, v konstrukčním materiálu i v chladivu primárního okruhu -  aktivační produkty.

Do chladiva primárního okruhu se dostávají radionuklidy různými cestami - aktivací paliva, difusí štěpných produktů netěsnostmi v palivu a korozí konstrukčního materiálu a pokrytí článků. Všechny reaktory mají systémy pro záchyt radionuklidů v plynné nebo kapalné formě. Obsah radionuklidů v primárním okruhu se kontinuálně nebo diskontinuálně měří a jej jedním z ukazatelů podléhajícím kontrole. Složení radionuklidů v primárním okruhu vypovídá zejména o možných netěsnostech paliva, netěsnosti jsou signalizovány převážně radioizotopy jódu. Radionuklidy v primárním okruhu jsou zdrojem externího a potenciálně i vnitřního ozáření pracovníků a prostřednictvím výpustí jsou zdrojem ozáření obyvatelstva.

Obsah radionuklidů - štěpných produktů v reaktoru se nazývá inventář reaktoru, ten je závislý na typu reaktoru, typu paliva a jeho stupni vyhoření. Inventář kteréhokoliv ze štěpných produktů lze pro daný typ paliva a reaktoru vypočítat pro jakýkoliv čas, po nějž reaktor pracuje. Ve vyhořelém palivu, chlazeném nejdříve v bazénu vyhořelého paliva, se pak stávají dominantní dlouhodobé radionuklidy. K celkovému inventáři aktivity radionuklidů přispívají i aktivační produkty, jejichž aktivita i složení závisí na složení konstrukčního materiálu a chladícího média v primárním okruhu. Inventář štěpných produktů je samozřejmě vyšší než inventář aktivačních produktů, ovšem s přihlédnutím k původu vzniku aktivačních produktů tyto produkty v kapalných i vzdušných výpustech obvykle převažují. Do aerosolových výpustí se dostávají v důsledku netěsností a následných odkapů z primárního okruhu nebo při mechanických údržbářských a opravářských pracích.

Obecně jsou do ovzduší vypouštěny štěpné produkty ve formě vzácných plynů (izotopy kryptonu a xenonu), dále některé aktivační produkty ve formě vzácných plynů (uhlík ¹⁴C, dusík¹⁶N, síra ³⁵S, argon ⁴¹Ar, selen ⁷⁵Se, astat ⁷⁶As), tritium, radioizotopy jódu v plynných formách a ve formě aerosolu, v aerosolových formách štěpné a aktivační produkty a ve velmi malých aktivitách (relativně k ostatním aerosolovým výpustem) i transurany. Při běžném dělení vypouštěných radionuklidů na aktivační a štěpné je třeba brát v úvahu i takové radionuklidy, které jsou produktem obou procesů jako například cesium¹³⁴Cs, které vzniká aktivací ¹³³Cs, které je konečným produktem řady india ¹³³In vzniklé štěpením (v této řadě se vyskytuje také jód ¹³³I a xenon ¹³³Xe).

Do hydrosféry je vypouštěno zejména tritium, dále pak aktivační a případně i štěpné produkty.

Mezi radionuklidy, které jsou vypouštěny do ovzduší, patří předevšímradioaktivní vzácné plyny vzniklé štěpením. Existuje nejméně 9 radioizotopů kryptonu a 11 radioizotopů xenonu. Většina z nich má krátký poločas přeměny (sekundy až minuty) a stačí se rozpadnout dříve, než mohou difundovat z paliva ven. Část radioaktivních vzácných plynů se difusí dostane mezi palivo a jeho pokrytí, kde tvoří tlak. Pokud se v palivu objeví netěsnost, vzácné plyny se dostávají do chladiva primárního okruhu. Uvolňování plynů z primárního okruhu u tlakovodních reaktorů (PWR) probíhá kontinuálně, kvůli kontrole chemického složení a čištění vody. Tyto plynné výpusti jsou pak vedeny přes filtry a zpožďovací linky, takže aktivity výpustí ve ventilačním komíně se značně sníží o aktivitu krátkodobých radionuklidů. U reaktorů BWR jsou tyto procesy jiné, u starších typů reaktorů jsou výpusti vzácných plynů vyšší.

