Poznaj atom

Jak powstaje energia z atomu?

Poniedziałek 12 marca 2012

Energię w elektrowni jądrowej uzyskuje się w wyniku rozszczepiania jąder atomów. Reakcja polega na podziale ciężkiego jądra atomu uranu na dwa mniejsze fragmenty (tzw. produkty rozszczepienia). W czasie tej reakcji wyzwalana jest ogromna ilość energii, która pochodzi z różnicy między masą jądra przed jego rozszczepieniem, a masami produktów rozszczepienia.

Sama reakcja rozszczepienia zachodzi w wyniku bombardowania jądra atomu neutronami. Dla zapoczątkowania reakcji łańcuchowej konieczna jest określona minimalna masa paliwa jądrowego, zwana masą krytyczną.
W dużej bryle uranu lub plutonu po krótkim ostrzale neutronami, w dowolnym miejscu następuje rozszczepienie pierwszego jądra. Wyrzuca ono z siebie neutrony, które rozbijają dalsze jądra, a z nich uwalniają się kolejne neutrony. I znowu neutrony trafią na jądra sąsiadów, rozszczepią je, tworząc kolejne neutrony rozbijające dalsze jądra. Każdorazowo wydzielana jest olbrzymia ilość energii. W ułamku sekundy liczba rozbitych jąder, a tym samym ilość wydzielanej energii lawinowo wzrasta. Proces ten nazywamy reakcją łańcuchową.
Reakcja łańcuchowa w reaktorach jądrowych przebiega w sposób kontrolowany, gdzie dopuszcza się jedynie określoną liczbę rozszczepień na sekundę – za pomocą materiałów pochłaniających część neutronów (kadm, bor). Materiały te znajdują się w prętach sterujących, których wsuniecie do rdzenia reaktora zmniejsza liczbę wolnych neutronów powodujących rozszczepienia.
Ze względu na niskie wzbogacenie paliwa jądrowego w izotop U-235 (jeden z izotopów uranu) oraz oddalenie prętów paliwowych od siebie, wymagane jest zastosowanie tzw. moderatora, czyli substancji służącej do spowalniania (wyhamowywania) neutronów. Spowolnione neutrony mają większe prawdopodobieństwo rozszczepienia jąder U-235 niż neutrony prędkie, które są w większości przypadków pochłaniane przez jądra bez ich rozszczepienia, albo wywołują inne reakcje jądrowe.
W energetyce jądrowej najczęściej wykorzystuje się takie materiały rozszczepialne jak U-235 (jeden z izotopów uranu) i Pu-239 (jeden z izotopów plutonu). Ciepło, które powstaje w reaktorze jądrowym zamieniane jest na energię mechaniczną, potrzebną do wytwarzania prądu elektrycznego.
Surowcami, z których wytwarzane jest paliwo jądrowe są pierwiastki uran (wydobywany w postaci rudy lub roztworu rozpuszczonej rudy) i w mniejszym zakresie pluton (produkowany w reaktorach, a następnie odzyskiwany w zakładach przerobu wypalonego paliwa). Istnieją również tzw. materiały paliworodne, z których co prawda nie produkuje się gotowego paliwa, ale stanowią one materiał, który po umieszczeniu w reaktorze sam staje się paliwem na skutek reakcji jądrowych zachodzących w nim pod wpływem bombardowania neutronami.

Najczęściej stosowanym paliwem jest uran. Wydobywa się go w kopalniach odkrywkowych i podziemnych, a także metodą trawienia podziemnego (rozpuszczanie skały i wypompowywanie jej na powierzchnię). Według danych Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej światowe konwencjonalne zasoby uranu wystarczą na 100-300 lat pracy istniejących elektrowni jądrowych (Państwowy Instytut Geologiczny szacuje zasoby konwencjonalne na 200-300 lat), jednak rozwój reaktorów IV generacji oraz nowych technologii pozyskiwania uranu ze źródeł niekonwencjonalnych wydłużą ten okres do prawie pół miliona lat. Tak więc o zasoby uranu martwić się nie powinniśmy.

Elektrownie jądrowe na świecie
Według danych Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA) z końca marca 2012 roku na świecie pracuje obecnie 436 energetycznych reaktorów jądrowych o łącznej mocy zainstalowanej ok. 370 GW(e) netto. Są one rozmieszczone w 30 krajach (uwzględniając 6 reaktorów pracujących na Tajwanie). Pięć reaktorów pozostaje w stanie długotrwałego wyłączenia, a aż 63 są w budowie. Do końca 2017 roku na świecie zostanie uruchomionych ponad 80 nowych reaktorów.

