Skąd bierze się energia jądrowa?

Energia z atomu balansuje na granicy największych oczekiwań i obaw społeczeństwa. Z jednej strony oferuje czystą energię i uwalnia od zależności od paliw kopalnych. Jednak w tym samym momencie widzimy obrazki katastrofy w Japonii czy Czarnobylu. Co takiego dzieje się w sercu elektrowni atomowej, że wyzwala w nas tak skrajne emocje i większości wciąż uniemożliwia przekonanie się do tej formy energii? Zajrzyjmy do rdzenia reaktora jądrowego.

Pomimo całego zamieszania jakie wywołuje słowo "jądrowy", zasada działania elektrowni jądrowej nie różni się znacząco od pracy konwencjonalnej elektrowni węglowej. W obu obiegach czynnik roboczy (najczęściej woda) jest podgrzewany do odpowiedniej temperatury i przekazuje ciepło parze z obiegu wtórnego. Następnie para napędza turbinę połączoną z generatorem. Różnica polega na sposobie podgrzewania wody. Rolę kotła elektrowni konwencjonalnej pełni reaktor jądrowy. Podczas gdy konwencjonalne elektrownie spalają paliwa kopalne w celu wytworzenia energii cieplnej do ogrzania wody, w elektrowni atomowej energia powstaje podczas rozszczepienia atomu.

Gdy jądro atomu wychwyci neutron, ulega on rozbiciu na dwa lżejsze atomy (fragmenty rozszczepienia) emitując dwa lub trzy nowe neutrony i kwanty promieniowania gamma. Podczas tego procesu wydziela się energia. Rozpad pojedynczego jądra uranu-235 powoduje powstanie ok. 200 megaelektronowoltów (MeV). Spalenie jednego atomu węgla daje 4 eV, czyli około 50 milionów razy mniej.

Skąd wiemy ile wynosi ta energia i właściwie czemu powstaje? Odpowiedzią jest znany wzór Alberta Einsteina: E=mc

2

. Oznacza on tyle, że masa jest równoważna energii. W samej reakcji rozszczepienia masa jądra ulegającemu reakcji jest większa niż masa powstających fragmentów rozpadu. Jest to tak zwany defekt masy. Brakująca część masy, ?m, jest równoważna energii, którą układ zyskał po utworzeniu stru­ktury powiązanej siłami jądrowymi. Energia ta nazywana jest energią wiązania.

Jeżeli na drodze dwóch lub trzech nowo wydzielonych neutronów pojawią się następne jądra uranu to powstaje reakcja łańcuchowa rozszczepienia i wydzielana jest bardzo duża ilość energii. Dla zapoczątkowania reakcji łańcuchowej konieczna jest określona minimalna masa paliwa jądrowego, zwana masą krytyczną. Po osiągnięciu masy krytycznej dochodzi do samopodtrzymującej się reakcji rozszczepienia.

This browser does not support the iframe element.

Na początku kampanii paliwowej, gdy reaktor załadowany jest świeżym paliwem oraz jest gotowy do pracy, reakcje rozszczepienia nie pojawią się samoistnie. Do inicjacji reakcji łańcuchowej służy tzw. inicjator polonowo – berylowy.

Zjawisko rozszczepienia charakterystyczne jest dla izotopów ciężkich pierwiastków. Do pierwiastków tych zaliczamy przede wszystkim uran, pluton, tor, kaliforn, ameryk, kiur czy neptun. W praktyce izotopem wykorzystywanym w reaktorach jądrowych jest uran-235 z uwagi na jego dostępność w przyrodzie, wysokie prawdopodobieństwo rozszczepienia i możliwość stosunkowo łatwego kontrolowania całej reakcji.

W naturalnym uranie najwięcej jest uranu-238 (99,3 proc.), natomiast uranu-235 jest tylko 0,7 proc. Proces zwiększający stężenie uranu-235 nazywany jest wzbogacaniem. Reaktor jądrowy, z uwagi na wzbogacenie uranu oraz geometrię rdzenia, nie jest w stanie doprowadzić do wybuchu jądrowego. Wybuch jądrowy jest możliwy jedynie w bombie jądrowej. Klasyczne paliwo w energetycznych reaktorach jądrowych posiada uran wzbogacony do kilku procent.

Paliwo w formie pastylek paliwowych (o średnicy ok. 9 mm) jest umieszczone w koszulce cyrkonowej tworząc pręt paliwowy. Pręty ułożone są w kasety paliwowe.  W kasecie paliwowej znajdują się także pręty sterujące, z materiałem pochłaniającym neutrony (kadm, bor).