ŘEŽ U PRAHY
 |
Areál vědeckovýzkumných
pracovišť v Řeži u Prahy. |
Největší středisko jaderného výzkumu v naší republice leží několik
kilometrů severně od Prahy. V malebném údolí řeky Vltavy u malé obce Řež vyrostl
v padesátých letech rozsáhlý areál vědeckých a výzkumných pracovišť
zaměřených na jadernou fyziku a její aplikace. Hlavní role zde mají dva dnes
nezávislé, ale spolupracující ústavy: Ústav jaderné fyziky Akademie věd a Ústav
jaderných výzkumů, akciová společnost.
Nejprve navštívíme Ústav jaderné fyziky (ÚJF). Ten je zaměřen,
podobně jako jiná pracoviště Akademie věd, převážně na řešení základních,
principiálních vědeckých otázek. Přibližně stovka vědců zde na světové úrovni
ovládá vybrané oblasti z tajuplné a složité jaderné fyziky.
Izochronní cyklotron
Hlavním experimentálním přístrojem ústavu izochronní cyklotron U -
120M, který byl uveden do provozu v roce 1977 a který se od té doby stále zdokonaluje.
Co se vlastně za tajemnými slovy "izochronní cyklotron" skrývá? Jde o
urychlovač, tedy o přístroj, který dokáže atomovým jádrům nebo celým atomům
(mají-li nenulový elektrický náboj) udělit prostřednictvím elektrického pole
nesmírně vysokou rychlost, srovnatelnou s rychlostí světla. Rychlé částice jsou pak
jedinečnými "projektily", které dokáží po zásahu terčíku (tím je
obvykle nějaký vhodný plíšek, například z berylia) vyvolat v materiálu terčíku
jaderné reakce, a tím i změny jader. Jaderné reakce i jejich produkty mohou být
zajímavé jak z hlediska výzkumu, tak i z hlediska praktického využití. Slovo
"cyklotron" v názvu přístroje napovídá, že částice neletí během
urychlování rovně, ale obíhají po spirále. K tomu je nutí silné magnetické pole.
Konečně slovo "izochronní" pochází z řečtiny a v doslovném překladu
znamená "stejnodobý" částice obíhají po spirále přesně v rytmu
urychlujícího elektrického pole. V konstrukci cyklotronu konkrétně ve tvaru
magnetického pole je totiž uváženo i opožďování částic vzhledem k efektům
růstu hmotnosti při velmi vysokých rychlostech. Od roku 1994 je řežský cyklotron
řízen pomocí matematického modelu z počítače, což přineslo další výrazné
zlepšení parametrů tohoto špičkového přístroje.
 |
Izochronní cyklotron Ústavu
jaderné fyziky v Řeži. |
Izochronní cyklotron v ÚJF Řež dokáže urychlovat kladně i záporně
nabité atomy vodíku (protony) či těžkého vodíku (deuterony) a helia (heliony) až
na přibližně jednu čtvrtinu světelné rychlosti. Urychlené protony, deuterony či
heliony jsou po vyvedení z cyklotronu využívány k řadě zajímavých úkolů.
Samozřejmě k nim patří detailní zkoumání jaderných reakcí, zejména schopností
různých jader zachytit, odrazit nebo vyzářit proton, deuteron nebo helion. Dále se
vyšetřuje souvislost energie a směru gama-záření, které doprovází většinu
jaderných reakcí, s energií dopadajících částic. Odborníci na teoretickou fyziku,
zběhlí ve složitých výpočtech, dokáží podle dat z dobře provedených
experimentů usoudit mnoho nového o podobě atomových jader. A souvislosti jsou tu
mnohdy překvapivé. V současnosti například ÚJF Řež spolupracuje se špičkovými
odborníky na astrofyziku z Texasu, protože data z jaderných reakcí protonu s beryliem,
které se u cyklotronu provádějí, jsou velmi významná pro astrofyzikální modely
činnosti Slunce a dalších hvězd. Řežský cyklotron obhájil svůj význam i v
oblasti biofyzikálního výzkumu provádí se zde ozařování biologických preparátů
(savčích buněk) pro Biofyzikální ústav Akademie věd v Brně, který se věnuje
výzkumu genetických mutací. Cyklotron U-120M se kromě toho využívá při výrobě
radioizotopů, tj. radioaktivních variant vybraných chemických prvků. Nejčastěji se
jedná o radioizotopy galia, tantalu, rubidia či india pro potřeby zdravotnictví, ale
také např. o radioizotopy germania, bismutu nebo vanadu k dalšímu jadernému výzkumu.
