Wykorzystanie energii jądrowej z rozszczepienia

Więcej o:

• etyce
• tym, co dzieje się w wyniku wybuchu bomby atomowej
• konstrukcji bomb uranowych i plutonowych
• masie krytycznej

W każdym stacjonarnym reaktorze jądrowym mamy kilka podstawowych elementów:

• paliwo reaktorowe zawierające materiał rozszczepialny
• pręty sterujące
• moderator neutronów (może być ich kilka)
• reflektor neutronów
• układ chłodzenia, składający się na ogół z pierwotnego i wtórnego obiegu wody, przy czym ten ostatni używany jest do chłodzenia wymiennika ciepła w obiegu pierwotnym 
• wymienniki ciepła (w reaktorach energetycznych nazywamy je wytwornicami pary)
• osłona biologiczna

Paliwo można przygotować w postaci pastylek z dwutlenku uranu (UO₂), składających się na pręty paliwowe. Można także wykorzystać w tym celu stopy uranu z innymi metalami, np. z aluminium. We współczesnych konstrukcjach używa się także specjalnie skonstruowanych kul o średnicy 60 mm, pokrytych warstwą grafitu i zawierających dużą ilość elementów, wewnątrz których znajdują się kuleczki UO₂ o średnicy 0,5 mm.

Niektóre reaktory pracują także na neutronach prędkich. W takich reaktorach pochłanianie neutronów przez jądra ²³⁸U prowadzi do powstania rozszczepialnego ²³⁹Pu. Odzyskanie go z wypalonego paliwa pozwala na wykonanie tzw. paliwa MOX, w którym pierwiastkami rozszczepialnymi są pluton i ²³⁵U.

Kompletowanie układu prętów paliwowych
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]

Schemat reaktora typu PWR
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]

Schemat reaktora typu BWR
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]

Większą ilość szczegółów można znaleźć np. pod adresem
http:\\reactor.engr.wisc.edu\power.html lub
http:\\www.nucleartourist.com

Układy zabezpieczeń reaktora są niejednokrotnie potrajane, co redukuje niemal do zera prawdopodobieństwo jednoczesnego zawiedzenia wszystkich urządzeń. Właśnie dlatego w całej historii energetyki jądrowej było tak niewiele awarii. Te najbardziej znane, w Three Mile Island w USA oraz w Czarnobylu, miały charakter szczególny i omawiamy je niezależnie.

Należy wreszcie wspomnieć, że szczególną uwagę poświęca się materiałowi rozszczepialnemu, przechowywanemu w pobliżu reaktora, który to materiał należy chronić przed ewentualną kradzieżą i niewłaściwym wykorzystaniem do produkcji broni jądrowej.

Więcej o:

• katastrofie w Czarnobylu
• wypadku w elektrowni jądrowej w Three Mile Island

Mnogość powłok bezpieczeństwa w elektrowniach jądrowych
[dzięki uprzejmości Nuclear Energy Institute: www.nei.org]

Pomiędzy wybuchem bomby atomowej a wybuchem reaktora jądrowego jest istotna różnica. Wybuch jądrowy reaktora jest po prostu niemożliwy: może być on albo termiczny albo chemiczny. Nie towarzyszą mu więc ani silny błysk światła, ani ponaddźwiękowa fala uderzeniowa. Podstawowym skutkiem wybuchu reaktora jądrowego jest uwolnienie do atmosfery dużej ilości materiału promieniotwórczego. Materiał ten tworzy następnie opad promieniotwórczy, zależny od warunków pogodowych (szczególnie wiatru i deszczu). Wypadek w Czarnobylu pokazał, że w wyniku awarii powstaje skażenie znacznego obszaru, jednakże z czasem aktywność tego skażenia szybko maleje do poziomu wynoszącego ułamek poziomu promieniowania naturalnego (środowiska) i nie może powodować poważnych skutków. Inaczej jest w wypadku wybuchu bomby atomowej, kiedy to może zostać skażony duży teren, a poziom jego aktywności może przekraczać poziom śmiertelny. Nota bene, większość ofiar bombardowania Hiroszimy i Nagasaki była spowodowana falą uderzeniową i cieplną, a nie promieniowaniem jądrowym, w tym pochodzącym ze skażenia terenu.

