ENERGETYKA JĄDROWA
REAKTORY A BROŃ JĄDROWA
BOMBA ATOMOWA
W 1942 roku w nowo wybudowanym tajnym mieście Los Alamos w stanie Nowy Meksyk w Stanach Zjednoczonych rozpoczęto badania nad skonstruowaniem bomby atomowej. Dzięki ogromnemu nakładowi materiałów, pieniędzy i ludzkiej pracy na początku lipca 1945 roku (osiem tygodni po kapitulacji Niemiec) ukończono tajny „Projekt Manhattan”. Pierwsza doświadczalna bomba atomowa „Trinity” została zdetonowana 16 lipca na terenie doświadczalnym na pustyni w odległości czterech godzin drogi od Los Alamos. Druga i trzecia bomba zostały zrzucone 6 i 9 sierpnia 1945 roku na japońskie miasta Hiroszima i Nagasaki. Olbrzymia siła uderzeniowa bomb zniszczyła wszystkie budynki w promieniu kilku kilometrów, fala ciepła wzbudziła ogromne i liczne pożary, a silne promieniowanie zabiło tysiące ludzi. Tylko w Hiroszimie zmarło natychmiast 100 000 ludzi a o wiele więcej doznało ciężkich poparzeń i uszkodzeń radiacyjnych. Na skutek tych eksplozji do dzisiaj umierają ludzie.
Aby wywołać w bombie reakcję łańcuchową, muszą być spełnione dwa warunki:
· potrzebny jest uran wzbogacony, to jest ze zwiększoną do około 20% zawartością izotopu U-235;
· potrzebna jest minimalna masa izotopu U-235.
Dopiero przy tej masie, zwanej masą krytyczną, i odpowiednich rozmiarach kuli uranowej następuje samorzutna reakcja łańcuchowa. Jeśli masa jest mniejsza lub nieodpowiednie są rozmiary kuli uranowej, to zbyt wiele neutronów ucieka z miejsca reakcji, nie rozszczepiając żadnego jądra.
KONTROLOWANE ROZSZCZEPIENIE JĄDER
Jeśli energia jądrowa ma być wykorzystywana do celów pokojowych, to reakcja łańcuchowa musi być hamowana i kontrolowana. Z dwóch do trzech neutronów powstających przy każdym rozszczepieniu tylko jeden może ponownie wywołać rozszczepienie jądra. Pozostałe neutrony zostają wyłapane przez jądra atomów otaczającego U-235 materiału lub pręty regulacyjne.
Naturalny uran nie nadaje się do ciągłego rozszczepiania jąder, musi zostać wzbogacony. Zawartość łatwo rozszczepialnych jąder U-235 w uranie wzbogaconym zostaje zwiększona z 0,7% do 3%. Taka koncentracja nie wystarcza do powstania niepohamowanej reakcji łańcuchowej, reaktor jądrowy nie jest więc bombą atomową.
Aby móc utrzymać ciągłe rozszczepianie jąder we wzbogaconym uranie, muszą zostać stworzone sprzyjające warunki: powstałe przy rozszczepieniu jądra szybkie neutrony muszą natychmiast opuścić uran, aby nie zostały wyłapane przez inne liczne jądra. Dlatego długie pręty paliwowe mają grubość palca.
Pręty uranu są otoczone wodą pełniącą rolę moderatora, czyli substancji hamującej neutrony. Szybkie neutrony zostają zahamowane przez zderzenia z cząsteczkami wody. Wolniejsze neutrony wracają teraz do prętów paliwowych i mogą rozszczepić jądra U-235.
Do regulacji ilości neutronów służą pręty regulacyjne, np. kadmowe lub ze związków boru. Te materiały są silnymi „łapaczami neutronów”. Jeśli powoli wyciągniemy pręty regulacyjne spomiędzy prętów paliwowych, to mniej neutronów zostanie wyłapanych. W konsekwencji dochodzi do większej ilości rozszczepień jądrowych i uwalnia się więcej energii. Wydajność reaktora wzrasta. Jeżeli pręty regulacyjne zostaną całkowicie wsunięte, to zostanie wyłapanych tyle neutronów, że ciągłe rozszczepianie jąder ustanie zupełnie. Reaktor jest „wyłączony”.
ELEKTROWNIA ATOMOWA
Sercem elektrowni atomowej jest reaktor, w którym zachodzą rozszczepienia jąder. W zbiorniku reaktora znajduje się około 150 elementów paliwowych. Każdy taki element zawiera prawie 200 prętów paliwowych, które są tak ułożone, że są obmywane przez wodę i nie stykają się między sobą. Pojedynczy pręt paliwowy składa się z gazoszczelnej metalowej rury, wypełnionej tabletkami z dwutlenkiem uranu. Między tymi prętami paliwowymi znajdują się pręty regulacyjne. W ciągu trzyletniego czasu użytkowania elementów paliwowych rozszczepieniu ulega około trzech czwartych jąder U-235. Rocznie w elektrowni wymienia się na nowe jedną trzecią elementów paliwowych.
Zbiornik reaktora jest całkowicie wypełniony wodą. Woda w reaktorze pełni podwójną rolę: z jednej strony jest moderatorem, służącym do spowalniania szybkich neutronów, a z drugiej strony jest środkiem chłodzącym, odprowadzającym energię. W tym celu przepływa między prętami paliwowymi i pobiera od nich energię cieplną. Aby woda nie zaczęła wrzeć, znajduje się pod tak dużym ciśnieniem, że może zostać podgrzana aż do temperatury 320oC.
