Prąd z atomu. Elektrownia jądrowa

Maszyna parowa

Było już o tym, co to jest promieniowanie i jak oddziałuje na ludzi. A teraz – powiemy sobie parę słów o tym, jak normalnie działa elektrownia jądrowa. Wszystko to po to, żebyśmy w następnym odcinku mogli porozmawiać o tym, co się dzieje, gdy elektrownia jądrowa przestaje działać normalnie.

No więc jak działa elektrownia jądrowa? Zasadniczo – tak, jak węglowa, tyle że z innym źródłem ciepła. Co to oznacza w praktyce? Część odpowiedzialna za produkcję energii jest praktycznie identyczna. Jest turbina parowa, do której trafia para wyprodukowana przez ogrzewanie wody. W wypadku elektrowni węglowej ciepło uzyskuje się poprzez spalanie węgla, w wypadku elektrowni jądrowej jest ono wytwarzane przez reaktor jądrowy.

A sam reaktor, czyli serce elektrowni jądrowej? Tu zaczyna się zabawa. Wśród różnych sposobów rozpadu związków radioaktywnych wymieniałem rozszczepienie jądra. Gdy ciężkie jądro się rozpada, powstają dwa (rzadko trzy) nowe, lżejsze jądra. Dodatkowo uwalnia się kilka neutronów. Istotna kwestia: suma mas produktów rozszczepienia jest odrobinę niższa, niż masa jądra, które rozszczepieniu uległo. Co się dzieje z tą brakującą masą? Zamienia się w energię, zgodnie z równaniem E=mc².

To tyczy się nie tylko tych pierwiastków, które naturalnie ulegają rozszczepieniu, ale także tych, które możemy „zmusić” do rozszczepienia. A jak? Najłatwiej – doprowadzając do zderzenia jądra z neutronem. Takie zderzenie destabilizuje jądro i przyczynia się do jego rozpadu. Jak już pisałem, w wyniku rozpadu powstaje trochę ciepła i dwa, czasem trzy wolne neutrony (poza lżejszymi jądrami). Jeśli więc te dwa lub trzy neutrony zderzą się z kolejnymi jądrami, wywołają ich rozszczepienie, skutkiem czego powstanie więcej neutronów. Widzicie, do czego to zmierza, prawda?

Zasada nieoznaczoności

Można by więc zadać pytanie. Skoro rozszczepianie takich jąder jest samonapędzającą się reakcją, to jakim cudem mamy jeszcze na świecie jakiekolwiek materiały rozszczepialne? Odpowiedź brzmi: dlatego, że neutrony uwolnione na skutek rozszczepienia jądra są za szybkie, żeby się z czymś zderzyć. Tu pojawia się nam już mechanika kwantowa. 

Z reguły nieoznaczoności Heisenberga wynika (w baaardzo dużym uproszczeniu), że szybkie neutrony są bardzo małe. Im są wolniejsze, tym więcej zajmują miejsca¹To jest naprawdę grube uproszczenie, ale dokładniej mogę to wytłumaczyć tylko na podstawie dłuższego wywodu o mechanice kwantowej.. Innymi słowy, paradoksalnie, im neutron wolniejszy, tym ma większą szansę zderzyć się z jądrem. Żeby więc podtrzymać reakcję łańcuchową, neutrony trzeba wyhamować z okolic prędkości światła do okolic prędkości dźwięku. W przeciwnym wypadku neutrony wylecą poza materiał rozszczepialny i do niczego się nam nie przydadzą. Takie hamowanie neutronów nazywa się moderacją bądź termalizacją. W reaktorze jądrowym odpowiada za to moderator. W naturalnie występującym uranie nie ma takiego moderatora, więc jego rozpad przebiega w tempie „naturalnym” z okresem półtrwania rzędu biliardów lat.

Pojawia się tu jeszcze jeden problem. Pamiętacie, jak pisałem o izotopach uranu występujących naturalnie? Do podtrzymywania reakcji łańcuchowej nadaje się U-235, którego w naturalnie występującym uranie jest tylko 0.7%. U-238 po zderzeniu z neutronem ma dużą szansę zmienić się w U-239. Nawet jeśli zamiast tego ulegnie rozszczepieniu, to nie wygeneruje wystarczająco dużo neutronów o energii odpowiedniej, żeby rozszczepić kolejne jądro U-238. A jeśli neutrony nie będą rozszczepiać kolejnych jąder, reakcja nie będzie się sama podtrzymywała, tylko będzie przebiegała coraz wolniej.

Elektrownia jądrowa – nie za szybko…

No więc jak wyhamować neutrony? Tak jak wspomniałem we wpisie na temat rodzajów promieniowania – na moderator najlepiej nadają się lekkie atomy. Najpopularniejszym wyborem jest woda i grafit. Z wodą jest jednak pewien problem. Otóż wodór-1, który stanowi przeszło 99.98% całego naturalnego wodoru, łatwo pochłania neutrony. A jak łatwo się zorientować, żeby reakcja przebiegała stabilnie, neutrony generowane podczas rozszczepienia jądra muszą powodować średnio jedno kolejne rozszczepienie. Jeśli moderator pochłania część neutronów, to trzeba wygenerować naprawdę dużo tych „nadmiarowych”. W przeciwnym wypadku reakcja łańcuchowa się po prostu zatrzyma.