Dla porównania więcej o:

• wybuchu bomby jądrowej

Nie należy się szczególnie bać konsekwencji ataku na elektrownię jądrową przy użyciu samolotu. Cylindryczna obudowa bezpieczeństwa, zwieńczona kopułą, nie zostanie zniszczona w znaczący sposób, a już z całą pewnością nie ucierpi rdzeń reaktora. Niemniej jednak, układy chłodzenia i zasilania w energię elektryczną mogą ucierpieć przy odpowiednim uderzeniu. Nawet przy obecnych systemach zabezpieczeń tego rodzaju zniszczenie może - w najgorszym scenariuszu - doprowadzić do przegrzania i stopienia się rdzenia, materiał promieniotwórczy pozostanie jednakże wewnątrz zbiornika reaktora. Znacznie groźniejszym mógłby się okazać skuteczny atak na przechowalnik wysokoaktywnego wypalonego paliwa. Choć taki atak byłby trudny ze względu na małe rozmiary przechowalników, nie jest on jednak niemożliwy. Można przewidywać, że materiały promieniotwórcze uległyby wówczas rozproszeniu, problem jednak miałby tylko charakter lokalny.

Więcej o:

• reaktorze typu RBMK

Schemat reaktora AGR (Advanced Gas-Cooled Reactor) chłodzonego gazem
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]

Schemat reaktora CANDU
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]

Powszechny strach przed promieniowaniem jonizującym, ale przede wszystkim wysoka odpowiedzialność konstruktorów reaktorów jądrowych, doprowadziły do zaprojektowania nowych reaktorów o bardzo wysokim stopniu bezpieczeństwa. Oparte są one na istniejących i dobrze sprawdzonych układach, które zapewniają ograniczenie konsekwencji radiologicznych do małego terenu wokół reaktora, jeśli jednocześnie zawiodłyby urządzenia, a obsługa popełniła błędy. W szczególności nie byłoby potrzeby ewakuowania ludności, ani też wprowadzania ograniczeń w korzystaniu z terenu. Reaktory takie zostały już zbudowane w Japonii, a także uzyskały licencję na budowę w USA oraz Unii Europejskiej.

Następnym krokiem będzie tzw. IV generacja wewnętrznie bezpiecznych reaktorów, w których sterowanie reaktorem nie będzie zależne od decyzji operatora, ale będzie raczej wykorzystywało proste zasady fizyczne. Reaktory takie można będzie budować w wielkich aglomeracjach miejskich. Należy jednak pamiętać, że reaktory, to urządzenia budowane na czas pokoju, a więc nieprzygotowane na wytrzymanie skutków wojny. Żaden reaktor nie powinien być instalowany na terytoriach, na których byłby łatwo narażony na działania wojenne.

Przykład reaktora o bardzo wysokim stopniu bezpieczeństwa: wysokotemperaturowy reaktor HTTR (High Temperature Engineering Test Reactor ), usytuowany pod ziemią, zbudowany w Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI) w Japonii.
[dzięki uprzejmości JAERI, Japonia www.jaeri.go.jp]

Aby te ogólne wskazania realizować, próbujemy korzystać z naturalnych praw fizycznych. Jeśli korzystamy z urządzeń mechanicznych, staramy się mieć przynajmniej dwa urządzenia, których działanie opiera się na innych zasadach, by ten sam błąd nie mógł powstać jednocześnie w ich obu.

Fizycy wciąż mierzą ładunek elektryczny i tzw. elektryczny moment dipolowy neutronu, podejrzewając, że wewnątrz neutronu ładunki dodatni i ujemny mogą być nieco rozseparowane. Jak dotąd, pokazano doświadczalnie, że takie rozseparowanie musi być mniejsze niż na odległość 10^-26 cm, ładunek musi zaś być mniejszy od 10^-21 ładunku elementarnego! Te niezmiernie małe liczby wskazują dokładność technik pomiarowych. Reaktory jądrowe są tu nadzwyczaj przydatne: są one gigantycznymi fabrykami neutronów. Ze względu na specyfikę zadań są to tzw. reaktory badawcze. Mają one rozliczne zastosowania w nauce, medycynie i technice.

Więcej o:

• reaktorach badawczych
• zastosowaniach reaktorów badawczych

Więcej o:

• impulsowych źródłach elektronów

Ku naszemu zdumieniu (choć może i nie!) proces, który wymaga dziś niebagatelnych umiejętności, został całkiem prosto zrealizowany przez przyrodę około dwóch miliardów lat temu.

