Ekologia i zarządzanie środowiskowe

ENERGETYKA JĄDROWA

Wykonali:

Mariusz Konowaluk ZIP21

Mariusz Wyderski ZIP22

Energetyka jest to dział nauki i techniki, a także gałąź przemysłu, która skupia się na przetwarzaniu energii, która występuje w różnych formach, na postać łatwą do wykorzystania przez człowieka w życiu codziennym. W naszych rozważaniach zajmiemy się uzyskaniem energii z reakcji rozczepienia jąder atomów, czyli energetyką jądrową.

Energetyka jądrowa jest to zespół zagadnień związanych z uzyskiwaniem na skalę przemysłową energii z rozszczepienia ciężkich jąder pierwiastków.

Co to jest atom i jak jest zbudowany?

Już ponad 2000 lat temu mówiono o atomach. Demokryt, jeden z największych uczonych starożytnej Grecji, przyjmował, że wszelka materia składa się z najmniejszych, niepodzielnych dalej cząstek, które nazwał atomami. Był on zdumiewająco bliski prawdy. Jednak w tamtym czasie ludzie mieli inne priorytety, i prawie wszystkie zdobycze wiedzy na temat atomów popadły w zapomnienie. Dopiero koło roku 1800 podjęto ponownie prastarą ideę atomu. Wnioskowano, że muszą istnieć różne rodzaje atomów, by dało się wyjaśnić różnorodność występujących w naturze substancji i zjawisk.

W 1803 r. angielski nauczyciel John Dalton odkrył, że istnieją substancje, składające się wyłącznie z jednego rodzaju atomów. Nazywano je pierwiastkami chemicznymi. Należą do nich złoto, żelazo, tlen. Czyste żelazo składa się wyłącznie z atomów żelaza, czyste złoto tylko z atomów złota. Atom żelaza jest najmniejszą możliwą cząstką żelaza. Można go wprawdzie rozbić, ale powstałe wtedy składniki nie są już żelazem. Podobnie ma się sprawa ze złotem i wszystkimi pozostałymi pierwiastkami chemicznymi. Stąd w wielu książkach chemicznych znajdujemy następujące wyjaśnienie pojęcia "atom": "Atom jest to najmniejszy składnik pierwiastka chemicznego, który bez utraty właściwości typowych dla danego pierwiastka nie da się dalej podzielić". Atomy mają różne masy. Najlżejszy jest atom wodoru, atomy żelaza są cięższe, a ważne dla naszych rozważań atomy uranu mają jeszcze większą masę. Atomy w porównaniu z przedmiotami codziennego użytku są znikomo małe. Gdyby człowiek miał rozmiary atomu, wtedy 100 milionów ludzi zmieściłoby się wygodnie na główce od szpilki.

W 1913 r. wielki duński fizyk Niels Bohr opublikował swój słynny model atomu wodoru, który jeszcze dziś jest bardzo bliski rzeczywistości. Według niego, atom jest zbudowany podobnie do pomniejszonego układu słonecznego. W układzie słonecznym planety takie, jak Merkury, Wenus, Ziemia czy Mars krążą w dużej odległości wokół obarczonego dużą masą Słońca. Podobnie jest w atomie. W jego centrum znajduje się jądro atomu, małe rozmiarami, ale o dużej masie. Wokół jądra krążą w "olbrzymich" odległościach znikomo małe i lekkie cząstki - elektrony. Jądro jest naładowane elektrycznie dodatnio, elektrony zaś ujemnie. Są one utrzymywane na swych torach siłami elektrostatycznego przyciągania jądra, podobnie jak planety związane są ze Słońcem siłami grawitacyjnymi.

Jak uzyskujemy energię z rozczepienia atomu?

