Co warto wiedzieć o elektrowniach jądrowych

Zacznę od tego, co wszyscy w temacie – BEZPIECZEŃSTWO JEST NAJWAŻNIEJSZE

Serio. W tej dziedzinie ma to kolosalne znaczenie. Podobno w pewnej elektrowni jądrowej powieszono na tablicy ogłoszeń plakat zatytułowany „Osoba odpowiedzialna dziś za bezpieczeństwo” i pod spodem umieszczono lustro. A poważniej – ogólnie przyjęte jest, że co nie jest zabronione, jest dozwolone. W tym przemyśle jest odwrotnie. Ale w tym artykule nie chcę się skupiać na bezpieczeństwie.

Czemu ten artykuł i kim jestem? Ostatnio popularny był serial Czarnobyl od HBO – w pewnym sensie związany z moimi zainteresowaniami, więc postanowiłem wybić się na powszechnym hypie, zaznać odrobinę sławy i zobaczyć, czy napisanie artykułu jest tak proste, jak mi się wydaje. Serialu zasadniczo nie oglądałem, więc nie mogę powiedzieć, że jestem ekspertem w dziedzinie. Z drugiej strony właśnie kończę studia na kierunku energetyka jądrowa, więc napiszę, że jestem ekspertem wybitnym ;)

Jeżeli chodzi o wspomniany serial, to pozwolę sobie na jeden komentarz. Podobno jest tam scena, w której mowa o tym, że jeżeli coś się stanie (nie mam pojęcia o co chodzi), to może dojść do wybuchu o sile od dwóch do czterech megaton. Jeżeli coś takiego faktycznie się tam pojawiło, to jest to kompletna bzdura. Taki wybuch wymaga zbudowania dwustopniowej bomby wodorowej – wymyślenie, jak to w ogóle zaprojektować zajęło ponad 7 lat (od pierwszej eksplozji jądrowej). Takie rzeczy nie dzieją się przypadkiem. No to może zwykły wybuch atomowy? No też nie bardzo – wzbogacenie uranu (co to jest, będzie niżej) w Czarnobylu wynosiło ok. 2%. Do bomby atomowej potrzeba jakichś 80-90% - co najmniej... No po prostu eksplozji jądrowej w elektrowni nie będzie i tyle, seriale będą nudniejsze i musimy jakoś z tym żyć.


Dobra, przejdźmy do tematu. Na początek powiedzmy sobie w obrazowy sposób, jak wytwarza się prąd w np. elektrowni węglowej. Bierzemy garnek z wodą o dużym ciśnieniu. Gotujemy tę wodę. Żeby zagotować wodę, potrzebujemy wysokiej temperatury – wystarczy spalić trochę węgla. Po otrzymaniu pary wodnej, również pod dużym ciśnieniem, wypuszczamy ją rurą na wiatraczek (mamy duże ciśnienie, więc para będzie chciała płynąć do wylotu rury). Wiatraczek się kręci, napędzając wał generatora i mamy prąd. Oprócz prądu dostaliśmy jeszcze parę wodną, z którą coś trzeba zrobić – skraplamy ją, a do tego potrzeba ogromnych ilości wody chłodzącej. Skroplona para idzie na pompę obiegową i z powrotem do garnka na gotowanie. I teraz nazwy: garnek + ognisko, w którym spalamy węgiel nazywamy kotłem, wiatraczek to turbina parowa, miejsce gdzie skraplamy parę to kondensator, a pompa to pompa.

To jeszcze kwestia skali. Dla elektrowni 1000 MW (dla całej Polski potrzeba by takich ok. 30) stalowy kocioł waży ok. 3000 ton i ma jakieś 90 m wysokości. Para za kotłem ma ok. 240 atmosfer i ok. 600°C. Turbina kręci się zazwyczaj z prędkością 3000 obr./min (to zależy od kilku rzeczy, ale przyjmijmy tę wartość), ma jakieś 25 m długości i ponad 3 metry średnicy. Jeszcze kilkaset ton na generator, kilkadziesiąt kilometrów rur, kilkadziesiąt ważnych urządzeń pomocniczych, o których nie powiedziałem, i mamy skalę przedsięwzięcia. Koszt całości to ~6 mld zł. Dobra, ale miało być o energetyce jądrowej, a ja o węglu. To teraz krótko, jak zbudowana jest elektrownia jądrowa. Wywalamy kocioł, wstawiamy reaktor jądrowy, a reszta pozostaje bez zmian (mniej więcej).


