| |
Jarosław Chrostowski
Nie ma odwrotu - prędzej czy później w Polsce powstaną elektrownie jądrowe. Czy ich obecność naprawdę oznacza zagrożenie nuklearną katastrofą?
Statystyki są jednoznaczne: elektrownie jądrowe należą do najbezpieczniejszych i najczystszych ekologicznie źródeł energii. Na zdjęciu elektrownia jądrowa w okręgu Lincolnshire w Wielkiej Brytanii.
Bezpieczeństwo instalacji nuklearnych przestało być przeszkodą w upowszechnieniu energetyki jądrowej. Największym problemem jest obecnie niewiedza, która sprzyja utrzymywaniu się społecznej niechęci, często umiejętnie wykorzystywanej przez osoby i firmy zainteresowane zachowaniem znaczenia tradycyjnych źródeł energii lub rozwojem metod alternatywnych. W rezultacie statystycznemu Kowalskiemu elektrownia jądrowa kojarzy się z kataklizmem: drugą Hiroszimą tuż za oknem w najgorszym przypadku, w najlepszym - z potężnym skażeniem materiałami promieniotwórczymi, prowadzącym do choroby popromiennej, potwornych mutacji i setek tysięcy zgonów.
Upowszechnianie każdej nowej technologii - szczególnie takiej, która wywiera istotny wpływ na życie dużej części społeczeństwa - zawsze wywołuje opory i niechęć części ludności. W swoim czasie sprzeciwiano się opalaniu węglem (protesty ustały, gdy zabrakło drzew), samochodom, kolei żelaznej i tramwajom elektrycznym. Andrzej Strupczewski z Instytutu Energii Atomowej w Świerku, ceniony polski specjalista w zakresie energetyki jądrowej, operuje nawet przykładem wydanej w 1900 roku w Polsce publikacji, w której anonimowy autor przeciwstawia się planom wprowadzenia kanalizacji miejskiej w Warszawie, widząc w niej zapowiedź zagłady. Warto również pamiętać, że prąd zmienny - dobro dzisiaj tak pożądane, główny cel istnienia wszelkich elektrowni - w swoim czasie uchodził za tak niebezpieczny, że zalecano stosowanie prądu stałego. Na tym tle sprzeciwy wobec energetyki jądrowej nie są czymś wyjątkowym. To naturalne zjawisko społeczne, mające zresztą dobroczynny wpływ na technologię: przed upowszechnieniem musi ona rozwinąć się do poziomu gwarantującego bezpieczeństwo tak wysokie, że argumenty nawet najbardziej zagorzałych przeciwników stracą rację bytu.
Czy zatem energetyka jądrowa dojrzała do etapu, w którym potrafi skutecznie przeciwstawić się nieracjonalnemu oporowi społecznemu? Można przekonać się o tym tylko w jeden sposób: próbując zepsuć elektrownię jądrową.
Nowa Hiroszima?
Zacznijmy z rozmachem. Czy elektrownia jądrowa może w niesprzyjających okolicznościach przekształcić się w bombę atomową? Aby odpowiedzieć na to pytanie, przyjrzyjmy się fizyce rozpadu promieniotwórczego. Najczęściej stosowanym paliwem jądrowym w elektrowniach jest wzbogacony uran, w którym ilość izotopu U235 sztucznie zwiększono z pierwotnych 0,7% do 3-5%. Pochłaniając neutron z zewnątrz, jądro uranu U235 przekształca się w niestabilny izotop U236 i rozpada na dwie części, emitując podczas tego procesu kwanty gamma i dwa lub trzy neutrony. Wydzielona energia wynosi łącznie około 200 MeV (megaelektronowoltów), przy czym jej największą część, około 160 MeV, unoszą jądra pierwiastków powstałych podczas rozszczepienia. Uderzają one w znajdujące się w pobliżu jądra innych pierwiastków, przekazując im swoją energię kinetyczną, co prowadzi do wzrostu temperatury materiału. Głównym źródłem ciepła jest zatem zwykła energia odrzutu produktów rozszczepienia.
