Prąd z atomu – elektrownia jądrowa cz. II

W poprzednim odcinku wytłumaczyłem, na jakiej zasadzie działa elektrownia jądrowa i co trzeba zrobić, żeby reakcja łańcuchowa ruszyła. Dowiedzieliście się również, co wspólnego z energetyką jądrową ma akcja alianckich komandosów w Telemarku. Dziś porozmawiamy dalej o produkowaniu energii elektrycznej w elektrowni jądrowej. Zacznijmy od tego…

Jak to kontrolować?

Mamy rozwiązany problem tego, co jest potrzebne, żeby reakcja łańcuchowa w ogóle zachodziła. Ale już od razu pojawia się drugi: co zrobić, żeby nie zachodziła za bardzo? Innymi słowy: jeśli każdy z naszych neutronów wywoła rozszczepienie kolejnego jądra, to zamiast reaktora dostaniemy bombę¹Przy czym reaktor nie jest w stanie wybuchnąć jak bomba jądrowa, bo fizyka na to nie pozwala. Dostaniemy coś w rodzaju brudnej bomby – to się mniej więcej zdarzyło w Czarnobylu. Więcej szczegółów niebawem.. Teoretycznie stan idealny mógłby polegać na tym, że średnio jeden neutron spośród tych, które powstały w wyniku rozszczepienia jądra, prowadzi do kolejnego rozszczepienia.

Taki stan dałoby się nawet na chwilę osiągnąć. Na chwilę, ponieważ w miarę pracy reaktora ubywa jąder rozszczepialnych. Poza tym jest duża szansa, że nie będziemy chcieli czekać z wyłączeniem reaktora na moment, kiedy skończy się paliwo. Przydałaby się jakaś metoda zmniejszenia liczby neutronów latających po okolicy…

No i na szczęście o taką metodę nietrudno. Przed tygodniem tłumaczyłem problemy z zastosowaniem „zwykłej” wody jako moderatora: pochłania ona neutrony. Ale można je pochłaniać bardziej skutecznie. Do tego celu najczęściej wykorzystuje się bor. Naturalny bor składa się z dwóch izotopów: obydwa mają po 5 protonów, ale jeden ma 5, a drugi – 6 neutronów.

Tego pierwszego jest w naturze około 20 procent, ale jest on bardzo, bardzo skuteczny w wychwytywaniu neutronów, ponieważ to cięższy izotop jest stabilniejszy²Ze względu na parzystą liczbę neutronów; jeśli spojrzeć na cząstki subatomowe, to najczęściej parzystość sprzyja stabilności. Bor umieszcza się w prętach kontrolnych – ruchomych elementach, które możemy wsunąć lub wysunąć z tej części reaktora, w której faktycznie zachodzi reakcja. Tym samym można kontrolować stan reaktora.

Stan krytyczny

Tutaj możemy się na chwilkę zatrzymać i wyjaśnić sobie pewne niejasności, które mogą się zdarzać przy okazji nazewnictwa. Jeżeli reaktor jest w stanie krytycznym, to wbrew pozorom znaczy to, że pracuje stabilnie, a reakcja przebiega ze stałą szybkością. Inaczej mówiąc, krytyczność polega na tym, że liczba neutronów latających po reaktorze jest stała.³A więc każde rozszczepienie jądra prowadzi do rozszczepienia – średnio – jednego nowego jądra.. Natomiast stan nadkrytyczny oznacza, że wolnych neutronów jest coraz więcej, a reakcja przyspiesza⁴Jedno rozszczepienie jądra prowadzi do rozszczepienia więcej niż jednego jądra..

Jeśli natomiast stan jest podkrytyczny, to reakcja neutronów lata coraz mniej, a reakcja zwalnia ⁵Jest odwrotnie i neutrony uwolnione w wyniku rozszczepienia jednego jądra powodują – średnio – mniej niż jedno kolejne rozszczepienie. Innymi słowy: jeśli w wiadomościach usłyszycie o reaktorze w stanie krytycznym, to jest to, wbrew pozorom, dobra wiadomość. Reaktor działa tak, jak powinien i nie ma zagrożenia.

Chłodzenie to podstawa

No dobrze. Mamy reaktor. Nawet go kontrolujemy. Kolejne pytanie jest następujące – co zrobić, żeby się nam nie roztopił? Chłodzić, oczywiście. I to naprawdę wydajnie, bo taki reaktor grzeje się mocno. Tylko część tego ciepła zamienia się w energię elektryczną. Ogólnie można przyjąć, że reaktor produkujący 1 GW prądu, będzie generował około 3,5 GW ciepła. Warto też pamiętać, że niektóre reaktory, na przykład MARIA (reaktor badawczy w Świerku) wcale nie generują prądu, ale produkują ciepło, które trzeba jakoś odprowadzać.

Jeśli chodzi o środki chłodzące, to wybór jest tu dość bogaty i zależy od warunków, jakie środek ten ma spełniać. Dość powiedzieć, że niektóre radzieckie/rosyjskie okręty podwodne miały reaktory chłodzone mieszaniną ciekłego bizmutu i ołowiu⁶Jeśli ktoś czytał „Polowanie na Czerwony Październik” – wtedy nie było to wiedzą ogólnodostępną, więc Clancy się pomylił. Okręty klasy „Alfa” miały takie właśnie reaktory.. Jednak do najpopularniejszych chłodziw zalicza się woda i gazy, głównie dwutlenek węgla i hel. Woda ma jedną bardzo dużą zaletę. Może ona działać jednocześnie jako moderator i chłodziwo, co zapewnia zabezpieczenie przed nagłym wzrostem intensywności reakcji. Gdy reakcja przyspiesza, reaktor produkuje więcej ciepła, a przez to woda szybciej paruje.