Jak sobie z tym poradzić? Są dwie możliwości. Pierwsza to wykorzystać wzbogacony uran. Nie jest to niestety łatwe ani tanie. Można jednak zwiększyć zawartość interesującego nas U-235 w uranie, który ma być wykorzystany jako paliwo w reaktorze jądrowym²Metody manipulacji zawartością konkretnego izotopu to temat na osobny wpis.. Jeśli będzie go wystarczająco dużo, to możemy wykorzystać „zwykłą” wodę jako moderator. Co z tego, że część neutronów zostanie pochłonięta i zniknie? I tak mamy dość, żeby podtrzymać reakcję.

Nielekka historia ciężkiej wody

A druga opcja? Zamiast zwykłej wody możemy wykorzystać wodę ciężką, czyli taką, w której „zwykły” wodór-1 został zastąpiony deuterem. Deuter jest izotopem wodoru zawierającym, poza protonem, jeden neutron. Ciężka woda trochę gorzej spowalnia neutrony, ale za to dużo słabiej je pochłania, dzięki czemu reaktor moderowany ciężką wodą może pracować na naturalnym, niewzbogaconym uranie.

Tak czy inaczej – trzeba zastosować wzbogacanie izotopowe. Niestety³A może i na szczęście, bo wzbogacanie, i to dużo większe, niezbędne jest też do produkcji broni jądrowej. jest to proces długotrwały i wymagający wysokich nakładów energii. Dla przykładu, pierwsza na świecie fabryka produkująca ciężką wodę na skalę masową ulokowana była przy (wówczas) największej na świecie elektrowni wodnej w norweskim Telemark. Wprawdzie ciężka woda była produktem ubocznym powstającym przy produkcji nawozu, ale to fabryka była głównym odbiorcą energii elektrycznej z tej tamy.

Z tą fabryką wiąże się też interesująca historia o próbach sabotowania niemieckiego programu nuklearnego podczas drugiej wojny światowej. O co chodzi? Otóż, poza zastosowaniami w energetyce cywilnej, o których wtedy jeszcze nie myślano, ciężka woda była niezbędna do niemieckich badań nad bronią jądrową. Miała ona być uzyskana właśnie w fabryce w Telemarku. Żeby temu zapobiec, alianci przeprowadzili kolejne rajdy komandosów. Pierwszy, przeprowadzony jeszcze w 1942 roku, zakończył się klęską. Ale już pół roku później udało się wysadzić w powietrze elektrolizery, przy okazji spuszczając do rzeki kilkaset kilogramów już przygotowanej, solidnie oczyszczonej wody.

Fabryka została naprawiona i po kilku miesiącach ponownie podjęła produkcję. Wtedy alianckie lotnictwo zaczęło intensywne bombardowania okolicy. Niemcy, przekonani że prędzej czy później bombardowania zniszczą wszystko, co udało się osiągnąć, w końcu dali za wygraną. Postanowili ewakuować z fabryki wszystko, co się dało, czyli zapasy wody i część najważniejszego sprzętu. W odpowiedzi na to alianci podłożyli bombę. Zatopiła on prom, którym przeprawiał się przez jezioro Tinn pociąg wiozący to wszystko do Niemiec… Poczytajcie sobie o tym więcej, historia jest naprawdę fascynująca!

Dlaczego nie grafit?

A czy jest jakaś inna metoda, która by pozwoliła na wykorzystanie naturalnego uranu jako paliwa w reaktorze jądrowym? Jest. Trzeba użyć innego, skutecznego moderatora, który nie będzie absorbował neutronów. Najpopularniejszym wyborem jest tu grafit. Więc dlaczego tak właściwie wszystkie reaktory nie używają grafitu? No cóż, ma on kilka wad. Na przykład, w przeciwieństwie do wody, jest łatwopalny. Nie może też pełnić jednocześnie funkcji moderatora i chłodziwa. Utrudnia to wprowadzenie zabezpieczeń. Musi też być superczysty, co podwyższa koszt całej zabawy. Do tego na ogół reaktory moderowane grafitem są po prostu większe, niż reaktory moderowane wodą, co również nie jest pożądane. Im mniejszy reaktor, tym łatwiej (i taniej!) zbudować wokół niego obudowę bezpieczeństwa.

Wiecie już, co zrobić, żeby reakcję jądrową zacząć. Zanim jednak zabierzecie się za budowę reaktora w przydomowym ogródku, poczekajcie na odcinek drugi, z którego dowiecie się, jak ją kontrolować i w razie potrzeby zatrzymać!

Źródła:

https://www.world-nuclear.org/nuclear-essentials/how-does-a-nuclear-reactor-work.aspx

https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/moderator-material

https://www.radioactivity.eu.com/site/pages/Uranium_Isotopes.htm

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!