Energia jądrowa – jak powstaje? Co się dzieje z odpadami?

Pod moimi filmami o energii jądrowej najczęściej padają trzy pytania czy wątpliwości. Pierwsze –jak to się dzieje, że niektóre materiały są rozszczepialne, a inne nie. Co może być paliwem do elektrowni jądrowej? Skąd to paliwo się bierze, jak się je przygotowuje. I trzecie, co się z nim dalej dzieje, gdy zostanie już zużyte. W tym filmie o tym opowiem.

Jak powstaje energia jądrowa? Rozszczepienie pierwiastka

Zacznijmy od paliwa. Paliwem w elektrowni jądrowej musi być ciężki pierwiastek, bo w reakcji rozszczepienia chodzi o to, by rozszczepić coś wielkiego na mniejsze kawałki. Ale chodzi nie tylko o to, czy da się duże jądro rozszczepić, czyli rozerwać, ale także o to, w jakim stylu to zrobimy.

Rozerwanie pojedynczego jądra da niewiele energii. Uderzając w praktycznie dowolne ciężkie jądro cząstką, na przykład neutronem, możemy doprowadzić do jego rozerwania na dwa lub więcej mniejszych jąder i tyle. Ale jedno takie rozerwanie to za mało. Trudno przecież celować neutronem w każdy kolejny ciężki atom. Wyjściem jest znalezienie takiego, który rozszczepiając się na mniejsze, sam emituje neutrony, które uderzając w kolejne atomy, rozerwą je.

Gdy te neutrony są trzy, rozszczepiając jedno jądro, dostajemy małą porcję energii i trzy neutrony, które rozszczepią trzy kolejne jądra. Ale każde z tych trzech rozerwanych jąder też wyrzuci z siebie średnio trzy neutrony, a to da nam już dziewięć, a potem 27, 81, 243 itd. To właśnie jest reakcja łańcuchowa.  Przypomina trochę lawinę, która też zaczyna się od małego kamyczka.

I gdyby rzeczywiście każda reakcja łańcuchowa przypominała lawinę, ilość uwalnianej energii rosłaby tak szybko, że mielibyśmy do czynienia z eksplozją… bomby jądrowej. Reaktory nie mogą wybuchnąć jak bomby z wielu powodów, ale jeden jest najważniejszy – nie pozwalamy, żeby każdy z trzech neutronów zapoczątkował kolejne trzy rozszczepienia. Pilnujemy, by robiła to tylko ściśle określona liczba neutronów – w trakcie normalnej pracy dokładnie jeden. Co więcej, potrafimy tę liczbę zmieniać, czyli „rozpędzać” reaktor i go „hamować”.  Możemy go też zahamować całkowicie.

Z jakich pierwiastków może powstać energia jądrowa?

Z długiej listy ciężkich izotopów, odpowiednie warunki spełnia tylko kilka, w tym uran U-235 i pluton-239. Uran najczęściej wydobywa się spod ziemi, podobnie jak na przykład węgiel. Najwięcej uranu wydobywa się w Kanadzie, Australii, Nigrze, Kazachstanie i Namibii. Całkiem spore złoża znajdują się też w Kongo i USA.

W przeciwieństwie do węgla to, co zostaje wydobyte, nie nadaje się jeszcze do użytku i uran trzeba poddać skomplikowanej obróbce. Naturalną mieszaninę uranu tworzą trzy jego wersje, trzy izotopy, ale tego izotopu, na którym nam zależy, tego rozszczepialnego U-235 jest bardzo niewiele, tylko 0,7%.

Typowy reaktor takiej konstrukcji jak te, które będą wybudowane w Polsce, na naturalnym uranie, by nie ruszył. Za mało uranu w uranie. To, co trzeba zrobić, to podnieść ilość atomów uranu U-235 ze wspomnianych 0,7% do kilku czy nawet kilkudziesięciu procent w zależności od zastosowania. Ten proces nazywa się wzbogacaniem uranu.

Przeczytaj też: Cyborg-człowiek – czy tak będzie wyglądała nasza przyszłość?

W paliwie do takich reaktorów jak te, które będą u nas, koncentracja U-235 zwykle wynosi od 3 do 5%. Proces wzbogacania jest skomplikowany, drogi i długotrwały. Sposobów, jak to zrobić, jest kilka, ale taką technologię ma zaledwie kilka krajów na świecie. Wzbogacać uran potrafią Francja, USA, Japonia, Rosja, Chiny oraz Pakistan. Jest też europejskie konsorcjum Niemcy—Holandia—Wielka Brytania.

Przygotowanie paliwa nie sprowadza się tylko do oczyszczenia i wzbogacenia uranu. Formuje się go w niewielkie pastylki, które układa się jedna na drugiej w metalowych rurkach. To są pręty paliwowe. Te pręty układa się w tzw. zestawy paliwowe. Ich wielkość jest uzależniona od konstrukcji reaktora. 

Większość z reaktorów takich jak te, które będą budowane w Polsce, ma w zestawie paliwowym wiązkę o siatce prętów 17 x 17, co daje 289 prętów w zestawie. W rzeczywistości jest ich mniej, bo część miejsca zajmują pręty sterujące i pozycje do instalacji aparatury pomiarowej. W sumie w reaktorze jest kilkadziesiąt tysięcy pojedynczych prętów paliwowych, a ich dokładna liczba zależy od mocy reaktora.