W odległości zaledwie 310 km od granic Polski działa dziewięć elektrowni jądrowych (24 bloki reaktorów energetycznych) o łącznej mocy zainstalowanej brutto ok. 15,5 GWe (Państwowa Agencja Atomistyki, 31 grudzień 2010 r.).

Wymienione elektrownie jądrowe obejmują:

  • 14 reaktorów WWER-440 (każdy o mocy 440 MWe):
    - 2 bloki elektrowni Równe (Ukraina)
    - 4 bloki elektrowni Paks (Węgry)
    - 2 bloki elektrowni Mochovce (Słowacja)
    - 2 bloki elektrowni Bohunice (Słowacja)
    - 4 bloki elektrowni Dukovany (Czechy)
  • 6 reaktorów WWER-1000 (każdy o mocy 1000 MWe):
    - 2 bloki elektrowni Równe (Ukraina),
    - 2 bloki elektrowni Chmielnicki (Ukraina),
    2 bloki elektrowni Temelin (Czechy),
  • 4 reaktory BWR:
    - 1 blok elektrowni Krümmel (RFN) o mocy 1316 MWe,
    3 bloki elektrowni Oskarshamn (Szwecja) - o mocach 487, 623 i 1197 MWe.

W lutym tego roku Rosja rozpoczęła budowę nowej elektrowni w Obwodzie Królewieckim, zaledwie 66 km od granicy z Polską.

Patrząc w przyszłość
16 państw UE rozwija swoje projekty jądrowe, do budowy nowych elektrowni jądrowych wracają także Stany Zjednoczone. Powodem tego renesansu są przede wszystkim względy gospodarcze i demograficzne takie jak rosnąca liczba ludności na świecie oraz poprawa jakości życia generująca coraz większe zapotrzebowanie na energię. Ważnymi czynnikami pozostają również dążenie do ciągłego ograniczania emisji gazów cieplarnianych, wyczerpujące się zasoby paliw kopalnych i ich rosnące ceny oraz niepewność polityczna w krajach-dysponentach źródeł energii. Z najnowszych szacunków IAEA wynika, że do 2030 r. liczba krajów eksploatujących elektrownie jądrowe wzrośnie z obecnych 30 do 46. Wśród państw, które dołączą do grupy posiadających elektrownie jądrowe znajdą się, poza Polską, m.in. Turcja, Zjednoczone Emiraty Arabskie, Wietnam, Egipt, Malezja oraz prawdopodobnie Estonia, Chile, Maroko, Tunezja, Białoruś, Bangladesz i Nigeria.
Zgodnie z wszelkimi przewidywaniami, w najbliższych latach liderami rozwoju tego sektora energetyki będą kraje azjatyckie, gdzie zużycie energii elektrycznej per capita wciąż jest kilkunastokrotnie mniejsze niż w państwach rozwiniętych. Wybór technologii jądrowej jest podyktowany zarówno lawinowo rosnącym zapotrzebowaniem na energię elektryczną w takich krajach jak Chiny, Indie i Korea Południowa, jak i rosnącą świadomością ekologiczną. Państwa zainteresowane rozwojem technologii jądrowych widzą w niej odpowiedź na liczne problemy, z którymi musi zmierzyć się współczesna cywilizacja. Pierwszym z nich jest konieczność zapewnienia obywatelom i gospodarce stabilnego źródła energii przy racjonalnych kosztach oraz dążenie do zwiększenia niezależności energetycznej. Jednocześnie należy tego dokonać przy wykorzystaniu technologii, które są neutralne dla klimatu i środowiska naturalnego. W końcu nie można zapominać o ogromnej szansie na rozwój sektora badawczego i technologicznego, która pojawia się w związku z cywilnym wykorzystaniem energetyki jądrowej.
Przewiduje się, że do 2030 r. może dojść do 57% wzrostu światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Energetyka jądrowa, mimo swojego ogromnego potencjału nie może w pełni spełnić tych potrzeb. Dlatego należy podkreślić, że nie jest ona źródłem energii konkurencyjnym w stosunku do odnawialnych źródeł energii (OZE). Jeżeli dążenie do obniżenia emisji CO2 będzie kontynuowane, te dwa źródła energii będą dla siebie komplementarne.

Polecane linki:


Zapraszamy również do obejrzenia materiału prezentującego działanie elektrowni jądrowej
Facebook