Warto przeczytać

Kiedy słyszysz termin „elektrownia jądrowa”, jakie masz skojarzenia? Może takie: „to dla mnie za trudne”, „może wybuchnąć”, „lepiej z daleka, bo to jakieś szkodliwe promieniowanie”?

To są mity! Nie za trudne! Nie wybuchnie! I nie ma szkodliwego promieniowania!

Spróbujmy obalić te mity metodą krótkich odpowiedzi na proste pytania.

1. Jak wytwarza się prąd zmienny w elektrowni?

Zasadniczą częścią każdej elektrowni jest generator prądu, wykorzystujący zjawisko indukcji elektromagnetycznejindukcja elektromagnetycznaindukcji elektromagnetycznej. Energia kinetyczna ruchu obrotowego wirnika, w którym są elektromagnesy, zamienia się na energię elektryczną prądu powstającego w uzwojeniach generatora. Wirnik trzeba wprawić w ruch. W elektrowni konwencjonalnej robi to turbina parowa (Rys. 1.), która wykorzystuje rozprężającą się parę wodną pod wysokim ciśnieniem. Tę parę uzyskuje się, ogrzewając wodę spalanym węglem kamiennym, ropą lub gazem.

R1ex2T6sQrycl

Rys. 1. Fotografia przedstawia turbinę parową w elektrowni jądrowej w Leibstadt. Jest to wnętrze olbrzymiej hali, po środku której wzdłuż rozmieszczona jest wspomniana turbina, a wokół niej znajduje się mnóstwo innych urządzeń oraz stanowisk dla personelu. Od turbiny na zewnątrz odchodzi sześć rozgałęzień prowadzących do wielkich rur na obrzeżach pomieszczenia.

2. Czym różni się zasada działania elektrowni jądrowej od konwencjonalnej?

Zasada wytwarzania prądu jest taka sama. Inny jest sposób ogrzewania wody, by wytworzyć parę. Ciepło dostarczane jest nie ze spalania kopalin, a z reakcji jądrowej- rozszczepienia jąder uranu.

3. Jakie są przykładowe kanały rozszczepienia jąder uranu?

Reakcje te odbywają się zawsze poprzez pochłonięcie przez jądro uranu neutronu i rozpad na dwa mniejsze jądra oraz emisję neutronów, np.

Pierwszy z tych zapisów prześledzić można na Rys. 2. poniżej:

Re6ZCo6JE7yMT

Rys. 2. Ilustracja prezentuje trzy etapy reakcji rozszczepienia. Pierwsza, neutron w formie małej czerwonej kulki uderza w jądro uranu 235 w formie kuli uformowanej z wielu czerwonych i niebieskich kulek i jest absorbowany; drugi etap, tworzy się silnie wzbudzone jądro uranu 236 przedstawione jako kula uformowana z wielu czerwonych i niebieskich kulek, ale dosyć rozmyta i niewyraźna; etap trzeci, jądro rozszczepia się na dwa fragmenty (tutaj są to jądra baru 144 i kryptonu 89, nieco mniejsze od uranu kule złożone z wielu czerwonych i niebieskich kulek) oraz emitowanych jest kilka neutronów (w tym przypadku trzy pojedyncze czerwone kulki rozchodzące się w różnych kierunkach).

4. Dlaczego w reakcji rozszczepienia wydziela się energia?

W jądrze atomowym działają siły jądrowe, które przyciągają nukleony. Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon zmniejsza się wraz ze wzrostem liczby masowejliczba masowaliczby masowej jądra. Różnica energii wiązania nukleonów dla jąder z obszaru, gdzie znajdują się produkty rozszczepienia uranu i dla jąder, gdzie znajduje się ulegający rozszczepieniu uran, wynosi ok. 0,8–0,9 MeV na każdy nukleon. W jądrze uranu jest 236 nukleonów, które mogą być silniej związane, jeśli zostaną zgrupowane w dwóch jądrach, a nie w jednym.

Uwolniona w tej reakcji energia jest równa różnicy energii wiązania nukleonów pomnożonej przez ich liczbę, co daje ok. 200 MeV. Energia ta występuje przede wszystkim w postaci energii kinetycznej produktów rozszczepienia (ok. 70%), które rozlatują się z ogromnymi prędkościami, odpychane siłami elektrostatycznymi. Pozostała część to energie neutronów oraz fotonów i elektronów (a także neutrin) emitowanych w następujących później rozpadach promieniotwórczych.

5. Na czym polega reakcja łańcuchowa?

W każdej reakcji rozszczepienia powstają dwa lub trzy neutrony. Każdy z nich może, (ale nie musi) wywołać kolejne rozszczepienie. Rys. 3. przedstawia model reakcji łańcuchowej, gdy w każdym akcie rozszczepienia powstają dwa neutrony.

R1DQkPY1l3wQQ

Rys. 3. Ilustracja przedstawia model reakcji łańcuchowej. Neutron, pojedyncza czerwona kulka, uderza w jądro uranu 235, kula złożona z wielu czerwonych i niebieskich kulek. Powstają dwa neutrony i każdy z nich uderza w kolejne jądro urany. Z każdego jądra powstają kolejne dwa neutrony i historia się powtarza.

W bombie atomowej reakcja łańcuchowa nie jest kontrolowana i przebiega spontanicznie. W reaktorze jądrowym reakcja jest kontrolowana, tj. chcemy ją podtrzymywać, ale tak, by - średnio - tylko jeden uwolniony neutron wywoływał następną reakcję; pozostałe są absorbowane przez tzw. pręty bezpieczeństwa.