Praca reaktora jądrowego

Gdy reaktor rusza, w reakcji rozszczepienia jąder atomowych, produkowana jest energia. W zależności od wielu czynników, zestaw paliwowy jest w reaktorze od roku do nawet kilku lat. Po tym czasie jest wyciągany. Nie dlatego, że nie ma w nim już uranu, ale dlatego, że ilość rozszczepialnego izotopu 235 spadła na tyle, że trzeba wstawić w jego miejsce nowy. Ale ten uran, który w paliwie pozostał, a jest go tam jeszcze bardzo dużo, może być odzyskany i po odpowiedniej obróbce, już w nowym zestawie paliwowym, wrócić do reaktora.

To też Cię zainteresuje: Jaki sposób wydobywania energii jest najbardziej ekologiczny

Najpierw jednak pręt, a w zasadzie cały zestaw paliwowy, jest umieszczany w znajdującym się obok reaktora dużym basenie. Wyciągnięte wprost z reaktora paliwo jest bardzo radioaktywne i wydziela ciepło. W basenie jest chłodzone i obniża aktywność. W basenie może być nawet kilka lat. Później trafia do suchych przechowalników w specjalnie zabezpieczonej hali magazynowej na terenie elektrowni.

Po kolejnych latach, gdy możliwy jest już jego transport, w specjalnych, testowanych na wszelkie okoliczności pojemnikach zużyte elementy paliwowe trafiają do specjalnego składowiska docelowego lub mogą być przekazane do zakładu przetwarzania odpadów.

W zakładzie przetwarzania odpadów z wypalonego paliwa odzyskuje się nie tylko uran, ale także inne pierwiastki, które zostały we wnętrzu reaktora wyprodukowane. Natomiast część paliwa, która nie może być przetworzona – ok. 10%, jest rozpuszczana w silnym kwasie, a następnie zamieniana w proszek i zestalana szkle, a następnie składowana jako ciało stałe.

Składowanie odpadów promieniotwórczych

Jakkolwiek dużo udałoby nam się odzyskać z wypalonego paliwa, zawsze pozostaje jednak radioaktywny odpad. Po roku działalności bloku jądrowego o mocy elektrycznej 1 GW powstaje około trzydzieści ton wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych. Czy to dużo? I tak, i nie. Gdyby porównać to do zanieczyszczeń i odpadów (także promieniotwórczych), jakie wiążą się z produkcją prądu z węgla, kilkadziesiąt ton rocznie z dużego bloku energetycznego brzmi jak bajka.

Bajką nie jest jednak to, że odpady radioaktywne trzeba traktować z dużą ostrożnością – nie możemy ich składować w dowolnym miejscu. W Polsce miejsce przeznaczone do deponowania tego typu odpadów znajduje się w Różanie koło Ostrołęki. To tam mieści się Krajowe Składowisko Odpadów Promieniotwórczych.

Składowanie odpadów promieniotwórczych rodzi oczywiście spore koszty, aczkolwiek w cenie energii elektrycznej z atomu jest to zaledwie około 2%. Warto jednak dodać, że odpady radioaktywne to nie są jedynie odpady z energetyki jądrowej. Przykładowo Francja w 56 reaktorach produkuje niemal 70% swojej energii elektrycznej. Równocześnie niecały 1% objętości radioaktywnych odpadów, o które trzeba się we Francji troszczyć, to odpady wysokoaktywne, w tym wypalone paliwo jądrowe.

Przytłaczająca większość to materiały średnio- i niskoaktywne, pochodzące nie tylko z energetyki, ale też z przemysłu i medycyny. Innymi słowy, czy mamy energetykę jądrową, czy też nie, składowiska odpadów radioaktywnych i tak trzeba budować, i tak trzeba ich doglądać. Jasne, odpady z energetyki są zwykle dużo bardziej radioaktywne niż te z medycyny, jest ich jednak znacznie mniej.

Podsumowanie

Wypalone paliwo jest bezpiecznie przechowywane i wychładza się, by po kilkudziesięciu latach trafić do przerobu lub finalnego składowiska podziemnego. Powstałe w paliwie substancje promieniotwórcze przez następne długie dziesięciolecia będą się rozpadały, systematycznie tracąc radioaktywność. Z czasem staną się pierwiastkami stałymi, których nie trzeba się obawiać. W Polsce także będzie musiało powstać składowisko odpadów wysokoaktywnych, bo to, które mamy, przyjmuje mniej aktywne odpady z medycyny i przemysłu. Nie została jeszcze wybrana jego lokalizacja, jednak mamy na to kilkadziesiąt lat.

***
Film powstał we współpracy reklamowej z Ministerstwem Klimatu i Środowiska.

Autor

Tomasz Rożek

Z wykształcenia jestem fizykiem, a z zawodu dziennikarzem naukowym. Od lat tworzę markę Nauka. To Lubię, a dodatkowo kieruję działem naukowym w tygodniku Gość Niedzielny i współpracuję z wieloma mediami i redakcjami. Jestem szczęśliwym tatą bliźniaków: Zuzi i Janka oraz mężem Ani.

Więcej od tego autora