Moim celem jest opisanie, jak działa reaktor jądrowy. Ale zanim do tego dojdziemy, to kilka haseł do wyjaśnienia.

Budowa jądra atomowego: jądro składa się z protonów i neutronów. Neutrony są obojętne elektrycznie, a protony mają ładunek dodatni. Protony odpychają się od siebie elektrostatycznie. Całość trzyma się razem dzięki oddziaływaniom silnym, które mają krótki zasięg, ale są (jak nazwa wskazuje) silniejsze niż odpychanie elektrostatyczne protonów. Całość ma ładunek dodatni. Ze względu na krótki zasięg oddziaływań silnych trafienie jądra protonem jest bardzo trudne (jest odpychany elektrostatycznie), ale neutronem nie stanowi to większego problemu. O tym, o jakim pierwiastku mowa świadczy ilość protonów w jądrze. Zatem jeżeli mamy 1 proton, mówimy o wodorze. Pierwiastki mogą mieć różną ilość neutronów w jądrze – mówimy wtedy u różnych izotopach (np. U235, U233, U238), gdzie liczby stanowią łączną sumę protonów i neutronów. Np. uran ma liczbę protonów zawsze równą 92, więc U235 ma 92 protony i 143 neutrony. U238 ma 92 protony i 146 neutronów itd.

Rozpad paliwa – czyli jak reaktor wytwarza ciepło. E=m*c² :D Nasze jądro atomowe jest trafiane neutronem, w wyniku czego może zajść kilka reakcji – neutron może zostać odbity (patrz moderator), pochwycony (tworząc nowy izotop), albo rozwalić nasze jądro na kilka mniejszych, wytwarzając przy tym energię i neutrony do dalszych rozpadów. Powstałe kawałki mają mniejszą masę niż pierwotne jądro, więc wydziela się ciepło. Ile tej energii? W przypadku rozpadu U235 powstaje ŚREDNIO 200 MeV i 2,5 neutronu. Zatem dla takiej elektrowni jak opisana powyżej potrzeba około 10^17 (100 000 000 000 000 000) takich rozpadów w ciągu sekundy. Nas interesują oczywiście takie jądra atomowe, które mają największe szanse na rozpad. Są to tak zwane izotopy rozszczepialne: U235, Pu239, Pu241 (pluton), U233. Z wymienionych naturalnie występuje tylko U235 i jest go zaledwie 0,72% (reszta to w zasadzie U238). Dlatego, że mamy tak mało U235 i potrzebne jest wzbogacenie.

Wzbogacenie paliwa: Jak już wspomniałem, naturalnie uranu 235 jest tylko 0,72% w złożach. Możliwe jest wybudowanie reaktorów działających na takim paliwie, ale mają one swoje wady. Dlatego też chcemy, żeby w naszym paliwie było więcej U235 – w reaktorach lekkowodnych to ok. 3-4%. Po co to się robi? Po prostu jak mamy więcej U235, to jest większa szansa, że nasz neutron trafi w jądro U235 niż w jądro U238. Problem polega na tym, że procesu wzbogacenia nie da się zrobić chemicznie – U235 i U238 to ten sam pierwiastek i mają takie same właściwości chemiczne. Jedyne metody wzbogacenia paliwa opierają się o właściwości fizyczne (różnica masy) i wykorzystanie np. siły odśrodkowej (cięższy U238 będzie przy zewnętrznej ścianie wirówki, a lżejszy U235 bliżej środka). Kolejnym problemem jest ryzyko wytworzenia broni jądrowej przez kraj, który wzbogaca uran, ale to już inna historia.

Neutrony prędkie i termiczne

Najpierw powiedzmy sobie, co to jest temperatura. Temperatura to funkcja proporcjonalna do średniej energii kinetycznej cząstki w danym układzie. O co chodzi? Powiedzmy, że mamy balonik z powietrzem o temperaturze 293K (20°C, ale do tych obliczeń używa się temperatury bezwzględnej, czyli np. w Kelwinach). Oznacza to, że średnia energia kinetyczna cząstki w powietrzu wynosi ileś tam, powiedzmy X. Jeżeli podgrzejemy balonik do 323K (50°C) to średnia energia cząstki wyniesie ~1,1X (323/293).