 |
Spektrometr nízkoenergetických
elektronů s velmi vysokým rozličením ESA 12. |
Jaderná spektroskopie
Zavítejme nyní do oddělení jaderné spektroskopie, kde se vědci věnují
měření energií částic vyzařovaných atomovými jádry. Zde sice nalezneme
přístroje mnohem menší než cyklotron, nicméně i s jejich pomocí se dají získat
nové, jedinečné informace. V oddělení spektroskopie se jedna skupina fyziků zabývá
především konstrukcí polovodičových detektorů gama záření, které přesně
pracují i při teplotách jen několik tisícin stupně nad absolutní nulou (to je
nejnižší možná teplota, -273,15 °C). Při tak nízkých teplotách ustává tepelný
pohyb atomů a lze měřit i orientaci jader v prostoru. Naše detektory dosud ve světě
nikdo nepřekonal, stejně jako nikdo nepřekonal elektrostatický spektrometr
ESA, u kterého pracuje druhá skupina spektroskopického oddělení. Ten je určen pro
velmi pečlivé měření spekter elektronů (tedy například beta-záření) o nízké
energii. Jeho rozlišovací schopnost (vlastně přesnost měření) je rekordní. V
současné době se zde fyzikové mimo jiné pokoušejí přispět k řešení otázky,
která má stěžejní vliv i na naše představy o vzniku a vývoji vesmíru: má
částice neutrino nějakou vlastní hmotnost?
 |
Schéma experimentálního
reaktoru LR-0. 1 - jeřáb, 2 - zakládací tyč, 3 - otočný poklop, 4 - tlakoměr, 5 -
horizontální kanály, 6 - vstupní potrubí, 7 - reaktorová nádoba, 8 - absorpční
tyče, 9 - palivové kazety, 10 - nosná deska, 11 - havarijní ventil, 12 - výstupní
potrubí. |
Další oddělení ÚJF se věnuje neutronové fyzice. K většině
výzkumů využívá jako zdroj neutronů
experimentální reaktor LVR-15 v sousedním Ústavu jaderných výzkumů. Neutrony mohou
vyvolávat pozoruhodné jaderné reakce, lze je však využít i k výzkumu struktury
krystalických mřížek. Rostoucí význam má použití tzv. neutronové aktivační
analýzy při monitorování životního prostředí pomocí této metody se může i
u velmi malého vzorku zjistit byť jen nepatrné zastoupení nebezpečných a zdraví
škodlivých látek. Jejich výskyt lze prokázat proměřením záření gama, vycházejícího ze vzorku po
jeho ozáření neutrony. Řežský ústav přitom spolupracuje i s Českým
hydrometeorologickým ústavem, který odebírá vzorky z atmosféry (např. aerosoly,
popílek). Kromě toho zde proměřením vzorků vlasů, nehtů či kůže přesně
zjišťují výskyt nebezpečných látek například u zaměstnanců hutnických
provozů.
K Ústavu jaderné fyziky neodmyslitelně patří i oddělení teoretické fyziky,
kde se špičkoví odborníci pokoušejí sladit hluboké zákonitosti matematiky s
nespočtem experimentálních poznatků. Přestože zde kromě knih a počítačů nic
zvláštního nenaleznete, jde o práci velmi napínavou výsledkem totiž bývá objev
nečekaných souvislostí a často i návod na další experiment s předpovězením
výsledku. A těžko si lze představit větší radost, než když experiment
uskutečníte a zjistíte, že předpověď' byla správná!
Sousední Ústav jaderných výzkumů (ÚJV Řež) je dnes nestátní
akciovou společností, která řeší výzkumné úkoly na zakázku. I zde je ovšem
práce velmi zajímavá a odborně náročná.
 |
Pohled do experimentálního
reaktoru LR-0 Ústavu jaderných výzkumů v Řeži. |
Experimentální reaktory
Každého návštěvníka nejvíce zaujmou dva experimentální reaktory
tohoto ústavu. Menší a mladší reaktor LR-0 je určen především pro výzkum
související s naší jadernou energetikou. To je zřejmé již z toho, že se v něm
používají zkrácené verze palivových článků pro reaktory typu VVER 440 (ty
pracují v Dukovanech) nebo pro reaktory typu
VVER 1000, které jsou instalovány v Temelíně.
