Bilans energii w reakcji rozszczepiania

Przypomnijmy sobie wykres przedstawiający zależność energii wiązania nukleonu od liczby masowej jądra $A$ (rozdz. 3.2. Własności jąder atomowych – „Najważniejszy wykres Wszechświata”).

Zwróćmy uwagę na zaznaczony obszar wykresu, gdzie energia wiązania nukleonu zmniejsza się wraz ze wzrostem liczby masowej jądra. Zauważmy, że różnica energii wiązania nukleonów dla jąder z obszaru, gdzie znajdują się produkty rozszczepienia uranu (czyli nieco poniżej i powyżej wartości $A=100$) i dla jąder, gdzie znajduje się ulegający rozszczepieniu uran $\text{(}A=235\text{)}$, 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 atomowych, a nie w jednym.

Uwolniona w tej reakcji energia jest równa iloczynowi różnicy energii wiązania nukleonów i liczby nukleonów, 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.

Reakcja łańcuchowa

Z pozoru niewiele znaczący fakt, że w procesie rozszczepienia uwalnianych jest także kilka neutronów, odgrywa zasadniczą rolę w wyzwoleniu energii jądrowej na wielką skalę. Jeśli bowiem ulegające rozszczepieniu jądro uranu otoczone jest innymi jadrami uranu, to uwolnione neutrony mogą zderzać się z nimi i powodować dalsze reakcje rozszczepienia, uwalniając kolejne neutrony. Te z kolei mogą powodować dalsze reakcje rozszczepienia itd. Tworzy się reakcja łańcuchowa, gdzie w kolejnych generacjach procesu uczestniczy coraz więcej jąder, uwalnianych jest coraz więcej neutronów i wyzwalana jest coraz większa energia.

Warunkiem samopodtrzymującej się reakcji jest, by liczba neutronów zdolnych do rozszczepienia jąder uwalnianych w następnej generacji była nie mniejsza niż ich liczba w generacji wcześniejszej. Stosunek tych liczb nosi nazwę współczynnika mnożenia lub współczynnika powielenia.

Należy zwrócić uwagę na to, że niektóre neutrony mogą opuścić próbkę materiału rozszczepialnego, nie napotykając po drodze innych jąder i te neutrony są tracone dla reakcji łańcuchowej. Jednakże przy dostatecznie dużej próbce takich „bezproduktywnych” neutronów będzie stosunkowo mało. Dlatego zdefiniowano tzw. masę krytyczną. Masa krytyczna to taka masa substancji rozszczepialnej, przy której wspomniany współczynnik osiąga wartość 1.

Na powyższym rysunku (il. 3.68) pokazano schemat reakcji łańcuchowej, w której uwalniane są w każdej reakcji po dwa neutrony i każdy z nich wywołuje dalsze reakcje rozszczepienia. Widzimy, że w każdej generacji procesu uczestniczy dwukrotnie większa liczba jąder niż w poprzedniej. Nie są jednak pokazane produkty rozszczepienia.

Jest to oczywiście mocno wyidealizowany obraz tego procesu. W rzeczywistości na poszczególnych etapach uwalniana jest różna liczba neutronów i nie wszystkie z nich wywołują dalsze reakcje – część może „uciec” poza obszar próbki uranu. Zależnie od celu, w jakim przeprowadzamy reakcję, materiał rozszczepialny jest inaczej rozmieszczany. Tak więc bomba atomowa ma swoją specyficzną konstrukcję, zapewniającą osiąganie możliwie dużego współczynnika mnożenia. Zupełnie inna zaś jest konstrukcja reaktora jądrowego, w którym zależy nam na utrzymaniu współczynnika powielenia możliwe bliskiego jedności.

Bomba atomowa

Paliwem w bombie atomowej, czyli materiałem rozszczepialnym, są najczęściej izotopy ${}_{92}^{235}\text{U}$; ${}_{92}^{233}\text{U}$; ${}_{94}^{239}\text{Pu}$. W przypadku tej bomby (tak jak każdej innej, „klasycznej” bomby), czas niekontrolowanego przebiegu reakcji łańcuchowej powinien być możliwie szybki. Aby zainicjować taką reakcję w bombie jądrowej, wystarczy jedynie doprowadzić materiał rozszczepialny do stanu nadkrytycznego. Masa krytyczna tych izotopów jest rzędu 10–20 kg – odpowiada to niewielkiej kuli o promieniu 4–6 cm!

