Elektrownie atomowe – historia powstania i charakterystyka

Elektrownie atomowe inaczej zwane jądrowymi, to obiekty przemysłowo-energetyczne, które produkują energię elektryczną dzięki rozszczepianiu jąder atomów. W tym procesie ciepło do wytworzenia prądu uzyskiwane jest z reaktora jądrowego.

Pierwsze elektrownie atomowe

Ludzie o występowaniu atomów w przyrodzie wiedzą już ponad 2,5 tysięcy lat, lecz mimo to dopiero pod koniec XIX wieku, udowodnione zostało ich istnienie. Rozszerzenie wiedzy na temat chemii było kluczem do odkrycia w 1897 roku przez Josepha Johna Thomsona elektronu, który został uznany za najmniejszą część składową atomu. W czasie powojennym temat energii jądrowej nadal był jednym z ważniejszych tematów, na które poświęcano dużo czasu. W drugiej połowie XX wieku zaczęto budowę komercyjnych reaktorów energetycznych. Pierwsze budowle energetyczne powstały na terenie Francji, Stanów Zjednoczonych, Szwecji, Wielkiej Brytanii oraz Związku Radzieckiego.

Pierwsza elektrownia jądrowa na świecie o mocy 5 MW powstała w 1954 roku w Obnińsku. Elektrownia służyła do zaopatrywania w energię pobliskiego Instytutu Atomowego. Natomiast pierwszy reaktor energetyczny Calder Hall powstał w 1956 roku w Wielkiej Brytanii. Następną elektrownią komercyjną była elektrownia powstała w Shippimgport w Stanach Zjednoczonych. W kolejnych latach energetyka jądrowa nadal prężnie się rozwijała, lecz wskutek awarii w Three Mile Island oraz Czarnobylu wiele państw wstrzymało pracę w elektrowniach. Aktualnie przez wyczerpujące się surowce energetyczne, ale także postęp technologiczny, energetyka jądrowa znów jest wykorzystywana. Wiele państw posiadających elektrownie jądrowe, decyduje się na budowę kolejnych, a te, które ich nie posiadają, także sięgają po takie rozwiązania i budowle elektrowni.

Jak elektrownie atomowe pozyskują i wykorzystują uran?

Elektrownie jądrowe, aby działać poprawnie, potrzebują do swojego działania uranu wzbogaconego, który zwiera znacznie większą ilość izotopu, niż uran występujący naturalnie. Jednym z ważniejszych elementów w elektrowni atomowej jest moderator. Moderatory to specjalistyczne elementy, które są wstawione między pręty paliwa jądrowego. Celem moderatora jest spowalnianie neutronów, wytworzonych podczas reakcji rozszczepienia. Zwolnione neutrony mają możliwość rozszczepiania następnych jąder, ponieważ zbyt szybkie neutrony oddalają się od reaktora, a wskutek tego jest niemożliwe podtrzymanie reakcji jądrowych.

Zabezpieczenia występujące w elektrowniach w razie awarii, wymuszają natychmiastowe wyrzucenie moderatora spomiędzy prętów paliwa jądrowego, ponieważ w ten sposób reakcja jądrowa powinna się zatrzymać. Elektrownie atomowe powodują również zagrożenie związane z użytkowaniem reaktora jądrowego. W przypadku, gdy materiały radioaktywne się wydostaną na zewnątrz budowy reaktora, to dostaną się do atmosfery oraz wód gruntowych. Przedstawiona sytuacja miała miejsce w Czarnobylu w 1986 roku oraz Fukushimie w 2011 roku, gdzie doszło do skażenia promieniotwórczego i chemicznego. Należy pamiętać że uran jest silną trucizną.

Promieniowanie jądrowe

Promieniotwórczość jest zjawiskiem związanym ze zdolnością jąder atomowych do rozpadu promieniotwórczego. Najczęściej dzieje się to przez emisję cząstek alfa, beta lub promieniowania gamma. Promieniowanie jest nieuniknione. W przyrodzie bowiem istnieje promieniowanie naturalne, które pochodzi od pierwiastków radioaktywnych obecnych w przyrodzie oraz najbliższym otoczeniu człowieka. Prekursorami pierwszych badań nad promieniowaniem byli Henri Becquerel oraz Maria Skłodowska-Curie z mężem Piotrem Curie. Na przełomie wieku XIX i XX Becquerel odkrył radioaktywność, poprzez badanie fosforescencji.

