Poznaj atom

Szkiełkiem i okiem – o typach reaktorów…

Wtorek 23 kwietnia 2013

Wszyscy obawiamy się potężnej energii drzemiącej w atomie. Wybuch jądrowy ma apokaliptyczną siłę niszczenia. To zagrożenie wisi nad światem od kilkudziesięciu lat…

Dorastałem w erze zimnej wojny i wizja atomowego końca świata towarzyszyła mojemu dorastaniu. Nie mogę wykluczyć, że próba okiełznania tego lęku była jedną z przesłanek wyboru kierunku studiów – fizyki jądrowej. Być może – bo na pewno najważniejszą przesłanką była zwykła ciekawość – jak działa cały ten materialny świat? Gdy miałem już za sobą studia fizyczne w specjalności fizyka cząstek elementarnych i szukałem swojego miejsca na świecie wydarzyła się katastrofa czarnobylska. Wtedy całkiem świadomie zdecydowałem się, że porzucę cząstki elementarne i w pracy zawodowej poświęcę się badaniom skutków tej katastrofy. Wówczas, w 1986 nie dowierzałem wiadomościom z mediów, krytycznie oceniałem wypowiedzi autorytetów. W tamtej sytuacji politycznej było to naturalne – katastrofa wydarzyła się w ZSRR, miała wielki, ciągle chyba niedoceniany podtekst polityczny. Jednak im więcej pracowałem w tej dziedzinie tym bardziej zaczynałem rozumieć, że w obiegu społecznym prawda często jest zagrzebywana w popiołach mitów.

Katastrofa czarnobylska została bardzo nagłośniona. Na dziesięciolecia zaważyła na rozwoju energetyki światowej. W moim przekonaniu była to najpoważniejsza katastrofa jaka w ogóle mogła się wydarzyć w reaktorze jądrowym. Nie przypuszczam, by kiedykolwiek miała się powtórzyć. Zdarzyła się dzięki wielu „staraniom” (a więc na skutek szeregu szczególnych okoliczności, w tym błędom konstrukcyjnym i błędnym decyzjom). W jej przebiegu utracono całkowicie kontrolę nad reaktorem. Reaktor ten był specjalnej konstrukcji – zawierał grafit, jego pożar podtrzymywał przez 10 dni wydostawanie się substancji radioaktywnych. Jednak po dwudziestu kilku latach pracy, zdobyciu stopni naukowych itp. mam pewność, że energetyka jądrowa jest wielkim osiągnięciem cywilizacyjnym i jej właściwe wykorzystanie stanowi wielką szansę dla mieszkańców Ziemi.

Jak już wspomniałem, katastrofa czarnobylska była wyjątkowa dlatego, że wyjątkowa była przede wszystkim konstrukcja zastosowanego tam reaktora. Tylko kilkanaście takich reaktorów zbudowano i wszystkie zainstalowano w byłym ZSRR. Obecnie najpopularniejszymi reaktorami pracującymi na świecie energetyce są reaktory typu PWR (tzw. wodno-ciśnieniowe) oraz BWR (tzw. wodno-wrzące). Postaram się krótko przybliżyć ich budowę, cechy eksploatacyjne oraz bezpieczeństwo oraz porównać z reaktorem, który uległ awarii w Czarnobylu.

Pierwszy reaktor uruchomiony w grudniu 1942 nie miał w ogóle układu chłodzenia. Miał tak małą moc, że chłodzenie nie było potrzebne. Pierwotnie myślano o reaktorze jako o narzędziu do wytwarzania plutonu do bomb jądrowych. Wnet jednak dostrzeżono dwa praktyczne zastosowania reaktorów jądrowych: do wytwarzania energii elektrycznej i do napędu okrętów.