Významnou část plynných výpustí u některých typů jaderných elektráren tvoří argon ⁴¹Ar, který vzniká reakcí (n, γ) na stabilním ⁴⁰Ar, který je obsažen normálně ve vzduchu. Do primárního okruhu se dostává zejména jako nečistota dusíku, používaného pro tlakování vody. Reakcí (n,p) vzniká dusík ¹⁶N, který má poločas přeměny 7 sekund. Tento je významný zejména z hlediska externího ozáření pracovníků přímo v jaderné elektrárně.

Tritium vzniká ternárním štěpením jaderného paliva a neutronovou aktivací boru v primárním okruhu (nejvýznamnější z hlediska ochrany před zářením), v některých typech jaderných elektráren také aktivací lithia. U reaktorů HWR (reaktory používající jako moderátoru i chladiva těžkou vodu) vzniká tritium aktivací deuteria a výpusti tritia do životního prostředí jsou, narozdíl od ostatních typů reaktorů, vážným problémem.

Radioizotop uhlíku ¹⁴C vzniká u lehkovodních i těžkovodních reaktorů reakcí (n,α) na jádrech kyslíku ¹⁷O přítomného v oxidech v palivu a na jádrech kyslíku ¹⁷O přítomného v moderátoru. Dále vzniká reakcí (n,p) na jádrech dusíku ¹⁴N, který je přítomný v palivu jako nečistota a nachází se také v primárním okruhu. Dalším zdrojem je ternární štěpení.

Radioizotopy jódu vznikají v procesu štěpení. Z hlediska ochrany před zářením jsou významné:

• ¹²⁹I, poločas přeměny 1,6.10⁷ let;
• ¹³¹I, poločas přeměny 8,4 dne;  
• ¹³²I, poločas přeměny 2,3 hodiny;  
• ¹³³I, poločas přeměny 21 hodin;  
• ¹³⁴I, poločas přeměny 53 minut;  
• ¹³⁵I, poločas přeměny 6,6 hodiny.  

Tyto izotopy se ve výpustích vyskytují v plynných formách (elementární jód, organický jód) a ve formě aerosolu. Kromě jódu ¹²⁹I mají všechny radioizotopy relativně krátké poločasy přeměny, jejich aktivita ve výpustích závisí na počtu netěsností v palivových článcích a na rychlosti úniku chladiva z primárního okruhu a jsou proto významné z hlediska ozáření personálu jaderné elektrárny. Pro ozáření obyvatelstva v okolí je významný zejména jód ¹³¹I, protože při případném úniku se může dostat do potravinového řetězce. Jód ¹²⁹I je vypouštěn ve velmi malých množstvích a přispívá do tzv. globální kolektivní dávky.

Ve formě aerosolů se vyskytují radionuklidy, které vznikly přímo jako produkt štěpení, nebo rozpadem vzácných plynů vzniklých štěpením. Další radionuklidy vznikají aktivací materiálů přítomných v primárním okruhu buď jako příměs nebo uvolněných korozí konstrukčních materiálů. Aerosoly se utváří při únicích netěsnosti primárního okruhu nebo při údržbě a opravách aktivovaných částí primárního okruhu. Vzduch, odváděný ventilačními systémy z prostor, kde se radioaktivní aerosoly tvoří, je kontinuálně čištěn mocnými filtračními systémy, v nichž je velká část aerosolů, zejména o větších rozměrech zachycena. Výpusti aerosolů jsou obecně velmi nízké a radionuklidové složení je unikátní pro každou elektrárnu. V jaderných elektrárnách typu VVER se nachází obvykle následující spektrum radionuklidů: ⁵¹Cr, ⁵⁴Mn, ⁵⁹Fe, ⁵⁷Co, ⁵⁸Co, ⁶⁰Co, ⁶⁵Zn, ⁷⁶As, ⁸⁹Sr, ⁹⁰ Sr, ⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb, ¹⁰³Ru, ¹⁰⁶Ru, ^110mAg, ¹²⁴Sb, ¹²⁵Sb, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴⁰La, ¹⁴¹Ce, ¹⁴⁴Ce, ¹⁸¹Hf, ¹⁸²Ta.

Ventilační komíny.

