• Elektrownie jądrowe

Energia jądrowa ma za zadanie odzyskanie energii wiązania jądra atomowego, przetworzenie jej do postaci innej energii (cieplnej, elektrycznej) oraz pozbycie się szkodliwych produktów reakcji jądrowych. Procesy zachodzące w reaktorach są zarazem bardzo wydajne i bardzo niebezpieczne, o ile wymykają się człowiekowi spad kontroli. Bez względu na ewentualne zagrożenia, jakie za sobą niesie, energia jądrowa na przeciągu kilkuset lat prawdopodobnie zastąpi w dużej mierze inne, konwencjonalne sposoby pozyskiwania energii na skutek wyczerpywania się paliw kopalnych.

By rozważać sens rozwoju energetyki jądrowej należy najpierw zrozumieć, czym właściwie są reakcje nuklearne i skąd bierze się ta energia. Można powiedzieć, że energia jądra atomowego pochodzi z energii zużytej podczas formowania się pewnych pierwiastków (np. uran) na wytworzenie wiązań jądrowych - sił utrzymujących jądro ciężkie w stabilnej całości. Energia ta może wyzwalać się na dwa sposoby: przy rozszczepienia większego jądra na lżejsze lub w reakcjach syntezy - łączenia się jąder. Energia wyzwalana w tych procesach jest znaczna. Dla przykładu: w rozczepieniu jąder jednego kilograma uranu otrzymać można przeciętnie energie rzędu energii wyprodukowanych przy spalaniu ponad dwóch tysięcy ton węgla kamiennego.

Fizyka jądrowa rozwija się od lat trzydziestych. W roku 1934 znany fizyk Fermi przeprowadził słynne już doświadczenie polegające na bombardowaniu jąder uranu wolnymi neutronami i obserwowaniu produktów rozpadu tych jąder. Na prawdziwą reakcję rozszczepienia trzeba jednak było czekać aż do roku 1938, gdy Hahn i Strassmann wywołali rozpad jąder izotopu uranu 235. Następne odkrycia wykazały, że w reakcjach tego typu muszą powstawać swobodne neutrony. Ponieważ neutrony są właśnie cząstkami wywołującymi bezpośrednio rozszczepienie, produkcja wolnych neutronów oznacza, że zachodzić może samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa. Obecnie w reaktorach dąży się przede wszystkim do zapanowania nad taką reakcja łańcuchowa poprzez regulowanie ilości tworzących się neutronów, a tym samym tempa, z jakim zachodzi reakcja rozszczepienia. Po raz pierwszy częściowo kontrolowana reakcję udało się uzyskać w latach czterdziestych. Oprócz tego oczywiście wykorzystywano reakcje łańcuchowe niekontrolowane w bombach atomowych.

Podczas prawy współczesnego reaktora część energii musi wydzielać się w postaci ciepła. Ponieważ przegranie rdzenia byłoby bardzo ryzykowne i uniemożliwiłoby kontrolę tempa reakcji, ciepło to musi być na bieżąco odbierane przez wodę chłodzącą reaktor, przepływającą w pobliżu miejsc krytycznych specjalnymi kanałami i skupioną pod podwyższonym ciśnieniem. Ciecz ma z założenia oddać otrzymane ciepło wodzie znajdującej się pod mniejszym ciśnieniem, po czym powrócić do basenu reaktora w obiegu zamkniętym. Taka ciecz chłodząca nazywana jest w fizyce jądrowej czynnikiem roboczym. Temperatura wody w pobliżu rdzenia dochodzi do ok. 300 °C; nie gotuje się jedynie na skutek wysokiego ciśnienia. Woda taka przemieszczana jest do mechanicznej wytwornicy pary wodnej, gdzie jej ciepło zamieniane jest na energie mechaniczną używaną do napędzania turbin generujących napięcie elektryczne.

Dwoma pierwiastkami promieniotwórczymi, które można z powodzeniem wykorzystywać do wyzwalania energii jądrowej, są uran i pluton. Najczęściej używany jest jeden z izotopów uranu. Uran w postaci małych kulek pokrytych najczęściej warstwą grafitu, zdolną do wyhamowywania wolnych neutronów, umieszcza się w specjalnych prętach paliwowych o długość do kilku metrów i średnicy rzędu kilku do kilkunastu centymetrów. Pracujące w danym momencie pręty są sercem tzw. rdzenia. Oprócz prętów umieszczonych "na stałe" używane są pręty sterujące, te z kolei mogą być wyjmowane lub wpuszczane do rdzenia, w zależności od tego, czy chcemy przyśpieszyć, czy opóźnić tempo reakcji.

