Niewiele jest osób, które przechodzi obok energetyki jądrowej obojętnie. Albo się ją kocha, albo nienawidzi. Niezależnie jednak od naszego podejścia do tego zagadnienia, warto dokładnie wiedzieć, z czym „się je” ten rodzaj energetyki. Dlatego dzisiejszy materiał nie ma na celu przekonania sceptyków do atomu albo zniechęcenia jego wielbicieli. Ma jedynie rzucić światło na szerokie, i przez wielu postrzegane jako kontrowersyjne, zagadnienie, jakim jest energetyka jądrowa.
Spis treści:
- Czym jest energia jądrowa?
- Budowa i działanie elektrowni jądrowej
- Energetyka jądrowa – zalety
- Energetyka jądrowa – wady
- Energetyka jądrowa na świecie
- Inne zastosowania energii jądrowej
- Co dalej?
- Podsumowanie
W języku potocznym często zamiennie stosuje się pojęcia energii jądrowej i atomowej. I w tym kontekście nie ma w takim zabiegu niczego złego. Patrząc jednak z bardziej fizycznego, chemicznego lub generalnie naukowego punktu widzenia, pojęcia te nie są tożsame. O ile pojęcie „jądrowy” tyczy się reakcji zachodzących w jądrze atomu, o tyle „atomowy” odnosi się do całego atomu. Dlatego też to drugie pojęcie jest szersze. I tak np. elektrownie węglowe czy gazowe są elektrowniami atomowymi, ponieważ zachodzą tam reakcje związane z całymi atomami. Natomiast dzisiejszy materiał poświęcony będzie w całości jedynie energetyce jądrowej i takiej też nomenklatury będę się trzymała.
Czym jest energia jądrowa?
Zanim przejdę do omawiania clou dzisiejszego materiału, czyli energetyki jądrowej, chciałabym poświęcić chwilę kluczowemu zagadnieniu, jakim jest energia jądrowa. Na pierwszy rzut oka (a właściwie ucha) oba pojęcia brzmią podobnie. Co w końcu znaczy kilka liter? 😉 Jednak w skrócie energia jądrowa to energia uzyskiwana z przemian jądrowych. Natomiast energetyka jądrowa to uzyskiwanie (na skalę przemysłową) energii jądrowej. A więc podwaliną energetyki jądrowej jest energia jądrowa.
W takim razie czym jest energia jądrowa? Nie wdając się w nadmierne szczegóły i stricte naukowy język, wyjaśnię to pokrótce. Najprościej rzecz ujmując, jest to energia wydzielana podczas różnego rodzaju przemian jądrowych, czyli takich, które skupiają się na jądrze atomu. Kluczowa jest tutaj energia wiązań jąder atomowych, a właściwie różnica w tej energii. Energia wiązania to energia niezbędna do rozdzielenia układu (w naszym przypadku jądra atomowego) na składowe, w taki sposób, aby przestały ze sobą oddziaływać. Jądra różnych pierwiastków i ich izotopów posiadają różną energię wiązania. Największa energia przypadająca na jedną parę proton-neutron (a więc składowe jądra atomowego) występuje w jądrach atomowych o masie atomowej zbliżonej do 60. W tablicy Mendelejewa w okolicy tej masy figurują: nikiel, kobalt, żelazo, miedź.
Chcąc rozszczepić jądro w warunkach kontrolowanych, bombarduje się je neutronami. Produktami reakcji rozszczepienia cięższego jądra są jądra lżejsze, wolne neutrony oraz energia. Energię tę ludzie wykorzystują w energetyce jądrowej.
Co ciekawe w przyrodzie występuje jeszcze jeden rodzaj energii jądrowej – fuzja jądrowa. Jest to zjawisko nagminnie występujące w Kosmosie. Jednak o tym zagadnieniu opowiem nieco dalej w tym materiale. Teraz chciałabym skupić się na rozszczepieniu jąder pierwiastków jako sposobie na pozyskiwanie przez nas energii.
W energetyce jądrowej największe zastosowanie ma uran-235. Jest to izotop uranu o masie atomowej wynoszącej 235. Jako taki izotop ten występuje w naturalnym uranie na poziomie 0,7%. Resztę stanowi głównie uran-238.
Pod wpływem zderzenia z neutronem, uran-235 staje się wysoce niestabilnym uranem-236. Ten z kolei rozszczepia się i rozrywa wiązanie jądrowe. Skutkiem jest wydzielenie bardzo dużej ilości energii. Orientacyjnie jest to nawet 200 megaelektronowoltów (MeV). Dla porównania spalenie jednego atomu węgla dostarcza 4 elektronowoltów (eV) czyli 50 milionów razy mniej.