Rozszczepienie jądra atomowego to przemiana jądrowa polegająca na rozpadzie jądra na dwa (rzadziej na więcej) fragmenty o zbliżonych masach. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów, a także kwantów gamma, które unoszą znaczne ilości energii. Ponieważ jądra ulegające rozszczepieniu zwykle są jądrami ciężkimi, które posiadają więcej neutronów niż protonów, obydwa fragmenty powstałe w rozszczepieniu są jądrami neutrono-nadmiarowymi. Nadmiar neutronów jest z nich emitowany wkrótce po procesie rozszczepienia, te zjawisko nosi nazwę emisji neutronów opóźnionych. Jądra atomowe ulegają rozszczepieniu zarówno w sposób samoistny, jak i w wymuszony. W tym drugim przypadku rozszczepiają się w wyniku bombardowania neutronami, protonami, kwantami gamma lub innymi cząsteczkami. Największe praktyczne znaczenie ma rozszczepienie wymuszone wywołane bombardowaniem neutronami (w energetyce i wojskowości). Do istotniejszych zastosowań rozszczepień samorzutnych należą metody datowania izotopowego. Metodą łączącą oba aspekty jest analiza aktywacyjna. Zazwyczaj rozszczepienie jądra atomowego nie jest jedyną możliwością rozpadu. Konkurują z nim inne dozwolone energetycznie procesy jądrowe takie jak emisja kwantów gamma, emisja neutronu i inne. Przekrój czynny na rozszczepienie (prawdopodobieństwo zajścia zjawiska) w wyniku bombardowania neutronami zależy od energii neutronów oraz rodzaju jądra atomowego. Ogólnie, wraz ze wzrostem energii neutronów, zwykle następuje spadek wartości przekroju czynnego na rozszczepienie. Niektóre jądra (233U, 235U, 239Pu) rozszczepiają się przy dowolnej energii neutronów, w tym powolnych neutronów termicznych (są to jądra ciężkich pierwiastków, dla których reakcja ta jest egzoenergetyczna).

Wiele innych jąder (np. 232Th, 238U) rozszczepia się gdy energia neutronów jest większa od energii progowej (są to jądra ciężkich pierwiastków, dla których reakcja ta jest endoenergetyczna). Po jej przekroczeniu (dla 238U ok. 1MeV) następuje skokowy wzrost wartości przekroju czynnego na rozszczepienie. Pojedynczy akt rozszczepienia jądra atomowego może w sprzyjających warunkach indukować (poprzez emitowane neutrony) dalsze rozszczepienia, prowadząc do reakcji łańcuchowej, co znalazło zastosowanie w reaktorze jądrowym i bombie atomowej (pośrednio również bombie wodorowej i neutronowej ze względu na sposób inicjalizacji syntezy jądrowej w tych bombach).

Z praktycznego punktu widzenia największe znaczenie mają własności rozszczepienia jąder, które ulegają rozszczepieniu już przy bombardowaniu neutronami o małej energii. Zjawisko rozszczepienia jądra atomowego odkryli w 1938 r. Otto Hahn i Fritz Straßmann.

Energia jądrowa

Energię jądrową pozyskuje się głównie w wyniku rozszczepienia jąder atomowych w reaktorach jądrowych w elektrowniach jądrowych i na okrętach jądrowych. W niewielkim stopniu wykorzystuje się energię rozpadów promieniotwórczych np. w zasilaczach izotopowych (SNAP). Energetyka jądrowa obejmuje również problemy związane z wydobyciem uranu, przeróbką paliwa jądrowego oraz składowaniem odpadów jądrowych. Kiedy w latach pięćdziesiątych powstawały pierwsze elektrownie atomowe wydawało się, że ludzkość uzyskała dostęp do ogromnych ilości czystej, bezpiecznej i stosunkowo taniej energii. Elektrownie jądrowe wykorzystują jako paliwo pierwiastki promieniotwórcze takie jak uran i tor. Jest to jeden z najtańszych surowców energetycznych przede wszystkim ze względu na jego dużą wydajność ( uranu 235 daje tyle samo energii co 3 tony węgla kamiennego). Koszty produkcji energii elektrycznej w takich elektrowniach są, więc bardzo niskie.

