Jak działa elektrownia atomowa i czy jest ekologiczna? Fakty i mity o energii z atomu

Podstawowa zasada działania elektrowni jądrowej jest zaskakująco prosta. Sposób, w jaki elektrownie atomowe produkują prąd, jest bardzo podobny do tego, jak działają elektrownie konwencjonalne, produkujące elektryczność z węgla czy gazu. 

We wszystkich z nich, pod wpływem wysokiej temperatury gotowane są ogromne ilości wody, która zmienia się w parę. Ta para z kolei obraca turbinę połączoną z generatorem wytwarzającym energię elektryczną.

Zasadniczą różnicą jest to, w jaki sposób tworzone jest ciepło. W elektrowniach konwencjonalnych powstaje przez spalanie paliw kopalnych. Elektrownia jądrowa wytwarza ciepło w wyniku łańcuchowych reakcji rozszczepienia jądra atomu.

Protony i neutrony stanowiące składniki jąder atomów są połączone za pomocą potężnych fizycznych sił, ale w pewnych okolicznościach jądro atomowe może zostać rozbite. Dzieje się tak na przykład, gdy jest bombardowane przez neutrony. Nie wszystkie atomy łatwo poddają się takim zabiegom. Uran ma wyjątkowo duży atom, skutkiem czego rozbicie go wymaga mniejszej energii. Dlatego właśnie dobrze nadaje się do rozszczepienia. 

Kiedy jądro uranu pod wpływem bombardowania neutronami rozpada się, tworzące je neutrony są uwalniane i mogą zderzać się z kolejnymi atomami. To tak zwana reakcja łańcuchowa. Proces uwalnia ogromne ilości energii, także pod postacią ciepła. Cała sztuka polega na kontrolowaniu go tak, by energia uwalniała się stosunkowo powoli. W tym celu inżynierowie muszą kontrolować to, jak w reaktorze jądrowym zachowują się neutrony. 

Zadaniem reaktorów w elektrowniach jądrowych jest ograniczanie i kontrolowanie procesu rozszczepienia atomowego, w ramach którego atomy rozpadają się i uwalniają energię. 

Wewnątrz, rozszczepialny izotop, najczęściej uranu, umieszczany jest w postaci prętów paliwowych w rdzeniu reaktora. Pręty paliwowe są zanurzone w wodzie, która działa zarówno jako chłodziwo, jak i moderator. Moderator pomaga spowolnić neutrony wytwarzane przez rozszczepienie, aby podtrzymać reakcję łańcuchową.

W rdzeniu znajdują się także tak zwane pręty kontrolne, zwykle wykonane z boru lub kadmu, które pochłaniając neutrony, ograniczają tempo rozpadu radioaktywnego. Wsuwając i wysuwając pręty kontrolne, można kontrolować to, jak wiele ciepła wytwarza reaktor w elektrowni atomowej. Operatorzy mogą całkowicie zatrzymać reakcję łańcuchową, wpychając pręty sterujące do samego rdzenia reaktora, gdzie pochłaniają one wszystkie neutrony. 

Przez rdzeń reaktora elektrowni jądrowej krąży ciecz (woda, a czasem płynny sód), która pochłania ciepło wytworzone w wyniku reakcji rozszczepienia. Ciecz przepływa następnie do generatora pary, gdzie podgrzewana jest woda. Para jest następnie przesyłana rurami do turbiny połączonej z generatorem elektrycznym, produkując prąd. Następnie para jest kondensowana i wraca do generatora.  

Reaktory elektrowni atomowej konstruowane są tak, by reakcja rozszczepiania zachodziła w przewidywalnym, bezpiecznym tempie. Konstrukcja reaktora powinna zapewniać tzw. ujemną reaktywność - prędkość reakcji rozszczepienia powinna samoczynnie spadać przy wzroście temperatury lub szybkości reakcji. 

