Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Energia z jądra atomu

Energia z jądra atomu
Poskromienie atomu - od pierwszego doświadczenia z rudą uranu upłynęło już sporo czasu. Do dzisiaj wiele się zmieniło i chociaż intensywne prace są w toku, ciężko powiedzieć, kto i kiedy zdecydowanie podporządkuje sobie tę energię, bądź zrezygnuje z niej na korzyść wydajniejszej. Zapraszamy do poznania pełnej historii z niniejszego artykułu.
1. Klisza Antoine’a Henriego Becquerela

1896 Antoine Henri Becquerel podczas badania fluorescencji rud uranu odkrywa zjawisko jego radioaktywności. Powtarzając eksperymenty, które przeprowadził Wilhelm Röntgen, zawinął kawałek rudy uranu w materiał światłoczuły oraz w nieprzepuszczający światła czarny materiał. Zanim jednak zdjął czarną okrywę, by wystawić kliszę na światło fluorescencyjne, odkrył, że jest ona już całkowicie zaczerniona.

1905 Albert Einstein publikuje pracę naukową (zobacz także: Komputery kwantowe: wymyślić maszynę - i zadanie dla niej), w której podaje słynny wzór na równoważność masy i energii (E = mc2).

1933 Od czasu odkrycia neutronu węgierski uczony Leó Szilárd prowadzi w Niemczech badania na berylu. Pozwoliły mu sądzić, że reakcja łańcuchowa inicjowana przez bombardowanie jądra atomowego neutronami może posłużyć do zbudowania bomby jądrowej. Ponieważ jednak beryl był pierwiastkiem zbyt lekkim, a sam Szilárd nie miał pieniędzy na kontynuację badań i z powodu prześladowań musiał uciekać z Niemiec, jego wysiłki spełzły na niczym.

2. Enrico Fermi

1934 Prowadząc badania nad uranem, włoski fizyk Enrico Fermi (2) odkrył, że pierwiastek ten bombardowany neutronami staje się silnie promieniotwórczy. Mylnie sądził jednak, że w procesie tym powstaje nowy pierwiastek, o liczbie atomowej 93 (większej o 1 od liczby atomowej uranu). I choć już wtedy pojawiły się głosy, iż zjawisko zauważone przez Fermiego może mieć związek z rozszczepianiem jądra atomu, sam badacz, jak i większość uczonych, wtedy jeszcze odrzucił taką możliwość.

1938 Prowadząc badania nad uranem, włoski fizyk Enrico Fermi (2) odkrył, że pierwiastek ten bombardowany neutronami staje się silnie promieniotwórczy. Mylnie sądził jednak, że w procesie tym powstaje nowy pierwiastek, o liczbie atomowej 93 (większej o 1 od liczby atomowej uranu). I choć już wtedy pojawiły się głosy, iż zjawisko zauważone przez Fermiego może mieć związek z rozszczepianiem jądra atomu, sam badacz, jak i większość uczonych, wtedy jeszcze odrzucił taką możliwość.

1939 O odkryciu Hahna dowiaduje się Leó Szilárd, przebywający wówczas w Wielkiej Brytanii. Kilka miesięcy później w liście do Alberta Einsteina opisuje konstrukcję złożoną z kratownicy uranu i grafitu, czyli prototyp pierwszego reaktora jądrowego. Mniej więcej w tym czasie grupa pracujących w Paryżu uczonych (Frédéric Joliot-Curie, Francis Perrin, Hans Halban i Lew Kowarski) opracowała teoretyczne podstawy reakcji łańcuchowej oraz produkcji elektryczności z energii atomowej. Badacze sformułowali m.in. pojęcie masy krytycznej - najmniejszej masy, jaka potrzebna jest, by mogła nastąpić reakcja łańcuchowa.