Do połowy lat 80-tych XX wieku była to najszybciej rozwijająca się gałąź energetyki. W 1985 roku 14% wyprodukowanej na świecie energii pochodziło z elektrowni jądrowych. Obecnie ich udział stanowi 17%. Jak widać jest to więcej niż w 1985r, ale przecież minęło ponad 20 lat i na podstawie tych danych widać wyraźnie, że rozwój energetyki atomowej uległ zahamowaniu. Proces ten był wynikiem skażenia Europy po awarii reaktora w Czarnobylu na Ukrainie (1986r). Mamy, więc wyraźny dylemat. Z jednej strony bardzo korzystny sposób produkcji energii elektrycznej, z drugiej – fakt budowania coraz mniejszej ilości elektrowni tego typu. Wynika to z:

• bardzo wysokich kosztów budowy elektrowni;

• większego zużycia wody do chłodzenia reaktora (elektrownie konwencjonalne zużywają o 50% mniej wody do chłodzenia urządzeń);

• braku technologii, która zapewniłaby 100% bezpieczeństwo produkcji;

• problemu zabezpieczenia okolicy przed promieniowaniem na wypadek awarii;

• problemu ze składowaniem odpadów radioaktywnych (a one jeszcze przez wiele lat będą śmiertelnie niebezpieczne dla organizmów żywych);

• sprzeciwów ludności.

Jednak w obliczu wyczerpywania się zasobów surowców kopalnych energetyka jądrowa może okazać się jedynym środkiem łagodzącym nieuchronne kryzysy energetyczne.

Budowa reaktorów jądrowych

W różnych krajach zbudowano dotąd kilka tysięcy reaktorów, z czego kilkaset służy do produkcji energii. Ogromna większość pracujących reaktorów to reaktory termiczne, czyli takie, w których większość rozszczepień zachodzi pod wpływem neutronów termicznych.

Rozróżnia się kilka typowych rozwiązań konstrukcyjnych reaktorów. Przede wszystkim reaktory wodne o małych mocach są zwykle budowane w dużych zbiornikach wodnych, często z otwartym lustrem wody (reaktory basenowe). Reaktory wodne o większych mocach są umieszczone z reguły w zbiorniku ciśnieniowym. Znane są również rozwiązania konstrukcyjne, w których każdy element paliwowy wraz z opływającą go warstwą wody chłodzącej jest zawarty w rurze stalowej i utrzymywany pod ciśnieniem. W reaktorach z moderatorem stałym, jak grafit lub beryl, sam moderator stanowi materiał konstrukcyjny rdzenia. Cały reaktor może być także umieszczony w zbiorniku ciśnieniowym.

Najkosztowniejszym składnikiem reaktora jądrowego jest paliwo, natomiast znacznie tańszy jest moderator. Z tego względu reaktor jest zwykle podzielony na dwie strefy. Pierwsza - tzw. rdzeń, zawiera paliwo, moderator, chłodziwo i materiały konstrukcyjne oraz pręty regulacyjne, kompensacyjne i bezpieczeństwa. Druga, tzw. reflektor, jest zbudowana z moderatora i otacza rdzeń, a służy do zatrzymywania części neutronów uciekających z rdzenia. W wielu rozwiązaniach konstrukcyjnych rdzeń i reflektor znajdują się w szczelnych zbiornikach stalowych i otoczone są specjalnymi osłonami. Zbiornik ciśnieniowy utrzymuje odpowiednie ciśnienie w reaktorze i zapewnia znacznie większe bezpieczeństwo na wypadek awarii. W reaktorach wodnych ciśnienie wewnątrz zbiornika dochodzi do 14, a w gazowych-do 4MPa. Osłony reaktora zmniejszają intensywność promieniowania w otoczeniu do wartości dopuszczalnych ze względu na zagrożenie obsługi. Są one również stosowane do ochrony niektórych urządzeń pomocniczych i aparatury przed zniszczeniem lub promieniotwórczością wzbudzoną.

Ponieważ największe pochłanianie neutronów w materii zachodzi w zakresie energii termicznych, osłona reaktorowa powinna zawierać moderator spowalniający neutrony prędkie wychodzące z reaktora oraz materiał odznaczający się znacznym przekrojem czynnym na wchłanianie neutronów termicznych. Poza tym powinna efektywnie pochłaniać promieniowanie γ wychodzące z reaktora, jak również powstające w osłonie. Promieniowanie α lub β ma bardzo niewielki zasięg i praktycznie nie wydostaje się poza pierwszą warstwę osłony.

Największa ilość ciepła powstającego w osłonie wydziela się w warstwie przylegającej do reaktora. Z tego względu warstwa ta, zwykle oddzielona od reszty osłony, jest chłodzona wodą lub powietrzem i nazywa się osłoną termiczną. Pozostała część pełni rolę osłony biologicznej. Osłona termiczna jest najczęściej wykonana z płyt stalowych z dodatkiem boru, natomiast biologiczna z ciężkich betonów, składających się z cementu, drobnego złomu stalowego oraz rudy barytowej, limonitowej lub magnetytowej.