Elektrownie jądrowe wykorzystują uran w reaktorach. To bardzo rzadki pierwiastek, który stanowi zaledwie dwie milionowe części skorupy ziemskiej. Jeden kilogram uranu pozwala jednak uzyskać tyle energii z atomu, co trzy miliony kilogramów węgla.

Uran znajduje się w wielu formacjach geologicznych, a także w wodzie morskiej. Aby jednak jego wydobycie w celu wykorzystania w reaktorach było opłacalne, musi być wystarczająco skoncentrowany, stanowiąc co najmniej sto części na milion (0,01 procent) skały, w której się znajduje.

Proces wydobycia uranu niezbędnego do działania elektrowni jądrowej jest podobny do wydobycia węgla. W celu jego wydobycia buduje się zarówno kopalnie odkrywkowe, jak i podziemne. Wody gruntowe w pobliżu kopalni uranu mogą być zanieczyszczone nie tylko metalami ciężkimi obecnymi w odpadach kopalnianych, ale także śladami radioaktywnego uranu, które znajdują się w odpadach. Główni dostawcy uranu to Rosja, Kanada, Australia, Kazachstan i Namibia.

Uran występuje w naturze w dwóch formach: 

Ponad 99 procent uranu w złożach to izotop U-238, ale to U-235 jest używany w elektrowniach atomowych. U-238 może być jednak przetwarzany na rozszczepialny pluton.

Po wydobyciu ruda uranu jest wysyłana do zakładu przetwórczego, w którym jest koncentrowana i przetwarzana w paliwo do reaktora. Rudy uranu zamienia się tam w U3O8, paliwową formę uranu, i formuje ją w małe granulki. Są one następnie pakowane w kilkumetrowej długości pręty, zwane prętami paliwowymi, gotowe do użycia w rdzeniu reaktora jądrowego.

Podobnie jak we wszystkich gałęziach przemysłu i technologiach wytwarzania energii, wykorzystanie energii jądrowej powoduje powstawanie odpadów. 

Istnieją trzy rodzaje odpadów jądrowych, sklasyfikowane według ich radioaktywności: 

Zdecydowana większość odpadów z elektrowni atomowej (90% całkowitej objętości) składa się z lekko zanieczyszczonych przedmiotów, takich jak narzędzia i odzież robocza.

Zawierają one tylko 1% całkowitej radioaktywności. Natomiast odpady wysokoaktywne - składające się głównie ze zużytego paliwa jądrowego, stanowią zaledwie 3% całkowitej objętości odpadów, ale zawierają 95% całkowitej radioaktywności.

Średnio, typowa elektrownia atomowa o mocy 1000 megawatów, wystarczającej do zaspokojenia potrzeb ponad miliona ludzi, wytwarza zaledwie trzy metry sześcienne zeszklonych odpadów wysokoaktywnych rocznie. Dla porównania elektrownia węglowa o takiej samej mocy produkuje rocznie około 300 000 ton popiołu i ponad 6 milionów ton dwutlenku węgla.

Po wykorzystaniu zużyte paliwo jądrowe z elektrowni atomowych jest zazwyczaj początkowo składowane w tych samych elektrowniach, w których było wykorzystywane. Najczęściej korzysta się w tym celu z basenów chłodzących wyłożonych stalą. Gdy takie baseny się zapełniają, pręty paliwowe są przenoszone do stalowych czy betonowych pojemników. Takie zbiorniki można następnie przenieść do miejsc, w których będzie bezpiecznie składowane w zupełnej izolacji od środowiska. 

W Polsce istnieje jedno składowisko odpadów promieniotwórczych, znajdujące się w miejscowości Różanie. Funkcjonuje od 1961 roku i najprawdopodobniej zostanie zapełnione w ciągu najbliższej dekady. Na potrzeby budowy pierwszej elektrowni atomowej w Polsce najprawdopodobniej trzeba będzie stworzyć nowe składowisko odpadów nisko i średnioaktywnych.