Budowa i działanie elektrowni jądrowej
Najwyższy czas przejść do tego, w jaki sposób wykorzystujemy dziś energię jądrową, a więc do tematu elektrowni jądrowych.
Kluczowym elementem elektrowni jądrowej jest reaktor jądrowy. W rzeczywistości nie ma jednego typu reaktora. Wyróżniamy ich 15, jednak najczęściej wykorzystywane są dwa:
- PWR – reaktor wodny ciśnieniowy,
- BWR – reaktor wodny wrzący.
Ten pierwszy odpowiada za wytwarzanie około 65% energii elektrycznej w skali globu, dlatego też dalszy opis oprę na jego działaniu i budowie.
Uran formuje się w specjalne pastylki i umieszcza w rurach zwanych prętami paliwowymi. Pręty te, razem z prętami kontrolnymi umieszcza się w reaktorze. Zadaniem prętów kontrolnych jest takie sterowanie ilością neutronów (uwolnionych w reakcjach rozszczepienia), żeby nie doprowadzić do niekontrolowanej reakcji łańcuchowej, lawinowego rozszczepiania uranu i w efekcie do powstania eksplozji jak w bombie atomowej.
Reaktor zanurzony jest w zbiorniku z wodą, która pełni głównie funkcje chłodzące. Schładzanie reaktora jest niezwykle ważną rzeczą, ponieważ bez tego łatwo doprowadzić do przegrzania, awarii i powtórki z Czarnobyla. Dodatkowo woda przyjmuje również rolę moderatora, a więc czynnika spowalniającego prędkość (czyli energię kinetyczną) neutronów. Wolniejsze neutrony znacznie efektywniej powodują rozszczepienie jąder atomowych paliwa.
Uran w prętach paliwowych poddawany jest oddziaływaniu neutronów, które zapoczątkowują reakcję rozszczepiania jąder. W efekcie powstają tzw. fragmenty rozszczepienia, czyli dwa jądra lżejszych pierwiastków oraz kolejne neutrony i promieniowanie gamma. Kolejne neutrony zaczynają oddziaływać na pozostały uran i zachodzi reakcja łańcuchowa.
Reakcja jądrowa rozszczepiania uranu powoduje powstanie dużej ilości ciepła. W zależności od technologii reaktora, gorąca woda jest inaczej wykorzystywana. Najczęściej jest ona kierowana na wytwornicę pary. Powstała para w obiegu wtórnym trafia na łopaty turbin parowych. Natomiast ich ruch przekładany jest na generatory wytwarzające energię elektryczną.
W dalszym etapie gorąca para kierowana jest do skraplacza, gdzie następuje, jak łatwo się domyśleć, przemiana pary w wodę. Nadmiar ciepła z tego procesu kierowany jest do charakterystycznych kominów chłodzących.
Energetyka jądrowa – zalety
Energetyka jądrowa ma wiele zalet. Najważniejsze z nich to:
Czystość
Jest jedną z najczystszych form produkcji energii, jeśli liczyć jedynie proces wytwarzania energii. Przyjmuje się, że na cykl życia przeciętnej elektrowni jądrowej przypada około 6 ton ekwiwalentu CO2 na każdą gigawatogodzinę energii elektrycznej. Dla porównania elektrownia węglowa emituje około 970 ton ekwiwalentu CO2 na jedną wyprodukowaną gigawatogodzinę. Oznacza to, że energetyka jądrowa jest najczystszym pod tym względem sposobem wytwarzania energii elektrycznej.
Ponadto elektrownia wykorzystuje stosunkowo mało paliwa, co przekłada się na zdecydowanie mniej odpadów poprodukcyjnych niż np. elektrownie węglowe. Również stosunek wykorzystanego paliwa do powstałych odpadów jest bardzo korzystne. Odpadom poświęcam jednak jeszcze akapit w wadach technologii jądrowej.
Stabilność dostaw
Energia produkowana w elektrowniach jądrowych jest stabilna. Wynika to między innymi z wykorzystania w procesie wytwórczym generatorów. Jest to niewątpliwie duży plus, szczególnie w porównaniu z większością jednostek OZE, które charakteryzują się dużą niestabilnością i możliwością wprowadzania zakłóceń do sieci elektroenergetycznej. Dodatkowym plusem jest fakt, że elektrownia produkuje stałą ilość energii, która nie zależy od kaprysów pogody.
Długość życia
Szacuje się, że wybudowana elektrownia jądrowa może pracować przez nawet 80 lat. Średnio jest to około 40-60 lat. Jest to okres zbliżony, a nawet lepszy od elektrowni węglowych. Nieporównywalnie lepiej wypadają też elektrownie jądrowe w porównaniu do OZE, szczególnie do paneli fotowoltaicznych i turbin wiatrowych.