Początkowo materiał rozszczepialny w bombie jest podzielony na dwie lub więcej części, z których każda ma masę mniejszą od masy krytycznej. Przejście do stanu nadkrytycznego odbywa się przez szybkie połączenie tych części w całość. Reakcja łańcuchowa zostaje zapoczątkowana przez neutrony występujące w promieniowaniu kosmicznym i neutrony powstające w wyniku rozszczepienia samoistnego paliwa.

Podczas wybuchu wydziela się ogromna energia, a temperatura w centralnych obszarach wybuchu dochodzi do ${10}^7\text{K}$. Od tego obszaru rozchodzi się – z prędkością światła – tzw. błysk promieniowania termicznego o ogromnej mocy, który powoduje wzrost temperatury materii otaczającej ten obszar. Towarzyszy mu również rozchodzenie się silnego impulsu elektromagnetycznego w zakresie mikrofal i fal radiowych, zdolnego uszkodzić urządzenia elektroniczne lub „zagłuszyć” ich pracę nawet w dużej odległości od miejsca wybuchu. Rozchodzi się także mechaniczna fala uderzeniowa, znacznie silniejsza niż podczas wybuchu konwencjonalnego. Podczas wybuchu powstają radioaktywne fragmenty rozszczepienia, niektóre o bardzo długich czasach połowicznego zaniku – stanowi to dalsze, poważne zagrożenie dla istot żywych.

Reaktor jądrowy

Na il. 3.70 przedstawiono schemat reaktora jądrowego. Jest on zasilany prętami paliwowymi, które zawierają uran, wzbogacony w izotop ${}_{92}^{235}\text{U}$. Stężenie tego izotopu w uranie naturalnym, pozyskiwanym w kopalniach, jest rzędu 0,7% (resztę stanowi izotop ${}_{92}^{238}\text{U}$). Jest to za mało, by uzyskać stabilną pracę reaktora – wzbogacanie polega więc na eliminowaniu z uranu izotopu ${}_{92}^{238}\text{U}$ aż do uzyskania stężenia ${}_{92}^{235}\text{U}$ na poziomie od ok. 3% do ok. 20% (zależnie od typu reaktora). Jest to poziom wzbogacenia znacznie niższy niż w przypadku paliwa przeznaczonego dla bomby atomowej.

Pręty paliwowe zawierają, prócz paliwa, także substancje spowalniające neutrony uwolnione w reakcjach rozszczepiania – spowolnione neutrony znacznie częściej wywołują kolejne reakcje rozszczepiania niż neutrony szybkie. 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 powielenia 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 $\gamma$ i neutrony, które nie zostały zawrócone przez reflektor.

Rdzeń jest także wypełniony wodą (w reaktorach starszego typu stosowany bywał także ciekły sód). 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 i napędza generator elektryczny jak w każdej klasycznej elektrowni cieplnej.

Reaktor jądrowy jest skomplikowanym urządzeniem technologicznym, projektowanym i budowanym przy współpracy specjalistów z wielu dziedzin, w tym fizyków, chemików i inżynierów wielu specjalności. Utrzymywanie reaktora w ruchu i dbanie o bezpieczną jego eksploatację także wymaga nieustannej pracy wielu różnych specjalistów.

Energetyka jądrowa

Trudno wyobrazić sobie życie bez energii elektrycznej. Aby ją jednak uzyskać, trzeba wykorzystać inne źródła energii. Zamienia się je na energię elektryczną w elektrowniach. Najwięcej spośród nich to elektrownie cieplne, w których spala się paliwa chemiczne: węgiel, gaz, paliwa płynne lub biomasę. Do tej grupy można zaliczyć także elektrownie jądrowe, w których „spala się” nie paliwo chemiczne, lecz jądrowe, najczęściej izotop uranu ${}_{92}^{235}\text{U}$. Przez „spalanie” paliwa jądrowego rozumiemy nie reakcję chemiczną, lecz reakcję rozszczepienia jąder atomowych.

Jak działa elektrownia jądrowa? W reaktorach jądrowych wydziela się energia, głównie w postaci energii kinetycznej produktów rozszczepienia uranu. Energia ta jest rozpraszana w materiale reaktora, na skutek czego wzrasta jego temperatura, podobnie jak w piecu, w którym spala się paliwo chemiczne. Wydzielone ciepło podgrzewa wodę, woda zamienia się w parę napędzającą turbiny, które z kolei wprawiają w ruch generatory prądu elektrycznego. Różnica między zwykłą elektrownią na paliwo chemiczne, a elektrownią jądrową jest tylko w konstrukcji pieca (reaktora dostarczającego ciepło). Cała reszta jest w zasadzie taka sama.

