Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Rozwój energetyki jądrowej nie byłby możliwy, gdyby nie odkrycia dotyczące budowy atomów. Dziś wiemy, że atomy - w obrazowym ujęciu - składają się z jąder i krążących wokół nich elektronów. Składnikami jąder (czyli nukleonami) są protony i neutrony. Przemiany jądrowe mogą być źródłem energii: synteza jąder lekkich pierwiastków powoduje świecenie gwiazd, natomiast rozpad ciężkich pierwiastków uwalnia energię w ziemskich elektrowniach jądrowych.
Energetyczne przemiany
Energia ta ma źródło w kwantowych oddziaływaniach jądrowych między nukleonami, zwanych oddziaływaniami silnymi. Utrzymują one nukleony w jądrze, bo na odległościach subatomowych pokonują nawet siły odpychania jednakowo naładowanych elektrycznie protonów. Są silniejsze niż wszystkie inne oddziaływania (i dlatego właśnie nazywamy je oddziaływaniami silnymi). Mimo że opisująca je teoria - chromodynamika kwantowa - jest od lat znana, fizycy nie potrafią ściśle obliczyć sił jądrowych w ciężkich pierwiastkach, właśnie dlatego, że są one zbyt silne. Potrafią natomiast tworzyć modele dające dokładne (statystycznie) przewidywania zachowań poszczególnych jąder. Siła wiązania nukleonów, decydująca o stabilności jądra, zależy od liczby nukleonów, ale też np. od tego, czy liczby protonów i neutronów są parzyste. Im silniejsze oddziaływania między nukleonami, tym stabilniejsze jest jądro. Jądra słabiej związane łatwiej ulegają rozpadom.
Najstabilniejsze ze wszystkich jest jądro żelaza. Wśród jąder lżejszych pierwiastków mamy i jądra stabilne (izotopy: hel 4, węgiel 12, tlen 16) i niestabilne, a im więcej nukleonów w jądrze ma dany pierwiastek w porównaniu z żelazem, tym łatwiej spowodować jego rozpad.
Atomy poszczególnych pierwiastków różnią się liczbą protonów w jądrach (równą liczbie elektronów): np. wodór ma jeden proton, żelazo 26, a uran 92. Ale atomy każdego pierwiastka mogą też występować w kilku postaciach - izotopach różniących się liczbą neutronów. Przykładowo: najprostszym atomem jest wodór, którego najbardziej rozpowszechniony w przyrodzie izotop zbudowany jest z jednego protonu i elektronu. Innym izotopem wodoru jest deuter, którego jądro oprócz protonu zawiera jeszcze neutron. Różnorodność izotopów jest ogromna, jednak tylko niektóre z nich mają stabilne jądra. O tym, które izotopy są stabilne, a które łatwo się rozpadają, decydują właśnie oddziaływania silne.
Elektrownie jądrowe wykorzystują energię zmagazynowaną w jądrach ciężkich pierwiastków, głównie izotopu uranu-235. Ten promieniotwórczy izotop występuje w przyrodzie w śladowych ilościach, ustępując miejsca izotopowi 238 (powyżej 99 proc.). Aby wytwarzanie energii z uranu było możliwe, w reaktorach stosuje się uran wzbogacony w izotop 235 - od kilku aż do ponad 80 proc. Typowe paliwo uranowe stosowane obecnie, to mieszanina tlenków uranu, uformowana w postaci pastylek zamkniętych w cienkościennych rurkach metalicznych (zwanych koszulkami), tworzących pręty paliwowe umieszczone we wnętrzu reaktora.
Czas połowicznego rozpadu uranu-235 to setki milionów lat. Aby szybciej uzyskać energię z rozszczepienia, zmusza się jądra do rozpadów poprzez bombardowanie go niskoenergetycznymi neutronami (tzw. neutronami termicznymi). Neutron, który trafi w jądro uranu-235, może zostać przez nie wychwycony. Dodatkowa cząstka wnikająca do jądra mało stabilnego pierwiastka zderza się z nukleonami, deformuje jądro i w ten sposób osłabia oddziaływania między nukleonami. Delikatna równowaga zostaje ostatecznie zaburzona, skutkiem czego jądro rozpada się na mniejsze fragmenty - jądra lżejszych pierwiastków i swobodne neutrony. Wydziela przy tym około 200 megaelektronowoltów energii.