Díky tomu mohou experti na reaktoru LR-0 proměřovat přesné geometrické rozložení
neutronového toku v reaktoru a v jeho blízkém okolí, zkoumat účinnost řídicích
tyčí či rovnoměrnost jaderného štěpení podél palivové tyče. K zajímavým
experimentům patří také měření změn v konstrukčních materiálech reaktoru vlivem
neutronového toku nebo studium fyzikálních parametrů vybraných metod ukládání
vyhořelého jaderného paliva.
Výhodou reaktoru LR-0 je skutečnost, že nemá prakticky žádný tepelný výkon (proto
nula v názvu). Díky tomu má jednodušší konstrukci a nepotřebuje zvláštní
zacházení s vyhořelým jaderným palivem, protože prakticky žádné neprodukuje.
Druhý, větší reaktor LVR-IS je určen především k výzkumu a využití
velmi intenzivního pole neutronů, které v něm vzniká. Patnáctka v názvu napovídá,
že maximální tepelný výkon reaktoru je 15 MW.
Takový výkon již vyžaduje bezpečné a vydatné trojokruhové chlazení vodou i velmi
svědomité zacházení s jaderným palivem. V reaktoru se používá speciální silně
obohacené palivo pro výzkumné reaktory, s 80% zastoupením štěpitelného uranu 235.
 |
Experimentální reaktor LVR-15
Ústavu jaderných výzkumů v Řeži. |
Již víme, že reaktor LVR-15 využívá skupina vědců z ÚJF Řež, která se
zabývá neutronovou fyzikou. Těžiště práce reaktoru ovšem spočívá v simulování
podmínek panujících v reaktorech jaderných elektráren, což umožňuje testování
materiálů "naostro". Reaktor LUR-15 při těchto experimentech dodává neutrony, další přístroje zajišťují při
testování odpovídající teplotu a tlak. Tyto experimenty se provádějí nejen pro
naše tlakovodní reaktory, ale i pro zahraniční zákazníky, kteří testují varné
reaktory. Nezastupitelná je úloha reaktoru LVR-15 při výrobě radioizotopů pro celou
řadu léčiv a zdravotnických pomůcek. Vyrábějí se zde například drátkové
zářiče s iridiem 192, pomocí kterých je možné přesně ozářit nemocnou tkáň,
aniž by se poškodil okolní zdravý organismus. Zatím jen na figuríně (fantomu) se
provádějí testy pro projekt léčebného ozařování pacienta neutrony přímo u
reaktoru.
Také jsme se zmínili o příspěvku neutronové aktivační analýzy ke sledování
stavu životního prostředí.
 |
Velín experimentálního
reaktoru LVR-15. |
V reaktoru LVR-15 se vzorky pro aktivační analýzu po určenou dobu ozařují
neutrony a pak se okamžitě odesílají speciální potrubní poštou do těch
laboratoří areálu v Řeži, které se analýzou zabývají. Přímo v reaktoru LUR-15
jsou také pravidelně ozařovány křemíkové polovodiče. Díky tomu, že neutrony
přeměňují jadernou reakcí křemík na fosfor rovnoměrně v celém objemu
polovodiče, vzniká křemíkový polovodič
objemově dopovaný fosforem. Ten je nutný k výrobě velkých tyristorů, které
slouží k regulaci velkých elektrických výkonů (například u elektrických vlaků).
Díky moderní tyristorové regulaci lze uspořit mnoho elektrické energie.
Návštěvníka reaktoru LVR-15 zaujme i pět tzv. horkých komor, které se
nacházejí pod úrovní reaktoru a které jsou určeny k práci se vzorky po jejich
ozáření v reaktoru. Horká komora je prostor, ve kterém se pracuje s radioaktivními
látkami pomocí zvenčí ovládaných mechanických manipulátorů. Její mohutné zdi a
průhled z olovnatého skla spolehlivě chrání před zářením toho, kdo manipulátory
řídí.