3. Otto Hahn z Fritzem Strassmannem i Lisą Meitner oraz aparatura, która posłużyła do wykrycia rozszczepienia uranu

1939 Pod kryptonimem "projekt U" (Uran projekt) rozpoczynają się w Niemczech tajne, intensywne prace nad wykorzystaniem energii jądrowej i budową związanej z nią bomby (4) - grupa naukowców pod kierownictwem Wernera Heisenberga zajmuje się głównie kwestią konstruowania reaktorów do pozyskania plutonu P-239. Z powodu rozproszenia ośrodków badawczych, niewielkiej liczby naukowców, przyjęcia błędnych założeń i nieprawidłowej interpretacji wyników eksperymentów, prace posuwają się jednak zbyt wolno, aby Hitler mógł doczekać się bomby atomowej przed ostateczną klęską wojenną Niemiec.

4. Element instalacji badawczej niemieckiego programu badań jądrowych w Haigerloch

1941 Albert Einstein - m.in. po liście od Szilárda - powiadamia prezydenta USA Franklina D. Roosevelta o możliwościach wykorzystania energii z atomu. Badania zmierzające do zbudowania bomby jądrowej pełną parą ruszyły po ataku Japonii na Pearl Harbour w grudniu 1941 r., gdy USA przystąpiły oficjalnie do wojny przeciw państwom Osi.

W kolejnym roku ruszył projekt Manhattan, którego celem było wyprodukowanie bomby wcześniej, niż zrobią to hitlerowskie Niemcy. Tajny ośrodek badawczy ulokowano w Los Alamos na pustyni Nevada. Kierownikiem projektu został Robert J. Oppenheimer, a oprócz niego uczestniczyły w nim tak znamienne postaci, jak Szilárd, Niels Bohr, Arthur Compton, Enrico Fermi, Otto Frisch, Klaus Fuchs (któremu później udowodniono szpiegowanie na rzecz Związku Radzieckiego) czy Eugene Wigner.

5. Chicago Pile 1

1942 Zespół uczonych pod kierunkiem Enrica Fermiego pracował nad wykorzystaniem zjawiska rozszczepienia i przeprowadzeniem reakcji w sposób kontrolowany. Ich praca została uwieńczona powodzeniem 2 grudnia, kiedy to skonstruowany pierwszy stos atomowy osiągnął masę krytyczną.

Chicago Pile 1, czyli CP-1 (5), zbudowany na stadionie University of Chicago w Stagg Field, składał się z ok. 40 tys. bloków grafitowych - specjalnie wyprodukowanych, by wykluczyć możliwość zanieczyszczeń. Wydrążono w nich ok. 22 tys. otworów, przygotowanych na przyjęcie kilku ton uranu. Z użyciem tego reaktora przeprowadzono pierwszą kontrolowaną łańcuchową reakcję jądrową. Ponieważ eksperymentalny model nie miał ani chłodzenia, ani osłon, pracę po pierwszym uruchomieniu przerwano po 28 minutach, za pomocą pręta kadmowego. Natychmiast rozpoczęto prace nad kolejnymi reaktorami, o większej mocy, zdolnymi produkować pluton potrzebny do budowy bomby.

1944 W specjalnym ośrodku w Hanford w USA powstają pierwsze reaktory produkcyjne chłodzone wodą. Choć podstawy fizyczno-techniczne do budowy elektrowni jądrowych zostały opracowane na potrzeby broni jądrowej (która w czasie II wojny światowej stanowiła główny cel zastosowania energii jądrowej), to jednak naukowcy już od chwili odkrycia reakcji rozszczepienia jądra atomu zdawali sobie sprawę z możliwości pokojowego wykorzystania nowej energii - w tym przez budowę elektrowni wykorzystujących to zjawisko fizyczne.

Kilka miesięcy po uruchomieniu reaktorów w Hanford przeprowadzone zostają pierwsze próbne wybuchy broni jądrowej. 6 sierpnia 1945 r. zostaje ona użyta nad Hiroszimą, a 9 sierpnia nad Nagasaki.

1946 W USA kontrolowanie badań nad energią jądrową przejął od wojska organ cywilny - Komisja Energii Atomowej.

1946 Ukazuje się artykuł Alvina Weinberga i Forresta Murraya "Woda pod wysokim ciśnieniem jako medium do wymiany ciepła w elektrowniach jądrowych" ("High-pressure water as a heat-transfer medium in nuclear power plants"). Weinberg otrzymuje później patent na reaktor lekkowodny, który jest najbardziej rozpowszechnionym typem reaktora jądrowego w dzisiejszym świecie.