Ostatní průmyslové zdroje záření

Zdroj záření může být buď trvale instalován v průmyslovém podniku, nebo se v průmyslovém procesu pouze odebírají vzorky, které se nukleárními metodami studují a analyzují na speciálních pracovištích. Při různých aplikacích se buď indikují změny v pohlcování záření (například defektoskopy, hlásiče požáru, tloušťkoměry, hustoměry, hladinoměry), nebo vytvořené elektricky nabité částice vyvolávají elektrickou vodivost vzduchu, čímž se dá např. odvést nežádoucí elektrický náboj nahromaděný třením na polymerních tkaninách nebo fóliích, dá se zamezit výbojům statické elektřiny v prostorách, kde hrozí výbuch a podobně.

Defektoskopické metody

Tyto metody jsou založeny na schopnosti některých druhů záření pronikat zkoumanými materiály. Každá vnitřní vada znamená zeslabení nebo změnu struktury prozařovaného materiálu. V takovém místě se změní intenzita procházejícího záření. K indikaci se používají fluorescenční štíty, film nebo ionizační detektory. Na filmu se po ozáření a vyvolání jeví vnitřní vady jako tmavší místa. Jako zdroje rentgenového záření se používají aparatury vyzařující pronikavé (tvrdé) záření vznikající při napětí 60 až 450 kV, z radionuklidů se pro průmyslovou defektoskopii využívá iridium ¹⁹²Ir. Tento typ defektoskopie nachází uplatnění všude tam, kde je vyžadována nejvyšší kvalita materiálů a svařovaných spojů (plynovody, lopatky plynových a parních turbín, písty spalovacích motorů, tlakové nádoby jaderných reaktorů).

Přenosná defektoskopická souprava.

Ionizační hlásiče požáru

Ionizační hlásiče požáru jsou založeny na principu různé absorpce záření v různém prostředí. Skládá se z čidla elektrické požární signalizace, kde je umístěn radioaktivní zářič, jehož záření alfa vytváří mezi dvěma elektrodami ionizační proud, a detektoru. V přítomnosti kouře dojde ke změně absorpce prostředí, tím ke změně ionizačního proudu a tato změna se zaznamená systémem požární signalizace.

Ionizační hlásič požáru.

Tlouštkoměry

K měření tloušťky materiálu se využívá absorpce nebo rozptylu záření. Volba zářiče závisí na tloušťce a povaze materiálu. Pro tenké materiály (papír, fólie) lze využít beta záření, např. zářiče krypton ⁸⁵Kr, thalium ²⁰⁴Tl, stroncium ⁹⁰Sr + yterbium ⁹⁰Y, k měření silnějších materiálů se používá gama záření, např. zářiče cesium ¹³⁷Cs, kobalt ⁶⁰Co. Metody založené na absorpčním principu jsou přesnější a citlivější, rozptylové metody se s výhodou používají tam, kde je měřený objekt přístupný jen z jedné strany (stěny kotlů a uzavřených nádob, potrubí). Tuto metodu lze použít například ve válcovnách při kontrole stejnosměrnosti tloušťky válcovaného materiálu, nebo v plastikářském průmyslu při kontrole tloušťky lité hmoty, kdy detektor umístěný pod běžícím pásem a zářič nad ním mohou v hutích kontrolovat stejnosměrný přísun sypkého materiálu do vsázky.

Princip měření tloušťky materiálu.

Hustoměry

Měření hustoty je založeno na principu zeslabení záření gama při jeho průchodu měřeným materiálem, kterým může být kapalina, práškovité nebo zrnité látky. Podmínkou je, aby tloušťka vrstvy materiálu byla konstantní. Hustoměry nacházejí uplatnění hlavně při dopravě materiálů potrubím v úpravnách uhlí, cukrovarech, chemickém a potravinářském průmyslu. Jako zářiče se většinou používá cesium ¹³⁷Cs nebo kobalt ⁶⁰Co. Podobně jako u tloušťkoměrů lze použít i rozptylové metody, které se využívají hlavně u karotážních měření pro potřeby geologického průzkumu.

Schéma hustoměru s radioaktivním zářičem.

RZ - radioaktivní zářič, DZ - detektor záření, MP - měřicí převodník.

