Wpływ elektrowni jądrowych na środowisko

Tomasz Kudasik 4 rok WEiP

1.Wytwarzanie energii w elektrowni jądrowej

W elektrowni jądrowej wytworzenie energii następuje w procesie rozszczepienia jąder atomów uranu, plutonu lub toru ,które wyzwala energię cieplną służącą do wytworzenia pary wodnej. Energia cieplna tej pary zostaje przemieniona w energie kinetyczną w procesie ekspansji termicznej zachodzącej w turbinie, a dalej następuje przemiana energii kinetycznej

w energię elektryczną w napędzanym przez turbiny generatorze.

Obieg technologiczny elektrowni jądrowej dzieli się na dwa obiegi :

- obieg pierwotny, obejmujący rozszczepianie atomów, wytwarzanie energii cieplnej

w reaktorze jądrowym i przekazanie jej w wymienniku do obiegu wtórnego

- obieg wtórny, obejmujący wszystkie dalsze ogniwa procesu technologicznego

2.Podstawowe jednostki związane z promieniowaniem

Poniżej zostaną przedstawione jednostki promieniowania wraz krótkim opisem

Nuklid - w fizyce jądrowej, jądro atomowe o określonej liczbie nukleonów(protonów i neutronów). Nuklidy można podzielić na kilka grup:

• Nuklidy posiadające tę samą liczbę protonów, a różniące się liczbą neutronów (ta sama liczba atomowa i różne liczby masowe) to izotopy. Również atomy z takimi nuklidami (jako jądra) nazywa się izotopami danego pierwiastka.

• Nuklidy o tej samej liczbie neutronów to izotony.

• Nuklidy o równej liczbie masowej (tej samej liczbie nukleonów w jądrze), lecz różniące się ładunkiem (liczbą atomową), to izobary.

• Nuklidy o identycznych liczbach masowych i ładunkach, ale różniące się stanem kwantowym nazywane są izomerami jądrowymi.

W naturze występuje około 270 stabilnych i około 70 niestabilnych (radioaktywnych) nuklidów, oprócz tego ponad tysiąc stworzono sztucznie.

Aktywność nuklidów jest mierzona w Bekerelach ( 1Bq = 1 akt rozpadu na sekundę ).

Dawniej stosowaną jednostką był Kiur ( 1 Ci = 3,7*10¹⁰ Bq ).

Poszczególne nuklidy różnią się okresem półrozpadu ,czyli okresem, po którym ich aktywność promieniotwórcza zmniejsza się do połowy swojej wartości początkowej.

Przy obliczaniu dawki promieniowania oprócz ilości ilości pochłoniętych przez organizm nuklidów brane są pod uwage rodzaj emitowanego promieniowanie ( alfa, beta, gamma )

Całkowita energia emitowana podczas rozpadu promieniotwórczego, szybkość absorpcji

Tej energii przez dany narząd, szybkość rozpadu promieniotwórczego, szybkość wydalania nuklidów z organizmu i wrażliwość danego narządu na promieniowanie.

Jednostką energii promieniowania jonizującego pochłoniętego w układzie SI jest grej

( 1 Gy = 1 J/Kg ) dawniej stosowaną jednostką był rad ( 1 rad = 0,01 J/Kg ).

Dawka pochłonięta jest to , więc ilość promieniowania pochłoniętego przez 1 kg tkanki ciała

W celu uwzględnienia rodzaju promieniowania i jego skutków biologicznych wprowadzono pojęcie równoważnika dawki ,czyli dawki pochłoniętej z uwzględnieniem potencjalnej możliwości spowodowania uszkodzeń tkanki ciała przez różne rodzaje promieniowania

Jednostką równoważnika dawki jest w układzie SI Siwert ( 1 Sv = 1 J/Kg )

Grupa Narządów	Narząd lub tkanka	Dawka graniczna napromieniowania Sv/rok
I II III IV	Gruczoły płciowe, szpik kostny Mięśnie, tkanka tłuszczowa, wątroba, śledziona, oczy Kości, tarczyca, skóra Ręce , przedramiona, stopy	0,005 0,015 0,03 0,075

Tab. Dopuszczalne dawki promieniowania dla osób dorosłych (poza obszarem elektrowni jądrowych)

3.Wpływ elektrowni jądrowej na otoczenie

Wszystkie technologie pozyskiwania energii, włączając w to najbardziej konwencjonalne,

Mają swoje zalety i wady. Również energetyka jądrowa nie odbiega od tej reguły.