  • Problem odpadów radioaktywnych

Odpady radioaktywnie czynne (lub odpady promieniotwórcze) są substancjami o dowolnym stanie skupienia charakteryzujące się większą niż maksymalna dopuszczalna w danym przypadku na danym terenie ilość jąder pierwiastków promieniotwórczych. Stanowią one efekty uboczne reakcji jądrowych w reaktorze oraz procesów przetwarzania uranu i plutonu. Mniejsze ich ilości bywają generowane podczas badań z zakresu medycyny, biologii, technice i przemyśle.

Istnieją dwa podstawowe typy odpadów promieniotwórczych: materiały o znikomej radioaktywności oraz substancje o aktywności średniej lub dużej. W pierwszym przypadku odpady rozcieńczane są w środowisku naturalnym (gaz, wody morskie lub śródlądowe.) Rozcieńczenie musi oczywiście być na tyle skuteczne, by końcowa promieniotwórczość roztworu nie była wyższa od stężenia dopuszczalnego. W przypadku drugim substancje mocno promieniujące należy odizolować od środowiska. Najczęściej są obkładane kilkoma warstwami nieprzepuszczającej powłoki i dodatkowo jeszcze szczelnie pakowane. Można również zmniejszać rozmiary ciał radioaktywnych przez ściskanie, sprasowywanie, palenie itp. Po takim spreparowaniu gotowe pakiety zabezpieczonych materiałów umieszcza się pod powierzchnią ziemi, starych kopalniach, sztolniach, lub na dnie oceanicznym. Radioaktywność takich opadów jest oczywiście malejąca funkcją czasu.

Obecnie coraz większa ilość ekologów i polityków zaczyna nie tylko akceptować, ale i popierać inwestycje związane z produkcją energii jądrowej. Argumenty są w tym przypadku następujące: trudność w znalezieniu równie wydajnych alternatywnych źródeł energii, wyczerpywanie się paliw, możliwość zabezpieczenia odpadów promieniotwórczych, poprawa czystości atmosfery nad obszarami wolnymi od konwencjonalnych elektrowni i względnie niski koszt uzyskania energii za pomocą reaktora jądrowego.

  • Wpływ niewielkich dawek promieniowania na zdrowie

Promieniowanie o niewielkim natężeniu jest nieszkodliwe dla zdrowia i otacza nas zewsząd. Wystarczy wspomnieć, że istnieje tzw. tło naturalne, czyli wszechobecna, niewielka promieniotwórczość Ziemi i Kosmosu. Dzieje się tak na skutek występowania izotopów promieniotwórczych w samej naturze. Dobrym przykładem są tu obliczenia naukowe dowodzące że kobieta poruszająca się przez ośmiogodzinny dzień pracy w obuwiu na wysokim obcasie narażona jest na dawkę promieniowania wynoszącą mniej więcej tyle samo, na ile działałaby na nią pobliska elektrownia atomowa w czasie rzędu tysięcy lat. Wszystko to za sprawą wzrostu stężenia promieniowania naturalnego tła wraz każdym centymetrem wysokości nad poziomem morza. Oczywiście ani w przypadku kobiet, ani ludzi latających regularnie samolotami czy uprawiających wspinaczkę wysokogórską nie obserwuje się negatywnego wpływu tego promieniowania na zdrowie - dawka jest ciągle zbyt mała. Zwolennicy energetyki jądrowej argumentują także w ten sposób, że naturalna promieniotwórczość nie może być dla ludzi w istotny sposób szkodliwa małych dawkach, skoro nasz organizm genetycznie zaprogramowany jest do przyswajania jedynie jedynego promieniotwórczego izotopu potasu z kilku możliwych, nie promieniotwórczych.