1951 Urządzenie Experimental Breeder Reactor 1 w Narodowym Laboratorium Inżynierii i Środowiska w Idaho (INL) produkuje pierwszą na świecie użyteczną ilość energii elektrycznej z energii jądrowej. Kiedy neutrony uwolnione w procesie rozszczepienia przekształcają uran w pluton, wytwarzają więcej materiału rozszczepialnego, tworząc w ten sposób zarówno nowe paliwo, jak i energię.

Podczas pierwszego demonstracyjnego pokazu zorganizowanego w grudniu przez Argonne National Laboratory zaświecono pierwsze cztery żarówki małej mocy - zasilane prądem elektrycznym wytworzonym przy pomocy reaktora jądrowego EBR-1, zlokalizowanego w National Reactor Testing Station w Idaho Falls. Reaktor EBR-1 był prototypem reaktorów chłodzonych ciekłym metalem.

6. Elektrownia jądrowa w Obnińsku

1953 Prezydent Dwight Eisenhower zapowiada nowy kierunek w dziedzinie energii jądrowej - "Atom dla pokoju". Miejsce tajnych ośrodków z projektu Manhattan zajęły państwowe laboratoria prowadzące badania nad pokojowymi aspektami wykorzystania energii atomowej.

1954 W Obnińsku w ZSRR (6) zostaje uruchomiona pierwsza doświadczalna elektrownia jądrowa (w skali półtechnicznej) - AM-1. Miała moc jedynie 5 MW, służyła do zaopatrywania w energię pobliskiego Instytutu Atomowego i stanowiła pierwowzór uruchomionego w latach 60. Reaktora Kanałowego Dużej Mocy - RBMK (Rieaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj).

1955 W lipcu BORAX-III (7) staje się pierwszą elektrownią jądrową na świecie, która testowo zaopatruje w energię elektryczną całe miasto (liczące 1200 mieszkańców Arco, w stanie Idaho, USA).

7. Reaktor w BORAX-III

1955-1957 We Francji, w USA, Związku Radzieckim, Wielkiej Brytanii i Szwecji powstają pierwsze komercyjne reaktory energetyczne, stworzone na bazie konstrukcji przejętych z programów wojskowych. Są wyposażone w moderator grafitowy, chłodzone wodą i przystosowane do wymiany paliwa podczas pracy. Wykorzystują uran naturalny lub słabo wzbogacony.

1956 W Calder Hall w Wielkiej Brytanii uruchomiono pierwszą przemysłową elektrownię jądrową wyposażoną w reaktor chłodzony gazem (GCR - Gas Cooled Reactor). Następna w kolejce była elektrownia z reaktorem PWR, w Shippingport, w USA.

1957 W ramach ONZ powstaje Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej. Obejmuje patronat nad prowadzeniem i rozwijaniem badań dotyczących praktycznego zastosowania energii jądrowej oraz wszelkich aspektów bezpieczeństwa, a także nad propagowaniem jej pokojowych zastosowań i szkoleniem naukowców w tym zakresie.

1961 Uruchomiono pierwszy na świecie reaktor mobilny (PM-2A o mocy 2 MW), a więc taki, który mógł być przenoszony z miejsca na miejsce - co było doskonałym rozwiązaniem np. dla wojska.

1963 17 lipca rozpoczęła pracę pierwsza w świecie elektrociepłownia jądrowa z reaktorem PHWR, w szwedzkim Ågesta, dostarczająca ciepło do przedmieść Sztokholmu - Farsta. Zainstalowany w niej reaktor ciężkowodny na uranie naturalnym miał moc 68 MW.

1965 Pierwszy reaktor jądrowy trafia na orbitę okołoziemską, gdzie - podróżując na pokładzie amerykańskiego satelity Snapshot - działa przez 43 dni.

1974 Na terenie Commonwealth Edison w stanie Illinois (USA) oddano do użytku pierwszą elektrownię jądrową o mocy 1000 MW - Zion Nuclear Power Plant, blok 1.