Hladinoměry

Princip absorpce záření se dále využívá při kontrole a určování výšky hladiny kapaliny v nádržích a tancích, kde se jiné metody nemohou použít. Používají se úrovnoměry, kdy zdroj záření a detektor jsou umístěny po stranách nádrže proti sobě tak, aby svazek záření procházel místy, kde je zapotřebí přítomnost materiálu (úroveň hladiny) sledovat. Je-li zdroj a detektor nad a pod nádrží je možno sledovat polohu hladiny kontinuálně. Bezkontaktní metoda umožňuje měřit hladiny v přetlakových i podtlakových nádržích, dále hladiny snadno vznětlivých nebo agresivních kapalin, kalů, rmutů,.... Zařízení pro měření úrovní je většinou stacionární, může však být i přenosné, které se používá například pro kontrolu zaplnění tlakových lahví, nádob a nádrží velkých rozměrů. Na stejném principu pracují i zařízení k indikaci polohy strojů a jejich částí, počítání součástek na dopravnících, hlídání přesypů pásových dopravníků a vyprazdňování dopravních nádob, počítání vozíků.

Schéma hladinoměru.

Stopovací nebo indikátorové metody

Tyto metody slouží ke sledování chování, pohybu a přeměny určitých předmětů nebo chemických látek (tj. jejich atomů nebo molekul) při různých mechanických, fyzikálních, chemických a biologických procesech na základě jejich označení radioaktivní látkou a sledování pohybu této látky. Běžně používanými radioizotopy jsou ³H, ¹⁴C, ²⁴Na, ³²P, ³⁵S, ⁴¹Ar, ⁴⁵Ca, ⁴⁶Sc, ⁷⁶As, ⁸²Br, ⁸⁵Kr, ¹³³Xe, ¹⁴⁰La, ¹⁹⁸Au, ²⁰³Hg. Aktivita zdroje závisí na druhu aplikace. K nejdůležitějším praktickým použitím radioindikátorů patří:

• sledování pohybu a distribuce hmoty v různých technologických zařízeních a dopravních systémech;  
• účinnost míchání v rotačních pecích v cementárnách;  
• homogenita sklářského kmene ve sklárnách);  
• optimalizace provozu destilačních kolon v chemickém průmyslu;  
• stanovení optimálních průtoků otopné vody v teplárenských rozvodech;  
• zjišťování netěsnosti v potrubích a povlacích dálkových kabelů; 
• sledování opotřebení součástí; 
• vyhledávání nevybuchlých náloží, ...  

Ke kontrole čistoty surovin, polotovarů a výsledných materiálů v oborech, kde má vysoká čistota rozhodující roli, se používají radioanalytické metody jako neutronová aktivační analýza. Nejčastější použití je při výrobě polovodičů a skleněných vláken pro optoelektroniku, kde je předepsána čistota materiálů na 99,9999 %. Jedná se o vysoce citlivou metodu analýzy chemického složení látek, založené na záchytu neutronů v jádrech zkoumané látky. Neutronové ozařování analyzovaných vzorků se provádí buď v ozařovacích komůrkách v jaderném reaktoru, nebo pomocí neutronů z neutronových generátorů (např. americium ²⁴¹Am ve směsi s beryliem). Vedle již zmíněného ²⁴¹Am se používá také kalifornium ²⁵²Cf.

Schéma postupu při neutronové aktivační analýze.

Podobně lze využít rovněž rentgenfluorescenční analýzu. Tato metoda nedestruktivního zjišťování složení látek je založena na měření charakteristického rentgenového záření emitovaného ozářeným vzorkem. Zkoumaný vzorek ozařujeme buď zářením z rentgenové lampy nebo zářením gama z vhodného radionuklidu (kobalt ⁵⁷Co, cesium ¹³⁷Cs, cer ¹⁴⁴Ce). Spektrometrickou analýzou energie (vlnové délky) takto emitovaného fluorescenčního záření lze zjistit, které prvky jsou přítomné ve zkoumaném vzorku a podle intenzity jednotlivých signálů fluorescenčního záření lze určit množství (koncentraci) těchto prvků ve vzorku.

Typické uspořádání zdroje záření, analyzovaného předmětu a detektoru při rentgenfluorescenční analýze.