Jest jednak wiele bardzo ważnych różnic praktycznych. Przyjrzyjmy się jednej z nich. Energia wydzielana w procesie spalania 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, zgodnie zresztą z wnioskiem z przykładów: Energia wiązania i Energia wydzielona w reakcji chemicznej z poprzedniego rozdziału. Tak więc stosunek masy paliwa uranowego do masy węgla, która może dostarczyć taką samą ilość ciepła, to setne części promila. W rezultacie do pracy elektrowni jądrowej o mocy 1000 MW potrzeba około 30 ton paliwa uranowego na rok, a do pracy analogicznej elektrowni węglowej – kilka milionów ton węgla na rok. Ujmijmy to bardziej obrazowo: w elektrowni jądrowej wystarczy jedna wymiana paliwa w roku, a ten „wsad” do reaktora mógłby zostać przetransportowany jedną węglarką (typ kolejowego wagonu towarowego, na ogół o nośności 40–60 ton). Do elektrowni węglowej zaś muszą codziennie przybywać kilkudziesięciowagonowe pociągi z paliwem.

Pomyśl, co z tego wynika, uwzględnij przy tym kolejną różnicę: produkty pracy elektrowni (odpady) trzeba gdzieś wywieźć i składować – najchętniej w bezpieczny sposób. W przypadku elektrowni jądrowej odpadów jest – podobnie jak paliwa – znacznie mniej niż w elektrowni węglowej i są one zabezpieczane na mocy przepisów obowiązujących od samego początku istnienia takich elektrowni. Eksploatacja elektrowni węglowych dopiero od niedawna zaczyna być obwarowywana coraz bardziej rygorystycznymi uregulowaniami dotyczącymi odpadów. Przez ponad połowę XX wieku odpady stałe trafiały tam, gdzie to było wygodne, a lotne wprost do atmosfery. Sytuacja ta zmieniała się stopniowo, począwszy od lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku, choć problem ilości odpadów nie zostanie nigdy rozwiązany – wynika on z samej technologii. Dziś energetyka węglowa jest na etapie ograniczania ilości emisji $\text{C}{\text{O}}_2$, jednak można to uzyskać tylko przez ograniczenie produkcji energii w elektrowniach węglowych.

Konstrukcja i działanie elektrowni jądrowej

Na schemacie poniżej (il. 3.73) pokazane są zasadnicze elementy najczęściej stosowanej elektrowni jądrowej „PWR” (Pressurized Water Reactor – reaktor wodny ciśnieniowy). Wytwarzający ciepło reaktor jądrowy umieszczony jest w zbiorniku ciśnieniowym. Reaktor chłodzony jest przepływającą wodą pod wysokim ciśnieniem (ok. 15MPa, czyli 150 atmosfer). Temperatura wody utrzymywana jest w granicach $300°\text{C}–350°\text{C}$, ale przy tak wysokim ciśnieniu woda nie wrze. Jest to pierwotny obieg wody, całkowicie hermetyczny. Woda ta oddaje ciepło wodzie z drugiego (wtórnego) obiegu w generatorze pary. Para w nim wytwarzana napędza turbinę, a ta prądnicę prądu elektrycznego. Po przejściu przez turbinę para zostaje ochłodzona w kontakcie z wodą krążącą w wieży chłodniczej, skrapla się i zostaje wpompowana do generatora pary.

Obecnie na świecie czynnych jest ponad 400 energetycznych reaktorów jądrowych, które dostarczają ok. 15% światowej produkcji energii elektrycznej. Największy udział energetyki jądrowej w produkcji energii elektrycznej – ok. 80% – odnotowuje się we Francji, zaś najwięcej reaktorów – ponad 100 – znajduje się w USA.

Powyższą fotografię elektrowni jądrowej (il. 3.75) wykonano z okna samolotu na trasie Warszawa – Genewa. Wyraźnie widoczna jest charakterystyczna wieża chłodnicza, z której wydobywają się para i mgiełka – jak z czajnika. Nie są to, jak się często błędnie sądzi, wydobywające się spaliny czy dym, jak z komina elektrowni węglowej. Na prawo od wieży widać betonową osłonę reaktora, w kształcie kopuły. W pobliżu elektrowni przepływa rzeka i znajduje się osiedle mieszkaniowe.

Obawy dotyczące bezpieczeństwa i eksploatacji elektrowni jądrowych

W efektywność energetyki jądrowej nikt nie wątpi, ale przedmiotem niegasnących dyskusji jest bezpieczeństwo. Ogromne energie wyzwalane w reakcjach jądrowych budzą emocje, w tym strach. Jest to w dużym stopniu strach przed nieznanym; dodatkowo podsycany skojarzeniami z bombą atomową. Dlatego warto wiedzieć, co naprawdę stanowi zagrożenie, a co jest wynikiem niewiedzy. Przedstawmy więc krótko i omówmy obawy pojawiające się najczęściej.

