Z historie 1949: Přehled dosavadních reaktorů ve Spojených státech amerických

Přehled úsilí ve stavbě reaktorů v USA do roku 1945 byl podán v tzv. reportu Smythově. Jak známo, první reaktor na světě byl postaven roku 1942 v Chicagu a první řetězová reakce na světě v něm byla uskutečněna dne 2. prosince 1942. Byl to reaktor typu heterogenního s neutrony thermickými, bez chlazení, s moderátorem tuhovým; uran v něm byl ve formě kovové a částečně ve formě stlačeného kysličníku. Maximální výkon: 200 wattů. Reaktoru se používá dodnes.

 Dne 4. listopadu 1943 zahájil činnost první velký reaktor, a sice v Oak Ridge (Tennessee); v podstatě typu stejného, ale s chlazením vzduchovým, s tyčemi U v pouzdrech Al a výkonu většího než 2000 kW.

Již na jaře roku 1943 byl v laboratoři Argony v Chicagu postaven druhý reaktor, stejného typu jako první reaktor, ale výkonu poněkud většího (několik kW). První reaktor bývá nazýván také „universitní“ anebo „West Stands“, protože byl pracovníky chicagské university postaven na hřišti.

Od léta 1944 do jara 1945 byly v Hanfordu (Washington) vybudovány tři obrovské reaktory sloužící výrobě plutonia. Jsou stejného typu jak reaktor v Oak Ridge, avšak s velmi účinným vodním chlazením vzhledem k výkonu snad většímu než 100 000 kW. Celý výkon je rozptylován chladicí vodou.

Zajímavý malý reaktor zahájil činnost dne 15. května 1944 v laboratoři Argony. Tento druhý reaktor „Argony“ je opět typu heterogenního, s thermickými neutrony a má výkon větší než 300 kW; pozoruhodný jest jeho moderátor: D₂O (těžká voda), sloužící současně jako chladivo.

Tím končí výčet reaktorů obsažený v reportu Smythově, jestliže mezi reaktory nepočítáme atomové pumy, které však v podstatě jsou tzv. rychlé reaktory.

Budeme nyní pokračovat v přehledu reaktorů, pokud údaje o nich byly uveřejněny ve vědecké literatuře.

Obr. 1. Nápis na okraji atomových laboratoří v Oak Ridge: Zapomeň na vše co jsi zde viděl, co jsi zde dělal a co jsi zde slyšel.

Pravděpodobně roku 1944 zahájil činnost první reaktor typu homogenního, o němž jsme se již zmínili. Je to tzv. vodní kotel, výkonu 10 kW, v němž obohacený uran je ve vodním roztoku. Moderátor je tedy H₂O, která rychlost neutronů snižuje na hodnoty v oboru thermickém. Tento reaktor byl postaven v atomové laboratoři v Los Alamos (Nové Mexico). Podobný „vodní kotel“ je také v laboratoři Argony.

V Los Alamos byl postaven také první rychlý reaktor plutoniový. Je v činnosti od podzimu roku 1947 a má výkon několik kW. Je zdrojem rychlých neutronů, jejichž tok je 10¹²  . Je možno do něho umístit také thermalisační sloup (v podstatě štíhlý hranol tuhový) a získat tak neutrony thermické velké hustoty. Tento reaktor je první reaktor, který pracuje za vyšší teploty, a může tudíž svou energii odevzdávat v prakticky použitelné formě. Nemá moderátoru (proto je to „rychlý“ reaktor) a podobá se spíše ovládané atomové pumě než dosavadním uranovým reaktorům. Je určen ke studiu fysiky atomové pumy, ale bývá nazýván také „hračkou“, která je vlastně malým modelem atomové centrály. Podrobnosti jeho konstrukce nebyly dosud uveřejněny.

Druhý rychlý reaktor se staví v Brookhavenu na Long Islandu, v National Laboratory. Má být dokončen roku 1949 a je vlastně stejného typu, jako reaktor v Oak Ridge; bude však pracovat s vyšší výkonností a při vyšší teplotě; chladicí vzduch z něho bude proudit tak horký, že by se ho dalo využít k výrobě páry. Hranice dosažitelné teploty je odolnost hliníkových pouzder, do nichž je zasunut uran. Výroba energie prakticky by byla však tak nepatrná, že reaktor by nedokázal ani pohánět dmychadla na vlastní chlazení.