Reaktory mogą różnić się od siebie rodzajem paliwa (uran naturalny, uran wzbogacony izotopem '"U lub nuklidem ^Pu), postacią, w jakiej paliwo występuje w reaktorze (paliwo metaliczne, węgliki tub tlenki uranu itp.) oraz kształtem elementów paliwowych. Początkowo stosowano głównie uran naturalny. Obecnie w większości reaktorów paliwem jest uran wzbogacony izotopem 235U, przy czym wzbogacenie waha się od 1% do 93%. Dzięki temu uzyskuje się znacznie lepsze parametry krytyczne reaktora i lepszy rozkład neutronów. W przyszłości coraz większą rolę będzie odgrywać paliwo plutonowe, a także 233U. Paliwo uranowe lub plutonowe stosuje się w postaci metalicznej lub ceramicznej (tlenki lub węgliki), a także w postaci roztworu metalu w ceramice, a elementy paliwowe są koszulkowane stalą nierdzewną, cyrkonem lub aluminium.

Moderator jest bardzo istotnym elementem reaktora termicznego i często używanym kryterium klasyfikacyjnym. Rozróżnia się więc następujące zasadnicze typy reaktorów termicznych: wodne, ciężkowodne i grafitowe, W niektórych rozwiązaniach stosuje się również beryl w połączeniu z wodą, spełniającą jednocześnie rolę moderatora i chłodziwa. Istnieją również reaktory, w których moderatorem i chłodziwem są ciekłe związki organiczne, głównie polifenyle; takie reaktory nie mają jednak dużego znaczenia praktycznego. Najpowszechniej używanym moderatorem jest zwykła woda, która ma doskonałe właściwości jądrowe i termiczne, a jest przy tym bardzo tania.

Chłodziwa reaktorowe można podzielić na 3 grupy: gazy, ciecze niemetaliczne i ciecze metaliczne, bardzo różniące się pomiędzy sobą właściwościami fizycznymi, które decydują o efektywności przejmowania i przenoszenia ciepła. Ważną rolę w wypadku chłodziw odgrywają również właściwości jądrowe, jak np. pochłanianie neutronów czy promieniotwórczość wzbudzona oraz właściwości korozyjne. Do najczęściej stosowanych chłodziw w reaktorach termicznych należy zwykła woda. Używa się również dwutlenku węgla, a także helu. W reaktorach prędkich chłodziwem jest zwykle ciekły sód lub jego stopy, ale również przeprowadzane są próby chłodzenia gazem dysocjującym, np. N204, który dysocjuje na NO2, pochłaniając ciepło z reaktora i redysocjuje poza reaktorem, będąc w ten sposób bardzo efektywnym nośnikiem ciepła. Wadą sodu jest znaczna aktywność chemiczna zarówno w stosunku do powietrza jak i wody, a także silne właściwości korozyjne. Powoduje to bardzo poważne trudności konstrukcyjne i eksploatacyjne w reaktorach chłodzonych sodem.

W reaktorach termicznych chłodziwo spełniać również może funkcję moderatora. Z tego względu najczęściej Jako chłodziwo stosowana jest zwykła woda, dwutlenek węgla, hel i niekiedy związki organiczne. Woda jako chłodziwo może znajdować się pod ciśnieniem atmosferycznym lub podwyższonym, W tym ostatnim wypadku mówi się o reaktorach wodnych ciśnieniowych. Niekiedy dopuszcza się do wrzenia, tak że chłodziwem w tzw. reaktorach wodnych wrzących jest mieszanina wody z parą. Chłodzenie dwutlenkiem węgla jest stosowane w reaktorach grafitowych z uranem naturalnym, jednak ten typ chłodzenia nie ma wielkiej przyszłości, podobnie jak chłodzenie związkami organicznymi. W nowoczesnych reaktorach grafitowych dwutlenek węgla jest zastąpiony helem, co pozwala znacznie zwiększyć temperaturę chłodziwa na wyjściu reaktora (do 1000°C).