1. Czy reaktor jądrowy może wybuchnąć na podobieństwo bomby atomowej?

   Nie, nie może. W reaktorze jądrowym paliwo wypala się systematycznie, a intensywność reakcji jądrowych nie zmienia się w czasie. Wspomniany wcześniej współczynnik powielenia neutronów jest utrzymywany na poziomie bardzo bliskim jedynki – służy temu wiele różnych systemów, automatycznych i „naturalnych”, pracujących niezależnie od siebie. Przy wybuchu bomby paliwo w bardzo krótkim czasie wypala się całkowicie. Konstrukcja obu urządzeń jest zupełnie inna. Nie można bomby przerobić na reaktor ani reaktora na bombę. Ponadto, paliwo stosowane w elektrowniach jądrowych zawiera zwykle kilka procent rozszczepialnego uranu 235; w bombach jądrowych jest go o wiele więcej – ponad 80%.

2. Czy może nastąpić awaria podobna do tej w Czarnobylu?

   Reaktory RBMK (z jęz. rosyjskiego: r’eaktor bolshoi mośćnosti, kanal’ny – reaktor kanałowy dużej mocy), czyli typu czarnobylskiego, budowane były wyłącznie w Związku Radzieckim. Konstrukcja takiego reaktora umożliwia produkcję plutonu do celów wojskowych. Możliwość ta była jednak okupiona tym, że w przypadku awarii moc reaktora rośnie. Wynika to z jego konstrukcji oraz zastosowania grafitu do spowalniania neutronów. Wszystkie obecnie budowane reaktory jądrowe jako spowalniacza neutronów używają wody. Wzrost temperatury wody powoduje jej zamianę w parę wodną; ta zaś ze względu na mniejszą gęstość mniej efektywnie spowalnia neutrony, co powoduje w rezultacie spadek mocy reaktora. Kiedy więc wskutek sekwencji ludzkich błędów praca reaktora w Czarnobylu wymknęła się spod kontroli, nastąpił wzrost intensywności reakcji jądrowych, w rezultacie wzrost temperatury i ciśnienia, a w konsekwencji – klasyczny wybuch, podobny do wybuchu gazu. We wszystkich innych typach reaktorów jest na odwrót. Reaktor przestaje pracować i moc jego maleje.

   Zupełnie inne były przyczyny i przebieg awarii trzech reaktorów w elektrowni Fukushijma I w 2011 roku. Była ona skutkiem splotu wielu czynników niezależnych od człowieka, począwszy od wystąpienia fali tsunami o niespotykanej wysokości ok. 10 m, która spowodowała zalanie terenu elektrowni. Istniejące zabezpieczenia, zaprojektowane na podstawie wcześniejszych obserwacji, przewidywały maksymalną wysokość fali do ok. trzech metrów i były w stanie wytrzymać falę sześciometrową. System bezpieczeństwa natychmiast wyłączył czynne reaktory; jednak konieczne było dalsze ich chłodzenie. Zasilanie w energię elektryczną niezbędną do pracy pomp tłoczących wodę nie mogło pochodzić z samej elektrowni Fukushima, a dostawy energii elektrycznej z zewnątrz zostały przerwane ze względu na zniszczenie przez to samo tsunami sieci przesyłowej. W zaistniałej sytuacji system bezpieczeństwa uruchomił awaryjne generatory energii, napędzane silnikami Diesla; te jednak nie wystarczyły do opanowania sytuacji. Na dodatek, z powodu wyczerpania się awaryjnych baterii, przestały działać systemy kontroli reaktorów, pozbawiając ludzi pracujących przy opanowywaniu awarii możliwości śledzenia stanu reaktorów. Doszło do odsłonięcia rdzeni reaktorów, ich stopienia i wybuchu pożarów. Jednak dzięki ciągłej pracy ludzi odpowiedzialnych za reaktory, skutki całej awarii – mierzone przede wszystkim liczbą ofiar, a także stopniem i rozległością skażenia promieniotwórczego – ocenia się jako około dziesięciokrotnie mniejsze niż po awarii w Czarnobylu.