Očekává se také, že AEC (Atomic Energy Commission), Komise pro atomovou energii, která je nejvyšším úředním orgánem nad atomovou energií v USA, schválí plány Zinnova reaktoru, jejž navrhl prof. Zinn v laboratoři Argony v Chicagu. Jeho stavba by trvala asi dva roky. Prvotní jeho účel je badatelský, ale je možno jej považovat za první pokusný reaktor pro výrobu atomové energie. Má to být rychlý reaktor (s rychlými neutrony), a se štěpitelnou hmotou koncentrovanou; má pracovat se značně velikým výkonem, a při teplotě srovnatelné s teplotou moderních parních motorů.

AEC přechovává zatím v nákresech další 2 reaktory; tzv. reaktor Danielsův byl navržen vlastně již roku 1946 v posledním období života organisace Manhattan District, což bylo za války krycí označení pro velkou skupinu nukleoniků a nukleárních inženýrů. Spíše snad bude uskutečněn druhý reaktor podle návrhu společnosti General Electric; má být postaven v „Knollsově atomové laboratoři pro studium využití atomové energie“, poblíže Schenectady.

Američtí odborníci se netají obavami, že v mírovém využití atomové energie zůstanou pozadu. Výroba atomových zbraní má zpožďující účinek na studium technických otázek, souvisících s mírovým využitím atomové energie; takové studium se nyní provádí jen zásluhou několika odborníků na universitách a netvoří se pro ně veliké pracovní kolektivy, které jedině by mohly studium úspěšně provádět. Tím je pokrok velmi zpomalen. V kapitalistické soustavě jako brzda působí také ty odstavce McMahonova zákona (tj. zákona o atomové energii), jež pozměňují dosavadní patentní soustavu ve prospěch státu, jde-li o důležitý patent v oboru využití atomové energie. Kapitalistické monopoly v tom vidí zásah do svých práv a nemají zájmu na skutečném pokroku v oboru mírového využití.

Atomové reaktory ve Velké Britanii popíšeme ve zvláštním odstavci a rovněž snahy francouzské Komise pro atomovou energii i nepodařené úsilí Němců za války o stavbu uranového reaktoru s moderátorem D₂O a C.

V USA se nyní soustředilo úsilí jen na výrobu štěpitelných hmot, které jsou posuzovány s hlediska atomových třaskavin. Ty by byly ovšem také cenným materiálem pro výrobu nukleární energie v reaktorech. Je zajímavé sledovat podle referátů v Bulletinu atomových vědců, jak se od roku 1945 (od doby uveřejnění reportu Smythova) v USA výroba štěpitelných hmot vyvíjela.

Především prakticky byla zastavena činnost továrny na elektromagnetické rozdělování isotopů uranu, tedy na výrobu U 232, v Oak Ridge; tato továrna za války byla známa jako „závod Y-12“ a k rozdělování uranových isotopů používala kalutronů, v postatě hmotových spektrografů. Nyní je v činnosti jen několik kalutronů, s nimiž se provádí studium za účelem zlepšení špatné účinnosti elektromagnetického způsobu rozdělování isotopů. Několika kalutronů se používá také k výrobě stabilních isotopů, používaných k účelům „stopování“ v různých oborech, zejména v biologii a lékařství. (Radioisotopy jak známo se vyrábějí v reaktorech; zvlášť výhodně se s nimi „označují“ jiné atomy a tak se jejich cesta, např. v organismu dobře stopuje a sleduje).

Jiný veliký závod na rozdělování isotopů uranu je difusní továrna v Oak Ridge, kde se uranové isotopy rozdělují difusí. (Za války „závod K-25“) Jak známo stála 500 milionů dolarů, a od počátku až dodnes pracuje celkem bez závad, takže difusní methoda rozdělování isotopů se dobře osvědčila. Difusní továrna stále vyrábí U 235 a jsou náznaky, že uvolňování nukleární energie je z něho účinnější než z Pu 239. Výroba plutonia je však lacinější.