Sterowanie reaktorem

Jak każde urządzenie wytwarzające energię, reaktor musi być wyposażony w układ sterowania, ponieważ stabilizujące działanie ujemnego sprzężenia temperaturowego jest niewystarczające, a poza tym zachodzi konieczność uruchamiania i wyłączania, a także zmiany mocy reaktora. Metody sterowania polegają na zmianie objętości paliwa, moderatora, reflektora lub substancji pochłaniającej neutrony. W reaktorach termicznych najczęściej stosuje się ruchome pręty sterownicze wykonane z materiałów silnie pochłaniających neutrony termiczne, takich jak kadm lub bór. Można je podzielić na trzy grupy:

Pręty bezpieczeństwa, wprowadzające do układu dużą reaktywność ujemną, służące do gwałtownego wyłączania reaktora. Są one połączone z mechanizmem napędowym zwykle elektrycznym, lub też hydraulicznym albo pneumatycznym. Pręty bezpieczeństwa w wypadku awarii spadają do rdzenia pod wpływem siły ciężkości. Aby przyspieszyć ich spadanie mogą być zastosowane wyrzutnie stalowe lub ładunki wybuchowe.

Pręty kompensacyjne, służące do zmniejszania reaktywności po wstępnym okresie eksploatacji paliwa.

Pręty regulacyjne, powodujące niewielkie stosunkowo zmiany reaktywności, służące do kompensacji przypadkowych odchyleń mocy reaktora od stanu równowagi, a także do uruchamiania i zatrzymywania.

Często w reaktorach energetycznych zamiast prętów kompensacyjnych stosuje się trucizny, które wypalają się w trakcie eksploatacji. Zjawisko pochłaniania neutronów w prętach sterowniczych stosuje się również do wytwarzania nuklidów promieniotwórczych. W reaktorach prędkich, ze względu na małe pochłanianie neutronów o dużych energiach, zwykle do sterowania reaktorem stosuje się ruchome elementy paliwowe lub ruchome części reflektora.

Elektrownie jądrowe

Pierwsza elektrownia atomowa o mocy 5 MW została zbudowana w 1954 r. w ZSRR. Początkowo energia z elektrowni jądrowych była znacznie droższa niż z elektrowni klasycznych (węglowych lub wodnych). W miarę jednak rozwoju techniki reaktorów cena energii jądrowej spada. Zasadniczym problemem w wypadku elektrowni jądrowych jest tzw. zanieczyszczenie termiczne, które polega na wzroście temperatury wód wywołanym odprowadzanym z elektrowni ciepłem, a także gromadzenie się odpadów promieniotwórczych. Wydaje się jednak, że nauka potrafi w przyszłości uporać się 2 obydwoma problemami. Najważniejszym jednak argumentem przemawiającym za rozwojem energetyki jądrowej jest gwałtowne kurczenie się zasobów paliw klasycznych, co bez udziału energii jądrowej doprowadziłoby już wkrótce do ostrego kryzysu energetycznego. Chłodziwo opuszczając zbiornik reaktora unosi ze i sobą ciepło, które następnie oddane w wymienniku ciepła powoduje tworzenie się pary wodnej używanej do poruszania turbiny i wytwarzania energii elektrycznej odprowadzanej do sieci energetycznej lub, w reaktorach napędowych, używanej do napędu silników.

Większość światowych elektrowni jądrowych wyposażona jest w lekko-wodne reaktory. Do reaktorów lekko-wodnych zaliczamy zarówno reaktory wodne ciśnieniowe, jak i reaktory wodne wrzące. Lekko-wodny reaktor składa się z układu z elementów paliwowych i prętów sterujących, z przepływającym przez nie chłodziwem. Elementy paliwowe zawierają sprasowane tabletki uranowe, które zamknięte są w dużej ilości rur (pręty paliwowe). Jako chłodziwo używa się w reaktorach lekko-wodnych zwykłej wody. Chłodziwo przy pomocy pomp cyrkulacyjnych przez elementy paliwowe jest transportowane i tam odbiera energię termiczną wyzwoloną podczas rozszczepienia jąder. Woda pełni jednocześnie funkcję tak zwanego moderatora (spowalniacza) i powoduje to, że powstające podczas rozszczepienia neutrony prędkie są wyhamowywane. Z przyczyn fizycznych w tradycyjnych reaktorach tylko wolne neutrony mogą podtrzymywać reakcję łańcuchową. Praca reaktora jest przy pomocy prętów sterujących (też i regulujących) sterowana. Pręty sterujące zbudowane są z materiału pochłaniającego neutrony.