Fosforescencja to zjawisko świecenia poszczególnej części przedmiotów własnym światłem pod wpływem wcześniejszego naświetlenia. Następnie do badań włączyła się Maria Skłodowska-Curie, która odkryła i wydzieliła pierwiastki polonu, radu, ale także doprowadziła do objaśnienia przyczyn radioaktywności jako efektu rozpadu jąder atomów. Polska fizyczka i chemiczka została dwukrotną laureatką Nagrody Nobla. Na początku wieku XX, Frederic Soddy odkrył, że atomy każdego pierwiastka są w stanie występować w różnorodnych odmianach, które odróżniają się od siebie masą atomową. W ten sposób, możliwe było poznanie izotopów.

Duża część cząsteczek promieniowania jest zatrzymywana przez powietrze, a następne przez naskórek. Promieniowanie może także przenikać przez ciało, nie czyniąc mu żadnej szkody. Promieniowanie można także znaleźć w glebie, skałach, powietrzu i wodzie. Co więcej, źródłem jest też człowiek oraz codzienne produkty takie jak np. warzywa i owoce.

Źródłem promieniowania sztucznego są najczęściej urządzenia, takie jak stosowane w medycynie aparaty rentgenowskie oraz reaktory jądrowe, wykorzystywane w elektrowniach atomowych. Oczywiście należy pamiętać, że silne dawki promieniowanie, mogą spowodować szkody w organizmie ludzkim. Często dochodzi do zniszczenia tkanek i zmian chorobowych, które mogą być bardzo poważne, nawet nieuleczalne. Napromieniowane pożywienie również może prowadzić do niebezpiecznych chorób. W wyniku napromieniowania smak, wygląd oraz zapach się nie zmieniają, dlatego też rozpoznanie skażonego pożywienia jest prawie niemożliwe. W tym celu, aby wyeliminować zagrożenie używa się specjalistycznych przyrządów, które zwalczają to niebezpieczeństwo. Jednym z takich przyrządów jest licznik Geigera.

Wojenne zastosowanie energii atomowej

W 1939 roku w III Rzeszy rozpoczęto tajne prace nad wykorzystywaniem energii jądrowej. Grupa naukowców pod przywództwem Wernera Heisenberga prowadziła badania nad budową reaktorów do pozyskania plutonu P-239. Prace posuwały się na przód bardzo powoli, z różnych przyczyn, m.in. przez niewielką liczbę naukowców, błędne założenia oraz złe interpretacje wyników. Na początku to naukowcy niemieccy górowali i byli liderami badań jądrowych. Jednak po 1941 roku, Amerykanie, Brytyjczycy oraz Rosjanie posiadali większą wiedze na ten temat. Było to spowodowane tym, iż fizycy oraz chemicy uciekli z III Rzeszy, ponieważ chcieli się uchronić przed ówczesnymi prześladowaniami. Sytuacja inaczej prezentowała się w Stanach Zjednoczonych, które zwróciły się o pomoc do Alberta Einsteina, który z kolei o możliwościach wykorzystania energii z atomu powiadomił prezydenta USA Franklina Roosvelta.

Źródłem promieniowania w przeszłości były wybuchy bomb jądrowych, które stanowią przykład wojennego zastosowania energii jądrowej. Bomb atomowych użyto w walce dwukrotnie podczas II wojny światowej. Stany Zjednoczone zrzuciły je na dwa japońskie miasta: 6 sierpnia 1945 r. na Hiroszimę, a 9 sierpnia na Nagasaki. W 1942 r. ruszył projekt Manhattan, którego celem było wyprodukowanie bomby wcześniej, niż zrobią to hitlerowskie Niemcy. Tajny ośrodek badawczy ulokowano w Los Alamos na pustyni Newada. Kierownikiem projektu był Robert J. Oppenheimer. W projekcie brało udział ogółem aż 26 ówczesnych i przyszłych laureatów Nagrody Nobla.

