Energetyka jądrowa na świecie

W energetyce jądrowej energię elektryczną uzyskuje się wykorzystując reakcje rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich. Są to głównie izotopy uranu i plutonu. Miejscem pozyskiwania tej energii są elektrownie jądrowe. Energetyka jądrowa to jednak szersze pojęcie niż tylko produkcja energii. Pod tym terminem kryje się także pozyskiwanie paliwa jądrowego czyli materiału rozszczepialnego , a także cały system składowania odpadów radioaktywnych pozostałych po wykorzystanym paliwie jądrowym.

Budowa pierwszych reaktorów jądrowych przypada na lata pięćdziesiąte ubiegłego wieku. Natomiast intensywniejszy rozwój tej gałęzi energetyki zaobserwowano w latach sześćdziesiątych. Miały na to wpływ niewątpliwie rosnące koszty produkcji energii elektrycznej drogą tradycyjną czyli z wykorzystaniem paliw kopalnych. Niestety postęp w energetyce jądrowej całkowicie powstrzymała katastrofa w Czarnobylu, która miała miejsce 26 kwietnia 1986. Warto przedstawić kilka faktów dotyczących historii tego reaktora i przebiegu samej awarii.

Decyzję o budowie elektrowni atomowej zlokalizowanej 20 km od Czarnobyla podjęła Rada Ministrów ówczesnego Związku Radzieckiego pod koniec lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Miał to być nie jeden reaktor, ale cała ich sieć pozwalająca na produkcję dużych ilości energii.

I tak w roku 1977 rozpoczął pracę pierwszy z planowanych reaktorów. Już wtedy można było uzyskiwać 1000 MW energii. W następnym roku rozpoczął pracę kolejny z reaktorów. W roku 1984 pracowały już cztery z sześciu zaplanowanych.

Były to reaktory typu RBMK. Uznano je za całkowicie bezpieczne i dlatego zaniechano środków ostrożności w postaci budowy bloków ochronnych, które uniemożliwiałyby wydostawanie się do środowiska produktów radioaktywnych. Już w trakcie pracy reaktora wykryto kilka błędów konstrukcyjnych, jednakże zaniechano jakiejkolwiek ich eliminacji. Jeden z nich dotyczył całkowitego czasu opuszczania prętów regulacyjnych. Postulowany czas miał wynosić 3 sekundy, całkowitego w pracującym reaktorze trwało to aż 18 sekund.

To wszystko niewątpliwie musiało doprowadzić do katastrofy. I tak 26 kwietnia 1986 o godzinie 1.23:48 nastąpiły dwa wybuchy. Prawdopodobnie nastąpiła eksplozja pary wodnej oraz wodoru. Na skutek tego doszło do zniszczenia reaktora. W trakcie eksplozji odsunęła się płyta przykrywająca całą konstrukcją i na zewnątrz siłą wybuchu zostały wyrzucone kawałki rdzenia wraz z paliwem jądrowym. Wywołało to gigantyczny pożar. Ale nie to było najgorsze. Mianowicie do atmosfery przedostały się substancje radioaktywne. Silnemu skażeniu uległa strefa w promieniu 30 kilometrów od miejsca wybuchu. Natomiast pyły radioaktywne, które przedostały się do atmosfery dzięki jej ruchom mogły być przenoszone na duże odległości. Skażeniu uległy więc nie tylko tereny Białorusi, ale również terytoria wielu państw europejskich.

Jeśli chodzi o nasz kraj to nad północno - wschodnimi rejonami Polski przemieszczała się chmura radioaktywna, która po dotarciu nad Morze Bałtyckie zawróciła z powrotem na południe.

Określono maksymalne skażenie powietrza w Polsce. Wynosiło ono wówczas 571Bq/m. Dla porównania wartość skażenia powietrza przez awarią wynosiła około 0.1Bq/ m. Jeśli chodzi o dane dotyczące skażenia wód powierzchniowych to wiadomo , że skażenie to wyniosło 417 Bq/ m. Izotopy promieniotwórcze, które były odpowiedzialne za to skażenie to przede wszystkim jod, tellur, ruten i cez. Przy czym największy udział w tym skażeniu miał izotop jodu 131.