Pogrzana woda jest pompowana w zamkniętym obiegu przez wymiennik ciepła. W wymienniku ciepła gorąca woda płynie przez system rur i doprowadza do wrzenia, podobnie jak grzałka nurkowa, wodę w drugim obiegu. Powstała para napędza turbinę w maszynowni, a ta z kolei obraca generator. Za turbiną para zostaje skroplona i ponownie wpompowana do wymiennika. Do skroplenia wody potrzebny jest trzeci obieg, tym razem otwarty, zasilany zimną wodą pobraną np. z rzeki.
ZABEZPIECZENIA REAKTORA
Reaktor wodny ciśnieniowy posiada trzy oddzielne obiegi wody. Napromieniowana radioaktywnie woda chłodząca pręty paliwowe nie styka się w ten sposób z wodą, która zasila kotły parą napędzającą turbinę.
Do licznych technicznych urządzeń zabezpieczających elektrowni jądrowej należą również trzy systemy pomp, zaworów i filtrów. Jeśli jedna pompa zepsuje się, to natychmiast może zacząć działać druga lub trzecia. Trzy zawory zamykające zamontowane są równolegle, a trzy zawory otwierające szeregowo, i do tego są one różnie zbudowane. Mało prawdopodobne jest, aby wszystkie zawiodły równocześnie.
Awaria rurociągu doprowadzającego substancję chłodzącą jest uważana za najbardziej prawdopodobną przyczynę wypadku. Woda wypływająca z rurociągu pod dużym ciśnieniem wyparowuje bardzo szybko. Dlatego obudowa bezpieczeństwa musi być tak zaprojektowana, aby para mogła się rozszerzyć i by nie powstało niebezpieczne nadciśnienie. Rozszczepianie jąder zamiera natychmiast, ponieważ brakuje moderatora (spowalniacza neutronów). Pręty paliwowa ulegają jednak dalszemu ogrzaniu wskutek rozpadu radioaktywnych substancji. Aby pręty nie stopiły się, co byłoby katastrofalne w skutkach, istnieje awaryjny system chłodzenia, który natychmiast zalewa reaktor wodą i skrapla parę.
BARIERY BEZPIECZEŃSTWA
Niezwykle ważne jest, aby również w razie awarii materiały radioaktywne oraz promieniowanie radioaktywne nie wydostały się poza budynek reaktora. Zagwarantować to ma kilka barier.
Pierwszą z nich jest sam dwutlenek uranu. Stałe produkty rozpadu pozostają w materiale. Szczelne pręty paliwowe stanowią drugą barierę: zatrzymują lotne produkty rozpadu.
Zbiornik reaktora wykonany ze stalowych ścian o grubości 25 cm jest trzecią barierą, otaczającą cały materiał radioaktywny i środki chłodzące. Jest odporny na bardzo duże ciśnienia.
Czwartą barierą jest ściana ochronna, wykonana z betonowego muru o grubości ponad jednego metra, która otacza reaktor i wymiennik ciepła oraz osłania ludzi przed promieniowaniem.
Obudowa bezpieczeństwa (piąta bariera) jest stalową powłoką w kształcie kuli o grubości ściany 3 cm i średnicy około 50 m. Ten gazoszczelny pojemnik otacza całą część jądrowo-techniczną elektrowni i zapobiega przedostaniu się materiałów radioaktywnych na zewnątrz nawet w razie awarii.
Szósta bariera to budynek reaktora w kształcie kuli, zbudowany z żelbetonu o grubości 2 m, który chroni reaktor przed uszkodzeniami od zewnątrz i może przetrwać nawet upadek samolotu.
ZMIANY W PALIWIE REAKTOROWYM
Podczas pracy reaktora tworzy się duża ilość produktów rozpadu. Nie rozszczepialne jądra uranu 238 przechwytują neutrony i przekształcają się w pluton-239. Ten rozszczepialny izotop o czasie połowicznego rozpadu około 24 000 lat emituje promienie a i jest bardzo trujący. Może być użyty w bombach atomowych oraz w prętach paliwowych w elektrowniach jądrowych. Większa część powstałego plutonu zostaje ponownie rozszczepiona w reaktorze, a tym samym unieszkodliwiona.
Zużyte elementy paliwowe są najpierw przynajmniej przez rok przechowywane pod wodą na terenie elektrowni.
W tym czasie materiał radioaktywny o krótkim czasie półrozpadu przekształca się tak, że cała aktywność pręta maleje do około 1% wartości początkowej. Następnie ciągle silnie radioaktywne elementy paliwowe zostają przetransportowane w specjalnych pojemnikach ochronnych do zakładów, w których się je przerabia lub do magazynów zużytego paliwa.
W zakładach tych pręty paliwowe zostają przerobione, a zdatne jeszcze do użytku materiały zostają chemicznie oddzielone od nieużytecznych produktów rozpadu. Odpady o bardzo wysokiej radioaktywności zostają zatopione w szkle. Muszą one zostać bezpiecznie zmagazynowane na co najmniej 600 lat.
SKŁADOWANIE KOŃCOWE
Materiały radioaktywne można bezpiecznie składować tylko głęboko pod powierzchnią Ziemi. W Niemczech składowiska urządza się w słupach solnych w dawnych kopalniach soli, uważanych za najbezpieczniejsze miejsca, ponieważ:
· słupy soli nie mają kontaktu z wodą gruntową. Chociaż sól jest rozpuszczalna w wodzie, miejsca te nie uległy istotnym zmianom przez 200 milionów lat;
· sól pod działaniem dużego ciśnienia staje się plastyczna. Powstałe szczeliny zamykają się samoistnie. Słupy soli pozostają dlatego wodo- i gazoszczelne;
· sól odznacza się dobrą przewodnością cieplną.
Podręcznik strony: 199 – 201.
Analiza zadań do rozdziałów ze stron 199 – 201.
BIEDRONKA102