Menší horké komory najdeme i v oddělení radiofarmak ÚJV Řež. Na tomto
oddělení se v přísných hygienických podmínkách vyrábějí radioaktivní injekce a
soupravy pro výrobu radioaktivních injekcí. Ty jsou určeny zejména k lékařské
diagnostice pohyb a ukládání radioaktivních látek v lidském těle lze totiž snadno
a přesně sledovat detekčními přístroji citlivými na záření. Největším
uměním je přitom nalézt vhodnou radioaktivní látku: takovou, která je chemicky co
nejpodobnější přírodní látce, jejíž pohyb v těle sledujeme, a která zároveň
organismus nepoškodí, tedy látku, jejíž aktivita rychle vymizí nebo kterou tělo
rychle vyloučí. Radiofarmaka jsou nezastupitelná při diagnostice nemocí oběhového
systému a poruch činnosti střev či ledvin a také při podezření na různá
nádorová onemocnění. Novinkou mezi radiofarmaky jsou injekce výrazně tišící
bolest při některých vážných neléčitelných nemocech.
 |
Ukázka pracoviště oddělení chemie
palivového cyklu Ústavu jaderných výzkumů. |
Horké komory dále najdeme i na oddělení chemie palivového cyklu,
které je zaměřeno zejména na studium chemických úprav radioaktivních látek a na
výzkum jejich bezpečného ukládání. Zde jsou vyvíjeny a v praxi aplikovány
fyzikálně-chemické metody oddělování radioaktivních látek z kapalin, jejich
koncentrování, vysoušení a konečného znehybnění např. v betonu nebo ve skle.
Kromě toho se oddělení věnuje i problematice konečných úložišť radioaktivních
odpadů včetně geofyzikálních studií souvisejících s hlubinným ukládáním
vyhořelého jaderného paliva. Při řešení vybraných problémů konečného
ukládání spolupracuje UJV s Ústavem anorganické chemie Akademie věd a s
Přírodovědeckou fakultou Karlovy univerzity.
V dnešní době jsou neodmyslitelnou součástí všech špičkových technologií i
složité a přesné výpočty, které se provádějí na moderních počítačích. To
platí i pro pracoviště ÚJV Vybraní fyzikové se zde pomocí složitých
počítačových modelů snaží co nejpřesněji stanovit fyzikální průběh teoreticky
možných havárií jaderných elektráren typu VVER včetně činnosti havarijních
systémů při nich. Samostatně jsou prováděny modelové výpočty pro tepelné a
tlakové namáhání vodovodních potrubních systémů našich jaderných reaktorů
včetně jejich odolnosti proti zemětřesení. Všechny tyto práce významně
přispívají ke zvýšení bezpečnosti našich jaderných elektráren a jsou podkladem
pro jejich průběžnou modernizaci.
Součástí Ústavu jaderných výzkumů je i Centrální analytická laboratoř,
která je článkem sítě zárukových laboratoří Mezinárodní
agentury pro atomovou energii ve Vídni. Tyto laboratoře poskytují analytické
služby při kontrolách jaderných materiálů a daří se jim mimo jiné určovat původ
pašovaných zásilek obohaceného uranu. Laboratoře sledují i výskyt umělých
radionuklidů v životním prostředí naše Centrální analytická laboratoř monitoruje
například obsah radioizotopů cesia v borůvkách a houbách na území České
republiky.
Ústav jaderných výzkumů i celý řežský areál nyní opustíme. Před tím se
musíme omluvit všem, na které se nedostalo: vědcům, kteří pracují u Van de
Graaffova urychlovače nebo u argonového laditelného laseru, těm, kteří
se experimentálně zabývají spolehlivostí elektrických kabelů při extrémních
podmínkách, i těm, kteří vyvíjejí pro své kolegy počítačový software šitý na
míru. Zpět do Prahy nás odveze vlak, který zde staví na své cestě z Kralup nad
Vltavou. Jestli někdy po této trati pojedete, určitě si nezapomeňte všimnout malé,
nenápadné zastávky Řež a můstku pro pěší, který vede přes Vltavu přímo k
areálu obou ústavů. Denně jej přecházejí desítky jaderných fyziků na své cestě
do jednoho z mála míst, kde nejsou atomová jádra příliš malá na to, aby je mohli
lidé pozorovat.
|