Obliczono wartość średnich dawek, jakie mogli przyjąć wtedy ludzie. Wartości te wynosiły 0.44 mSv w przypadku skażeń wewnętrznych i 0.51 mSv w przypadku skażeń wewnętrznych.

Obliczono również dawki na tarczycę. Dawki te jednak udało się zminimalizować dzięki wprowadzeniu specjalnego programu polegającego na podaniu do wypicia tzw. płynu Lugola zawierającego trwały izotop jodu, który absorbowany przez tarczycę zapobiegał przyłączaniu się jodu radioaktywnego.

Szacuje się , że awaria w Czarnobylu była bezpośrednia przyczyną śmierci około 38 osób. Trudno natomiast w jednoznaczny sposób ocenić długoterminowe skutki oddziaływania przyjętej wówczas dawki promieniowania jonizującego. Można tylko spekulować, że np. promieniowanie to było przyczyną wystąpienia nowotworów u ludzi zamieszkałych na skażonych terenach i itp.

Biorąc jednak pod uwagę, ze katastrofa w Czarnobylu była najtragiczniejszym wydarzeniem w historii energetyki jądrowej na świecie trudno się dziwić, że w drastyczny sposób spadło zaufanie ludzi do tego sposobu pozyskiwania energii elektrycznej.

Obecnie łączna moc wszystkich elektrowni jądrowych pracujących na świecie wynosi około 275 GW. Największa ilość energii elektrycznej jest uzyskiwana z energetyki jądrowej na terytorium Stanów Zjednoczonych. Pracuje tam 108 reaktorów jądrowych. Wśród krajów europejskich natomiast dominuje Francja posiadająca na swym terenie 55 reaktorów. Inne kraje, które w dużym stopniu wykorzystują energię jądrową można wymienić Japonię , Rosję, Ukrainę oraz Niemcy. Natomiast największy procent energii elektrycznej uzyskiwanej kosztem energii jądrowej przypada na Litwę. Jest to ponad 80 %. Drugie miejsce zajmuje Francja - prawie 70 % , a trzecie Belgia - ponad 65 %.

Energetyka jądrowa zdecydowanie lepiej i szybciej rozwija się w krajach Dalekiego Wschodu. Można tutaj wymienić Koreę Południową, Chiny a także Iran, Indie i Pakistan.

Wraz ze znacznym wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną problem powstawania nowych elektrowni na terenie Europy oraz wielu krajów świata pojawił się ponownie. W wielu przypadkach konieczna była zmiana polityki rządu i przyjęcie programu opowiadającego się za wykorzystaniem energii jądrowej.

Jest to tym ważniejsze w dzisiejszych czasach, że świat stoi przed groźbą wyczerpania się tradycyjnych paliw kopalnych. Wiadomo, że programu warunkującego zastąpienie tych surowców nie da się przeprowadzić w ciągu kilku miesięcy a nawet kilku lat. Dlatego konieczne jest aby już teraz zweryfikować swoją politykę energetyczną i wybrać najbardziej optymalne źródła energii.

Za energetyką jądrową przemawia wiele argumentów. Przede wszystkim wbrew powszechnym opiniom jest to sektor bardzo bezpieczny, oczywiście przy zachowaniu podstawowych środków ostrożności i nie lekceważeniu potencjalnych zagrożeń. Jednocześnie jest to sektor bardzo wydajny, a koszt pozyskiwania energii jest mniejszy niż w przypadku tradycyjnych elektrowni węglowych. Droższy jest tylko rozruch samej elektrowni. Jest to bowiem związane z budową kosztownych systemów zabezpieczeń. No i jest jeszcze problem odpadów promieniotwórczych pozostałych po wypalonym paliwie jądrowym. Warto przyjrzeć się bliżej temu problemowi.

Odpady promieniotwórcze zawierają promieniotwórcze izotopy wielu pierwiastków. Stąd bierze się ich szkodliwość i konieczność przechowywania w specyficznych i ściśle określonych warunkach. Odpady promieniotwórcze klasyfikuje się na podstawie ich postaci fizycznej, aktywności i czasu połowicznego zaniku.