Moc już musiała wzrosnąć. W każdej elektrowni jądrowej reaktor to po prostu rodzaj paleniska pod kotłem grzejącym wodę, z której powstaje sprężona para i tak energia transportowana jest na turbiny generatorów elektrycznych. Do pełnienia roli takich palenisk wymyślono pierwotnie reaktory wodno-wrzące (ang.: Boiling Water Reactor – stąd BWR). Ich konstrukcja jest tylko nieznacznie prostsza od przysłowiowego cepa. No, może trochę przesadziłem z tym cepem… Niemniej jednak, konstrukcja jest prosta: mamy duży ciśnieniowy zbiornik na wodę, umieszczamy w nim paliwo jądrowe i pręty sterujące. Zalewamy wszystko wodą. Będzie ona pełnić dwie rolę: moderatora i chłodziwa. Chłodziwo odprowadza ciepło na zewnątrz reaktora, przez co ustala się właściwa temperatura pracy. Mam nadzieję – to jest jasne. Moderator to substancja służąca do wytracania energii neutronów. Do podtrzymania reakcją jądrowej w uranie-235 potrzebne są neutrony o małych energiach. Co prawda szybko poruszające się neutrony mogą wywoływać rozszczepienie w innym izotopie uranu, U–238, ale proces ten jest znacznie mniej prawdopodobny. Stąd konieczność stosowania moderatora. Neutrony wytracają swoja energię w szeregu zderzeń z lekkimi atomami. Woda okazuje się niezłym moderatorem, ponadto jest doskonałym chłodziwem. Z kolei pręty sterujące wykonane są z materiałów pochłaniających neutrony. W każdym reaktorze umieszcza się pewną liczbę prętów pochłaniających, stałych i pewną liczbę ruchomych, umożliwiających zmienianie strumienia neutronów, przez co możliwa jest kontrola pracy reaktora. W reaktorach BWR pręty sterujące napędza się siłownikami działającymi od dołu – bo przestrzeń nad prętami paliwowymi potrzebna jest do zamontowania tzw. separatora pary – czyli urządzenia oddzielającego parę wodną (gaz) od mikro kropelek wody. Tu mała dygresja. Jak widzimy biały obłok buchający z parowozu albo z czajnika to mówimy – buchnęła para. To co widzimy to skroplona woda rozpraszająca światło, sama para to przezroczysty gaz. Taka sucha para (jak bardzo paradoksalnie do brzmi!) optymalna jest do napędu turbin. Umieszczenie napędów prętów sterujących od dołu ma pewne znaczenie dla bezpieczeństwa pracy. Wsuwanie prętów, zwiększające pochłonięcie neutronów, a więc wygaszające reaktor odbywa się wbrew kierunkowi działania grawitacji więc w przypadku wygaszań awaryjnych, gdzie istotna jest prędkość wprowadzenia pochłaniacza neutronów siłowniki muszą być bardzo mocne – mają „pod górkę”. Warunki pracy reaktora ustala się tak, że lustro parującej wody znajduje się pomiędzy zatopionymi prętami reaktora a separatorem. Jeśli lustro wody opadłoby niżej, odsłaniając częściowo pręty warunki odbioru ciepła w pręta paliwowego gwałtownie pogarszają się. Wówczas pręt paliwowy (w formie z rurki zawierającej pastylki uranowe, wykonanej ze specjalnego metalu – cyrkonu) rozgrzewa się co w krańcowym przypadku może prowadzić do rozkładu wody i uwolnienia się wodoru.

W reaktorach BWR para wodna wydostaje się z reaktora i trafia bezpośrednio na turbiny, skąd po skropleniu wraca jako woda do reaktora. A więc woda krąży pomiędzy wnętrzem reaktorem a turbinami. Wytwarzają się w niej substancje radioaktywne (woda ta jest bardzo czysta ale nie ma rzeczy doskonale czystych). W przypadku awarii, jaką jest rozszczelnienie się pręta paliwowego, substancje radioaktywne dostają się do wody i nic nie stoi na przeszkodzie by dotarły do turbin. Wobec tego cały układ chłodzenia reaktora traktowany jest jako potencjalnie silnie radioaktywny – wymagane są osłony przed promieniowaniem itp. To komplikuje konstrukcję. Trzeba dodać, że w reaktorach BWR mamy dwa obiegi wody chłodzącej: wspomniany zamknięty obieg roboczy (w którym mogą pojawiać się substancje radioaktywne) i drugi (fizycznie oddzielony) otwarty obieg połączony z zewnętrznym odbiornikiem ciepła (jeziorem, morzem, dużą rzeką). Ten drugi obieg odbiera resztę ciepła z wody pierwszego obiegu, po wykonaniu pracy w turbinach.

