Jak wydobyć prąd z uranu

Początkowo najtęższe nawet mózgi odrzucały możliwość jakiegokolwiek wykorzystania energii jądrowej. Ponoć Albert Einstein zapytany przez studenta o możliwość wykorzystania słynnego równania

E = mc2 do produkcji bomby o niespotykanej sile, wyśmiał go, a Ernest Rutherford, zwany ojcem fizyki nuklearnej, nazwał w 1933 r. pomysły wykorzystania energii atomowej mrzonkami. Ale w 1938 r. Niemiec Otto Hahn stwierdził, że bombardowanie uranu neutronami prowadzi do pojawienia się pierwiastków lżejszych niż uran, co oznacza ni mniej ni więcej, że jądro uranu rozpada się (rozszczepia) na mniejsze jądra (po II wojnie światowej dostał za to Nagrodę Nobla).

Generacja I:

ciepło uboczne

Czasy były niespokojne, wielu ludzi emigrowało do Ameryki, między innymi węgierski Żyd Leo Szilard i Włoch Enrico Fermi (który miał żonę Żydówkę). Już w USA ci dwaj naukowcy udowodnili, że rozpadające się jądra uranu uwalniają nowe neutrony, co z kolei sprawia, że w uranie możliwa jest samopodtrzymująca się reakcja rozszczepienia, określona później jako reakcja łańcuchowa. Szilard namówił innego emigranta, Alberta Einsteina, aby podpisał list do prezydenta Roosevelta, w którym ostrzegał przed możliwością zbudowania broni atomowej przez nazistów (później autorstwo listu było przypisywane Einsteinowi). W ten sposób powstał projekt Manhattan, którego ukoronowaniem, jak wiadomo, było zbombardowanie Hiroszimy i Nagasaki.

W ramach tego projektu Fermi i Szilard zbudowali pierwszy na świecie reaktor atomowy Chicago Pile-1. Był to stos bloków grafitowych (stąd często używana nazwa "stos atomowy"), z których część miała wydrążone otwory do umieszczenia trzpieni (prętów) wykonanych z uranu. Zadaniem grafitu było spowalnianie neutronów. Reakcja łańcuchowa rozpoczynała się w momencie wyciągnięcia pręta kadmowego, a wsunięcie go do stosu zatrzymywało reakcję. Reaktor uruchomiono po raz pierwszy w grudniu 1942 r. Potem w ramach projektu Manhattan budowano kolejne reaktory, których głównym zadaniem była produkcja plutonu na potrzeby przemysłu zbrojeniowego, a produktem ubocznym były duże ilości ciepła.

Koniec wojny nie tylko nie zatrzymał prac nad reaktorami, ale wręcz je skierował na tory, na których przez kolejnych 50 lat się rozwijały. Do 1950 r. nikt nie myślał o pokojowym wykorzystaniu energii nuklearnej. Leo Szilard, zdruzgotany zbombardowaniem japońskich miast, przestał się zajmować fizyką. Ale wojsko intensywnie pracowało nad wykorzystaniem energii jądrowej do napędu okrętów, czołgów i samolotów (ostatecznie dwa ostatnie pomysły zarzucono). W 1951 r. po raz pierwszy wykorzystano ciepło z reaktora do wytworzenia pary i napędu turbiny. Był to reaktor EBR-1 w Arco w stanie Idaho, który dostarczał mocy około 100 kW (co wystarcza do zasilenia tysiąca stuwatowych żarówek).

Generacja II:

atom pokojowy

Dopiero w 1953 r. prezydent USA Dwight Eisenhower wezwał na forum międzynarodowym do pokojowego wykorzystania energii atomowej. Niejako w odpowiedzi, pokój miłujący naród radziecki uruchomił w Obnińsku pierwszą na świecie elektrownię, która była podłączona do sieci energetycznej. Sercem elektrowni był reaktor AM-1 (?tom ?irnyj - atom pokojowy). Generował on moc 5 megawatów elektrycznych (30 megawatów cieplnych) i - jak przystało na reaktor pokojowy - także pluton.