Obr. 2. Starý vojenský tábor v Brookhavenu na Long Islandu byl adaptován, aby v něm mohl bydlet personál nové atomové laboratoře

Umělá štěpitelná hmota Pu 239 se vyrábí v Hanfordu. V roce 1945 málokdo by považoval za pravděpodobné, že obřích reaktorů hanfordských (velikosti několikaposchoďového domu) bude možno dodnes úspěšně používat. Roku 1948 byla zahájena modernisace těchto reaktorů, která sleduje pouze zlepšení účinnosti výroby Pu, a nikoli změnu typu a podstaty reaktorů.

Komise pro atomovou energii v USA hodlá teprve kolem roku 1960 postavit pokusnou atomovou centrálu, a prý snad teprve r. 1970 bylo by možno asi 20 % energie v USA dodávat za štěpení atomů. Jsou to opět jen nejhrubší odhady a vlastně jen pouhá slova, protože konkrétního se v tom směru podniká jen velmi málo. Časopis Business Week to omlouvá tím, že v zemi, kde jsou zásoby uhlí na 2000 let, nemůže být valného zájmu o mírové využití atomové energie. Je to omluva pochybená, která se snaží omluvit spíše atomové zbrojení než nezájem o mírumilovné průmyslové využití. Pokrokoví vědečtí pracovníci celého světa věří proto v úspěch snah Sovětského svazu, který důsledně zavrhuje válečné využití atomové energie a celou svou mohutnou silou se staví za její využití mírové.

Bulletin atomových vědců (vycházející v Chicagu) uveřejnil roku 1948 doslovně toto tvrzení: „Je dosti pravděpodobné, že první větší atomová centrála bude uskutečněna jinde než ve Spojených státech amerických.“

Není třeba bráti vážně také společnost NEPA (Nuclear Energy for Propulsion of Aircraft, tj. Společnost pro využití atomové energie k pohonu letadel), jež byla nedávno založena v USA. Její založení sleduje cíle spíše psychologické a propagační, neboť od dnešních reaktorů je k pohonu letadel atomovou energií zcela jistě cesta nejméně tak dlouhá, jako byla od objevu rozbíjení atomů k vytvoření reaktoru.

R.F. Bacher v Bulletinu atom. vědců 1949 (str. 80) nejnověji uvádí, že AEC vbrzku postaví čtyři speciální reaktory:

1. Reaktor na zkoušení materiálu. Bude to reaktor, v němž se bude studovat vliv intensivního ozařování neutrony, negatrony a fotony na strukturu hmot, jichž se používá k stavbě reaktorů.

2. „Námořní“ reaktor. Má být prototypem atomové baterie určené k pohonu lodí.

3. Regenerační baterie s rychlými neutrony. Bude studovat regeneraci (samoplození) atomového paliva, způsob, jak v reaktoru získat větší množství štěpitelné hmoty, než se jí spotřebuje. Řešení této otázky je klíčem k průmyslovému využití atomové energie. V regenerační baterii s rychlými neutrony by řetězovou reakci udržovaly rychlé neutrony, tj. neutrony střední energie asi 100 000 eV.

4. Pokusná regenerační baterie s neutrony středních rychlostí, tj. energie asi 100 eV.

Reaktor na zkoušení materiálu má mít mnohem větší hustotu neutronů, než dosavadní reaktory, takže bude vyrábět velikou energii v poměrně malém prostoru. Bude také velmi intensivním zdrojem neutronů pro různé fysikální pokusy.

Námořní reaktor má obsahovat obohacený uran, tj. uran s uměle zvětšeným obsahem štěpitelného isotopu U 235. Jeho stavba bude zahájena roku 1950. Vzhledem k obrovské energii obsažené v uranu 235 vydržela by jediná „nálož“ na plavbu několika desetitisíc km. Po vypotřebování (částečném) bylo by palivo nahrazeno novým. Vypotřebované palivo by bylo přepracováno.

Regenerační baterie s rychlými neutrony je plánována podobně jako rychlý reaktor v Los Alamos, v němž je použito plutonia. Regenerační baterie bude však obsahovat čistý uran 235 a bude mít mnohem větší výkon.