Obieg paliwowy - wydobywanie uranu, usuwanie odpadów radioaktywnych i przerób zużytego paliwa

Do elektrowni jądrowych trzeba dostarczyć paliwa, ale i także usuwać z nich jego wypalone pozostałości. Zawarte w tych pozostałościach rozszczepialne jądra należy odzyskać, a nieużyteczne i niebezpieczne odpady usunąć. Ten cykl procesów tworzy tzw. obieg paliwowy. Zaczyna się on od wydobywania rud uranu i toru w kopalniach lub w odkrywkach. Ruda jest następnie poddawana obróbce, przemianom i wzbogacaniu, zanim posłuży do wykonania prętów paliwowych, które w końcu trzeba dowieźć do reaktora. Równie ważny jak opisany tu proces zaopatrywania w paliwo jest proces usuwania odpadów z elektrowni jądrowych. Jego początkiem jest wyjęcie wysłużonych elementów paliwowych, które najpierw są składowane w chłodzonym wodą basenie, następnie w składzie pośrednim, a na koniec trafiają do zakładu odzysku. Tam oddziela się odpady od materiałów nadających się do ponownego zastosowania. Z odzyskanego paliwa jądrowego wykonuje się nowe elementy paliwowe, zaś promieniotwórcze odpady opakowuje się i składuje w bezpiecznych podziemnych składowiskach, zwanych mogilnikami.

Wydobywanie uranu

Uran jest metalem ciężkim, który otrzymujemy z rud uranowych. Najbardziej znaną z nich jest smółka uranowa, składająca się w 95% z tlenku uranu i występująca nieraz w postaci wielotonowych bloków. Większość pozostałych rud zawiera niestety znacznie mniej uranu. Wydobycie staje się opłacalne, gdy tona rudy zawiera co najmniej kilka kg uranu. Ruda wydobyta w kopalniach lub odkrywkach musi najpierw zostać poddana obróbce. Polega ona na łamaniu, mieleniu i wyługowaniu. W rezultacie otrzymujemy ostatecznie ponad 70-procentowy koncentrat uranowy, tzw. "yellow cake", czyli "żółte ciasto". Jest to produkt wyjściowy do dalszej obróbki.

Otrzymywanie uranu wzbogaconego

Czysty uran naturalny jest dla elektrowni jądrowych nieprzydatny. jako że tylko w 0,7% składa się z rozszczepialnego U-235, a pozostałe 99,3% stanowi nieco cięższy, nierozszczepialny U-238. Obydwa izotopy uranu nie różnią się między sobą pod względem chemicznym, stąd do wzbogacania wykorzystuje się różnicę w ich ciężarze. Najpierw przemienia się uran za pomocą fluoru w gaz, sześciofluorek uranu (UF6), zatem w związek uranu i fluoru. Do rozdzielenia obydwu izotopów uranu można teraz wykorzystać jedną z następujących metod, W metodzie kanalikowej przepuszcza się UF6 z dużą prędkością przez drobne kanaliki o kształtach półkolistych. Występująca tu siła odśrodkowa wypycha składową gazu zawierającą U-238 ku obrzeżom toru, co umożliwia oddzielenie jej od składowej gazu zawierającej lżejszy U-235. Oczywiście w ten sposób nie jest możliwe całkowite rozdzielenie obydwu izotopów. Jeśli jednak połączy się wiele opisanych tu układów w tzw. kaskadę, to otrzyma się w rezultacie gaz zawierający wystarczającą koncentrację atomów U-235. W metodzie dyfuzyjnej przepuszcza się gaz UF6 przez przegrody półprzepuszczalne. Lżejsza składowa z U-235 przechodzi (dyfunduje) przez pory przegród szybciej niż cięższa z U-238. Prowadzi to także do częściowego rozdziału składowych. W metodzie wirówkowej wiruje się gaz w bardzo szybkiej centryfudze. Siła odśrodkowa przyciska składową cięższą silniej do ściany, wobec czego koncentracja lżejszego U-235 w środkowej części wirówki wzrasta. Również i tu osiągamy rozdział U-235 i U-238, choć konieczne jest połączenie wielu układów szeregowo, by uzyskać pożądane wzbogacenie. Inne metody, w których osiągano by wymagane wzbogacenie w pojedynczym procesie, są jeszcze w stadium opracowań