Wady i zalety elektrowni atomowych

Posiadanie broni atomowej przez USA spowodowało, że inne państwa także zaczęły je produkować, co mogło przynieść bardzo złe skutki. Z końcem wojny, postanowiono, aby energię atomową stosować i wykorzystywać dla dobra ludzkości, a nie przeciw niej. Dużą rolę odegrali naukowcy, którzy sprzeciwiali się dalszemu doskonaleniu bomb atomowych. W 1946 roku w Stanach Zjednoczonych powstał organ cywilny- Komisja Energii Atomowej, który za zadanie miał kontrolować badania nad energią jądrową. W roku 1953 prezydent Eisenhower zapowiedział nowy kierunek w dziedzinie energii jądrowej –„Atom dla pokoju”. Miejsce, gdzie znajdowały się tajne ośrodki, zostało zastąpione przez państwowe laboratoria, które prowadziły badania nad pokojowymi aspektami wykorzystania energii atomowej.

W 1957 roku dzięki Organizacji Narodów Zjednoczonych powstała Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej, która zajęła się prowadzeniem i rozwijaniem badań nad praktycznym zastosowaniem energii jądrowej, propagowaniem jej pokojowych zastosowań, szkoleniem naukowców oraz wszelkimi aspektami bezpieczeństwa. W kolejnych latach podpisywane zostały następne porozumienia, które w 1996 roku doprowadziły do powstania układu o całkowitym zakazie prób jądrowych.

Zastosowanie energii atomowej

Zastosowanie energii atomowej polega przede wszystkim na jej wykorzystaniu przez elektrownie atomowe. Mimo wcześniejszych katastrof, dużo państw posiada elektrownie atomowe, które zapewniają im stałe, tanie i bezpieczne źródło energii elektrycznej. Funkcjonowanie elektrowni atomowych daje społeczeństwu wiele korzyści takich jak: gwarancja dostawy energii, brak emisji szkodliwych pyłów i gazów, ograniczenie eksploatacji paliw kopalnych oraz zmniejszenie ilości odpadów.

Energia jądrowa znajduje zastosowanie w radiomedycynie, przemyśle, kosmonautyce. Rozpoczęto wykorzystywać reaktory jako napędy w okrętach, statkach, samolotach, a w szczególności łodziach podwodnych. Zaletą napędów jądrowych to bardzo małe zużycie, zwiększenie prędkości pływania, zmniejszenie częstotliwości wynurzania. Napęd jądrowy w łodziach podwodnych zastosowało wiele państw, takich jak Stany Zjednoczone, Rosja, Wielka Brytania, Niemcy oraz Japonia. Energia jądrowa jest również wykorzystywana do odsalania wody, co jest problemem bardzo istotnym dla wielu obszarów świata cierpiących na brak wody pitnej. Jest to szczególnie ważne w Azji i Afryce Północnej. Reaktory mogą dodatkowo wytwarzać energię elektryczną, tj. działać jako małe elektrownie jądrowe.

Elektrownia jądrowa w Polsce

Elektrownie jądrowe niosą ze sobą bardzo wiele korzyści, dlatego też w Polsce już od dawna dąży się do wybudowania takiej elektrowni. W 1982 roku we wsi Kartoszyno nad Jeziorem Żarnowieckim zaczęto budowę Elektrowni Jądrowej Żarnowiec. Władza w Polsce chciała zrealizować w program energetyki jądrowej, który obejmował także zbudowanie Elektrowni Jądrowej „Warta” w miejscowości Klempicz w województwie wielkopolskim. Po awarii w Czarnobylu społeczeństwo zaczęło organizować długotrwałe protesty i było przeciwne pomysłowi budowy elektrowni jądrowej. Wskutek tego budowa w Polsce została wstrzymana.

Ministerstwo Energii zapowiedziało, że w Polsce około 2033 r. uruchomiony zostanie pierwszy blok pierwszej elektrowni atomowej, o mocy około 1-1,5 GW. Produkcja energii elektrycznej w Polsce od połowy XX w. wzrosła ponad 17-krotnie. Obecnie moc zainstalowana w krajowym systemie elektroenergetycznym przekracza 41 GW. W 2017 roku rozpoczęto badania związane z przygotowaniami do budowy pierwszej polskiej elektrowni atomowej. Badania lokalizacyjne i środowiskowe prowadzone są w dwóch lokalizacjach: „Lubiatowo-Kopalino” i „Żarnowiec" i mają trwać do połowy 2020 r. A wy jak myślicie, czy w Polsce powstaną elektrownie atomowe?