Proč se regenerační baterie bude stavět jednak s neutrony rychlými, jednak „středními“?

Je to patrně proto, že v reaktoru s neutrony malých rychlostí (v reaktoru thermickém s neutrony thermickými střední energie pouze 0,025 elektronvoltu) regenerace nenastává takovou měrou, aby měla praktický význam. Reaktor thermický nemůže být tedy regenerátorem (breeder pile). O reaktoru s rychlými neutrony, a reaktoru s neutrony středních rychlostí (který se také nazývá reaktorem resonančním), není v tom směru ničeho známo, takže veškeré naděje na vytvoření regenerátoru se upírají k těmto dvěma dosud neprozkoumaným typům.

Oba regenerátory jsou prý již na rýsovacích prknech. Plány provádí atomová laboratoř Argony v Chicagu a Národní laboratoř (National Laboratory) v Oak Ridge Tennessee. Reaktor námořní bude stavěn ve spolupráci s firmou Westinghouse.

Teplo z regenerátoru bude odváděno cirkulací tekutého kovu, což je thermodynamicky výhodné. Rychlý regenerátor (reaktor s rychlými neutrony) bude stavěn ve West Milton, N. Y., asi 30 km severně od Schenectady. Se stavbou se začne ještě roku 1949. Na výsledky pokusů můžeme být právem zvědavi, neboť budou důležitým článkem v řešení otázky využití atomové energie v technice, průmyslu a popř. v dopravě.

R. F. Bacher dále uvádí, že AEC se rozhodla postavit také polní stanici pro výzkum reaktorů, pracujících s obrovským výkonem, a sice na západě Spojených států. Bude stanicí pro výzkumy všech atomových laboratoří, které je nutno provádět ve velkém měřítku, a ze zdravotnických důvodů daleko od lidských sídlišť. V polní stanici budou také závody na chemické zpracování vypotřebovaného atomového paliva, na odlučování štěpných zplodin (prvků, vznikajících štěpením uranu a plutonia) z atomového paliva, atd. Polní stanice však je programem vzdálenější budoucnosti, neboť nebylo pro ni vyhlédnuto ještě ani vhodné místo.

Obr. 3. Přístroj, v němž bylo ponejprv vyrobeno čisté kovové plutonium.

Výzkum, který řídí AEC má rozřešit také otázku, zdali se k výrobě energie hodí lépe dnešní typ reaktoru heterogenního s přírodním uranem, anebo typ homogenní, v němž uran obohacený anebo čistý U 235 nebo Pu 239 je rovnoměrně smíšen s moderátorem.

R. F. Bacher odpovídá také na otázku, kterou dnes často slýcháme pronášet: má atomová energie nějaký hospodářský význam? Odpovídá podobně jako např. J. Chadwick: je třeba vyčkat technického zdokonalení reaktoru, které je dosud nerozřešenou otázkou.

Bulletin atomových vědců ve zprávě o činnosti AEC z roku 1948 a 1949 uvádí, že v atomovém závodě v Hanfordu (Wash), který se zabývá výrobou plutonia ve velkém, jsou tři veliké reaktory a dohromady s chemickými továrnami na odlučování Pu tvoří Hanford Plutonium Works. Nákladem 700 mil. dolarů se zde provede rekonstrukce a modernisace, která nyní již započala. Pracuje zde 17 000 dělníků a specialistů, a pozoruhodný je důvod rekonstrukce: roku 1947 bylo hanfordské zařízení tak opotřebované a korosí zničené, že bylo nebezpečí úplného přerušení provozu. Nemalou úlohu jistě hrály účinky velmi silného záření na strukturu materiálu po dobu nepřetržitého tříletého provozu.

Dále se uvádí, že USA svou spotřebu uranu kryje hlavně z uranových rud Belgického Konga a Kanady. V USA jsou pouze sekundární chudé rudy v Koloradu, kde se malá množství U vyskytují ve sloučenině společně s V. Po celém území USA i Aljašky je prováděno důkladné prospektorství. U se hledá i s pomocí vrtů s diamantovými vrtáky, jádrovým vrtáním, aby byly získány vzorky nerostů z hloubky. Za rudu se považuje již obsah několika kg U pro tunu. AEC má svou vlastní rozsáhlou geologickou sekcí.