Składowanie elementów paliwowych

W elektrowni jądrowej wymienia się co roku prawie trzecią część elementów paliwowych na nowe. W dużej elektrowni jądrowej o mocy 1300 MW opuszcza reaktor rok w rok ok. 30 t uranu. Ten materiał jest wprawdzie skażony groźnymi dla życia produktami rozpadu promieniotwórczego, jednak z drugiej strony zawiera cenne, możliwe do odzyskania materiały rozszczepialne. Stąd usuwanie i obróbka wysłużonych elementów paliwowych jest niezmiernie istotnym czynnikiem zarówno z punktu widzenia ochrony środowiska naturalnego, jak i opłacalności przedsięwzięcia. Postępuje się następująco. Po trwającej około roku obecności elementów paliwowych w basenie z wodą w elektrowni jądrowej przenosi się je na tzw. składowiska pośrednie. Elementy paliwowe pozostają w tym czasie wewnątrz pojemników transportowych, zapewniających całkowicie bezpieczne składowanie i chroniących od promieniowania radioaktywnego. Następnie poddaje się pręty paliwowe przeróbce. Nadające się do wykorzystania paliwo zostaje odzyskane i przekazane do produkcji nowych elementów paliwowych. Niebezpieczne produkty rozpadu radioaktywnego są oddzielane i na zawsze składowane w mogilnikach. Istnieje oczywiście możliwość złożenia wypalonych elementów paliwowych w mogilnikach bez żadnej obróbki i odzysku.

Zakłady przerobu paliwa jądrowego

Zakładem przerobu paliwa jądrowego nazywamy taki zakład, w którym przeprowadza się rozdział poszczególnych składników wypalonych elementów paliwowych. W szczególności należy oddzielić odpady radioaktywne i odzyskać paliwo jądrowe, czyli uran i pluton. Pręty paliwowe zawierają bowiem obok jąder U-235, które nie uległy rozszczepieniu, także pluton-239, powstały w procesie powielenia i nadający się jako paliwo jądrowe. Po odpowiednim leżakowaniu w basenie elektrowni oraz w składowisku pośrednim pręty paliwowe przewozi się w ich pojemnikach transportowych do zakładu przerobu. Są one stale jeszcze wysoce promieniotwórcze, więc od personelu technicznego muszą je oddzielać grube mury betonowe lub szyby ze szkła ołowiowego, a proces przerobu musi być w pełni zautomatyzowany. Pręty paliwowe są najpierw rozdrabniane, a następnie rozpuszczane w kwasie azotowym. Uran, pluton oraz produkty rozpadu rozpuszczają się prawie całkowicie, pozostają natomiast rozdrobnione koszulki prętów paliwowych, które po zabetonowaniu składa się w bezpiecznym miejscu. W następstwie szeregu chemicznych procesów następuje rozdział uranu, plutonu i pozostałych produktów rozpadu. Uran i pluton, po oczyszczeniu, trafiają do fabryki produkującej pręty paliwowe, natomiast odpady radioaktywne są pakowane i przygotowywane do składowania w mogilniku.

