Reaktor jądrowy

Jak działa elektrownia jądrowa?

W elektrowni jądrowej para napędzająca turbinę pobiera ciepło w procesie rozszczepienia jądrowego (reakcji łańcuchowej prowadzonej w reaktorze jądrowym ). Paliwem stosowanym w większości elektrowni jądrowych (atomowych) jest specjalna odmiana uranu – uran 235.

Rozszczepienie

Uran jest pierwiastkiem ulegającym naturalnemu rozszczepieniu i emituje przy tym promieniowanie wymagane do podtrzymywania reakcji łańcuchowej.

Uran występuje powszechnie w skorupie ziemskiej, jednak tylko jeden izotop tego pierwiastka (uran-235) nadaje się (po wzbogaceniu) do użytku w reaktorach. Stanowi on jedynie 0,7 procenta całkowitej zawartości uranu w Ziemi. Pozostałą część zajmuje stabilny uran-238 (ulegający połowicznemu rozpadowi w czasie 4,5 miliarda lat) i uran-234 będący produktem rozpadu u-238.

Uran-235 ulega (tak jak u-238) spontanicznemu rozpadowi emitując promieniowanie alfa czyli cząsteczkę składającą się z dwóch neutronów i dwóch protonów. Jednak to co czyni u-235 wyjątkowym to zdolność do podlegania wymuszonej reakcji rozszczepienia. Kiedy jakiś wolny neutron wniknie w atom u-235, ten stanie się niestabilny i rozpadnie na dwie części. W wyniku podziału atomu na dwa lżejsze emitowane są dwa lub trzy neutrony.

Proces pochłaniania neutronu i rozszczepienia uranu trwa bardzo krótko, rzędu pikosekundy (1×10^-12 sekundy).

Rozpad pojedynczego atomu uranu-238 uwalnia ok 200 MeV (milionów elektronowoltów).
Wydaje się to niewiele, ale w jednym kilogramie uranu znajduje się ogromna ilość atomów. Kilogram wysoko wzbogaconego uran wykorzystywanego w reaktorach w łodziach podwodnych pozwala otrzymać tyle energii co ze spalania 3,7 miliona litrów benzyny!

Rozpad atomu uwalnia ogromną ilość ciepła i promieniowania gamma (wysoko energetyczne fotony). Ponadto dwa atomy powstałe podczas rozszczepienia także emitują promieniowanie beta (szybkie elektrony).

Skąd więc powstaje ta energia? Otóż okazuje się, że suma mas atomów i neutronów po rozszczepieniu jest mniejsza od masy atomu pierwotnego. Różnica mas zgodnie z równaniem E=mc² zamieniana jest na energię.

Jednak uran musi zostać poddany wzbogacaniu by móc go wykorzystać w reaktorze.
Trzyprocentowe wzbogacenie wystarczy do elektrowni atomowych, natomiast by wytworzyć działającą głowicą nuklearną potrzeba minimum 90 procent zawartości u-235 w próbce.

Dlatego też mylne jest twierdzenie iż paliwo do reaktorów może np. zostać skradzione podczas transportu i wykorzystane do produkcji broni. Także z odpadów nuklearnych nie jest możliwe skonstruowanie głowicy atomowej (jedynie brudną bombę). Do militarnego wzbogacania uranu stosuje się specjalne zakłady wzbogacania wyposażone w wirówki.

Masa krytyczna

Kiedy uran-235 ulegnie rozszczepieniu emitowane są neutrony. W momencie gdy w pobliżu nie ma już więcej atomów, neutrony rozchodzą się w przestrzeni jako promieniowanie neutronowe. Jednak kiedy atom u-235 jest częścią większej masy, wtedy wolne neutrony zderzają się z następnymi atomami uranu powodując ich dalszy rozpad. Jest to reakcja łańcuchowa.

Reaktory operują w trzech stanach, by móc dokładnie kontrolować przebieg reakcji.
Do opisu tych stanów wykorzystuje się warunki pracy masy (wsadu) uranu.

• Masa krytyczna: Jeśli, średnio jeden z trzech neutronów z każdego rozszczepionego atomu zderzy się następnym i spowoduje jego rozpad, wtedy masa uranu uznawana jest za krytyczną. Temperatura masy pozostanie stała.
• Masa podkrytyczna: Jeśli, średnio mniej niż jeden atom z trzech zderza się z kolejnym atomem u-235, masa jest podkrytyczna. W takich warunkach wymuszone rozszczepienie zakończy się stopniowo, wygaszając dalsze reakcje.
• Masa nadkrytyczna: Jeśli, średnio więcej niż jeden neutron powoduje rozpad kolejnego atomu u-235 to masa uznawana jest za nadkrytyczną. W tej sytuacji reaktor rozgrzewa się.