V současné době se uran vyrábí v několika etapách a formách. Především se z rud vyrábí velmi čistý „hnědý kysličník“ UO₂. Dalším výrobním stupněm je přeměna UO₂ na UF₄, který je zeleným práškem a ve výrobním slangu se nazývá „zelenou solí“. Z něho se vyrábí KUF₅, který je zdrojem pro elektrolytickou výrobu velmi čistého kovového U. Pro použití v továrně na rozdělování uranových isotopů (v Oak Ridge) se připravuje UF₆, který při 56^o C je látkou plynnou.

Továrna na dělení isotopů, tj. na výrobu atomového paliva (a také atomové třaskaviny) uranu 235, je rozsáhlým závodem; (jeho střecha měří 60 akrů). Závod má tvar písmene U a jeho celková délka je skoro 2 km. Je to čtyřposchoďová budova, kde je několik tisíc vývěv, pump, motorů, několik tisíc km potrubí a mnoho elektronických zařízení, která kontrolují výrobu. UF₆ působí korosivně a proto se nyní používá umělé, velmi odolné hmoty zvané fluorothen, z níž se vyrábějí četné součástky strojového zařízení. Průlinčité stěny jimiž UF₆ difunduje, vyrábějí se nyní seriově a otvůrky v nich precisně. Továrna snížila počet pracovníků z 11 000 na 5000 a rozsáhlou mechanizací (která je i zdravotnicky důležitá) zvýšila výrobnost. Nyní se přistavuje nová část difusní továrny, která bude hotova asi za 2 roky a zvýší produkci U 235.

Ve zprávě AEC se dále uvádí, že reaktor není možno rozebrat za účelem jeho opravy. Všechny jeho součásti jsou tak silně radioaktivní, že se zdravotnického hlediska byla by práce s nimi nepřípustná. Život reaktoru dá se prý však prodloužit některými technickými opatřeními, patrně výměnou použitých uranových tyčí za čerstvé. Jestliže se reaktoru používá k výrobě plutonia, štěpné zplodiny se neodlučují, nýbrž spolu se zbylým uranem uskladňují a nechávají rozpadat. Některé žijí však mnoho let, takže získání čistého uranu z těchto odpadků od výroby plutonia je otázkou, která vzhledem k dostatečným zásobám čerstvého uranu patrně ještě nebyla řešena.

Zajímavé jsou také údaje rozpočtové, vztahující se k programu stavby reaktorů. Pro rok 1949 je na reaktory věnováno 61 milionů dolarů z celkového rozpočtu AEC 662 milionů dolarů. Na rok 1950 je rozpočet AEC 792 milionů dolarů, z nichž 120 milionů dolarů bude věnováno na reaktory. Nový reaktor v nově zřizované atomové laboratoři v Brookhavenu (Patchgong, Long Island, N. Y.) bude stát 22 milionů dolarů. Reaktor měl být hotov letos asi v polovině roku. Na malý reaktor v laboratoři Argony je počítáno pouze se dvěma miliony dolarů. Stavba většího reaktoru trvá 2 až 3 léta.

Zpráva AEC také sděluje, že atomová laboratoř Argony umístěná původně při universitě v Chicagu se stěhuje do volnějšího prostoru v Du Page County, Illinois. Přestěhování má zřejmě důvody zdravotnické.

Atomové laboratoře a ústavy pro nukleoniku jsou opatřeny také stroji na urychlování částic. Reaktor je sice nejmohutnějším zdrojem neutronů, s nímž žádný cyklotron nemůže soutěžit, avšak neposkytuje části jiných druhů, neméně důležitých pro výzkum atomového jádra. Překvapujících výsledků (zatím jen ryze vědeckého rázu) bylo dosaženo např. ostřelováním jader heliony, deuterony a protony energie několik set milionů eV. Také výroba transuranů číslo 95 a 96 byla umožněna cyklotronem. Ve Spojených státech stroje na urychlování částic pracují asi v padesáti laboratořích. Jsou to cyklotrony, synchrocyklotrony, synchrotrony, betatrony a lineární urychlovače neboli akcelerátory. Jak známo v synchrotronu se používá k splnění resonanční podmínky periodických změn magnetického pole, kdežto synchrocyklotron je frekvenčně modulovaný cyklotron. Princip synchrocyklotronu objevil nejdříve sovětský fysik Veksler. Theorii relativistických zrychlovačů částic propracoval sovětský matematický fysik M. Rabinovič. Název „relativistický“ pochází od toho, že hmota velmi rychle letící částice v nich vzrůstá podle principu relativity.

