Z 1 kg uranu w reakcji rozszczepienia można uzyskać tyle energii, co ze spalenie 300 ton węgla

W latach 30 ubiegłego wieku naukowcy przeprowadzali eksperymenty polegające na bombardowaniu atomów uranu neutronami. Okazało się, że jądro uranu 235 po przechwyceniu neutronu staje się niestabilne co skutkuje jego rozpadem – powstają dwa lżejsze jądra, pewna liczba neutronów (średnio 2,5) oraz duża ilość energii. Neutrony te mogą wnikać do następnych jąder uranu uwalniając kolejne neutrony. Otworzyła się więc teoretyczna mozliwośc zainicjowania jądrowej reakcji łańcuchowej której skutkiem byłoby uwolnienie ogromnych ilości energii. W 1940 roku fizycy conajmniej 6 krajów pracowali już nad praktycznym wykorzystaniem tego odkrycia – głównie w celach wojskowych. Dwa lata później w Stanach Zjednoczonych dysponujących największym potencjałem naukowym (zaangażono wielu wybitnych fizyków – uchodźców z ogarniętej wojną europy) i przemysłowym ruszył projekt Manhattan. Jego celem była budowa bomby jądrowej. 6sierpnia 1945 amerykański bombowiec B29 zrzucił pierwszą bombę uranową na Hiroszimę wprowadzając świat w erę wykorzystania energii jądrowej.

Reakcja rozszczepienia ciężkiego jądra

Wraz z zakończeniem II wojny światowej energia jądrowa znalazła zastosowanie cywilne – naukowcy nauczyli się przeprowadzać kontrolowaną reakcję rozszczepienie w reaktorach atomowych. Ciepło uzyskane z reaktora służy do wytwarzania pary – która z kolei jest wykorzystywana analogicznie jak w innych elektrowniach cieplnych do napędzania turbozespołów (turbina + prądnica elektryczna). Pierwsza taka elektrownia została wybudowana w 1954 r. w Obnińsku w ZSRR. Wydawało się, że przyszłość energetyki jądrowej jest świetlana – w latach siedemdziesiątych uruchamiano kilkanaście reaktorów rocznie. Jednak dwie poważne awarię (Three Mile Island w 1979 r. oraz Czarnobyl w 1986 r.) spowodowały wątpliwości co do bezpieczeństwa elektrowni, wybuch światowej radiofobii wzrost poparcia dla organizacji proekologicznych (Greenpeace, partie polityczne „Zielonię). Rządy niektórych krajów Europy Zachodniej (Niemcy) podjęły deczyje o całkowitzm wycofaniu się z energetyki jądrowej. Obecnie na świecie pracuje około 400 elektrowni atomowych dostarczających 17% elektryczności zużywanej globalnie.

Producenci energii atomowej na świecie; źródło: na podstawie danych z IEA z 2005 r.

Z dzisiejszej perspektywy regres energetyki atomowej wydaje się nieuzasadniony. Doniesienia o setkach tysięcy ofiar katastrofy czarnobylskiej okazały się medialną histerią. Najnowszy raport „Forum Czarnobylskiego” (Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (MAEA), Światowa Organizacja Zdrowia (WHO), Agencje ONZ oraz rządy Białorusi, Rosji i Ukrainy) liczbę ofiar śmiertelnych szacuje na 50, oraz dalsze 4 tysiące które jeszcze umrą w jej wyniku. Jeszcze bardziej sceptyczna w swoich osądach jest UNSCEAR (Komitet Naukowy ONZ ds. Skutków Promieniowania Atomowego) który liczbę ofiar szacuje na 31. W obliczu wyczerpujących się zasobów paliw kopalnych i ocieplenia klimatu w wyniku emisji dwutlenku węgla do atmosfery nowoczesna elektrownia atomowa stanowi źródło czystej (brak emisji CO2) i bezpiecznej energii.

Ruiny bloku nr 4 elektrowni w Czarnobylu po wybuchu reaktora 26 kwietnia 1986 r.

Budowa elektrowni Atomowej

Sercem każdej EJ jest reaktor, w którym ciepło uzyskuje się z kontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder atomów paliwa (np. uranu-235) przy udziale wodnego, grafitowego lub berylowego moderatora spowalniającego powstałe neutrony, dzięki czemu zwiększa się prawdopodobieństwo zainicjowania przez nie kolejnej reakcji rozszczepienia. Przebieg reakcji reguluje się przez wsuwanie lub wyciąganie z rdzenia (zawierającego paliwo jądrowe) tzw. prętów sterujących wykonanych z materiałów pochłaniających neutrony (izotopy boru lub kadmu). Przez rdzeń przepływa chłodziwo, które chłodząc rdzeń samo silnie nagrzewa się. Woda jest bardzo dobrym chłodziwem z uwagi na jej duże ciepło właściwe, ale musi być utrzymana pod dużym ciśnieniem dla uniknięcia wrzenia w temperaturze rzędu kilkuset stopni Celsjusza. Ciepło pobrane w reaktorze zostaje oddane w wymienniku ciepła wodzie obiegu wtórnego lub wodzie w wytwornicy pary, która zasila turbogenerator. Temperatura tej pary i jej ciśnienie muszą być odpowiednio wysokie, aby zapewnić wysoką sprawność turbiny. Po przejściu przez turbinę para jest chłodzona i skroplona wraca do wytwornicy pary.

Schemat budowy elektrowni atomowej z reaktorem wodnym ciśnieniowym

Paliwo

Paliwem dla większości elektrowni jądrowych jest Uran. Jest najcięższym pierwiastkiem występującym naturalnie na ziemi. Występują w nim głównie dwa izotopy: 238 U (ok 99,3%) i 235 U (ok 0,7%) mogący ulegać rozszczepieniu pod wpływem neutronów – a więc mogący być paliwem dla reaktora atomowego. Uran wydobywa się z rud uranowych, a następnie poddaje się go wzbogaceniu – obróbce zwiększającej zawartość izotopu 235 U. Światowe zasoby uranu szacowane są na około 3, 3 mln ton. W ostatnim okresie wydobywano około 40 tys. ton tego paliwa rocznie. Do potentatów w tej dziedzinie należą Kanada, Australia, Kazachstan oraz Rosja, które to kraje posiadają około 50 proc udokumentowanych światowych zasobów uranu.