Odpady pochodzące z urządzeń atomowych pracujących w instytutach badawczych, elektrowniach jądrowych czy zakładach przerobu wykazują różne stopnie zagrożenia. Słabo aktywne odpady w postaci stałej lub ciekłej są najpierw na drodze stężania, ściskania lub spalania redukowane do możliwie najmniejszej objętości. Następnie zostają zacementowane w beczkach. Średnio aktywne odpady, na przykład rozdrobnione koszulki prętów paliwowych, zacementowuje się także w beczkach. Szczególna ostrożność wymagana jest przy odpadach wysoko aktywnych. Są nimi przede wszystkim rozpuszczone w kwasie azotowym produkty rozpadu. Dają one 99% promieniowania wszystkich odpadów promieniotwórczych. Dla tych niebezpiecznych dla życia substancji opracowano specjalny proces zeszkliwiania. Te wysoko aktywne roztwory najpierw się zagęszcza i chemicznie przetwarza. Następnie w temperaturze 1150°C stapia się je z proszkiem szklanym, tworząc z nich nierozłączny składnik szkliwa, którym wypełnia się grubościenne beczki ze stali nierdzewnej. W zakładzie przerobu przypada na każdą tonę uranu około 130 l wysoko aktywnego odpadu w postaci bloku szkliwa, 5 beczek po 400 l odpadu średnio aktywnego raz 15 beczek słabo aktywnego. Te odpady trzeba zmagazynować w sposób bezpieczny "po wsze czasy", czyli bez ograniczeń czasowych, gdyż nawet po wielu pokoleniach będą one nadal stanowić duże zagrożenie. Najlepszym sposobem bezpiecznego składowania odpadów promieniotwórczych na całe tysiąclecia jest złożenie tych niebezpiecznych materiałów w podziemnych pokładach solnych. Beczki z odpadami słabo aktywnymi umieszcza się w komorach wydrążonych w soli kamiennej i przekłada warstwami soli. Po wypełnieniu komory następuje jej uszczelnienie. Przy odpadach średnio aktywnych, przechowywanych także w beczkach, wymagana jest już większa ostrożność. Dla nich przeznaczona jest specjalna komora w pokładzie soli, niedostępna dla ludzi a kontrolowana kamerami telewizyjnymi. Wyrzuca się do niej beczki z zabetonowanymi odpadami. Znajdujące się w beczkach ze stali nierdzewnej zeszkliwione odpady umieszcza się na głębokości 1000 m w otworach wiertniczych, które następnie są czopowane. Pokłady soli kamiennej nadają się szczególnie dobrze jako mogilniki. Sól w pokładach jest według obecnego stanu naszej wiedzy absolutnie szczelna, więc żadne zanieczyszczenie promieniotwórcze nie przedostanie się do środowiska, np. do wód gruntowych. Pokład solny w okolicach Gorleben (RFN) ma długość 15 km, szerokość 4 km i leży od 3000 m do 300 m pod powierzchnią ziemi. Przez 100 milionów lat pokład ten praktycznie są nie zmienił, można więc oczekiwać, że i w przyszłości pozostanie stabilny.

Bibliografia:

1. „Energetyka jądrowa wczoraj i dziś” – Grzegorz Jezierski; Wydaw. Naukowo-Techniczne, 2005.

2. „Energetyka Jądrowa” – Zdzisław Celiński; Wydaw. PWN, 1991.

3. „Energia jądrowa i jej wykorzystanie” – Ludwik Dobrzyński; Andrzej Strupczewski

4. http://pl.wikipedia.org/wiki/Energetyka_jądrowa

5. http://www.atomowe.kei.pl/

6. http://www.elektro.info.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=1062&Itemid=53

7. http://chemia.viii-lo.krakow.pl/energetyka/energetyka_jadrowa.html

8. http://www.1lo.suwalki.pl/energ/index.html

Pytania:

1. Elektrownie jądrowe wykorzystują jako paliwo pierwiastki promieniotwórcze takie jak:

1. uran

2. rad

3. polon

4. azot

1. Które zdanie jest prawdziwe:

1. w Czarnobylu doszło do wybuchu

2. zużyte paliwo jądrowe przez bardzo długi okres pozostaje radioaktywne

3. zużyte paliwo jądrowe po upływie 10 lat staje się nie szkodliwe

4. w elektrowni jądrowej jest możliwy wybuch reaktora

1. Najkosztowniejszym składnikiem reaktora jądrowego jest:

1. moderator

2. zbiornik ciśnieniowy

3. paliwo jądrowe

4. turbina parowa

1. W skład budowy reaktora jądrowego wchodzi:

1. zbiornik ciśnieniowy, rdzeń reaktora, pręty sterownicze

2. zbiornik ciśnieniowy, turbina parowa, instalacja wzbogacania uranu

3. turbina parowa, instalacja wydobywcza uranu, generator

1. Zakładem przerobu paliwa jądrowego nazywamy taki zakład, w którym:

1. dokonuje się wydobycia uranu

2. przeprowadza się rozdział poszczególnych składników wypalonych elementów paliwowych

3. składuje się zużyte paliwo w podziemnych pokładach solnych

4. dokonuje się wzbogacenia wydobytego uranu