Energetyka jądrowa – wady
Do wad energetyki jądrowej możemy zaliczyć:
Negatywny wpływ na środowisko
Największą wadą elektrowni jądrowych jest ich bardzo negatywny wpływ na środowisko. Po pierwsze odpady powstałe po wykorzystaniu uranu są nadal radioaktywne i to przez jeszcze bardzo długi czas. Wymusza to przechowywanie ich w odpowiednich warunkach tak, aby w przypadku wycieku, nie doszło do skażenia i katastrofy naturalnej. Dodatkowo uszkodzenie samej elektrowni może prowadzić do skażenia dużej przestrzeni. Przypomnijmy sobie choćby katastrofy w Czarnobylu albo w Fukushimie, w wyniku których całe miasta i okoliczne obszary stały się niemożliwe do dalszej egzystencji.
Dalej dochodzą problemy z lokalnym ekosystemem. Elektrownie jądrowe muszą być budowane w ściśle określonych lokalizacjach – z dostępem do odpowiedniej ilości słodkiej wody służącej chłodzeniu instalacji. Może się okazać, że taka lokalizacja wypadnie tam, gdzie są cenne przyrodniczo miejsca. Sam dostęp do wody również jest problemem. Z roku na rok obserwujemy, jak latem nasze rzeki wysychają. A elektrownia wymaga ciągłego dostępu do wody. Inaczej proces chłodzenia będzie nieefektywny i katastrofa gotowa.
Wysokie koszty
Biorąc pod uwagę opłacalność wytwarzania energii z danego źródła, warto spojrzeć szerzej, nie tylko na sam proces wytwórczy. I tu okazuje się, że budowa elektrowni jądrowej to nie jest najtańsza zabawa. Szacunki mówią, że wybudowanie 1 MW mocy w elektrowni jądrowej to koszt rzędu od 21,5 mln zł do nawet 43 mln zł. W tym samym czasie koszty przypadające na tę samą jednostkę w elektrowni węglowej (węgiel kamienny) to 4,6-12,9 mln zł, a elektrowni gazowej 3,44-6,45 mln zł.
Ponadto budowa elektrowni jądrowej jest znacznie bardziej skomplikowana. I, jak dowodzą doświadczenia innych krajów, jej budowa często zajmuje długie lata i często się opóźnia. A biorąc pod uwagę inflację i wzrost cen materiałów budowlanych, im dłużej trwa budowa, tym wyższy ostateczny rachunek.
Aktualnie mówi się, że koszty pierwszej polskiej elektrowni jądrowej mają wynieść 192 mld złotych. Co istotne reaktory AP1000 budowane są w technologii Westinghouse. Jest to amerykańska firma odpowiedzialna za budowę wielu elektrowni atomowych. Problem polega jednak na tym, że firma ta wielokrotnie zawiodła na tym polu. Znacznemu wydłużeniu uległ wielokrotnie czas budowy innych reaktorów oraz ostateczne koszty.
Wpływ na społeczeństwo
Jak już wcześniej wspominałam, energetyka jądrowa budzi skrajne emocje. Wielu ludzi podświadomie obawia się skutków awarii. I słusznie. W pamięci wielu wciąż żywy jest obraz katastrofy w Czarnobylu (tu również za sprawą serialu na platformie HBO), lub nieco nowszej katastrofy w Fukushimie. I choć awarie i katastrofy nie zdarzają się często, to jednak ich wpływ na społeczeństwo jest ogromny. Podobnie zresztą jest np. z wypadkami lotniczymi – są dużo rzadsze niż samochodowe, jednak budzą w nas silniejsze emocje i obawy. Świadomość, że gdzieś niedaleko działa elektrownia jądrowa, która potencjalnie może ulec awarii, to dla niektórych trochę jak życie na tykającej bombie. Znamy być może statystyki, jednak w Totolotka też ktoś wygrywa…
Energetyka jądrowa na świecie
Według najnowszych danych na świecie jest 440 reaktorów jądrowych w ponad 30 krajach. W budowie jest dalszych 60 reaktorów, a 150 kolejnych znajduje się w planach. Wszystkie elektrownie jądrowe dostarczają aktualnie około 16% światowej energii elektrycznej.
Z kolei w Europie mamy 166 bloków energetycznych opartych o energetykę jądrową. Sama Unia Europejska ma około 100 reaktorów zlokalizowanych w 12 państwach: Belgia, Bułgaria, Czechy, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Rumunia, Słowacja, Słowenia, Szwecja i Węgry. Wszystkie te reaktory dysponują mocą elektryczną netto na poziomie 97 514 MWe. MWe czyli megawat elektryczny to jednostka miary mocy elektrycznej służąca do określania mocy źródeł energii (np. elektrowni).