Para wodna ma ponad tysiąc razy niższą gęstość niż woda w stanie ciekłym, więc jest bardzo słabym moderatorem i przez to reakcja spowalnia. Problemy się zaczynają, gdy wody używa się jako chłodziwa, a do moderacji wykorzystuje się grafit.⁷Więcej w tym temacie w odcinku o Czarnobylu. Z kolei reaktory chłodzone gazem mogą osiągnąć wyższą temperaturę. To sprawia, że proces produkcji energii elektrycznej jest bardziej wydajny, niż w reaktorach chłodzonych wodą.

To duże, okrągłe

Z chłodzeniem łączy się też krajobraz, który standardowo kojarzy się z elektrowniami jądrowymi, a mianowicie widok wielkich kominów. Wbrew temu, co niektórzy uważają, kominy te nie zawierają w środku reaktorów, są tylko i wyłącznie chłodniami. Mają one po prostu efektywnie schładzać wodę. Pisałem przed chwilą, jaki procent energii cieplnej jest zamieniany na energię elektryczną. Z jej resztą trzeba coś zrobić, a najprostsze i najskuteczniejsze jest wyemitowanie jej do środowiska. Jeśli elektrownia jądrowa położona jest nad wodą, można energię przekazać temu zbiornikowi. Jeśli nie, chłodnia kominowa staje się najprostszym rozwiązaniem. 

I tu ważna uwaga: woda chłodzona w tych kominach nie jest tą samą woda, która chłodzi reaktor. Obieg wody w chłodni kominowej jest otwarty. Oznacza to, że część chłodzonej wody odparowuje. Ale woda do chłodzenia reaktora (tak samo, jak woda, którą wykorzystuje się w elektrowniach węglowych) jest bardzo czysta, więc szkoda by było ją zmarnować. Na domiar złego pojawia się tu problem, z którym inne typy elektrowni nie muszą się mierzyć.

Otóż chłodziwo reaktora samo staje się radioaktywne na skutek działania promieniowania neutronowego. Dlatego też stosuje się urządzenie zwane wymiennikiem ciepła. Służy ono do przekazywania ciepła z wody chłodzącej reaktor (tzw. pierwotny obieg) do wody, która jest następnie chłodzona w chłodni kominowej (tzw. wtórny obieg). To, który obieg wykorzystywany jest do generowania elektryczności, zależy od konstrukcji elektrowni.

Wyłącz i zapomnij to za mało

A teraz jeszcze jeden problem związany z chłodzeniem, z którym muszą sobie poradzić elektrownie jądrowe. Chodzi o ciepło generowane po wyłączeniu reaktora. W wypadku elektrowni węglowej sprawa jest dość prosta. Gdy piec się wygasi, nowe ciepło przestaje się wytwarzać. Fakt, piec jest dalej gorący, ale będzie sobie powoli stygł. Z reaktorem jest już gorzej. Produkty rozszczepienia paliwa jądrowego są niestety radioaktywne, najczęściej dużo, dużo bardziej, niż samo paliwo. A rozpad radioaktywny wiąże się z emisją ciepła. Efekt jest taki, że nawet po zatrzymaniu reakcji łańcuchowej reaktor będzie produkował około 6.5% mocy cieplnej, z którą ostatnio operował.

Wprawdzie to ciepło szybko się zmniejsza, ale nawet po kilku dniach wyłączony reaktor może go produkować jeszcze dużo. Jeśli nie odprowadzimy skutecznie produkowanej tak energii, doprowadzi to do stopienia rdzenia. Taka historia wydarzyła się właśnie w Fukushimie, ale o tym napiszę kiedy indziej. Dlatego właśnie w budowie elektrowni jądrowych niezwykle ważne są systemy chłodzenia i awaryjne źródła zasilania na wypadek odcięcia od zasilania z zewnątrz⁸Test tego systemu zaowocował katastrofą w Czarnobylu..

I działa! 

No więc mamy już paliwo. Mamy moderator, chłodziwo, wymiennik ciepła. Mamy pompy, mamy wszystkie systemy awaryjne. Posiadamy osłonę biologiczną, która zatrzyma promieniowanie wewnątrz reaktora. Składamy to wszystko razem, a to, co promieniotwórcze, zamykamy w obudowie bezpieczeństwa⁹Nie dotyczy Związku Radzieckiego 😉. Jej zadaniem jest zatrzymanie praktycznie wszystkich źródeł promieniowania w środku, nawet w razie najgorszej przewidywanej awarii. I tyle. Elektrownia jądrowa hula i wytwarza prąd. Pozostaje tylko pytanie – co zrobić z wypalonym paliwem? Ale o tym innym razem. A w następnym odcinku opowiemy o popularnych mitach na temat promieniotwórczości. Jeśli macie jakieś pomysły, o jakich mitach powinniśmy napisać, umieśćcie je w komentarzach!

PS. Tutaj opisałem tylko najbardziej podstawowe aspekty i najczęściej stosowane typy reaktorów. Możliwości jest dużo więcej: są reaktory, w których paliwem jest stopiona sól; są reaktory, które działają bez moderatora; są reaktory, które produkują więcej paliwa, niż zużywają… Jeśli chcecie, mogę wrócić do tematu i opisać kilka co ciekawszych konstrukcji.

Źródła:

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

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

http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/omar1/

https://www.nuclear-power.net/nuclear-power/reactor-physics/reactor-operation/residual-heat/decay-heat-decay-energy/

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