Elektrownia jądrowa nie może wybuchnąć jak bomba atomowa

W elektrowni jądrowej, w reaktorze, energia uwalniania w reakcji rozszczepienia jądra atomu jest zamieniana na energię elektryczną, z której wszyscy korzystamy. W bombie atomowej, ta sama reakcja jądrowa prowadzi do gwałtownej eksplozji. Niestety z tego powodu panuje przekonanie, że reaktor jądrowy może, szczególnie w chwili wystąpienia awarii, wybuchnąć jak bomba atomowa. Nieprawda! Fundamentalne różnice pomiędzy bombą a reaktorem powodują, że taka sytuacja nigdy nie może mieć miejsca. Aby zrozumieć, dlaczego fizyka nie dopuszcza jądrowej eksplozji reaktorów, zapoznajmy się z dwoma kluczowymi pojęciami: rozszczepieniem jądra atomu oraz współczynnikiem mnożenia.

Wszystko zaczęło się od Alberta Einsteina, który w 1905 roku opublikował szczególną teorię względności, a w niej swój słynny wzór E=mc2. Okazało się, że masę można zamienić w energię, a energię w masę. Wywołało to wielkie poruszenie w środowisku naukowym, a jednocześnie objawiło, jak duża energia może tkwić w jądrze atomu – decyduje o tym czynnik c2, czyli prędkość światła podniesiona do kwadratu. Pozostało tylko znaleźć sposób na wyzwolenie tej gigantycznej energii. Dokonali tego Otto Hahn i Fritz Strassman z pomocą Lisy Meitner, którzy odkryli rozszczepienie jądra uranu.

Można przyznać, że reakcja rozszczepienia to serce przemysłu jądrowego. W reaktorze, miliony rozszczepień jąder atomowych potrzebnych jest do generowania energii podgrzewającej wodę obiegów chłodzenia. Oczywiście, pojedyncza reakcja rozszczepienia to trochę za mało, musimy mieć całą lawinę tych reakcji. Wyobraźmy sobie, że do masy czystego rozszczepiającego się izotopu uranu-235 wdziera się neutron (rys. 1). Wpada od razu w jedno z jąder i wywołuje jego podział. Wskutek tego pojawiają się dwa lub trzy nowe neutrony, zdolne do rozszczepienia jeszcze dwóch trzech-jąder itd. Ponieważ każde rozszczepienie przebiega szybko, w stumilionowych częściach sekundy, olbrzymia ilość wydzielających się neutronów momentalnie bardzo wzrośnie – mówiąc krótko, zacznie się samorzutna, niekontrolowana reakcja łańcuchowa (rys. 2).

Aby określić, jak szybko narasta taka reakcja, wprowadza się specjalną wielkość zwaną współczynnikiem mnożenia (powielania). Wskazuje on, ile razy każde następne pokolenie neutronów jest liczniejsze od poprzedniego. Innymi słowy, ile razy zwiększa się neutronowy strumień po uzyskaniu każdej kolejnej porcji neutronów. Jeżeli współczynnik mnożenia jest większy od jedności, to liczba neutronów, a więc ilość rozszczepień jąder uranu-235 lub plutonu, będzie zwiększać się nieograniczenie i proces skończy się wybuchem, co zachodzi właśnie w bombie atomowej.

Aby uzyskać reakcję łańcuchową, którą można wykorzystać w celach pokojowych, trzeba mieć możliwość jej kontrolowania. Należy osiągnąć taki stan, aby liczba rozszczepień na jednostkę czasu, a zatem i ilość wydzielanej energii, była ściśle określona i nie przewyższała pewnej stałej wielkości. Jest to możliwe tylko w przypadku, gdy współczynnik mnożenia będzie dokładnie równy jedności. Jeśli jego wartość niewiele zmniejszy się, reakcja wygaśnie i reaktor wyłączy się.

Wobec tego, w jaki sposób możemy bezpiecznie kontrolować reakcję łańcuchową? Aby reakcja łańcuchowa mogła w ogóle powstać w reaktorze jądrowym, współczynnik powielania neutronów musi być większy od jedności o znikomą wielkość. Inaczej mówiąc, każdemu rozszczepieniu jądra uranu-235 towarzyszyć musi pojawienie się średnio nieco więcej niż jednego neutronu. Nigdy jednak nie doprowadzimy do wybuchu jądrowego reaktora! W jego rdzeniu oprócz elementów paliwowych znajdują się także pręty sterujące (regulacyjne). Zbudowane są one z materiału silnie pochłaniającego neutrony (np. bor, kadm). Wprowadzenie tych prętów do rdzenia powoduje natychmiastowe zmniejszenie się współczynnika mnożenia.