Ludzie boją się energii jądrowej z powodu groźby promieniowania jonizującego, jaką ona za sobą niesie. Zapomina się przy tym, że każdy człowiek w codziennym życiu jest narażony na

Różnego rodzaju wpływ promieniowania jonizującego. Wzrost poziomu promieniowania przez elektrownie jądrową jest dużo mniejszy niż tło naturalne czyli, promieniowanie z gleby, kosmosu, spożywanie pokarmów, który towarzyszy ludziom przez całe życie.

Wbrew wielu powszechnie utartym opinią energia jądrowa stanowi niewielkie zagrożenie dla człowieka a także środowiska naturalnego. Operując tzw. Znormalizowanym wskaźnikiem wypadków śmiertelnych na wytworzony 1 gigawatorok energii elektrycznej, który wg Uraniom information center wynosi odpowiednio 0,8 dla elektrowni wodnych, 0,32 dla elektrowni węglowych, 0,09 dla elektrowni gazowych oraz 0,01 dla elektrowni jądrowych

Można zauważyć, że energia jądrowa jest obecnie najbezpieczniejszą technologią wytwarzania energii elektrycznej.

Ponadto należy pamiętać, iż określony wpływ na środowisko naturalne wywierają nie tylko same czynne elektrownie jądrowe, ale również tzw. Pełny cykl paliwowy obejmujący również wydobycie rud uranu, ich przeróbke, wzbogacanie, produkcje paliwa jądrowego, wypalanie paliwa jądrowego w reaktorach energetycznych, składowanie przejściowe wypalonego paliwa, przetwarzanie wypalonego paliwa, jego transport, składowanie ostateczne wypalonego paliwa oraz odpadów promieniotwórczych, jak również końcową likwidację wyłączonej z eksploatacji elektrowni jądrowej.

Zagrożenia podczas pracy elektrowni jądrowej możemy podzielić na:

1. zagrożenia podczas normalnej pracy reaktora jądrowego

2. zagrożenia podczas awarii

Zagrożenia podczas normalnej pracy reaktora jądrowego

Elektrownia jądrowa podczas normalnej pracy wywiera wpływ na środowisko naturalne poprzez:

- wydzielanie produktów promieniotwórczych do atmosfery

- wydzielanie produktów promieniotwórczych do wód zrzutowych

- wydzielanie stałych odpadów promieniotwórczych wymagających stałego składowania

- wydzielanie ciepła odpadowego

Wszystkie odpady promieniotwórcze - gazowe, ciekłe, oraz stałe podlegają już na terenie elektrowni specjalnym procesom przetwarzania. Wymaga to znacznego rozbudowania różnych procesów technologicznych, jak i wielu dodatkowych obiektów, których nie ma

W elektrowni konwencjonalnej. Wydobywające się z reaktora lotne substancje promieniotwórcze są wyłapywane przez system filtrów. Pomimo to część tych substancji

Promieniotwórczych wydostaje się do otoczenia poprzez wysoki komin, w sposób ściśle kontrolowany. Są to przede wszystkim substancje lotne, które trudno wychwycić i związać chemicznie np. gazy szlachetne: izotopy ksenonu i kryptonu. Ilość i rodzaj odpadów gazowych jest ścisłe zależna od typu reaktora jądrowego.

W czasie eksploatacji elektrowni jądrowej powstają także odpady ciekłe ( ścieki promieniotwórcze ), głównie w wyniku upustów, zrzutów i przecieków z obiegu chłodzenia

Rdzenia reaktora.