Produktami rozpadu uranu są jądra niestabilnych pierwiastków oraz prędkie swobodne neutrony. Produkty rozpadu podlegają dalszym przemianom jądrowym, oddając energię oraz emitując neutrony. Neutrony te, trafiając w kolejne jądra uranu, uruchamiają cały łańcuch następujących po sobie reakcji rozszczepienia, ale pod warunkiem, że zostaną wcześniej spowolnione. Neutrony poruszające się ze zbyt dużą prędkością, przelatują przez niestabilne jądra jak pociski przez tekturowe tarcze i w przeważającej części nie powodują pożądanych reakcji rozszczepienia.
Aby je spowolnić, w reaktorach jądrowych używa się tzw. moderatorów. Neutrony zderzają się z jądrami moderatora i przekazują im część swojej energii. Niestety, niektóre z nich mogą zostać wychwycone przez jądra moderatora i nie powodują dalszych rozszczepień.
Tajniki moderatorów
Od liczby neutronów, które spowolnione pozostają w reaktorze i wywołują w nim kolejne rozszczepienia, zależy liczba zachodzących reakcji i wielkość generowanego w reaktorze ciepła. Aby reaktor pracował stabilnie, z każdego rozszczepienia uranu musi się wyzwolić średnio 2,5 neutronów, które po spowolnieniu wywołają kolejne reakcje. Jeśli jest ich mniej, bo na przykład zbyt wiele wychwytuje moderator lub wydostaje się poza reaktor, to reakcja rozszczepienia ustaje i reaktor przestaje pracować. Gdy neutronów z rozszczepienia jest więcej, rośnie ilość wydzielonego ciepła. Powoduje to wzrost temperatury i w skrajnym wypadku, gdy nie można go odprowadzić na zewnątrz, staje się to przyczyną stopienia rdzenia.
Jako moderatora najczęściej używa się zwykłej wody, ciężkiej wody (związku tlenu z deuterem, a nie ze "zwykłym wodorem", jak w wodzie) lub grafitu. Dwie ostatnie substancje bardzo słabo wychwytują neutrony. Jest to pożądana właściwość, bo ich duża efektywność w spowalnianiu neutronów pozwala na stosowanie niewzbogaconego paliwa. Niestety użycie grafitu może być niebezpieczne, gdyż jeśli zabraknie czynnika odprowadzającego ciepło, grafit w wysokiej temperaturze może się zapalić. Taka sytuacja może mieć fatalne skutki: przekonali się o tym konstruktorzy elektrowni w Czarnobylu, w której grafit służył jako moderator, a woda zarówno jako moderator, jak i czynnik chłodzący. Gdy jej zabrakło, nadmiernie rozgrzany grafit się zapalił.
W obecnie budowanych reaktorach jądrowych nie stosuje się grafitu. Do moderowania reakcji używa się zwykłej wody, która jest bezpieczniejszym moderatorem. Wzrost temperatury wody powoduje jej wrzenie, zmniejsza się jej gęstość, przez co prędkie neutrony nie są spowalniane, a to natychmiast zmniejsza intensywność reakcji roz-
szczepienia. Poza tym, woda efektywnie odprowadza ciepło z reaktora i w pewnym sensie stabilizuje jego pracę. Reaktory moderowane wodą pod ciśnieniem (oznaczane angielskim skrótem PWR) lub wodą wrzącą (BWR) buduje się obecnie najczęściej. Woda jest też wykorzystywana do chłodzenia zużytego paliwa umieszczanego w zbiornikach przechowawczych we wszystkich elektrowniach.
Nowe sposoby na atomy
Rozwój technologii budowy reaktorów podąża też w kierunku lepszego gospodarowania radioaktywnymi odpadami. Zużyte paliwo jądrowe z obecnie eksploatowanych reaktorów składa się w ponad 90 proc. z uranu-238, w 5 proc. z produktów rozszczepienia, jakimi są izotopy promieniotwórcze takich pierwiastków jak jod i cez, oraz z około 1 proc. plutonu-239 i 1 proc. uranu-235. Okazuje się, że ono także, głównie dzięki występowaniu plutonu, może być użyteczne do produkcji energii.