1979 W elektrowni Three Mile Island w USA miała miejsce awaria reaktora PWR (8). Mimo iż połowa znajdującego się w nim paliwa uranowego uległa stopieniu, wypadek nie pociągnął za sobą ofiar w ludziach, nikt też nie doznał uszczerbku na zdrowiu w wyniku napromieniowania. Dzięki systemowi barier, które spełniły swoją rolę zgodnie z przewidywaniami konstruktorów, na zewnątrz elektrowni wydostały się tylko śladowe ilości substancji radioaktywnych. Pomimo to gruntownie zweryfikowano obowiązujące w tego typu zakładach oceny poziomu bezpieczeństwa, a w wielu elektrowniach dokonano modernizacji całych układów bezpieczeństwa.

8. Po awarii w Three Mile Island

1986 W wyniku przegrzania reaktora doszło do wybuchu wodoru, pożaru oraz rozprzestrzenienia się substancji promieniotwórczych w elektrowni jądrowej w Czarnobylu, w ZSRR (9). Była to największa katastrofa w historii energetyki jądrowej i jedna z największych katastrof przemysłowych XX wieku. Razem z katastrofą w elektrowni jądrowej Fukushima I w 2011 r. została zakwalifikowana do siódmego, najwyższego stopnia w skali INES. W wyniku awarii skażeniu promieniotwórczemu uległ obszar o powierzchni 125-146 tys. km² na pograniczu dzisiejszej Białorusi, Ukrainy i Rosji, a wyemitowana z uszkodzonego reaktora chmura radioaktywna rozprzestrzeniła się po całej Europie. W efekcie skażenia z okolic elektrowni ewakuowano i przesiedlono ponad 350 tys. osób.

9. Elektrownia w Czarnobylu po katastrofie

lata 80. i 90. Po awariach w Three Mile Island i w Czarnobylu wiele krajów wstrzymało się z wydawaniem decyzji o budowie kolejnych bloków jądrowych. Obywatele Szwecji w referendum w 1980 r. zdecydowali o zupełnym wycofaniu się z energetyki jądrowej (później jednak odstąpiono od tego zamiaru). Rezygnację planowały także Holandia, Niemcy i Słowenia, a Włochy wprowadziły ją w czyn w roku 1990. Budowano natomiast nowe reaktory w Azji (Chiny, Indie, Japonia, Korea Południowa i Północna, Iran, Pakistan, Zjednoczone Emiraty Arabskie), a także w Rosji. W następnych latach, z powodu wyczerpujących się surowców energetycznych oraz dużego postępu technologicznego w zakresie projektowania i zabezpieczania obiektów jądrowych, energetyka związana z atomem znów przeżywała swój renesans.

2001 Powstaje Międzynarodowe Forum IV Generacji (Generation IV International Forum - GIF), którego celem jest propagowanie współpracy państw, chcących stworzyć nową generację reaktorów jądrowych.

2011 Seria wypadków jądrowych w elektrowni atomowej Fukushima I w Japonii (10). Doszło do nich w wyniku tsunami, spowodowanego przez trzęsienie ziemi u wybrzeży wyspy Honsiu. Na listę najgroźniejszych zdarzeń trafia druga awaria siódmego stopnia w skali INES, połączona z emisją substancji promieniotwórczych do środowiska - związaną m.in. z wydostaniem się z elektrowni skażonej wody morskiej stosowanej do chłodzenia reaktorów. W efekcie wiele krajów znów zareagowało dyskusją o przyszłości energetyki jądrowej.