Odpady stałe to przede wszystkim zużyte jonity ( wkłady filtrów jonitowych ),

O znacznej aktywności, odpady stałe palne ( szmaty, papier, elementy drewniane i inne )

I niepalne ( elementy wyposażenia elektrowni np. zużyte kanały i pręty sterujące, skażone narzędzia ) a przede wszystkim wypalone paliwo jądrowe

Odpady stałe zostały podzielone na trzy grupy w zależności od stężenia substancji promieniotwórczych a mianowicie:

- wysoko aktywne : do których należą części wewnętrzne reaktorów znajdujące się w strefie promieniowanie neutronowego, zużyte filtry do oczyszczania gazu i paliwa, oraz wypalone paliwo jądrowe

- średnio aktywne : do których zalicza się części konstrukcyjne i drobne wyposażenie układów pomocniczych układu pierwotnego takie jak rurociągi, armatura, izolacja termiczna, wkłady filtracyjne niektórych układów wentylacyjnych, części pomp, odpady metalowe, wymienialne elementy układu pomiarowego i automatyki

- nisko aktywne : którymi są części konstrukcyjne, skażona odzież i obuwie, drewno, tworzywa sztuczne, odpady budowlane itp.

Cechą charakterystyczną która przemawia na korzyść elektrowni jądrowych w porównaniu z elektrowniami które spalają paliwa organiczne jest brak emisji dwutlenku węgla - głównego sprawcy efektu cieplarnianego. Ponadto elektrownia jądrowa nie wytwarza innych szkodliwych gazów odlotowych tlenków azotu i siarki.

W celu rozwoju energetyki jądrowej wprowadzono pewne normy , które warunkują bezpieczeństwo w elektrowniach jak i nakazują wprowadzanie dodatkowych systemów które mają łagodzić wpływy ewentualnych awarii. W celu zapobieżenia awarii stosuje się bariery ochronne

Bariery ochronne :

- Bariera 1 - materiał paliwowy w postaci ceramicznych elementów UO₂ odporny na wysokie temperatury ponad 2000^oC stanowi barierę dla produktów stałych

- Bariera 2 - koszulka elementu paliwowego wykonana ze specjalnego stopu stanowiącą antykorozyjną osłonę, powinna spełniać dwie podstawowoe funkcje umożliwiane odprowadzanie ciepła wytwarzanego w paliwie do wody chłodzącej i uniemożliwić wydostanie się produktów rozszczepienia na zewnątrz

- Bariera 3 - układ ciśnieniowy obiegu pierwotnego lub obiegu wytwarzania pary, barierą są ścianki obiegu odporne na pełne ciśnienie panujące w reaktorze

- Bariera 4 - układ do kondensacji pary, umożliwiający redukcje ciśnienia

- Bariera 5 i 6 - obudowa bezpieczeństwa całego reaktora wraz z obiegiem pierwotnym, obudowę bezpieczeństwa stanowi wewnętrzny szczelny płaszcz stalowy o grubości 30-50mm

Projektowany na nadciśnienie do 5 MPa oraz zewnętrzny budynek betonowy z betonu wstępnie sprężonego o grubości 1-2 m, bariera ta spełnia dwie podstawowe funkcje ochrone reaktora przed zewnętrznymi oddziaływaniami i niedopuszczenia do uwalniania się substancji promieniotwórczych w warunkach awaryjnych.

Poza wspomnianymi wyżej barierami bezpieczeństwa stosuje się również :

- zwielokrotnianie układów - układy istotne dla bezpieczeństwa obiektu projektuje się w dwóch lub trzech równoległych analogicznych grupach technologicznych

- zróżnicowanie układów - układy są projektowane na różnej zasadzie działania

- seperacje przestrzenną układów pełniących te same funkcje

- automatyzacje procesów ważnych dla bezpieczeństwa elektrowni

Jeśli chodzi o skutki radiacyjne związane z wykorzystaniem elektrowni jądrowych , to są one znikomo małe w porównaniu z ekspozycją od tła naturalnego czy skutkami innej działalności człowieka , w tym zastosowań medycznych. Średnia światowa efektywna dawka promieniowania jaką otrzymuje człowiek wynosi 2,4 mSv ze źródeł naturalnych , a 0,6 mSv z zastosowań medycznych. Oczywiście istnieje duże zróżnicowanie w ilości dawek otrzymywanych na świecie pochodzących ze źródeł naturalnych i medycznych.

Dla porównania wykorzystanie energetyki jądrowej dało w 1989r. wkład do dawki zaledwie 0,01 mSv czyli mniej niż 1% dawki indywidualnej.