Produkcja energii przez rozszczepienie plutonu-239 ma miejsce w reaktorach na prędkich neutronach, FNR (Fast Neutron Reactor). Początkowo budowano je z myślą o użyciu do produkcji energii uranu-238 i tym samym o lepszym wykorzystaniu światowych zasobów tego pierwiastka. Rozszczepienie uranu-238 na lżejsze pierwiastki jest wydajnym źródłem energii, jednak ze względu na silniejsze związanie nukleonów niż w jądrze uranu-235 wymaga wyższych energii wzbudzenia. Energia ta jest dostarczana za pośrednictwem prędkich neutronów. Uran-238 po wychwyceniu prędkiego neutronu może przejść w pluton-239, a po kolejnych wychwytach - w pluton-241. Pierwszy z nich także rozpada się pod wpływem prędkich neutronów. Spowolnione neutrony są w reaktorach opartych na rozszczepieniu uranu-238 i plutonu-239 wręcz niepożądane, toteż FNR działają bez użycia moderatora. Ponieważ rozszczepienie plutonu-239 dostarcza więcej neutronów niż uranu-235, reaktory FNR można zoptymalizować tak, by produkowały więcej plutonu, niż zużywają. Tak działające reaktory są nazywane reaktorami powielającymi (FBR - ang. Fast Bree-der Reactor). Mogą one posłużyć do produkcji plutonu-239.
Reaktory FBR wymagają paliwa zawierającego aż 20-30 proc. plutonu i 70-80 proc. uranu-238. Dużą zaletą reaktorów powielających jest to, że zużyte przez nie paliwo zawiera więcej krótkożyjących lekkich izotopów niż paliwo z innych reaktorów.
Do chłodzenia reaktorów FNR używa się ciekłego metalu, najczęściej sodu (woda byłaby szkodliwym moderatorem), który przekazuje ciepło wodzie w wytwornicach pary. Z powodu niebezpieczeństwa reakcji sodu z wodą, rozważa się budowę reaktorów powielających chłodzonych gazem.
Pod względem wykorzystania plutonu ze zużytego paliwa, z reaktorami na prędkich neutronach konkurują reaktory termiczne, stosujące jako paliwo mieszaninę tlenków uranu i plutonu [ang. Mixed Oxide Fuel, czyli MOX; więcej o nim także w poprzednim wydaniu dodatku "W stronę atomu"]. Zawiera ono około 7-9 proc. plutonu i jest równoważne użyciu paliwa z około 4-proc. zawartością uranu-235 i powstaje w wyniku kilkuetapowego przetwarzania zużytego paliwa, a proces ten nazywa się z angielska reprocessing. W pierwszym etapie z paliwa usuwane są produkty rozszczepienia (lekkie odpady). Następnie pluton jest oddzielany od uranu i mieszany ze zubożonym uranem.
Mechanizm pozyskiwania plutonu z reaktorów jest jednak tańszy niż wzbogacanie uranu przy użyciu wirówek. Produkcja MOX musi przebiegać jak najszybciej po reprocessingu zużytego paliwa, aby uniknąć problemów związanych z rozpadem zawartych w nim krótkożyjących izotopów plutonu-241 i ameryku-241, które są silnymi źródłami szkodliwego promieniowania gamma.
Od kilku lat trwa też proces przetwarzania starych głowic rakiet jądrowych, w 90 proc. składających się z plutonu, na paliwo paliwo MOX. Jest ono wyjątkowo ciekawym pomysłem umożliwiającym dalszy rozwój energetyki jądrowej i zredukowanie arsenałów broni jądrowej.
Innym fascynującym pomysłem jest użycie w reaktorach jądrowych jako paliwa toru-232, nazywanego niekiedy "paliwem przyszłości". Tor to pierwiastek słabiej rozszczepialny niż uran i tylko z prędkimi neutronami, ale po wychwycie neutronu i przemianie w uran-233 jest cennym materiałem rozszczepialnym. Poza tym, dzięki jego trzykrotnie większej zawartości w skałach i glebach może konkurować z paliwem uranowym. Eksperymenty nad możliwością wykorzystania paliw torowo-uranowych i torowo-plutonowych prowadzone są już od lat 60. ubiegłego wieku, m.in. w Niemczech, Kanadzie, Indiach i USA. Zużyte paliwo torowo-plutonowe zawiera o około połowę mniej długożyjących pierwiastków transuranowych, i ogólnie mniejszą ilość odpadów promieniotwórczych niż paliwo MOX.
Technologia produkcji paliw z toru jest na razie zbyt kosztowna, by się upowszechnić. Ale w przyszłości?
MAGDALENA SŁAWIŃSKA pracuje w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN, współpracuje z CERN. Fizyk teoretyk, zajmuje się chromodynamiką kwantową. Współautorka "Tygodnikowego" blogu naukowego www.swiat-jaktodziala.tygodnik.onet.pl