10. Widok na elektrownię Fukushima

Rodzaje reaktorów jądrowych

Podział ze względu na reakcję jądrową

Biorąc pod uwagę energię neutronów wywołujących reakcję jądrową, reaktory rozszczepiające dzieli się na:

  • termiczne (reaktory na neutronach termicznych) - rozszczepienie jest w nich wywoływane głównie przez cząstki o niewielkiej energii, zwane neutronami termicznymi. Większość reaktorów obecnie funkcjonujących stanowią urządzenia właśnie tego typu. Neutrony powstające w wyniku rozszczepienia jąder mają dużą energię kinetyczną (2-5 MeV) i są tu spowalniane do energii kinetycznej ruchu cieplnego (mniej niż 0,1 eV). Ze względu na główny czynnik spowalniający neutrony reaktory termiczne klasyfikuje się na takie, które są:
        - moderowane grafitem,
        - moderowane i chłodzone ciężką wodą,
        - moderowane i chłodzone wodą (lekkowodne, LWR),
        - moderowane i chłodzone stopionymi solami,
        - moderowane i chłodzone stopionymi metalami;
  • epitermiczne - neutrony są w nich spowalniane tylko częściowo;
  • prędkie (reaktory na prędkich neutronach) - wykorzystują neutrony prędkie, o energii takiej, jaką mają po rozszczepieniu. Urządzenia tego typu nie są wyposażone w moderator spowalniający neutrony, ale wymagają paliwa o większym wzbogaceniu (co najmniej 20% 235U). Mogą jednak lepiej od innych rodzajów reaktorów wykorzystać paliwo i wytwarzać izotopy łatwo rozszczepialne.

Podział według czynnika chłodzącego

Zgodnie ze stosowanym czynnikiem chłodzącym reaktory dzielimy na:

  • wodne, ciśnieniowe (tzw. PWR i WWER), w których chłodziwem i moderatorem jest zwykła woda pod ciśnieniem - na tyle wysokim, by woda nie zaczęła wrzeć podczas normalnej pracy reaktora;
  • wodne, wrzące (BWR) - chłodziwem i moderatorem jest zwykła woda, ale wrząca. Wyjątkowymi reaktorami wodnymi, wrzącymi są reaktory kanałowe wielkiej mocy (RBMK). Tego typu urządzenia pracowały m.in. w Czarnobylu oraz w innych elektrowniach na terenie byłego ZSRR - chłodzone są wodą wrzącą w kanałach paliwowych, a moderowane grafitem;
  • ciężkowodne (PHWR, np. reaktor jądrowy ciężkowodny CANDU) - chłodziwem i moderatorem jest w nich ciężka woda;
  • gazowe (GCR, AGR, HTGR) - chłodziwem jest gaz (dwutlenek węgla lub hel), a moderatorem grafit;
  • chłodzone stopionym metalem - zazwyczaj są to reaktory prędkie, w tym powielające (LMFR). Za chłodziwo służą najczęściej stopione metale: sód, rzadziej ołów;
  • solne (MSR) - chłodziwem są stopione sole, najczęściej fluoru.

Generacje reaktorów

  • Pierwsza - reaktory prototypowe i doświadczalne, różnej konstrukcji. Energia przez nie wytwarzana nie jest wykorzystywana w celach komercyjnych, lub dzieje się to jedynie w niewielkim stopniu. Konstruowane głównie w latach 1942-1954.
  • Druga - reaktory wykorzystywane do celów komercyjnych, skonstruowane przed katastrofą elektrowni jądrowej w Czarnobylu (1986 r.). Stanowią większość współcześnie funkcjonujących reaktorów komercyjnych.
  • Trzecia - ulepszone reaktory drugiej generacji. W latach 80. spadek cen prądu, niższe koszty produkcji energii ze źródeł konwencjonalnych oraz mniejsze zaangażowanie państw w dotacje do energetyki atomowej wymusiło zmiany mające na celu poprawę efektywności elektrowni jądrowych. Katastrofa w Czarnobylu wymusiła z kolei zwiększenie zabezpieczeń przed skażeniem.
  • Czwarta - najnowsze reaktory, znajdujące się w fazie projektów, w których szczególny nacisk kładziony jest na zmniejszenie negatywnego oddziaływania na środowisko, zwiększenie bezpieczeństwa i niezawodności, a także ograniczenie możliwości wykorzystania materiałów i urządzeń do produkcji broni jądrowej. Nowe konstrukcje muszą spełniać surowe wymagania dotyczące bezpieczeństwa, zużycia paliwa jądrowego, wytwarzania i gospodarowania odpadami promieniotwórczymi. Wymusza to poszukiwanie nowych rozwiązań.

M.U.