Elektrownia jądrowa podczas normalnej pracy jako silnik cieplny musi zgodnie z prawami termodynamiki wydzielać do otoczenia ciepło odpadowe. Jest ono usuwane z elektrowni bądź w postaci pary wodnej lub przez zrzut podgrzanej wody do pobliskich zbiorników wodnych.

Aczkolwiek nie zaobserwowano negatywnego wpływu na te zbiorniki w miejscach zrzutu podgrzanej wody.

Zagrożenia podczas awarii

Głównym zagrożeniem jakie może wystąpić jest uwolnienie się promieniotwórczych izotopów do otoczenia. Prawdopodobieństwo takiej awarii jest jednak bardzo małe.

Najpoważniejszą przyczyną awarii lub nawet katastrofy reaktora jest nagłą utrata chłodzenia rdzenia reaktora, jednak w stosowanych obecnie reaktorach razem ze zmniejszeniem chłodzenia związane jest spowolnienie reakcji i wygaśnięcie pracy reaktora co uniemożliwia powstawanie takich awarii. W ciągu 40 lat pracy reaktorów wodnych , które stanowią ponad 80% wszystkich reaktorów pracujących na świecie, nie wydarzył się żaden śmiertelny wypadek spowodowany napromieniowaniem w wyniku ich awarii. Na podstawie doświadczeń zebranych z ponad 10 tyś. Wypracowanych reaktorolat w ok. 400 reaktorach można stwierdzić ,że jest to najbezpieczniejsza gałąź przemysłu.

W 1990r. za sprawą międzynarodowej agencji energii atomowej (MAEA) wprowadzono 7 stopniową skale zdarzeń jądrowych tzw. Ines

Skala ta pozwala w szybki sposób zakwalifikować zdarzenie do danej kategorii a potem w łatwy sposób poinformować społeczeństwo o zaistniałym wydarzeniu.

Skala INES dotyczy wszystkich obiektów i instalacji jądrowych , np. zakładów produkcji i przetwarzania paliwa jądrowego, magazynów paliwa, niektórych instalacji wojskowych ,ale

Przede wszystkim elektrowni jądrowych.

Określenie kolejnych poziomów wg. Skali INES

Poziom 0

Czyli "poza skalą". Wypadek nie powoduje skutków, które mogłyby go zakwalifikować do innych poziomów.

Poziom 1

Czyli "Anomalia". Wypadek powodujący zakłócenie normalnej pracy przy obiekcie lub przedmiocie promieniotwórczym. Przykładem może być np. wypadek przy transporcie odpadów radioaktywnych bez uszkodzenia pojemników czy drobne uszodzenie rurociągów z takowymi substancjami. Nie ma żadnego zbędnego zagrożenia pracowników na promieniowanie.

Poziom 2

Czyli "Incydent".

Wypadek zakłócający normalną pracę, mogący spowodować nadmierne napromieniowanie personelu. Nadmierne napromieniowanie oznacza przyjęcie promieniowania większego niż statystyczna dawka roczna (2,5 mSv). Skażenie może przedostać się dalej, lecz zostaje zatrzymane wewnątrz obiektu. Może sie pojawić w miejscach niepożądanych, co prowadzi do podjęcia działań naprawczych.

Poziom 3

Czyli "Poważny incydent". Uwolnienie promieniowania o dużej sile, jednak poza obiektem nieprzekraczajacym 1 mSv. Podjęcie środków zaradczych może być zbędne. Incydent powodujący rozległe skutki zdrowotne u pracowników, skażenie wewnątrz budynku przekraczające 1000 terabekereli, ale dające się łatwo zlikwidować. Incydent, gdzie niesprawność systemów bezpieczeństwa może zwiększyć skutki awarii. Może też dojść do niewielkiego skażenia poza obiektem gdy dojdzie do kolejnych wypadków.