Rys. 1 Reakcja rozszczepienia (źródło: fotolia.pl)

Rys. 1 Reakcja rozszczepienia

Podczas rozruchu reaktora wszystkie pręty sterujące zanurzone są całkowicie w rdzeniu, a następnie wysuwa się je stopniowo, dopóki współczynnik mnożenia nie osiągnie potrzebnej wielkości. Wtedy zaczyna się reakcja łańcuchowa, a pręty sterujące kontrolują jej przebieg. Jeżeli moc reakcji przewyższa moc planowaną, automatyczne urządzenie opuszcza pręty do wnętrza reaktora. Większa ilość neutronów zostaje natychmiast pochłonięta, a wartość współczynnika mnożenia ponownie spada poniżej jedności. Bomba atomowa jest jednak tak skonstruowana, aby wszystkie wyprodukowane neutrony były użyte rozszczepienia kolejnych jąder uranu lub plutonu. Dążymy do tego, aby w bardzo krótkim czasie wydzieliła się gigantyczna ilość energii.

Drugą ważną różnicą pomiędzy reaktorem a bombą jest wzbogacenie paliwa. Uran naturalny, który pozyskujemy w kopalniach, nie może być użyty jako paliwo jądrowe. Tylko cztery izotopy, spośród ponad 3000 znanych nam, może być użytych do reakcji łańcuchowej – uran-233, uran-235, pluton-239 i pluton-241. Tylko jeden z nich – uran-235 – występuje naturalnie na Ziemi, pozostałe są produktami reakcji jądrowych. W rudzie uranu, potrzebnego nam izotopu jest jednak bardzo mało, stanowi on zaledwie 0,71%, pozostałe 99% to uran-238. Zatem, by wywołać rekcję łańcuchową musimy zwiększyć ilość rozczepianego izotopu, czyli wzbogacić paliwo jądrowe. W reaktorach energetycznych wzbogacenie sięga 3-5%, w reaktorach badawczych do 20% (w reaktorze badawczym Maria w Świerku pod Warszawą, paliwo wzbogacone jest do 36%, rdzeń reaktora przechodzi jednak konwersję na paliwo tzw. nisko wzbogacone – 19,7%), z kolei w bombie atomowej powyżej 90%! To sprawia, że współczynnik mnożenia w bombach jest znacznie większy niż w reaktorach, co oznacza większą liczbę generowanych neutronów. Pamiętajmy, że paliwo użyte w reaktorze nie jest zdolne do wywołania eksplozji!

Rys. 2 Reakcja łańcuchowa (źródło: fotolia.pl)

Rys. 2 Reakcja łańcuchowa

Dlaczego tak się dzieje, że skoro reaktory nie mogą wybuchać jak bomby atomowe, do eksplozji jednak dochodzi. Mieliśmy tego przykład w Czarnobylu i Fukushimie. Okazuje się, że w obu tych przypadkach był to wybuch chemiczny! Koszulki paliwowe, w których znajdują się pastylki z dwutlenku uranu wykonywane są z cyrkonu. Kiedy dochodziło do sytuacji awaryjnej, podczas której rdzeń przegrzewa się, powyżej 1000 stopni Celsjusza zachodzi reakcja chemiczna cyrkonu z wodą, (której w rdzeniu jest pod dostatkiem):

Zr + 2H2O = ZrO2 + 2H2 + energia,

w wyniku której powstaje dwutlenek cyrkonu i łatwopalny wodór. Reakcja ta nie zachodzi podczas normalnej pracy reaktora, a jedynie przy wysokiej temperaturze rdzenia, najbardziej efektywna jest powyżej 1000 stopni Celsjusza. Niewielka iskra wystarczy, aby wodór eksplodował. To była przyczyna wybuchów podczas dwóch największych awarii w energetyce jądrowej. Nie jest prawdą jednak, że nie potrafimy sobie z tym problemem poradzić. Wręcz przeciwnie. Obecnie w elektrowniach zainstalowane są tzw. rekombinatory wodoru, które zamieniają go w parę wodną. W Fukushimie jednak nie działały one bez dostarczania energii elektrycznej. Niestety fala tsunami zalała m.in. silniki diesla, które miały zasilać elektrownię i rekombinatory wodoru nie działały. Trzeba jednak podkreślić, że dziś we wszystkich elektrowniach urządzenia te nie wymagają dostarczania energii elektrycznej. Prawdopodobieństwo wystąpienia takich ciężkich awarii zmalało jeszcze bardziej.


Bibliografia:
[1] K. Gładkow „Energia Atomu”, Wiedza Powszechna, 1961
[2] Nukleo.pl – portal wiedzy o energii jądrowej

Łukasz Koszuk

mgr Łukasz Koszuk – współzałożyciel i prezes Fundacji FORUM ATOMOWE. Absolwent fizyki na Uniwersytecie Warszawskim, specjalność fizyka jądrowa; specjalista w Zakładzie Energetyki Jądrowej w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku, w Zespole Analiz Neutronowych Rdzenia.

Skomentuj

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *