Energia atomowa – generowanie i wyprowadzanie mocy

Energetyka jądrowa wciąż wzbudza w Polsce wiele kontrowersji. W tej sprawie naukowe fakty mieszają się z mylnymi stereotypami, a ekologia z polityką. Wiadomo, że materiały promieniotwórcze są niebezpieczne, a ryzyko awarii istnieje. Ale warto wiedzieć też, jak działa elektrownia atomowa? I w jaki sposób z energii jądrowej powstaje prąd elektryczny?

Energetyka atomowa – zasada działania reaktora

Schematycznie elektrownię atomową można podzielić na dwie części. W pierwszej zachodzą reakcje jądrowe, które wytwarzają wielkie ilości ciepła. Druga jest bardziej konwencjonalna, zamienia ciepło na energię elektryczną. W założeniach niewiele różni się ona od analogicznych części elektrowni węglowych. W uproszczeniu chodzi o generowanie prądu przemiennego za pomocą zestawu turbin, które są wprawiane w ruch przez gorącą parę. Dlatego jest to elektrownia cieplna.

Ciepło powstaje dzięki kontrolowanym reakcjom jądrowym w reaktorze. Paliwem są materiały rozszczepialne, czyli związki chemiczne, zawierające uran 235 lub pluton 239. Pierwiastki te są zdolne do reakcji łańcuchowej. Polega ona na tym, że w wyniku rozbicia jednego atomu przez neutron uwalniane są następne neutrony zdolne do rozbicia pobliskich atomów, co prędko powoduje rozbijanie następnych, i tak dalej. W broni jądrowej zachodzi to w sposób lawinowy i niekontrolowany, co wywołuje eksplozję. W energetyce jądrowej energia kinetyczna atomów oraz promieniowanie w większości są powoli zamieniane na energię cieplną wody. Reaktor atomowy pozwala dokładnie regulować warunki reakcji łańcuchowej, aby nie mogła wymknąć się spod kontroli ani zaniknąć.

Tak wygląda ogólna zasada działania, choć, oczywiście, istnieje mnóstwo technicznych rozwiązań kontroli, bezpieczeństwa i zwiększania wydajności reakcji jądrowych. Sprawiają one, że tak wytwarzana energia jądrowa jest współcześnie bezpieczna i – w porównaniu do elektrowni konwencjonalnych – ekologiczna. Nie następuje spalanie paliw kopalnych, nie są generowane gazy cieplarniane, pyły, popiół ani żużel. Elektrownie atomowe nie dymią. Ich kominy służą do chłodzenia wody, wydobywa się z nich czysta para wodna. Niestety, duże reaktory jądrowe to bardzo zaawansowane urządzenia. Ich wybudowanie wymaga dużych nakładów pracy i pieniędzy, aby spełnić wyśrubowane wymogi bezpieczeństwa. Pewną receptą na to są reaktory SMR, o których jest ostatnio coraz głośniej.

Elektrownia SMR – sposób na energetykę jądrową przyszłości?

Skrót oznacza Small Modular Reactor. Jego zasada działania jest identyczna, jak w „tradycyjnym” reaktorze. Ten typ nie ma nic wspólnego z rodzajem paliwa jądrowego, systemem kontroli reakcji, chłodzeniem ani generacją elektryczności. Różnica tkwi w konstrukcji. Modułowość oznacza, że taki reaktor jądrowy nie jest konstruowany na placu budowy powstającej elektrowni. Zamiast tego jest produkowany w osobnej fabryce jako jedna całość i dostarczany na miejsce. To pierwsze założenie wymusza drugie: nieduży rozmiar, inaczej transport byłby nieopłacalny. Dlatego, przewidywane moce elektryczne SMR-ów będą mniejsze niż w starszych elektrowniach atomowych: od 20 MWe do 300 MWe (MWe – megawat mocy elektrycznej).

Co ciekawe, SMR nie jest wcale nowym wynalazkiem. Łodzie podwodne i lotniskowce o napędzie jądrowym od wielu lat musiały korzystać z rozwiązań niewielkich i gotowych do zainstalowania. Projekty SMR wiele z nich czerpią. Chodzi cały czas o obniżenie kosztów i uproszczenie procedur przy jednoczesnym zachowaniu całkowitego bezpieczeństwa. Jest to praktyczne podejście do stopniowego procesu odchodzenia od energetyki węglowej. Realia są bezlitosne – zasoby węgla, ropy i gazu ziemnego wyczerpią się w przeciągu najbliższych kilku pokoleń. Zasoby uranu na Ziemi mogą zaś wystarczyć na tysiące lat. Wykorzystanie alternatywy dla paliw kopalnych już się rozpoczęło, aby ludzkość mogła zaspokajać rosnący apetyt na energię. Jedną z alternatyw jest właśnie energia atomowa.

Dlatego współcześnie istnieje już kilkadziesiąt projektów SMR. Większość jest na etapie koncepcji lub budowy. Przełom nastąpił w grudniu 2022 r. w chińskim mieście Weihai, kiedy dwa reaktory HTR-PM osiągnęły pełną moc – łącznie 210 MWe. Wiele koncernów energetycznych (w tym polskie KGHM i Orlen) obecnie planuje uruchomienie własnych reaktorów. W najbliższych latach ich technologia będzie całkowicie dojrzała, przetestowana i stopniowo coraz tańsza.

Jak bezpieczne są elektrownie atomowe?

Elektrownie atomowe operują dużymi ilościami szczególnie niebezpiecznych materiałów, w których zachodzą potężne reakcje. Dlatego standardy bezpieczeństwa są bardzo restrykcyjne. W Polsce Państwowa Agencja Atomistyki prowadzi dozór jądrowy. Jest to grupa inspektorów, która nadzoruje wszystkie ośrodki pracujące ze źródłami promieniowania jonizującego. Budowa nowej elektrowni atomowej wymaga sporządzenia ogromu ważnej dokumentacji – nawet kilkanaście tysięcy stron! Wszystko to, aby udowodnić bezpieczeństwo przyszłej instalacji. SMR ma tu pewną przewagę – jako konstrukcja mniejsza i prostsza, wymaga nieco uproszczonych procedur.

Jak wygląda w praktyce zapewnienie kontroli nad niebezpiecznym rozszczepianiem atomów? Reakcja ta zachodzi w prętach paliwowych, które zawierają uran lub pluton. Pomiędzy nimi umieszczone są pręty kontrolne ze specjalnych materiałów, które mają zdolność pochłaniania neutronów. Jak wiemy, to właśnie rozprzestrzeniające się lawinowo neutrony są przyczyną rozszczepień atomów. Prosta (w założeniu) operacja wsunięcia pręta z pochłaniaczem między pręty z uranem powoduje więc spowolnienie reakcji lub jej zatrzymanie. Poza tym, istnieją systemy zabezpieczające, których mechanizm działania polega na tym, że reaktor jądrowy jest zalewany zimną wodą. To powoduje szybkie schłodzenie w sytuacji, kiedy reakcje jądrowe zaczęłyby produkować zbyt dużo ciepła.

Systemy kontrolne wymagają normalnego zasilania, które też może z przyczyn losowych ulec awarii. Na taki wypadek elektrownie posiadają własne generatory diesla, aby zapewnić zasilanie zapasowe. Istnieją nawet systemy pasywne, które nie wymagają interwencji człowieka ani elektryczności. Działają samoczynnie, np. dzięki automatycznemu wyłączeniu i grawitacyjnemu zalaniu reaktora wodą. Wszystko to sprawia, że energetyka jądrowa jest bezpiecznym źródłem wydajnej i czystej energii.