Poziom 4

Czyli "Awaria z niewielkim zagrożeniem poza obiektem". Uwolnienie dawki promieniowania, która dla jednego pracownika wynosi kilka mSv. Działania ochronne, poza kontrolą żywności, mogą być zbędne. Awaria powodująca częściowe zniszczenie obiektu jądrowego i powodująca trudne do naprawienia straty, np. częściowe stopienie rdzenia lub rozproszenie materiałów promieniotwórczych. Napromieniowanie jednego lub kilku pracowników teoretyczną dawką śmiertelną

Poziom 5

Czyli "Awaria z zagrożeniem poza obiektem". Uwolnienie do atmosfery radioaktywności rzędu kilkuset do kilku tysięcy terabekereli, prawdopodobieństwo podjęcia działań zapobiegającym wystąpieniu poważniejszych skutków zdrowotnych. Poważne uszkodzenie obiektu, jak np. stopienie większości rdzenia, pożar w reaktorze, eksplozja powodująca uwolnienie dużych ilości materiałów radioaktywnych wewnątrz obiektu.

Poziom 6

Czyli "Poważna awaria". Uwolnienie do atmosfery dużych ilości materiałów radioaktywnych, rzędu kilkuset do kilku tysięcy terabekereli, możliwe ofiary śmiertelne wśród cywili, niezbędne podjęcie działań ratunkowych włącznie z ewakuacją terenów skażonych.

Poziom 7

Czyli "Wielka awaria" lub "Katastrofa atomowa". Uwolnienie olbrzymich ilości substancji promieniotwórczych, konieczne ewakuacje terenów skażonych i podjęcia działań odkażających, możliwe ofiary śmiertelne i długotrwałe skażenie terenu mieszanką krótko- i długożyciowych pierwiastków radioaktywnych. Prawdopodobnie skażenie przekroczy granice kraju gdzie znajduje się jego źródło. Występują późne skutki zdrowotne nie tylko u skażonych, ale także w następnych generacjach.

Teoretycznie, jedyną możliwą katastrofą która znajdowałaby się powyżej poziomu siódmego, byłaby przypadkowa eksplozja jądrowa na terenie miejskim lub wiejskim, co spowodowałoby maksymalne zniszczenia materialne, poważne straty w ludziach i długotrwałe skażenie terenu. Taka katastrofa dotąd nie wystąpiła.

4.Likwidacja elektrowni jądrowej

Instalacje techniczne w tym także reaktory jądrowe jak każde urządzenie starzeją się i są sukcesywnie wycofywane z eksploatacji. Powody zamknięcia lub likwidacji elektrowni jądrowej mogą być różne np. zbyt małą efektywność powodująca ,że koszt eksploatacji przewyższa zyski, czy względy bezpieczeństwa związane ze zużyciem materiałów a niekiedy czynniki zewnętrze katastrofy takie jak powódź czy trzęsienie ziemi.

W energetyce jądrowej przyjęło się rozróżniać 3 stopnie likwidacji elektrowni jądrowej.

Każdy z nich może być ostatecznym etapem jak również tylko przejściowym.

Stopień 1 - obejmuje zamknięcie elektrowni pod nadzorem. Stopień ten osiąga się gdy reaktor jest zatrzymany , paliwo odtransportowane, wszystkie elementy eksploatacyjne usunięte. Podczas tego etapu poziom promieniotwórczości w całym obiekcie zostaje obniżóny o 99,9%

Stopień 2 - obejmuje częściową i warunkową likwidacje. Wszystkie instalacje i urządzenia poza trudno dostępnymi z uwagi na poziom promieniowania są zdemontowane i wywiezione z terenu elektrowni, natomiast wszystkie budynki w których nie stwierdzono skażenia są oddawane innym użytkownikom.

Stopień 3 - obejmuje całkowitą i bezwarunkową likwidacje. Wszystkie urządzenia łącznie z budynkami elektrowni i fundamentami są zdemontowane do tzw. Czystego zielonego terenu.

Likwidacja elektrowni podobnie jak jej budowa wymaga czasu i dużych nakładów finansowych. Konieczne jest przygotowanie projektu technicznego, zakup specjalistycznego sprzętu , zatrudnienie personelu o odpowiednich kwalifikacjach.

Elektrownie jądrowe środki te gromadzą z odpisu zysku ze sprzedaży energii elektrycznej , więc jest wliczony w koszt energii.

5.Literatura

1. J Kuckowski „ Energetyka a środowisko” wyd. Naukowo Techniczne Warszawa 1997

2. www.wikipedia.pl

---