Druga typowa konstrukcja reaktora energetycznego to reaktor wodno-ciśnieniowy (ang: Pressurised Water Reactor – stąd PWR). Mają bardziej złożoną budowę niż reaktory BWR. Pierwotnie były rozwijane do napędu okrętów. Jak wiadomo – okrętem na morzu buja – stąd jeśliby wykorzystać reaktor BWR lustro wody nie byłoby stabilne, od czasu do czasu odsłaniając pręty. Co więcej – w przypadku okrętów podwodnych, wykonują one pod wodą różne manewry (one pod wodą „latają” – mają powierzchnie sterowe umożliwiające gwałtowne zanurkowanie lub wynurzenie) – tu lustro wody przyjmowałoby przedziwne pozycje będące prostopadłe do wypadkowej chwilowo działających sił. Stąd koncepcja reaktora w którym woda chłodząca nie staje się nigdy parą, dzięki utrzymywaniu wielkiego ciśnienia (ok. 160 atmosfer). Woda ta krąży w obudowie reaktora nigdzie nie wrząc, oddając ciepło w dodatkowym urządzeniu – wytwornicy pary. W reaktorze tym są więc trzy obiegi wody: wewnętrzny obieg potencjalnie radioaktywnej wody oddzielony fizycznie od obiegu pary napędzającej turbiny i obieg trzeci, otwarty z zewnętrznym odbiornikiem ciepła. Pojawia się więc dodatkowa bariera dla przenikania substancji radioaktywnych do środowiska. Tak konstrukcja umożliwia wprowadzanie prętów sterujących od góry, tak by w razie potrzeby miały „z górki”- łatwiej były wprowadzane. Większa komplikacja konstrukcji ma więc dwie wielkie zalety – znacznie lepszą izolację substancji radioaktywnych na tzw. „wyspie jądrowej” i wprowadzanie prętów sterujących zgodnie z kierunkiem działania grawitacji. To znaczny wzrost potencjalnego bezpieczeństwa takiego reaktora.

Reaktory takie jak czarnobylski RBMK-1000 to reaktory podobne trochę do BWR, jednak z bardzo istną różnicą: woda jest tam tylko czynnikiem chłodzącym, a moderatorem jest grafit. To niebezpieczne rozwiązanie, bo gdy wzrasta strumień neutronów, woda przekształca się w parę przez co mniej pochłania neutrony i w konsekwencji moc dalej wzrasta. Taką sytuację nazywa się w automatyce, czy też teorii sterowania „dodatnim sprzężeniem zwrotnym”: wzrost pewnego parametru prowadzi do dalszego wzrostu. A więc wzrost sam się napędza, nie jest ograniczany. W tym niejako „zaprojektowana” jest możliwość katastrofy – każdy nieograniczony wzrost to w końcu przecież nieuchronna katastrofa. Stabilność pracy takiego reaktora osiąga się dzięki bardzo szczegółowym przepisom eksploatacyjnym – nie jest ona dana przez samą konstrukcję. Trzeba o nią ciągle się starać. W przypadku reaktorów z moderatorem wodnym, zarówno PWR jak i BWR, gdy woda staje się parą spada strumień neutronów, bo własności pary jako moderatora są znacznie gorsze niż właściwości wody. Zmniejsza to moc reaktora – to tzw. ujemne sprzężenie zwrotne w teorii sterowania. Dzięki tej właściwości reaktory BWR i PWR stanowią dziś blisko 90% reaktorów energetycznych.

Łatwa izolacja tzw. wyspy jądrowej, stanowiąca cechę reaktorów PWR ułatwia znacznie konstrukcję obudowy bezpieczeństwa. Nawet takiej, która wytrzymuje uderzenie samolotu. Reaktory III generacji, zapewniające tzw. bezpieczeństwo bierne, czyli mechanizmy samoczynnego wytracenia energii i pełnej izolacji materiałów radioaktywnych, a więc minimalizację skutków ewentualnej utraty kontroli, to właśnie przede wszystkim reaktory PWR. Takie reaktory rozważane są obecnie dla Polski. Oczywiście oprócz samej konstrukcji o bezpieczeństwie eksploatacji reaktora jądrowego stanowi też wyszkolenie załogi, procedury postępowań, dotrzymanie reżimów technologicznych i jakość wykonania. Tym wymogom – mam nadzieję – sprostamy.

dr hab. Jerzy W. Mietelski

Fot. Matt. Create (CC BY-NC-SA 2.0)

Facebook