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.