W całym procesie istotną rolę odgrywają neutrony powstające podczas rozszczepienia jądra uranu. Wywołują one rozpady kolejnych jąder uranu, a więc w odpowiednich warunkach mogą prowadzić do wystąpienia reakcji łańcuchowej. Jej tempo ściśle zależy od liczby neutronów w materiale. Jeśli neutronów jest dostatecznie dużo (czyli gdy paliwo znajduje się w stanie znacznej nadkrytyczności), reakcja może mieć błyskawiczny przebieg i uwolnić ogromne ilości energii. Aby uzyskać warunki sprzyjające takiej eksplozji, w bombach atomowych trzeba stosować wysoko wzbogacony uran lub pluton. Różnica we wzbogaceniu jest ogromna: w paliwie w elektrowni jest go do 5%, w bombie atomowej - ponad 90%! Ale i to nie gwarantuje eksplozji jądrowej. Detonując bombę atomową, trzeba dodatkowo ścisnąć materiał za pomocą konwencjonalnego materiału wybuchowego. Ładunek, w którym zachodzi reakcja łańcuchowa, należy następnie przez chwilę utrzymać razem, aby nie rozproszył się przed wyzwoleniem odpowiednio dużej ilości energii. Opisane tu warunki z oczywistych powodów nie mogą zajść w elektrowni jądrowej.
Co w takim razie wybuchło w Czarnobylu? Wadliwie skonstruowany reaktor miał dodatnie sprzężenie zwrotne: w pewnych warunkach liczba neutronów w rdzeniu mogła samoistnie rosnąć. Operatorzy doprowadzili do wystąpienia tych warunków i rdzeń się gwałtownie przegrzał. W wyniku kontaktu wody z gorącym rdzeniem doszło do niekontrolowanego wytworzenia dużych ilości pary wodnej i skoku ciśnienia, a w rezultacie - do wybuchu i zniszczenia reaktora. Charakter eksplozji nasuwa więc skojarzenia nie z Hiroszimą, ale z wybuchającym kotłem parowym. Takim, jaki stoi w każdej kotłowni.
Jak stopić rdzeń?
Fizyka gwarantuje, że elektrownia jądrowa nie eksploduje jak wojskowy ładunek nuklearny. Sensowne staje się jednak pytanie, czy można ją przekształcić w brudną bombę, której wybuch konwencjonalny doprowadzi do rozproszenia materiałów promieniotwórczych na dużym obszarze i skażenia? Aby skutek był największy, należałoby uwolnić materiały promieniotwórcze uwięzione w pastylkach paliwowych. W tym celu należałoby stopić rdzeń reaktora.
Łatwo powiedzieć, trudniej zrobić. Przegrzanie rdzenia reaktora może nastąpić, jeśli reakcje rozszczepienia przebiegają zbyt szybko lub w sytuacji, gdy występują problemy z odbiorem ciepła. Zajmijmy się najpierw pierwszym przypadkiem. Szybkość reakcji łańcuchowej zależy od liczby neutronów. Jeśli chcemy ją zmniejszyć, należy do rdzenia wprowadzić pręty z materiału silnie je pochłaniającego. W nowoczesnych elektrowniach jądrowych pręty sterujące są zawieszone nad rdzeniem za pomocą elektromagnesów. W chwili awarii elektromagnesy wyłączają się - na sygnał układów zabezpieczających lub wskutek uszkodzenia, np. braku zasilania elektrycznego - i pod wpływem grawitacji samoczynnie opadają do rdzenia (niekiedy proces ten dodatkowo się przyspiesza, instalując napędy sprężynowe). Neutrony są wówczas efektywnie pochłaniane i reakcja łańcuchowa zostaje przerwana. Co więcej, współczesne elektrownie jądrowe są konstruowane na zasadzie sprzężenia ujemnego. Gdy temperatura rdzenia wzrasta, gorąca woda (lub, w sytuacji ekstremalnej, para wodna) coraz gorzej spowalnia neutrony, które mają wówczas dostatecznie dużo energii, aby wylecieć poza rdzeń. Te, którym się to uda, są pochłaniane przez elementy konstrukcyjne w pobliżu rdzenia. W rezultacie liczba neutronów zdolnych doprowadzać do rozszczepień spada i reaktor samoczynnie się wyłącza. Zasada ta jest fundamentalna w energetyce jądrowej: wszystkie układy współczesnej elektrowni są projektowane tak, aby w sytuacji awaryjnej samoczynnie przyjąć położenie bezpieczne.
