Działanie elektrowni jądrowej

Ruf1a52oqBedC

Zdjęcie przedstawia elektrownię atomową widoczną na horyzoncie zdjęcia krajobrazowego. Na pierwszym planie u dołu kadru pola zbóż przetykane niewielkimi lasami. Niebo ciemnoniebieskie. Widoczne cztery kominy chłodnicze, z których wylatują kłęby skroplonej pary wodnej (mgły) i o połowę niższy, duży budynek pomiędzy nimi. Wokół kompleksu elektrowni znajdują się liczne linie energetyczne.

Reakcje łańcuchowe są źródłem ogromnych ilości energii. Problem leży w tym, że jeśli chcemy je wykorzystać, musimy nauczyć się je kontrolować. Jednym z rezultatów każdej reakcji rozszczepienia jest wyrzut neutronów. Paliwo jądrowepaliwo jądrowePaliwo jądrowe w większości elektrowni jądrowych stanowi wzbogacony uranwzbogacony uranwzbogacony uran. Podczas każdego aktu rozszczepienia tego pierwiastka wyrzucane są trzy neutrony mogące spowodować kolejne reakcje. Część neutronów po prostu opuszcza obszar, w którym umieszczono materiał rozszczepialny, a część zostaje pochłonięta przez stabilne jądra izotopu ${}^{238}\text{U}$. Aby reakcja samoistnie nie zanikła, przynajmniej jeden z trzech powstałych neutronów musi zostać wychwycony przez jądro niestabilne izotopu ${}^{235}\text{U}$.

Na przebieg reakcji wpływają również masa materiału rozszczepialnego (bez odpowiedniej masy reakcja by w ogóle nie zaszła), masa krytyczna i rozmiar tego materiału – rozmiar krytyczny. Zbyt mały rozmiar i źle dobrany kształt są przyczyną ucieczki neutronów i samoistnego wygaszania przebiegu reakcji.

Reakcja łańcuchowa rozwija się z określoną szybkością. Czas takiej reakcji liczymy od momentu rozszczepienia jądra do chwili, w której neutron zostaje pochwycony przez inne jądro niestabilne. Jeśli ten czas gwałtownie maleje w porównaniu z poprzednim etapem, to reakcja przebiega zbyt szybko i pojawia się zagrożenie wybuchem (właśnie tak działa bomba atomowa). Proces ten zachodzi, gdy neutrony osiągają dużą prędkość (są to tzw. neutrony prędkie).

Aby móc kontrolować przebieg reakcji jądrowych, skonstruowano reaktory jądrowe. Najważniejszym elementem takiego urządzenia jest rdzeń, w którym znajdują się elementy paliwoweelement paliwowyelementy paliwowe i moderatormoderatormoderator.

R1Y1xCVD9lP93

Film dotyczący budowy i działania reaktora.

Film dotyczący budowy i działania reaktora.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1Y1xCVD9lP93

Film dotyczący budowy i działania reaktora.

Paliwo jądrowe jest umieszczane w reaktorze nie w postaci jednego wsadu, tylko jako osobne elementy paliwowe (często pręty). Dzięki temu do rdzenia można wprowadzić moderator wykonany z substancji spowalniającej pędkość neutronów (ciężka wodaciężka wodaciężka woda, grafit, tlenek berylu), a tym samym zwiększyć prawdopodobieństwo wychwycenia neutronów przez jądra materiału rozszczepialnego. Łatwiejsze są też odprowadzenie wytwarzanego ciepła oraz kontrolowanie ilości paliwa w rdzeniu.

Przebiegiem reakcji łańcuchowej sterują pręty kontrolne, które mogą być wsuwane do reaktora na różne głębokości lub też całkowicie z niego wyprowadzane. Pręty kontrolne wykonane są z materiałów, które charakteryzują się dużą zdolnością wychwytywania neutronów (kadm, bor), dzięki czemu liczbę tych cząstek w rdzeniu można zmniejszać lub zwiększać. Ważną rolę odgrywają zwłaszcza tzw. pręty bezpieczeństwa – ich zadaniem jest przerwanie przebiegu reakcji. Gdy reakcja wymyka się spod kontroli, są one wstrzeliwane do rdzenia – wtedy praca reaktora zostaje przerwana. Zmiana strumienia neutronów pozwala na regulację mocy rdzenia.