Wśród wszystkich krajów na świecie, największy udział energetyki jądrowej w ogólnym bilansie energetycznym mają odpowiednio: Francja, Belgia, Ukraina, Szwajcaria, Korea Południowa, USA, Rosja. Z kolei najwięcej energii elektrycznej mierzonej w terawatogodzinach z energetyki jądrowej uzyskuje się odpowiednio w: USA, Francji, Rosji i Korei Południowej.
Inne zastosowanie energii jądrowej
Pozyskiwanie energii to jedynie jedna z możliwości wykorzystania energii jądrowej. Nasza nauka znalazła kilka innych zastosowań tego fenomenalnego zjawiska. A więc gdzie jeszcze możemy spotkać się z energią jądrową?
- medycyna – służy ona do wykrywania, diagnozowania, a także leczenia niektórych chorób nowotworowych oraz do obrazowania. Taki typ medycyny nazywamy medycyną nuklearną. Jej początki przypadają na lata 20-te XX wieku. W Polsce od lat 70-tych działa reaktor MARIA, który zajmuje się produkcją radiofarmaceutyków i odpowiada za 10% światowej produkcji molibdenu-99 oraz jodu-131. Pokrywa tym całkowite roczne krajowe zapotrzebowanie,
- kosmonautyka – energetyka jądrowa służy do napędzania rakiet oraz zasilania sond kosmicznych. Umożliwia to długie działania takich urządzeń, dla których inna forma zasilania nie byłaby możliwa ani opłacalna,
- archeologia – dzięki energii jądrowej archeolodzy są w stanie dokładnie datować wiek odkrytych wykopalisk, zarówno z zakresu archeologii, paleontologii, czy nawet geologii,
- napędy – łodzie podwodne, lotniskowce czy lodołamacze wykorzystują energię jądrową jako paliwo. Bez niej silny rozwój tej gałęzi transportu lub też przemysłu (zależy od zapatrywań) nie byłby możliwy.
Co dalej?
Czy jest jeszcze jakiś sposób na pozyskiwanie energii z przemian jądrowych? Okazuje się, że tak. Takim złotym Graalem energetyki wydaje się być fuzja jądrowa lub inaczej fuzja termojądrowa.
Naturalnie proces ten ma miejsce w gwiazdach. Wewnątrz nich panują wysoka temperatura i ciśnienie. W takich warunkach jądra lżejszych pierwiastków – zaczynając od tych z początku tablicy Mendelejewa: wodór, hel, beryl, itd., łączą się tworząc jądra pierwiastków cięższych. Energia emitowana w wyniku cyklu tych reakcji, jest głównym paliwem gwiazd, także naszego Słońca. Co ciekawe, w gwiazdach fuzje jądrowe są konsekwencją oddziaływań słabych, czyli jednego z czterech podstawowych rodzajów oddziaływań. Wynikiem tego jest fakt, iż reakcje nie zachodzą gwałtownie i nie spalają gwiazdy, a pozwalają jej funkcjonować przez miliony czy nawet miliardy lat.
Ludzkość, a właściwie nasi mądrzy naukowcy, również chciałaby wykorzystać to zjawisko jako rodzaj pozyskiwania bodaj najczystszej energii. Szkopuł jednak w tym, że nie dysponujemy na razie na Ziemi odpowiednimi warunkami, tj. temperaturą i ciśnieniem, w których taka fuzja mogłaby bez przeszkód zajść. Natomiast próbując uzyskać takie warunki, jesteśmy zmuszeni wydatkować olbrzymie ilości energii. Takie, których nie jesteśmy na razie w stanie uzyskać w wyniku samej fuzji. Niemniej prace wciąż trwają. Nie wiadomo tylko, czy za naszego życia będziemy mogli doświadczyć tego energetycznego cudu.
Podsumowanie
Energetyka jądrowa jest z pewnością kuszącym rozwiązaniem. Szczególnie w świecie, który stara się być coraz bardziej ekologiczny i zeroemisyjny. Tylko czy energetykę jądrową możemy zaliczyć do czystych i ekologicznych? Szczególnie biorąc pod uwagę potencjalne skażenia i zapotrzebowanie w najważniejszy surowiec na Ziemi, jakim jest woda? Te pytania pozostawiam otwarte. Niech każdy sam wyrobi sobie osąd o tej technologii. Chętnie przeczytam, jakie Wy macie na ten temat zdanie.