Biorąc pod uwagę postać fizyczną odpady promieniotwórcze można podzielić na stałe, ciekłe i gazowe. Natomiast o tym czy dane odpady zaliczane są do grupy nisko -, średnio- czy wysokoaktywnych decyduje zawartość i rodzaj izotopów promieniotwórczych.

Warto jeszcze zaznaczyć, że źródłem odpadów promieniotwórczych są nie tylko same reaktory , ale odpady pochodzą także z kopalni rud uranowych, fabryk gdzie się te rudy przerabia. Odpadów promieniotwórczych dostarcza także medycyna, rolnictwo oraz wiele ośrodków naukowych wykorzystujących izotopy promieniotwórcze do badań naukowych.

Gazy będące odpadami promieniotwórczymi zawierają przede wszystkim izotopy kryptonu i ksenonu. Natomiast najwięcej odpadów ma postać ciekłą lub stałą.

Odpady ciekłe zanim podda się je długotrwałemu przechowywaniu najpierw muszą być oczyszczone z izotopów uranu i plutonu, które stanowią około 15 procent całego roztworu. W dalszej kolejności składuje się je w specjalnie do tego celu przygotowanych pojemnikach a następnie wiąże się je z masa szklaną. Masa szklana skutecznie zapobiega wymywaniu produktów rozszczepienia z przygotowanych do składowania odpadów. Następnie całość umieszcza się w pojemnikach wykonanych ze stali nierdzewnej.

Natomiast wysokoaktywne odpady mające postać stałą to przede wszystkim fragmenty wchodzące w skład konstrukcji zestawów paliwowych a także koszulki elementów paliwowych.

Materiały należące do grupy odpadów średnio- i niskoaktywnych to wykorzystane jonity, a także skażone narzędzia i elementy stanowiące wyposażenie reaktora jądrowego.

W zależności od aktywność odpadów promieniotwórczych różna jest droga ich unieszkodliwiania. Jeśli odpady są niskoaktywne wtedy wystarczające jest ich rozproszenie w środowisku. I tak gazy miesza się z powietrzem, a odpady ciekłe wypuszcza się do zbiorników wodnych pamiętając jednak o tym, żeby ich poziom nie przekroczył dopuszczalnych norm.

Jeżeli odpady są wysokoaktywne to w pierwszej kolejności są one zatężane, a następnie zamykane w szczelnych pojemnikach.

Tak przygotowane odpady są następnie składowane. Najczęściej odbywa się to na terenach przyległych do elektrowni jądrowej lub na terenach specjalnie do tego wybranych. Mogą być składowane przejściowo lub ostatecznie.

Czas składowania przejściowego waha się od kilu miesięcy do pięciu lat. Zazwyczaj miejscem przechowywania są tereny w pobliżu samego reaktora, w którym powstały. Dzięki takiemu przechowywaniu odpady średnioaktywne tracą pewien procent swojej aktywności.

W zależności od tego jaki jest rodzaj odpadów promieniotwórczych oraz jakie warunki panują na terenie danego kraju wybiera się właściwe miejsce na składowanie ostateczne odpadów. W zależności od lokalizacji składowiska można wyróżnić składowiska naziemne, podziemne oraz składowiska zlokalizowane w głębokich formacjach geologicznych.

Składowiska naziemne konstruuje się w ten sposób, że obok siebie umieszcza się komory z betonu. Komory te tylko w niewielkim stopniu znajdują się poniżej powierzchni ziemi. Do takich komór wkłada się uprzednio zamknięte w szczelnych zbiornikach odpady promieniotwórcze. Następnie komory te zalewa się betonem.

W ten sposób przechowuje się odpady nisko- i średnioaktywne. Składowiska naziemne lokalizuje się np. w starych nieużywanych budynkach lub innych odpowiednich pod względem hydrogeologicznym terenach.

Składowiska podziemne natomiast lokalizuje się pod powierzchnią ziemi. Jednak głębokość składowania nie może przekraczać 200 metrów. Składowisko takie służy do przechowywania odpadów nisko - i średnioaktywnych.

