Elektrownie jądrowe

Naukowcy twierdzą, że pół wieku doświadczeń to wystarczająco dużo, aby siłownie nuklearne były bezpieczne. – Wszystkie elektrownie atomowe projektowane dzisiaj muszą spełniać niezwykle wysokie, pasywne normy bezpieczeństwa – mówi „Rz" prof. Ludwik Dobrzyński z Instytutu Problemów Jądrowych im. Sołtana w Świerku.

Pasywne układy bezpieczeństwa działają w oparciu o proste procesy fizyczne, dzięki temu są niezawodne podczas awarii. Taki rodzaj zabezpieczenia jest znakiem rozpoznawczym reaktorów trzeciej generacji.

Reaktory te mają zbrojone betonowe osłony, których grubość jest liczona w metrach. Są odporne nie tylko na klęski naturalne – trzęsienia ziemi, tsunami, huragany czy powodzie, ale także na atak terrorystyczny, np. uderzenie samolotu w reaktor. Przy obecnych konstrukcjach takie uderzenie może skończyć się jedynie zniszczeniem samolotu, a nie budynku (zostało to potwierdzone doświadczalnie).

Atomowy piec

Ogólny schemat elektrowni atomowej nie różni się wiele od konwencjonalnej elektrowni cieplnej. Zamiast kotła opalanego węglem czy gazem źródłem energii potrzebnej do wytworzenia pary, która wprawi w ruch turbiny, jest reaktor jądrowy.

W każdym z rodzajów reaktora źródłem ciepła jest rdzeń, dostarczają je kontrolowane reakcje jądrowe, głównie rozszczepiania jąder atomowych. Rdzeń reaktora składa się z setek prętów, wydłużonych kapsułek z cyrkonu wypełnionych pastylkami z paliwem, którym najczęściej jest wzbogacony uran. Wzbogacenie polega na zwiększeniu zawartości rozszczepialnego izotopu U-235 do około 3 – 5 proc. (z ok. 0,7 proc. w uranie naturalnym). Do regulacji parametrów reakcji służą wsuwane między kapsułki z paliwem tzw. pręty regulacyjne oraz pręty bezpieczeństwa – stosowane do awaryjnego wyłączania reaktora.

Reaktory różnią się od siebie sposobem odbioru ciepła od rdzenia i rodzajem zastosowanego moderatora – substancji spowalniającej neutrony. Do chłodzenia reaktora może służyć woda lub gaz, moderatorem może być zwykła woda, tzw. ciężka woda lub grafit.

Aby uniknąć lawinowego wzrostu szybkości reakcji, reaktor dzieli się na strefy wypełnione na przemian paliwem, chłodziwem oraz moderatorem.

Dziś jednym z dwóch najczęściej wykorzystywanych reaktorów jest reaktor wodny ciśnieniowy PWR (Pressurized Water Reactor).

Woda cyrkulująca pod ciśnieniem ok. 15 MPa rozgrzewa się do kilkuset stopni Celsjusza podczas omywania rdzenia. Nadmiar ciepła odbierany jest w wymienniku ciepła – wytwornicy pary o wysokim ciśnieniu i temperaturze. Para kierowana jest na turbinę parową, która napędza turbinę generatora prądu. Po przejściu przez turbinę para jest skraplana i w postaci wody wraca do wymiennika ciepła. Zużyta para wykorzystywana do poruszania generatora nie zawiera szkodliwych promieniotwórczych pierwiastków, bo nie ma kontaktu z rdzeniem reaktora.

Drugim popularnym typem reaktora w siłowniach jądrowych jest reaktor wrzący BWR (Boiled Water Reactor). W elektrowni Fukushima katastrofie uległy właśnie tego typu reaktory z lat 60.

Parujący kocioł

W przypadku reaktora BWR nie woda, lecz para wodna jest zarówno chłodziwem, jak i tzw. czynnikiem roboczym – wytwornice pary nie są potrzebne, bo para wytwarzana jest wewnątrz reaktora. Po osuszeniu kierowana jest na turbinę.

W energetyce jądrowej były stosowane też reaktory chłodzone gazem, a nawet ciekłymi metalami. W W. Brytanii od lat 50. rozwijana była technologia GCR (Gas Cooled Reactor) – reaktorów chłodzonych gazem z moderatorem grafitowym.

Ciekawą technologię zaproponowali Kanadyjczycy. Jeszcze w latach 50. opracowali reaktor jądrowy CANDU (ang. Canadian Deuterium Uranium), w którym funkcję moderatora i chłodziwa pełni ciężka woda. Jako paliwo reaktora wykorzystywany jest uran naturalny (nie wzbogacony).

Koncerny Areva, Westinhouse i rosyjski Atomstrojprojekt rozwijają trzecią generację reaktorów wodnych ciśnieniowych PWR. Podobne reaktory proponuje Mitsubishi Heavy Industries pod nazwą APWR. Modelowym reaktorem PWR trzeciej generacji jest EPR (przedstawiony na grafice). Koncern GE Hitachi buduje i projektuje trzecią generację reaktorów wrzących BWR, na przykład ekonomicznie uproszczony reaktor wodny ESBWR. Trzecią generację reaktorów pod nazwą ACR (Advanced CANDU Reactor) zaprojektował Atomic Energy of Canada.

Co jest czynnikiem decydującym w wyborze technologii? – Polityka – uważa prof. Dobrzyński. – Każda z technologii ma swoje zalety i wady, gwarantuje równie wysoki poziom bezpieczeństwa, a wybierana jest ta, którą serce podyktuje decydentom. A koszty? – Nie ma istotnych różnic w kosztach technologii – twierdzi prof. Dobrzyński.

Pół wieku, trzy generacje