Dodatkowo wzór na energię kinetyczną to E=m*V ²/2. Powietrze to mieszanina tlenu i azotu. Ponieważ tlen jest cięższy od azotu, a w tym baloniku średnia energia jest taka sama, to prędkość tlenu musi być niższa (np. E = 100, m(O₂) = 32, zatem V(O₂) = 2,5; m(N₂) = 28, zatem V(N₂) = 2,67 – liczby wymyślone tylko, żeby pokazać o co chodzi).

I tak samo jest z neutronami. Po rozpadzie jądra wszystkie neutrony mają wysoką energię, a zatem są prędkie (gorące). Jak widać na wykresie poniżej (cross section jest proporcjonalny do prawdopodobieństwa zajścia danej reakcji), dla neutronów o dużych energiach jest znacznie mniejsza szansa na rozpad jądra. Ponadto takie neutrony mają mniejszą szansę w ogóle trafić w jądro atomowe (kojarzycie w platformówkach przebieganie pod wahadłem? Trzeba biec szybko, żeby was nie trafiło). Neutron termiczny z drugiej strony to taki, którego energia kinetyczna odpowiada energii otoczenia (czyli mają taką samą temperaturę). Zatem jest on dużo wolniejszy niż neutron prędki. Jak zamienić neutrony prędkie na termiczne? Do tego służy moderator. Upraszczając – neutrony o energiach mniejszych niż ten bałagan na wykresie to neutrony termiczne, o energiach większych to prędkie, a tam gdzie bałagan to epitermiczne (my możemy je traktować jako prędkie).


Moderator – jak pamiętamy, po rozpadzie jądra powstają nowe neutrony, które zawsze są neutronami prędkimi. Nas w większości reaktorów interesują neutrony termiczne. Jak je zdobyć? Wypełniamy reaktor materiałem, który ma małe prawdopodobieństwo na przechwycenie neutronu, małe prawdopodobieństwo (zerowe) na rozpad i bardzo dużą szansę na odbicie go (formalnie rozproszenie – neutron scattering). Jeszcze jedna cecha dobrego moderatora – musi się on składać z lekkich pierwiastków. Dlaczego? Weźmy sobie piłkę (neutron) i rzućmy nią w ścianę (ciężki pierwiastek). Piłka się odbije z mniej więcej tą samą prędkością, a ściana ani drgnie. A co jeśli uderzymy w drugą piłkę (np. jądro wodoru)? To oczywiście zależy od kilku szczegółów, ale ogólnie nasza piłka mocno zwolni i odda energię tej drugiej. Po kilku takich zderzeniach dostajemy neutron termiczny. Jako moderatora używa się głównie wody i ciężkiej wody oraz grafitu.

Chłodzenie reaktora – następnym ważnym materiałem w reaktorze jest materiał chłodzący. W reaktorach wodnych woda jest równocześnie chłodziwem i moderatorem. W reaktorach prędkich stosuje się chłodziwo, które ma najmniejszy możliwy wpływ na neutrony, a w reaktorach grafitowych stosuje się gaz. Największym problemem elektrowni jądrowych jest ciepło powyłączeniowe. Krótko i ogólnie – jeżeli wyłączymy reaktor, to nie ma już neutronów, ale on dalej produkuje ciepło – w reaktorze powstają duże ilości sztucznych i niestabilnych izotopów, które mają swoje naturalne rozpady, które też wytwarzają ciepło. Zatem reaktor cały czas trzeba chłodzić – nawet po wyłączeniu.

Pierwiastki sztuczne – pamiętacie, jak wymieniłem potencjalne paliwo jądrowe i powiedziałem, że naturalnie występuje tylko U235? No to skąd reszta? Właśnie z reaktorów jądrowych. Są izotopy rodne (np. U238, Th232), które możemy przerobić na paliwo jądrowe. Zatem możliwe jest wyjęcie większej ilości paliwa z reaktora, niż się do niego włożyło. Co to znaczy globalnie? Przy technologii lekkowodnej, uranu wystarczy nam na jakieś 200 lat. Wytwarzając izotopy sztuczne, szacuje się, że paliwa wystarczy na następne kilka tysięcy lat.