Fotografia reaktora w tzw. strefie 15; pozostałości jedynego reaktora, który można oglądać pod ziemią, widoczne są jako szaro-zielona skała zawierająca głównie tlenek uranu
[dzięki uprzejmości Dr. Robert Lossa, www.curtin.edu.au ]

Problem moralnej odpowiedzialności uczonych zaangażowanych w konstruowanie bomb jądrowych jest problemem etycznym, który może spotkać niemal każdego uczonego. Pomimo olbrzymiej siły destrukcyjnej i jej oczywistej roli jako broni masowego rażenia, kierujący Projektem Manhattan Robert Oppenheimer uznał prace nad bombą za "organiczną konieczność". W roku 1945 pisał On: "Nie jest rzeczą możliwą być uczonym, jeśli nie wierzy się, że wiedza Świata i moc, jaką ona daje, są dla ludzkości zasadniczą wartością, którą wykorzystujesz dla propagowania wiedzy, z gotowością poniesienia konsekwencji" (Richard Rhodes, "Jak powstawała bomba atomowa", Wyd. Prószynski i S-ka, 2000). Co można myśleć o takim rozumieniu tej kwestii?

Wybuch bomby jądrowej charakteryzuje się kilkoma charakterystycznymi cechami. W wyniku wybuchu pojawia się

• Błysk światła "jaśniejszy niż tysiące Słońc" (tytuł znanej książki Roberta Jungka: “Jaśniej niż tysiąc słońc”; PIW, 1967)
• Fala gorąca, która w atmosferze tworzy "kulę ognistą" 
• Fala uderzeniowa (podmuch)
• Chmura o kształcie grzyba, zawierająca odłamki, popioły, aerozole i parę wodną
• Promieniowanie jądrowe, głównie gamma i neutronowe.

Jeśli bomby atomowe zostają zdetonowane wysoko w powietrzu (jak w wypadku bombardowań Hiroszimy i Nagasaki), teren pod miejscem wybuchu (strefa zero) nie zostaje skażony materiałami promieniotwórczymi. Materiały te opadają na grunt wraz z deszczem jako tzw. "suchy opad", na ogół daleko od miejsca wybuchu. Jeśli wybuch następuje na Ziemi, sytuacja oczywiście jest inna.

O masie uranu mówimy, że jest krytyczna, jeśli, średnio jeden i tylko jeden neutron powstały w procesie rozszczepienia ²³⁵U jest absorbowany przez kolejne jądro ²³⁵U i powoduje rozszczepienie tego jądra. Masa krytyczna uranu zależy od jego masy, zawartości w nim izotopu rozszczepialnego (np. ²³⁵U lub ²³⁹Pu), jego kształtu (inna będzie masa krytyczna kuli, a inna walca), obecności reflektora itp.

Masę nazywamy podkrytyczną, gdy mniej niż jeden neutron z rozszczepienia znajduje i rozszczepia kolejne jądro ²³⁵U. Wewnątrz takiej masy nie może zajść reakcja łańcuchowa.

Jeśli liczba neutronów rozszczepiających jądra ²³⁵U jest większa niż jeden, mówimy, że mamy do czynienia z masą nadkrytyczną. W produkcji bomb atomowych używa się właśnie mas nadkrytycznych.

Dla metalicznego uranu lub tlenku uranu (np. UO₂), masa krytyczna zmniejsza się w miarę wzrostu koncentracji   ²³⁵U. Masa krytyczna kuli z metalicznego ²³⁵U wynosi 50 kg. Jeśli taką kulę otoczymy reflektorem grafitowym o grubości 10 cm, masa krytyczna spadnie do około 10 kg. Choć 10 kg wydaje się niewielką masą należy pamiętać, że zawartość ²³⁵U w uranie naturalnym wynosi zaledwie 0,72%, a proces rozdzielania izotopów uranu jest trudny i kosztowny. Innym materiałem rozszczepialnym wykorzystywanym w bombach atomowych jest ²³⁹Pu. Masa krytyczna plutonu, to kilka do kilkunastu kilogramów.

Reaktor w Czarnobylu był typu RBMK. Ten typ reaktora jest chłodzony wodą i posiada moderator grafitowy. Oznacza to, że jeśli rdzeń reaktora ulegnie przegrzaniu i woda odparuje, akcja moderatora bynajmniej nie zostanie zatrzymana. Wykorzystanie grafitu jako moderatora jest zasadniczo niebezpieczną rzeczą: pozbawiony chłodzenia grafit będzie kontynuował spowalnianie neutronów, natomiast gdy jego temperatura osiągnie około 1000 K - zacznie się palić! W reaktorze typu RBMK moc reaktora wzrasta ze wzrostem temperatury - proces, który może doprowadzić do stopienia się rdzenia reaktora. Wysokie ciśnienie powstających gazów może w konsekwencji doprowadzić do wybuchu. Tak się rzeczywiście stało w dniu 26 kwietnia 1986 roku w Czarnobylu na Ukrainie.