3. Czy odpady promieniotwórcze zanieczyszczają środowisko?

   Niewypalone paliwo jądrowe w postaci prętów uranowych ma znikomą aktywność promieniotwórczą i praktycznie nie stanowi zagrożenia nawet w przypadku przedostania się do otoczenia. Natomiast wypalone paliwo jest rzeczywiście silnie promieniotwórcze. Wykorzystane pręty paliwowe i inne materiały, które miały z nim styczność przechowuje się przez okres kilku lat na terenie elektrowni, po czym umieszcza w przechowalniku głęboko pod ziemią. Czynią tak od kilkudziesięciu lat kraje, w których pracują elektrownie jądrowe i żadnego zagrożenia z tym związanego nie stwierdzono.

4. Terrorysta może zniszczyć reaktor i uwolnić materiały radioaktywne...

   Po 11 września 2001 roku do zagrożeń terrorystycznych dopisano jeszcze jedno – uderzenie samolotu w obiekt o wielkim znaczeniu. Konsekwencją stała się potrzeba wzmocnienia bloku reaktora i – niestety – kosztów budowy, aby ewentualne uderzenie samolotu nie spowodowało awarii. Element ten jest włączony do projektów budowanych obecnie reaktorów.

5. Czy elektrownia jądrowa jest dużo droższa od elektrowni konwencjonalnych?

   Koszty budowy elektrowni jądrowej są rzeczywiście wyższe niż koszty budowy elektrowni na paliwa chemiczne. Kompensowane to jest jednak znacznie niższymi kosztami zakupu i transportu paliwa oraz czasem pracy elektrowni (około 60 lat). Spośród wszystkich technologii produkcji energii elektrycznej, sumaryczny koszt jednostki wyprodukowanej energii elektrycznej jest najniższy w elektrowniach jądrowych.

6. Ale paliwo jądrowe trzeba kupować, a węgla własnego mamy pod dostatkiem...

   Wiele obaw i wątpliwości dotyczy Polski, jej specyficznego położenia i gospodarki. Mamy w Polsce duże zasoby węgla, więc około 93% energii elektrycznej pochodzi ze spalania tego surowca. W rezultacie do atmosfery emitowane są ogromne ilości dwutlenku węgla i innych zanieczyszczeń, w tym substancji promieniotwórczych. Zgodnie z wymogami Unii Europejskiej za emisję dwutlenku węgla Polska może już niedługo płacić nawet kilka miliardów euro rocznie. Poza tym węgiel jest bardzo cennym surowcem w wielu procesach i technologiach chemicznych. Spalanie go w piecach elektrowni na wielką skalę jest niewątpliwie marnotrawstwem.

7. Energetyka jądrowa jest gorszym rozwiązaniem niż tzw. odnawialne źródła energii...

   Słońce, woda, wiatr, biomasa, źródła geotermalne, to ciekawe możliwości i warto je stosować tam, gdzie jest to uzasadnione potrzebami i możliwościami. Bilans możliwości i kosztów pokazuje jednak, że te źródła w polskich warunkach nie mogą się stać podstawowym zabezpieczeniem dla energetyki, mogą jedynie stanowić zasoby uzupełniające.

8. Cała Polska jest od dawna zelektryfikowana. Po co więc nam energetyka jądrowa?

   Cała Polska jest zelektryfikowana – ale to oznacza, że mamy możliwość szerokiego korzystania z energii elektrycznej. Czy odczuwamy potrzebę zwiększania zużycia energii elektrycznej? Może nie bezpośrednio, ale zasady zrównoważonego rozwoju podpowiadają, że zużycie to powinno rosnąć, by zapewnić wzrost ogólnego poziomu życia. Polska zajmuje obecnie jedno z ostatnich miejsc w średnim zużyciu energii elektrycznej przypadającym na jednego mieszkańca wśród krajów Europy i to powinno nam dawać wiele do myślenia.

   Energia jądrowa jest „darem przyrody”, podobnie jak energia węglowa, słoneczna, wiatrowa i każde inne rozpoznane i eksploatowane przez człowieka źródło energii. Człowiek ma prawo korzystać z każdego z tych źródeł – w sposób umiarkowany i rozumny, z poszanowaniem całej przyrody i z uwzględnianiem potrzeb nie tylko bieżących, ale i przyszłych. Najgorszymi doradcami w tej kwestii są strach, niewiedza i krótkowzroczność. Pomyślmy o korzystaniu z elektryczności. Nie boimy się włączyć lampki nocnej do kontaktu chociaż wiemy, że dostępna tam energia może zabić. Nie boimy się, bo wiemy kiedy energia ta jest użyteczna, a potrafimy przewidzieć, kiedy może stać się niebezpieczna. Energii jądrowej też nie trzeba się bać – trzeba wiedzieć, kiedy jest użyteczna i przewidywać, kiedy może stać się niebezpieczna.