W końcu to, co czym chciałem napisać. Jak działa reaktor?

A konkretnie to spróbuję wyjaśnić najważniejszy parametr przy projektowaniu reaktora – współczynnik temperaturowy (temperature coefficient). Uwaga – w tym akapicie liczby są podawane w celu zobrazowania zasady działania i nie mają odzwierciedlenia w rzeczywistości.

Załóżmy dla uproszczenia, że reaktor działa jak sekundnik w zegarku. Czyli że mamy w reaktorze np. 1000 neutronów – pierwsze pokolenie neutronów. Nic się nie dzieje. Mija sekunda. Pierwsze pokolenie neutronów ZNIKA, pojawia się drugie pokolenie – powiedzmy również 1000 neutronów. Znowu nic się nie dzieje. Klik – 3 pokolenie – też 1000 neutronów (poprzednie już zniknęły). Zatem mamy współczynnik powielenia neutronów równy 1. Reaktor jest w stanie krytycznym – pracuje ze stałą mocą. Klik – 4 pokolenie – 1200 neutronów. Klik. 1440 neutronów – reaktor jest w stanie nadkrytycznym – zwiększa swoją moc. Klik – 1300 neutronów i stan podkrytyczny – obniżamy moc. Klik – 1000. Klik – 1000.

Zostańmy na chwilę przy stanie krytycznym. Co się dzieje z neutronami? Pamiętacie, że z każdego rozpadu powstaje średnio 2,5 neutronu? Zatem 400 neutronów uderzy w jądro U235. Z pozostałych 600 część uderzy w U238, część zostanie pochłonięta przez moderator, część zostanie pochłonięta przez materiał konstrukcyjny, a część po prostu wyleci z reaktora – pamiętajmy, że w reaktorze są jeszcze inne izotopy, które powstały w wyniku poprzednich rozpadów – one też mogą pochłaniać neutrony.

A teraz wyobraźmy sobie, że coś, z jakiegoś powodu, poszło nie tak... Klik - 35 000 neutronów. Co się stanie? Układ chłodzenia nie ma szans zareagować. Temperatura paliwa gwałtownie wzrośnie... Wróćmy na chwilę do wykresu z prawdopodobieństwem reakcji. Zwróćcie uwagę na ten bałagan. On jest teraz ważny. To są częstotliwości rezonansowe. Ze wzrostem temperatury stają się mniej ostre (niższe), ale za to szersze. Szansa na rozpad gwałtownie spadnie – linia obrazująca prawdopodobieństwo rozpadu zostanie przykryta przez ten chaos. Zatem co dalej? Klik – 200 neutronów. Reaktor się wyłącza. To jest właśnie współczynnik temperaturowy. MUSI być zawsze ujemny, czyli ze wzrostem temperatury musi spadać zdolność do podtrzymania reakcji. Jak widzicie, w paliwie ten współczynnik jest zawsze ujemny. Pytanie brzmi, czy jest ujemny w całym reaktorze?

Niekoniecznie. Dlaczego? Mamy jeszcze moderator. Powiedzmy, że jest to woda. Jak pamiętamy, celem moderatora jest spowolnienie neutronów. Im więcej moderatora, tym więcej neutronów spowolnimy. Znowu mamy skok temperatury. Część wody odparuje. Zatem mamy mniej moderatora –> mniej neutronów termicznych. Współczynnik temperaturowy jest jeszcze bardziej ujemny. No to w czym problem?

Przeanalizujmy moderator jeszcze raz. Wyobraźmy sobie, że spowolniliśmy już wszystkie neutrony, ale daliśmy więcej moderatora niż to konieczne. Niepożądaną cechą moderatora jest to, że wychwytuje on część neutronów. A zatem jeżeli mamy za dużo moderatora, to musimy mieć więcej neutronów na początku, żeby podtrzymać reakcję – one są wychwytywane i reaktor działa. Ale co się stanie, jak tym razem coś pójdzie nie tak? Woda odparuje, mamy mniej moderatora. Tylko że nawet mając go mniej, dalej spowalniamy wszystkie neutrony, bo wcześniej było go za dużo! Ale ta woda, która odparowała, przechwytywała część neutronów – teraz jej nie ma. Liczba neutronów rośnie. Jeżeli ten efekt przeważy efekt w paliwie, to współczynnik temperaturowy może być dodatni – moc reaktora rośnie wykładniczo w bardzo krótkim czasie (sekundy!). Oczywiście jest to uwzględniane przy projektowaniu reaktorów i w obecnie budowanych reaktorach energetycznych jest to całkowicie niemożliwe.