W reaktorze nuklearnym tempo reakcji jest kontrolowane (w przeciwieństwie do bomby atomowej). Masa uranu jest lekko nadkrytyczna by operatorzy mogli sterować temperaturą rdzenia.

Dla uranu masa krytyczna wynosi ok. 1 kg i jest do uzyskania po uformowaniu z uranu kuli. Jest to optymalny kształt, gdyż najwięcej neutronów udaje się wtedy wykorzystać.

We wnętrzu elektrowni atomowej

Głównym celem reaktora jądrowego pracującego wewnątrz elektrowni atomowej jest wykorzystanie energii generowanej z reakcji rozszczepienia atomów do wytworzenia elektryczności.

Wzbogacony uran jest formowany w kule o średnicy 2,5 cm, które dalej układane są w długie pręty. Pręty następnie zestawiane są w pakiety i zanurzane w zbiorniku ciśnieniowym wypełnionym wodą. Woda służy jako chłodziwo. Bez czynnika chłodzącego, pakiety z nadkrytycznego uranu stopiłyby się.

Zbiornik reaktora z chłodziwem (wodą). Pręty uranowe złożone w pakiety ułożone są na dnie.

Do zapobiegania przegrzaniu reaktora używa się tzw. prętów kontrolnych. Są wytwarzane z materiałów pochłaniających neutrony jak grafit. Pręty kontrolne umieszczane są w rdzeniu by kontrolować tempo reakcji. Aby zwiększyć temperaturę rdzenia pręty są podnoszone, natomiast by zmniejszyć – opuszczane.
W celu całkowitego zatrzymania reakcji łańcuchowej i pracy reaktora pręty mogą być opuszczane całkowicie. Następuje to w razie awarii lub wymiany paliwa.

Uranowy rdzeń pracuje więc jako źródło ciepła, które wykorzystywane jest do podgrzewania wody w zbiornikach. Ta zamienia się w parę i napędza turbiny generujące elektryczność.

Schemat działania reaktora jądrowego

W nowoczesnych elektrowniach atomowych para wytworzona w reaktorze podgrzewa dodatkowy, pośredni wymienny ciepła z wodą gdzie ponownie dochodzi do przemiany wody w parę. Zaletą tego rozwiązania jest to, że radioaktywna woda i para nie styka się z turbinami. Ponadto w niektórych reaktorach chłodziwem jest gaz (dwutlenek węgla) lub ciekły metal (sód lub potas); rozwiązania te pozwalają na osiąganie przez rdzeń większych temperatur.

Basen reaktora w Forsmark, Szwecja

Wady i zalety elektrowni atomowej

Największą zaletą elektrowni atomowej jest to, że wytworzenie w niej energii nie zależy od paliw kopalnych. Konwencjonalne elektrownie opalane węglem czy gazem emitują do atmosfery miliony ton CO2 rocznie. Emisja CO2 w elektrowniach jest znikoma lub minimalna.

Gdyby wszystkie elektrownie jądrowe na świecie korzystały z paliw kopalnych zamiast uranu wytwarzałyby 2 miliardy ton CO2 rocznie. W prawidłowo funkcjonującej elektrowni atomowej ilość promieniowania radioaktywnego emitowanego przez reaktor jest nawet mniejsza niż w przypadku elektrowni węglowych, których popioły zawierają 100-krotnie więcej cząsteczek promieniotwórczych niż otoczenie elektrowni jądrowej wytwarzającej tą samą ilość energii. Popioły elektrowni węglowych także zawierają cząsteczki radioaktywnego uranu i toru.

Znaczącą wadą elektrowni atomowych jest problem odpadów radioaktywnych powstałych ze zużytego paliwa uranowego. Odpady takie muszą być właściwie transportowane i składowane w beczkach przez setki, a nawet tysiące lat.

Przeciętna elektrownia nuklearna wytwarza rocznie 20 ton zużytego paliwa, klasyfikowanego jako wysokoaktywne odpady promieniotwórcze. Rocznie wszystkie elektrownie na świecie wytwarzają ponad 2000 ton odpadów. Ponadto produkowane są także niskoaktywne odpady.

Budowa elektrowni atomowych jest bardzo kosztowna jednak ostateczna cena jednostkowa elektryczności jest jedną z najniższych pośród wielu innych źródeł energii odnawialnej i nieodnawialnej.

foto: Flikr – Vattenfall

Wpisy, które mogą Cię zainteresować:

1. Tor – przyszłość energetyki jądrowej?
2. Fuzja
3. Elektrownia atomowa w Polsce
4. Odpady radioaktywne

Tagi: energia, energia atomu, jądrowy, reaktor