6. Jak działa reaktor jądrowy?

Schemat reaktora przedstawiony jest na Rys. 4., a zasada działania pokazana jest dokładniej w filmie uzupełniającym ten materiał.

RKczANwNhatFd

Rys. 4. Rysunek prezentuje schemat elektrowni jądrowej. Wewnątrz betonowej osłony reaktora umieszczone są dwa zbiorniki. Obieg pierwotny oznaczono czerwonym kolorem, a obieg wtórny niebieskim. Przez pompę przepływa ciecz i wpływa do zbiornika reaktora. Na dnie zbiornika znajduje się rdzeń reaktora do którego sięgają trzy pręty regulacyjne. Ponad zbiornikiem widoczny jest napęd prętów regulacyjnych. Ciecz ze zbiornika przepływa przez wytwornicę pary, która jest elementem obiegu wtórnego, aby następnie ponownie przepłynąć przez pompę i wrócić do zbiornika reaktora. Tymczasem z wytwornicy pary ciecz w obiegu wtórnym wydostaje się poza osłonę reaktora, aż do turbiny i skraplacza, aby ponownie przez pompę wrócić do wytwornicy pary.

Pręty paliwowe zawierają, prócz paliwa, także substancje spowalniające neutrony uwolnione w reakcjach rozszczepiania – spowolnione neutrony znacznie częściej wywołują kolejne reakcje rozszczepiania. Paliwo ulokowane jest w małych pastylkach. Prócz prętów paliwowych w rdzeniu reaktora znajdują się tzw. pręty regulujące. Zawierają one materiał pochłaniający neutrony. Głębokość ich zanurzenia w rdzeniu jest regulowana, by sterować współczynnikiem powielania i w efekcie mocą reaktora. Rdzeń otoczony jest materiałem skutecznie odbijającym neutrony (ogranicza to ich ucieczkę z rdzenia). Na zewnątrz reaktor otoczony jest betonową osłoną radiacyjną, pochłaniającą promieniowanie i neutrony, które nie zostały zawrócone przez reflektor. Rdzeń jest także wypełniony wodą. Spełnia ona rolę nośnika ciepła, a więc chłodziwa reaktora.

Krążąc pod wysokim ciśnieniem w obiegu zamkniętym, woda wyprowadza wyzwolone w reakcjach rozszczepiania ciepło poza obszar reaktora. W wymienniku ciepła podgrzewa ona wodę krążącą w tzw. obiegu wtórnym, która zamienia się w parę. Dostęp do wody jest konieczny. Na przykład elektrownia jądrowa w Leibstadt (Szwajcaria) pobiera z Renu 1000 kg wody na sekundę. We wtórnym obiegu woda jest chłodzona. Przez komin ucieka 720kg pary na sekundę. 300 kg/sekundę wraca do Renu. Kształt komina wymusza odpływ pary. Zgodnie z prawem określającym zależność pomiędzy ciśnieniem i prędkością przepływu cieczy i gazów, ciśnienie jest mniejsze tam, gdzie jest większa prędkość przepływu. Zwężenie komina wymusza większa prędkość, a to powoduje zmniejszenie ciśnienia. Komin o takim kształcie zasysa ku górze parę wodną. Ta para jest czysta - nie przepływała przez reaktor.

ROnPNeHVYw6Sg

Rys. 5. Fotografia prezentuje elektrownię w Leibstadt z charakterystycznym kominem. Na tle miejscowości z dużą ilością niewielkich budynków i wieloma drzewami, na brzegu akwenu wodnego rozpościera się elektrownia. Jej centralny punkt stanowi olbrzymi betonowy komin w kształcie cylindra zwężającego się ku górze, a następnie delikatnie rozszerzającego. Wydobywa się z niego mnóstwo białej pary, stanowiącej produkt uboczny obwodu wtórnego.

7. Czy zalety energetyki jądrowej przewyższają jej wady?

Transport paliwa

Dzienne zużycie paliwa w elektrowni średniej mocy (porównywalnej np. z mocą elektrowni w Leibstadt) to 74 kg paliwa uranowego lub 5300 ton ropy lub 10300 ton węgla kamiennego. Dostarczenie paliwa jądrowego do elektrowni jest w stanie obsłużyć jedna furgonetka, a nie kilka pociągów.

Odpady

W przypadku elektrowni są to odpady radioaktywne, powstające w reakcji rozszczepienia. Najpierw są one „schładzane” w basenach elektrowni, a gdy ich aktywność znacznie się zmniejszy, mogą być wywiezione do składowisk odpadów, które lokalizuje się w szybach nieczynnych kopalń.

Elektrownie konwencjonalne emitują gazy, które są wynikiem spalania paliwa (w tym COIndeks dolny 2₂) oraz wytwarzają - w przypadku węgla - hałdy żużlu, niejednokrotnie zauważalnie promieniotwórczego.

Tak jak relatywnie paliwa potrzeba znacznie mniej, tak i odpadów jest bez porównania mniej w przypadku elektrowni jądrowej.

Efektywność

Energia wydzielana w procesie pełnego spalania w tlenie jednego atomu węgla wynosi około 4 eV. Energia wydzielana w procesie rozszczepienia jednego jądra uranu wynosi około 200 MeV, czyli 200 milionów eV. To około 50 milionów razy więcej. Tak więc stosunek masy paliwa uranowego do masy węgla, która może dostarczyć taką samą ilość ciepła, to setne części promila.

Jest jedna niewiadoma - człowiek. Zamachy terrorystyczne są nieprzewidywalnym zagrożeniem. Budynek reaktora zilustrowany na pierwszej fotografii ma ściany grubości 2 metrów skonstruowane tak, że wytrzymają zderzenie z samolotem.

Słowniczek