Przerwanie reakcji łańcuchowej nie oznacza końca problemów, bo w paliwie zachodzą rozpady promieniotwórcze produktów rozszczepienia i rdzeń nadal jest źródłem ciepła - jest to tzw. grzanie powyłączeniowe. Na szczęście proces ten jest znacznie mniej efektywny i aby zabezpieczyć się przed stopieniem rdzenia, wystarczy zapewnić odpowiednie chłodzenie. W praktyce wymóg ten oznacza, że rdzeń należy utrzymywać cały czas pod wodą.
Chłodnia kominowa francuskiej elektrowni Cruas-Meysse, pokryta artystycznym malowidłem w celu zredukowania wpływu instalacji na krajobraz.
Chłodzenie ekstremalne
Instalacje obiegu pierwotnego są budowane z zachowaniem najwyższych wymogów technicznych i przy uwzględnieniu dużego marginesu bezpieczeństwa. Co się jednak stanie, gdy mimo to obieg pierwotny zostanie przerwany? Następuje spadek ciśnienia w obiegu, co można łatwo wykryć za pomocą odpowiednich układów zabezpieczających (zazwyczaj powielonych przynajmniej dwukrotnie) i podjąć działania zmierzające do wyłączenia reaktora. Jeśli z jakichś powodów działania te nie przyniosą skutku, temperatura rdzenia wzrasta i następuje równie gwałtowne, co efektowne parowanie przegrzanej wody. Ponieważ para znacznie gorzej pochłania ciepło, jego skuteczne odprowadzanie z rdzenia jest utrudnione. Aby nie dopuścić do stopienia prętów paliwowych, do akcji wkraczają aktywne i pasywne układy bezpieczeństwa, zaprojektowane tak, aby działały dzięki naturalnym zjawiskom fizycznym, a samo ich uruchomienie nie wymagało interwencji operatora. Układy aktywne, składające się zazwyczaj z trzech lub czterech niezależnych, równoległych podzespołów, pozwalają wpompować do rdzenia chłodziwo ze zbiorników awaryjnych. Pompy układów bezpieczeństwa wymagają jednak zasilania, a tego - w skrajnie niesprzyjającym przypadku - może nie być. Równolegle działają więc układy pasywne, gdzie każdy zbiornik wodny jest odcięty od rdzenia zaworem zwrotnym, zamkniętym dzięki podwyższonemu ciśnieniu w układzie pierwotnym. Gdy ciśnienie spada, zawór otwiera się samoczynnie i woda zalewa rdzeń.
Spróbujmy wywołać inną awarię. Przypuśćmy, że w obiegu pierwotnym dochodzi do wyłączenia pomp, co może nastąpić wskutek ich uszkodzenia lub - mało prawdopodobnego - braku zasilania (elektrownia jądrowa dysponuje zazwyczaj awaryjnymi generatorami prądu, napędzanymi silnikami Diesla; często jest również podłączona do pobliskiej elektrowni konwencjonalnej). Brak przepływu może spowodować, że gromadząca się w zbiorniku nad rdzeniem para zacznie wypychać wodę i odsłoni rdzeń, tym samym narażając go na stopienie. Również w tym przypadku zabezpieczenie jest oparte na najprostszych prawach fizyki: podczas budowy elektrowni dba się, aby rdzeń znajdował się znacznie niżej od wytwornicy pary. Przy takiej konstrukcji sama różnica gęstości między wodą gorącą (w reaktorze) a chłodną (w wytwornicy) prowadzi do wystąpienia naturalnej konwekcji, co wymusza cyrkulację w układzie.
Przyjmuje się, że niewielkie przecieki z obiegu pierwotnego, o powierzchni wypływu rzędu milimetrów kwadratowych, mogą występować raz na 10 lat pracy reaktora, a większe raz na 20-200 lat. Praktyka i obliczenia wskazują, że rozerwanie rurociągu wyposażonego w systemy detekcji przecieków to awaria zachodząca z prawdopodobieństwem raz na... milion lat pracy.
Więcej w miesięczniku "Wiedza i Życie" nr 1/2009.
|
|
|
|