Oczywiście nie tylko rosyjskie reaktory produkowały pluton. Tak w latach 50. XX wieku konstruowano reaktory na całym świecie. Cechą charakterystyczną tego rodzaju konstrukcji jest możliwość sprawnej wymiany paliwa. To bardzo istotne, bo w wyniku reakcji w prętach paliwowych powstaje cenny z militarnego punktu widzenia pluton-239, ale zbyt długie trzymanie go w reaktorze prowadzi do przemiany plutonu (na skutek nieustannego bombardowania neutronami) w bezużyteczne dla wojska izotopy pluton-240 i 241. Dlatego pręty paliwowe należy wymieniać co 30-60 dni, ale powinno to się odbywać bez wyłączania reaktora, bo uruchamianie go zajmowałoby zbyt dużo czasu. Konstrukcje reaktorów Magnox (brytyjska), RBMK (rosyjska) i CANDU (kanadyjska) umożliwiają właśnie produkcję plutonu militarnego. Co ważne, ten ostatni nie był budowany z myślą o produkcji plutonu, lecz o wykorzystaniu uranu naturalnego jako paliwa (niemniej służył do produkcji plutonu w Indiach). Elektrownia w Czarnobylu zbudowana była w oparciu o reaktor RBMK, który w pewnych sytuacjach może być niebezpieczny, ale jego konstrukcja pozwalała w tamtych czasach zbudować reaktor o dużej mocy, a w ostateczności mógł być pożyteczny dla wojska (choć Rosjanie nie produkowali plutonu dla celów militarnych w elektrowniach z tymi reaktorami, robili to w reaktorach o identycznej konstrukcji zlokalizowanych na Syberii). Można rzec, że konstrukcja była pomyślana "na wsiakij słuczaj".

Tylko niewielką liczbę reaktorów budowano z myślą o produkcji plutonu przydatnego dla własnego wojska, bo plutonu i tak nie można było sprzedawać. Większość reaktorów budowanych w latach 50. stanowiły reaktory wodne ciśnieniowe i służyły do napędu łodzi podwodnych. Konstrukcje te miały zapewnić pracę przez długi okres i po zwiększeniu mocy dobrze nadawały się do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych.

Praktycznie wszystkie obecnie działające reaktory w elektrowniach jądrowych należą do drugiej generacji i budowa ich rozwijała się bardzo dynamicznie do czasu katastrofy w Czarnobylu. Zamroziła ona (łącznie z awarią elektrowni Three Mile Island w USA) na wiele lat budowę nowych elektrowni i wymusiła ponowne przemyślenie konstrukcji reaktorów pod względem bezpieczeństwa.

Generacja III: bezpieczeństwo przede wszystkim

Budowane obecnie reaktory to konstrukcje trzeciej generacji. Korzystają one po pierwsze z doświadczeń prawie pół wieku energetyki jądrowej i jednocześnie stanowią pewien powrót do natury, jeśli tak można nazwać energetykę jądrową. Nie chodzi oczywiście o drzewa, ptaszki czy mech porastający reaktor, a raczej o nieufność do zbyt skomplikowanej technologii. Badania po awarii elektrowni Three Mile Island wykazały bowiem, że jedną z jej przyczyn była wadliwa konstrukcja czujnika poziomu wody. Brakowało sygnalizacji zamknięcia zaworu. Operator reaktora nie wiedział, że woda chłodząca uciekała z obiegu pierwotnego, aż doszło do częściowego stopienia rdzenia reaktora.

Z kolei Czarnobyl nauczył projektantów, że trzeba reaktory budować tak, by można było po pierwsze natychmiast korygować dostrzeżone błędy konstrukcyjne, a po drugie, by reaktor w przypadku awarii (wzrostu mocy) sam się wyłączał. Jednym z problemów w Czarnobylu było to, że układy chłodzenia awaryjnego wymagały zasilania energią elektryczną. W takim systemie, gdy dochodzi do wyłączenia turbiny, generator przestaje wytwarzać energię, a co za tym idzie - nie może zasilać układów chłodzenia awaryjnego. Dlatego obecnie budowane reaktory w znacznie większym stopniu wykorzystują ogólne prawa fizyki, których po wyłączeniu prądu nie zabraknie: siłę grawitacji, konwekcję naturalną, parowanie wody itp. Bez zasilania elektrycznego pręty bezpieczeństwa wpadają do rdzenia, stopiony rdzeń dostaje się do chwytacza [patrz schemat na sąsiedniej stronie], woda chłodząca sama krąży w obiegu, a parowanie chłodzi powierzchnię zewnętrzną elementów paliwowych itd.