To jeszcze kilka słów na inne tematy

Elektrowni jądrowych mamy kilka typów: PWR, BWR, CANDU, RBMK (czarnobylski), FBR, GCR, SFR, VHTR i inne. W tych nazwach trochę pomieszałem, ale uprośćmy to na potrzeby tego artykułu.

PWR – pressurized water reactor (na rysunku na początku artykułu) – reaktor lekkowodny na neutrony termiczne, w którym mamy dwa obiegi wody – chłodzący reaktor i zasilający turbinę. Woda chłodząca reaktor jest pod wysokim ciśnieniem (powiedzmy 150 atmosfer) i się nie gotuje. Ciepło od niej jest odbierane w wytwornicy pary, gdzie rurki z tą wodą są omywane wodą zasilającą turbinę (~70 atmosfer), która w związku z tym, że ma niższe ciśnienie, zamienia się tam w parę (pamiętacie, że im wyższe ciśnienie, tym wyższa temperatura wrzenia, prawda?). Najpopularniejszy typ reaktora.

Reaktory BWR – boiling water reactor – reaktor lekkowodny na neutrony termiczne, w którym woda chłodząca reaktor wrze, a para jest kierowana na turbinę. Drugie najpopularniejsze rozwiązanie.

Reaktory PHWR – pressurized heavy water reactor – najpopularniejsze to CANDU, czyli Canadian Deuterium Uranium – reaktor ciężkowodny na neutrony termiczne. Co ciekawe, reaktory tego typu mogą pracować na naturalnym uranie. Jak się domyślacie, rozwiązanie lubiane przez Kanadyjczyków :)

Reaktory prędkie (np. FBR – fast breeder reactor) – reaktory na neutrony prędkie, powielające (wytwarzają więcej paliwa niż zużywają), chłodzone gazem (np. CO₂) lub ciekłymi metalami (np. sód, ołów). W tych reaktorach nie chcemy mieć moderatora. Ponadto możemy w nich oczyścić zużyte paliwo. Kojarzycie może, że zużyte paliwo jądrowe trzeba przechowywać przez tysiące lat? No to nie trzeba. Można je wsadzić do reaktora prędkiego i wypalić to co nam najbardziej przeszkadza (nie wypalimy wszystkiego, ale nasze odpady nie będą niebezpieczne znacznie szybciej – powiedzmy po jakichś 150 latach).


Wróćmy do bezpieczeństwa. Nie skupiałem się na tym zagadnieniu, ale tak – elektrownie jądrowe to najbezpieczniejsze instalacje przemysłowe stworzone przez człowieka. I tak – nie są w 100% bezpiecznie. Nic nie jest. Jeszcze tylko moja ulubiona ciekawostka o bezpieczeństwie. Pręty kontrolne i wyłączeniowe wprowadzane są do reaktora PWR od góry. Wiecie, jak są montowane? Na elektromagnes. W przypadku braku zasilania magnes wyłączy się i pręty po prostu spadną, wyłączając reaktor. I jeszcze jeden argument. Elektrownia węglowa to jakieś ~6 mld zł. Elektrownie jądrowe ostatnio w Europie kosztują ~45 mld zł. Skoro jest tyle podobieństw między tymi instalacjami, to skąd 40 mld zł różnicy? Bezpieczeństwo niestety kosztuje.

* * * * *

Dzięki za uwagę. Mam nadzieję, że osoby jakoś zorientowane w temacie znalazły tu coś ciekawego, że ludzie niemający pojęcia o zagadnieniu coś zrozumieli, a Ci, którzy wiedzą więcej nie będą mnie ścigać za zamieszczone uproszczenia. Ogólnie – wierzę, że było ciekawie.

Jeżeli chodzi o źródła – korzystałem głównie ze swojej wiedzy. Jakieś podstawowe dane brałem z Wikipedii (np. liczbę atomową uranu, czy koszty elektrowni jądrowej) plus parę rzeczy jednak musiałem sprawdzić lepiej.

Źródła: 1, 2, 3, 4