Elektrownia jądrowa w Czarnobylu: zaznaczono cztery bloki energetyczne
[dzięki uprzejmości http:\\whyfiles.org]

Zauważmy jednak, że sytuacja taka nie miałaby miejsca, gdyby nie błąd obsługi reaktora, popełniony podczas eksperymentu prowadzonego w tym fatalnym dniu. Aby sprawdzić zachowanie się systemu chłodzenia reaktora przy niepełnej dostawie mocy elektrycznej, operatorzy obniżyli moc reaktora i wprowadzili go w obszar mocy, w którym reaktor nie powinien przebywać ze względów bezpieczeństwa. Temperatura w rdzeniu reaktora gwałtownie wzrosła, przegrzane pręty sterujące zdeformowały się i nie mogły zostać wykorzystane do zatrzymania pracy reaktora. Rdzeń reaktora uległ stopieniu, a roztopiony stop w kontakcie z wodą spowodował eksplozję reaktora. Wybuch zniszczył struktury reaktora, a do atmosfery zostały uwolnione duże ilości materiału rozszczepialnego.

Jest rzeczą interesującą zauważenie, że od zakończenia II Wojny Światowej aż do grudnia 2001 roku zanotowano 134 przypadki śmierci z powodu napromienienia, jednak we wszystkich tych wypadkach bezpośrednio zawinił czynnik ludzki.

Wypadek, o którym mowa, wydarzył się w Harrisburgu (USA) 28 marca roku 1979. Niewielka niesprawność w układzie wtórnego obiegu chłodzenia spowodowała wzrost temperatury w obiegu pierwotnym, co spowodowało z kolei automatyczne wyłączenie reaktora. Pomimo tego, zawór bezpieczeństwa, który powinien się wtedy zamknąć, pozostał otwarty. Niesprawność ta nie została wychwycona przez przyrządy pomiarowe, w wyniku czego utracono znaczną część chłodziwa. Rdzeń reaktora uległ przegrzaniu, a z powodu wysokiej temperatury powstałej w wyniku reakcji wody z koszulkami paliwa jądrowego ze stopu o nazwie zircalloy, nad reaktorem zaczął gromadzić się wodór. Na szczęście w układzie nie było wystarczająco dużo tlenu i wodór nie eksplodował. Wysoka temperatura spowodowała niemniej jednak zniszczenie układu paliwowego w reaktorze. Rdzeń pokryto ponownie wodą po 6,5 godzinach. Ostatecznie straty finansowe były znaczne, ale nikt z obsługi nie ucierpiał. Chociaż do atmosfery przedostało się trochę gazów promieniotwórczych, wypadek ten miał bez porównania mniejsze konsekwencje niż wypadek w Czarnobylu.

Reaktory te korzystają z następującej reakcji jądrowej:
n + ²³⁸U → ²³⁹U

Pomiędzy tymi dwoma typami reaktorów istnieją dwie zasadnicze różnice:

• Masa materiału rozszczepialnego w reaktorach badawczych, to typowo około kilku kilogramów, podczas gdy w reaktorach energetycznych - tona lub kilka ton 
• W reaktorach badawczych wytwarzana ostatecznie energia w postaci ciepła jest tak niewielka, że nie opłaca się dostarczanie jej do odbiorców zewnętrznych. W reaktorach tych występują dwa układy chłodzenia: pierwotny, w którym woda krąży w obwodzie zamkniętym, oraz obieg wtórny, w którym woda chłodzi obieg pierwotny. W reaktorach energetycznych para wytwarzana w wytwornicy pary ma na tyle wysoką temperaturę i ciśnienie, że opłaca się skierowanie jej na łopatki turbiny parowej, która z kolei porusza wirnik generatora prądu.

W reakcjach jądrowych z neutronami mogą powstawać rozliczne izotopy, w tym promieniotwórcze. Te mogą być wykorzystane w medycynie, biologii, badaniach podstawowych, jak również w zastosowaniach technicznych i przemysłowych. Aby jednak produkować izotopy w możliwie efektywny sposób potrzebujemy silnego źródła neutronów - takiego, jak reaktor jądrowy.

Droga od wytworzenia izotopu promieniotwórczego poprzez produkcję radiofarmaceutyku do pacjenta i efektu diagnostycznego

Istnieje jeszcze szereg innych zastosowań, których nie omówimy w tym kursie. Przykładami są radiografia neutronowa, neutronowa analiza aktywacyjna, badania reakcji jądrowych z neutronami, a nawet terapia neutronowo-borowa (BNCT) raków mózgu.