Obr. 4. Radiochemik zaznamenává údaje analysátoru impulsů, který určuje všechny energetické podrobnosti záření.

Cyklotron s měnitelnou frekvencí na segmentech zrychlovací komory se nazývá také fázotron. Tak se podařilo cyklotron neobyčejně zdokonalit a výroba částic energií několika set milionů eV je dnes běžnou událostí. V USA pracuje dnes vlastně jen jediný takový stroj a sice cyklotron na kalifornské universitě v Berkeley, jehož elektromagnet má pólové nástavky asi 4,7 m. Váží skoro 5000 tun. Je naplánováno několik dalších takových strojů, z nichž pozoruhodný je návrh dvou tzv. bevatronů, které mají částice zrychlit na energie několik miliard eV. Stavbu těchto elektronukleárních strojů financuje Komise pro atomovou energii. Jeden z nich má mít elektromagnet prstencovitého tvaru váhy 10 000 tun, průměru asi 18 metrů. Je to protonový synchrotron, jenž protony urychlí na energii 6 až 7 miliard eV. Zrychlovací voltáž bude asi 5000 V, takže počet oběhů protonů bude větší než 10⁶. Magnet má být rozdělen na čtyři úseky, aby byl přístup k urychlovací komoře. Stavba je rozpočtena na 4 až 5 let a řídí ji celý team konstruktérů pod vedením Ústavu pro výzkum záření v Berkeley.

Druhý bevatron se plánuje pro atomovou laboratoř v Brookhavenu (N. Y.). Je to opět protonový synchrotron, urychlovač protonů, typu „závodní dráha“ (race track). Dráha protonů má totiž tvar, který připomíná závodní dráhu tvaru obdélníku se zaoblenými rohy, takže jsou v ní čtyři „rovinky“. Délka dráhy má být asi 75 metrů a počet oběhů protonů asi 4 .10⁶, takže každý proton musí proběhnout dráhu 300 000 km, než se urychlí na požadovanou energii 2 až 3 miliardy eV. Do urychlovače mají být protony vrhány z iontové trubice, poháněné v urychlovači budou mít již energii 4 . 10⁶ eV.

Menších strojů je plánováno asi 50, z nichž asi 20 má dodávat částice větších energií než 100 MeV. Komise pro atomovou energii staví také veliký elektrostatický generátor Van de Graaffův, který umožní získat napětí 12 milionů V. Je stavěn v Los Alamos a sice těsně vedle příkrého srázu, jímž končí tzv. mesa, pustá náhorní planina. Výška útesu je asi 30 m a nahoře nad útesem budou laboratoře a kontrolní místnost.

Pro Komisi pro atomovou energii pracuje nyní sedm urychlovačů. Jsou to tři stroje v Berkeley (oba velké cyklotrony průměrů pólových nástavků asi 4,7 a 1,5 m, a lineární urychlovače 20 až 40 MeV), a čtyři stroje z atomové laboratoře z Los Alamos (cyklotron s pólovými nástavky 1 m, betatron 20 MeV, Van de Graaff 2 MeV a Cockcroftova-Waltonova aparatura na 200 000 V).

Komise pro atomovou energii má již rozestavěno deset strojů na různých pracovištích. (Synchrotron 300 MeV v Berkeley, cyklotron 30 MeV a Van de Graaffův stroj 4 MeV v laboratoři Argony, podobný cyklotron a V. de G. stroj v Brookhavenu, a pět betatronů v různých laboratořích Komise). AEC zaměstnává celkem skoro 50 000 odborníků.

Zdroj: Vilém Santholzer Mírové využití atomové energie, Melantrich v Praze 1949