Kolejną nauczką wynikającą z półwiecza eksploatacji reaktorów jest wcale nie mały problem odpadów radioaktywnych. Choć stanowią one raptem 1 proc. wszystkich szkodliwych substancji, z którymi musimy sobie poradzić (dla porównania: szacuje się, że na dnie Bałtyku Rosjanie utopili dwa razy więcej pod względem wagi broni chemicznej, niż wynosi roczna światowa produkcja uranu), to z pewnością budzą emocje i problemy polityczne, z którymi nie uporały się nawet takie potęgi nuklearne jak USA. Odpady promieniotwórcze są niebezpieczne, wymagają odpowiedniego przechowywania, i coś z nimi trzeba robić. Odpady nisko- i średnioaktywne można stosunkowo łatwo przechowywać (wraz z odpadami powstającymi w medycynie i przemyśle), ale odpady wysokoaktywne, czyli wypalone paliwo jądrowe, wymagają osobnego traktowania. Można je umieszczać w specjalnych pojemnikach i składować głęboko pod ziemią w odpowiednich warunkach i miejscach. Można wydobywać niezużyty uran i powstały pluton, żeby wykorzystywać go do produkcji nowego paliwa, a wyodrębnione produkty rozszczepienia (o długim okresie połowicznego rozpadu - rzędu tysięcy czy nawet setek tysięcy lat) przechowywać również w głębokich składowiskach lub pracować nad ich przetworzeniem w inne pierwiastki o krótszym okresie połowicznego rozpadu, które nie stanowią już zagrożenia.

Obecnie na świecie pracuje kilka reaktorów trzeciej generacji. Pierwszym z nich był uruchomiony w 1996 r. w Japonii reaktor ABWR skonstruowany przez firmy General Electric i Hitachi. Czas jego eksploatacji obliczono na

60 lat. Wywodzi się on z reaktorów wodnych wrzących drugiej generacji. To znaczy, że woda jest moderatorem spowalniającym neutrony, by mogły wywoływać reakcję łańcuchową (rozbijać jądra uranu), a jednocześnie doprowadzana jest do wrzenia, by powstająca para napędzała turbinę. Gdy wzrasta temperatura rdzenia, coraz więcej wody zaczyna wrzeć, spada jej gęstość, a przez to spadają możliwości spowalniania neutronów i maleje intensywność reakcji łańcuchowej, zatem i moc reaktora [więcej o moderatorach w artykule na str. VI]. Tak więc nie istnieje ryzyko niekontrolowanego wzrostu mocy jak w Czarnobylu, gdzie również grafit był moderatorem. Trzeba tu jeszcze dodać, że konstrukcyjnie reaktor ten jest znacznie uproszczony w stosunku do pierwszych reaktorów BWR, a zatem jest znacznie bezpieczniejszy.

Generacja IV:

świetlana przyszłość

Jednak chyba najciekawsze są projekty reaktorów czwartej generacji. Inżynierowie zajmujący się ich budową mają przed sobą kilka celów. Jednym z nich jest możliwość wykorzystania zużytego paliwa z reaktorów II i III generacji, z którym nie bardzo wiadomo, co zrobić. Poddanie tych resztek bombardowaniu neutronami w reaktorach nowego typu sprawia, że najdłużej rozpadające się pierwiastki ulegają przetwo-

rzeniu (nazywa to się transmutacją) i wyładowywane paliwo pozostaje wprawdzie radioaktywne, ale nie przez tysiące, lecz przez dziesiątki lat, co jest akceptowalnym okresem (pamiętajmy na przykład, że iperyt z broni chemicznej nie ulega rozkładowi).

Reaktory czwartej generacji mają też mieć możliwość wykorzystania toru jako paliwa jądrowego [więcej o tym w artykule na str. VI]. Niektóre państwa, takie jak Indie, nie mają dużych zasobów uranu, a dysponują pokaźnymi złożami toru i reaktory wykorzystujące ten pierwiastek stanowić będą o bezpieczeństwie energetycznym tego regionu świata.

Jednym z typów reaktorów tej generacji jest reaktor wysoko- albo bardzo wysokotemperaturowy chłodzony gazem, który można wykorzystać do produkcji wodoru w procesie termo-

chemicznym. Zaś o wodorze myśli się dziś jako o paliwie przyszłości - gdyż jest bardzo czysty: w jego reakcji z tlenem wyzwala się duża ilość energii i woda (dodajmy jednak, że jest to też niebezpieczny, bardzo wybuchowy gaz). Wodór jest o tyle eleganckim nośnikiem energii, że może jej dostarczać w czystej postaci i jest wielokrotnie prostszy do przechowywania niż energia elektryczna.

Niestety reaktory czwartej generacji mają ogromną wadę - są jedynie obiecane, a inżynierowie nie widzą możliwości uruchomienia elektrowni korzystających z tych technologii przed 2025-2030 r. Kto wie, jak do tego czasu będzie wyglądała energetyka - może wreszcie uda się okiełznać fuzję termojądrową?

Ale to już inna opowieść...