Reaktor podczas pracy wydziela olbrzymie ilości ciepła. Do odprowadzenia energii z rdzenia wykorzystuje się między m.in. ciekły sód, który nie pochłania neutronów, a tym samym nie wpływa na pracę reaktora. Chłodziwami reaktorowymi mogą być nie tylko ciecze, lecz także gazy mające dobre właściwości cieplne (przewodnictwo cieplne, wysoka temperatura wrzenia, wysokie ciepło właściwe). Chłodziwo przepływa do wymiennika ciepła, gdzie swoje ciepło przekazuje wodzie. Ona zaś – już w postaci pary wodnej pod wysokim ciśnieniem – napędza turbiny poruszające się wirnikami generatorów (prądnic). Ich ruch obrotowy zamieniany jest w energię elektryczną (podobnie jak w dynamiedynamodynamie rowerowym).

Reaktory stosowane są do:

• wytwarzania energii elektrycznej,

• produkcji paliwa jądrowego (w postaci plutonu ${}^{239}\text{Pu}$) do celów militarnych,

• produkcji izotopów radioaktywnych (np. mających zastosowanie w medycynie),

• eksperymentów naukowych w fizyce, biologii itd.

Elektrownie atomowe działają podobnie jak konwencjonalne elektrownie cieplne – w obu przypadkach obiegiem roboczym jest obieg parowo‑wodny. Sprawność elektrowni atomowejsprawność elektrowni atomowejSprawność elektrowni atomowej waha się w granicach $30$–$40\%$, czyli jest nieznacznie niższa niż sprawność elektrowni konwencjonalnej. Elektrownia atomowa wytwarza jednak dużo większą moc – jednostkowy blok energetyczny elektrowni jądrowej jest w stanie wyprodukować od $900$ do $1400 \mathrm{MW}$ czystej energii. Jedyną wadą elektrowni atomowych jest produkcja odpadów promieniotwórczych.

Zużyte paliwo wymieniane jest średnio co trzy lata i musi być składowane w miejscach specjalnie do tego przeznaczonych. Odpady promieniotwórcze najczęściej są wynikiem pracy samej elektrowni – takimi odpadami są np. promieniotwórczy uran ${}^{235}\text{U}$ nie do końca zużywany w elementach paliwowych lub pluton wytworzony w reaktorze. Odpady promieniotwórcze mogą być również efektem działań związanych z pozyskaniem rud uranu (promieniotwórcze hałdy usypane w pobliżu kopalni).

R1LRv7ktyYr5W

Film dotyczący budowy i zasady działania elektrowni jądrowej.

Film dotyczący budowy i zasady działania elektrowni jądrowej.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1LRv7ktyYr5W

Film dotyczący budowy i zasady działania elektrowni jądrowej.

Ciekawostka

Pierwszy reaktor jądrowy, nazywany wówczas stosem atomowym, został zbudowany w $1942$ r. przez Enrico Fermiego – włoskiego fizyka. Reaktor ustawiono pod trybuną stadionu Stagg Field. Dzięki temu reaktorowi $2$ grudnia $1942$ r. udało się przeprowadzić pierwszą reakcję łańcuchową kontrolowaną przez człowieka, w efekcie czego uzyskano energię jądrową.

RPvgrlSsAsjhh

Rysunek wykonany ołówkiem przedstawiający stos atomowy Fermiego. Przedstawia stos wykonany z kostek uranowych i grafitowych. O stos oparta jest drabina.

Ciekawostka

$26$ kwietnia $1986$ r. doszło do największej w historii energetyki jądrowej awarii elektrowni jądrowej. Miało to miejsce w Czarnobylu – miejscowości leżącej na terenie obecnej Ukrainy. Należy podkreślić, że awaria reaktora nie pojawiła się na skutek normalnej eksploatacji bloku energetycznego, tylko była skutkiem przeprowadzanego w tym czasie eksperymentu. Do katastrofy przyczyniła się konstrukcja samego reaktora, który pierwotnie przeznaczony był do celów wojskowych (produkcja plutonu). Chłodziwem w urządzeniach tego typu jest woda. Reaktor uległ znacznemu przegrzaniu – wysoka temperatura doprowadziła do termolizytermolizatermolizy wody, czyli do jej rozkładu na tlen i wodór. Powstała mieszanina piorunująca, po czym nastąpił wybuch. Radioaktywny materiał wypełniający elementy paliwowe, który przedostał się do wody jeszcze przed jej odparowaniem, po zniszczeniu kopuły ochronnej skaził bezpośrednie otoczenie elektrowni. Sytuację pogorszył drugi wybuch, który całkowicie zniszczył reaktor; a chmura promieniotwórcza osiągnęła wysokość kilometra.

RBl8rw4zoiN6D

Zdjęcie jest czarnobiałe i przedstawia elektrownię w Czarnobylu po awarii widoczną z lotu ptaka. Widoczny jest zniszczony budynek reaktora z powstałą po wybuchu dziurą w jego górnej części.