W przypadku dawek promieniowania większych niż dopuszczalne, wyznaczone przez lekarzy, należy oczywiście zachować duża ostrożność. Nie będzie szkodliwa promieniotwórczość rzędu kilkudziesięciu Bekereli na kilogram, charakterystyczna dla zdrowego organizmu człowieka, czy promieniotwórczości z zakresu ułamkowych części Bekerela, jaką może mieć woda rzeczna. Udowodnionym faktem jest natomiast duża zachorowalność na nowotwory, chorobę popromienną, białaczkę wśród osób przez dłuższy czas narażonych na promieniowanie bardzo silne, np. na skutek katastrofy elektrowni w Czarnobylu lub przy zrzuceniu bomb atomowych na Hiroszimę i Nagasaki. W tym ostatnim przypadku dawki promieniowania były na tyle duże, że czas oddziaływania z nimi nie robił istotnej różnicy dla zdrowia dotkniętych tym osób.

Pomijając takie skrajne przypadki, małe dawki promieniowania są z powodzeniem stosowne w medycynie, np. do leczenia pewnych rodzajów komórek nowotworowych. Udowodniono, ze, nieco paradoksalnie, na terenach z nieco wyższym niż średnia tło naturalne promieniowania notuje się mniej zachorowań na nowotwory. Tak więc działanie izotopów promieniotwórczych na ciało ludzkie jest ściśle związana z dawką promieniowania i może zmieniać się drastycznie wraz z jej wzrostem. Jedynymi realnymi zagrożeniami są: awaria aparatury pomiarowej i niebezpieczne zwiększenie dawki oraz groźba ogólnej katastrofy, jak wspomniany już Czarnobyl.

  • Katastrofalne skutki awarii elektrowni jądrowych

Za czasów swego powstania (pierwszy blok reaktora w Czarnobylu na Ukrainie uruchomiono w 1978 roku) elektrownia ta była dość nowoczesna. Liczyła sobie cztery działające reaktory o sumarycznej mocy trzech tysięcy megawatów. Chłodzone były one wodą, a substancją moderującą w rdzeniu był tradycyjny grafit. Taki system stanowi dość duże ryzyko utraty kontroli nad reaktorem w razie awarii. Prawdopodobnie na skutek błędu ludzkiego i nieodpowiedzialności w roku 1986 do katastrofy bloku czwartego reaktora w Czarnobylu. Najgroźniejszym bezpośrednim skutkiem było zasilenie atmosfery nad Ukrainą dużymi ilościami izotopów radioaktywnych o znacznym stężeniu, takich jak jod, stront, cez. Dalsze rezultaty to skażenie gleby i wód (Ukraina, Białoruś, Rosja). Ze względu na panujące wówczas nad terenami Ukrainy warunki pogodowe i fronty atmosferyczne doszło do rozprzestrzeniania się chmury radioaktywnej nad Europę Środkową i Północną. Duże tego skutki odczuła zwłaszcza Skandynawia oraz Grecja. Często informacje o katastrofie docierały do krajów poszkodowanych zbyt późno, wadze Ukrainy z początku usiłowały ukryć prawdę o Czarnobylu, co także przyczyniło się do późniejszego wzrostu zachorowań.

Bilans katastrofy, której, jak wykazało śledztwo, nietrudno dałoby się uniknąć, to śmierć kilku tysięcy ludzi, niemal całej załogi obecnej w elektrowni podczas wybuchu reaktora oraz około 50 likwidatorów bloku czwartego. Na terenach objętych skażeniem nadal notuje się podwyższone ryzyko zachorowań, zwłaszcza na anemię i choroby tarczycy. Blok reaktora został odcięty i zalany betonem celem zmniejszenia radioaktywności, blok drugi spalił się bez groźniejszych konsekwencji w roku 1992, dwa ostatnie bloki działały jeszcze przez kilka lat.

Obecnie wymogi bezpieczeństwa są bardziej surowe, od czasów elektrowni w Czarnobylu wprowadzono zabezpieczenia takie jak dodatkowy zbiornik samego reaktora, paliwo w postaci pastylek, koszulki cyrkonowe, system wielu barier w obrębie bloku, tak, by zabezpieczenia działy po utracie kilku z nich. Obecnie, przy takich warunkach, reaktory stanowią jedne z najbezpieczniejszych elektrowni na świecie, w razie awarii nie ma m.in. potrzeby ewakuacji dużych terenów zamieszkanych. W razie groźnej awarii obecne elektronie maja systemy powodujące ich samoczynne wyłączanie się. Należy o tym pamiętać, słuchając głosu zagorzałych, ale często niedoinformowanych krytyków energetyki jądrowej.