Natomiast dla odpadów wysokoaktywnych najlepszym miejscem składowania są głębokie formacje geologiczne. Głębokość składowania waha się zwykle między 400 a 1100 m. Warunki jakie musi zapewniać takie składowisko to całkowita izolacja materiałów promieniotwórczych od środowiska zewnętrznego. Zazwyczaj za takie składowiska służą nieużywane już kopalnie soli.

Miejsca te nadają się na składowisko z kilku powodów. Po pierwsze zapewniają całkowitą i długotrwałą izolację materiałów aktywnych. Przy tym cechują się dużą stabilnością i w zasadzie nie ma ryzyka wystąpienia jakichkolwiek ruchów geologicznych na tym terenie.

Poza tym dzięki dużej przewodności cieplnej ciepło emitowane przez odpady może być odbierane dzięki temu niwelowane jest ryzyko np. nadtopienia pojemników z odpadami.

Widać więc, że znalezienie odpowiedniego miejsca na odpady wcale nie jest sprawą prostą. Na terenie naszego kraju odpady promieniotwórcze umieszczane są w składowisku podziemnym. Znajduje się ono w miejscowości Różan, na terenie byłego fortu wojskowego.

Obecnie wśród państw na świecie analizuje się możliwość wysyłania wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych w przestrzeń kosmiczną.

Na koniec warto jeszcze przybliżyć konstrukcję reaktora jądrowego i zasady jego pracy. Reaktor jądrowy jest urządzeniem bazującym na reakcji rozszczepienia jąder atomowych. Dla jąder ciężkich mianowicie bardziej korzystny energetycznie jest podział na dwa mniejsze jądra. Jednakże okazuje się, że suma mas tych jąder jest mniejsza niż masa jądra ulegającego rozszczepieniu. Masa ta zgodnie ze wzorem Einsteina o równoważności masy i energii jest zamieniana na energię, która w dużej ilości jest emitowana w procesach rozszczepienia.

W celu zwiększenia prawdopodobieństwa rozszczepienia jądra ciężkiego bombarduje się je neutronami o odpowiedniej energii.

W pojedynczym akcie rozszczepienia jądra ciężkiego powstaje na ogół kilka neutronów. Skąd one się biorą? Można to wyjaśnić po przeanalizowaniu stosunku protonów do neutronów w jądrze rozszczepianym, które zazwyczaj zawiera nadmiar neutronów oraz w jądrach pierwiastków lekkich.

Każdy neutron, który powstanie w akcie rozszczepienia może powodować kolejne procesy rozszczepienia. I dzięki temu może dojść do rozwoju reakcji łańcuchowej. Jest to proces samowystarczalny.

Aby doszło do rozwoju reakcji łańcuchowej musi być odpowiednia ilość materiału rozszczepialnego. Mówi się tutaj o tzw. masie krytycznej. W reaktorach jądrowych ważne jest , aby było zachowane jednakowe tempo rozszczepień, czyli żeby ilość aktów rozszczepienia przypadająca na dana jednostkę czasu była mniej więcej stała. Taką kontrolowaną reakcję rozszczepienia po raz pierwszy przeprowadził w roku 1942 Enrico Fermi.

Aby spalenie paliwa odbywało się powoli konieczne jest stosowanie odpowiednich zabezpieczeń. W tym celu konieczne jest stosowanie materiałów, które mają zdolność wyłapywania nadmiaru neutronów. W tym celu stosuje się bor lub kadm. Musi również zachodzić regulacja w drugą stronę. Mianowicie przekrój czynny neutronów prędkich na rozszczepienie jest mały. Dlatego też musza być one spowalniane aby zwiększyć prawdopodobieństwo zajścia reakcji rozszczepienia po zderzeniu neutronu z jądrem. Materiały spowalniające stosowane w reaktorach noszą nazwę moderatorów. Mogą to być pręty grafitowe lub ciężka woda.

Głównym elementem reaktora jest rdzeń , który składa się z prętów paliwowych. W prętach tych znajduje się materiał rozszczepialny. Obecne są także pręty bezpieczeństwa. Dzięki nim jest możliwe zablokowanie procesów rozszczepienia w reaktorze w razie jakiejkolwiek awarii.