Awaria w Czarnobylu spowodowała, że wiele społeczeństw zaczęło krytycznie odnosić się do tego sposobu wytwarzania energii. Jednak potrzeby energetyczne są na tyle duże, że nie da się zrezygnować z tej metody produkcji energii.
Nie wolno zapominać, że elektrownie węglowe również są źródłem substancji radioaktywnych – zanieczyszczeń oraz hałd o podwyższonym stopniu radioaktywności (węgiel jest wydobywany z dużych głębokości, gdzie poziom radioaktywności jest większy niż na powierzchni Ziemi). Nie zawsze pamiętamy też o ofiarach wypadków w kopalniach, a do takich zdarzeń dochodzi każdego roku. Tymczasem o ofiarach śmiertelnych katastrofy elektrowni jądrowej możemy mówić jedynie w przypadku Czarnobyla.

Katastrofa w Czarnobylu i wypadki w innych elektrowniach atomowych doprowadziły do zmian konstrukcyjnych w nowo budowanych elektrowniach. Zaczęto wykorzystywać zjawiska fizyczne, które przebiegają bez udziału człowieka – np. zjawisko konwekcji zachodzi zawsze w określonych warunkach i nie można go przerwać. Chłodzenie reaktora nie jest już wymuszane systemem pomp, tylko uzyskiwane dzięki naturalnemu krążeniu substancji chłodzącej. Konstrukcje reaktorów są wyposażone w cztery niezależne systemy chłodzenia, z których każdy jest w stanie samodzielnie schłodzić rdzeń. Czynnikiem najbardziej poprawiającym bezpieczeństwo jest jednak zastosowanie wody jako moderatora i jednocześnie chłodziwa. Reakcje jądrowe wymagają spowalniania neutronów, ponieważ neutrony prędkie nie wywołują reakcji rozszczepienia uranu ${}^{235}\text{U}$. Jeżeli temperatura wzrośnie ponad normę, woda przechodzi w stan pary, zmienia się jej gęstość i możliwości spowalniania maleją. Zaczynają zanikać rozszczepienia jąder uranu, spada ilość wytwarzanej energii i w rezultacie maleje moc reaktora.

W latach $60$. $\mathrm{XX}$ wieku zaczęto się interesować cyklem torowo‑uranowym. W skorupie ziemskiej jest znacznie więcej toru niż uranu, zwłaszcza uranu ${}^{235}\text{U}$ (pokłady tego izotopu są od trzech do czterech razy mniejsze, niż pokłady toru). Tor, a przede wszystkim ${}^{232}\text{Th}$ nie jest materiałem rozszczepialnym. Jądro ${}^{232}\text{Th}$ pochłania neutrony i tak powstaje promieniotwórczy izotop ${}^{232}\text{Th}$, który ulega samorzutnemu rozpadowi i tworzy izotop ${}^{233}\text{Pa}$ (protaktyn). On również nie jest trwały; po następnym rozpadzie powstaje rozszczepialny izotop uranu ${}^{233}\text{U}$. Konstrukcje reaktorów wykorzystujących ten izotop są opracowywane w wielu krajach świata. Takim przedsięwzięciem najbardziej zainteresowane są Indie (kraj ten ma bardzo duże złoża toru), gdzie potrzeby energetyczne są ogromne. Prace nad takim paliwem prowadzone są również w Polsce.

Podsumowanie

• Łańcuchowe reakcje jądrowe są źródłem olbrzymich ilości energii. Aby móc ją wykorzystać, musimy te reakcje kontrolować. Do sterowania przebiegiem reakcji jądrowych służy reaktor.

• Pierwszy reaktor jądrowy został skonstruowany w $1942$ r. w Stanach Zjednoczonych przez włoskiego fizyka Enrica Fermiego.

• Reaktor składa się z rdzenia, w którym umieszczone są elementy paliwowe, moderatora, prętów sterujących, układu chłodzenia i osłony antyradiacyjnej.

• Energię cieplną wytwarzaną przez reaktor elektrownie jądrowe wykorzystują do zamiany wody w parę wodną. Ta napędza wirniki turbin i tak powstajec prąd elektryczny. Elektrownie jądrowe działają podobnie jak konwencjonalne elektrownie cieplne; różnica polega na sposobie uzyskiwania energii.

• Korzyści płynące z wykorzystania elektrowni atomowych są olbrzymie; pozwalają one uzyskiwać niemal nieograniczone ilości czystej energii. Główne wady to konieczność składowania materiałów radioaktywnych i zapewnienie szeroko pojętego bezpieczeństwa pracy.

• Do największej awarii elektrowni atomowej doszło w $1986$ r. w Czarnobylu, na terenie dzisiejszej Ukrainy. Skażeniu promieniotwórczemu uległ obszar ponad $100000 {\mathrm{km}}^2$.

Słownik