Pierwszym skojarzeniem, jakie może nasuwać się po przeczytaniu tytułu, to Czarnobyl i Fukushima. Poniekąd jest to słuszne skojarzenie, jednak musimy pamiętać, że energetyka jądrowa to nie tylko elektrownie jądrowe – powszechnie nazywane atomowymi. Temat energetyki jądrowej w ciągu ostatnich kilku lat mocno ożył w debacie społecznej z racji toczących się działań zmierzających do powstania w Polsce pierwszej elektrowni atomowej. Niestety, pomimo upływu czasu nadal pojawia się sporo pytań wokół tego tematu. Doświadczyłem tego podczas szkolenia o tym samym tytule, które prowadziłem podczas ostatniej zagranicznej edycji Akademii Brokera „Czas na ATOM” w elektrowni jądrowej w Chooz. Artykuł ten, a właściwie cykl artykułów, będzie poruszał zagadnienia z właśnie tego szkolenia.
Czym jest energetyka jądrowa
Energetyka jądrowa (atomistyka) to zespół zagadnień związanych z uzyskiwaniem na skalę przemysłową energii jądrowej. Obejmuje ona również problemy związane z wydobyciem i przeróbką paliwa jądrowego oraz transportem i składowaniem odpadów jądrowych. Energię jądrową natomiast to energia, którą pozyskuje się głównie w wyniku rozszczepienia jąder atomowych w reaktorach jądrowych. W tym artykule poruszymy wszystkie ww. aspekty energetyki jądrowej w kontekście technicznej oceny ryzyka ubezpieczeniowego. Jako Warta Risk Service możemy przeprowadzić szkolenie związane z tą tematyką dla zainteresowanych na przykładzie ostatnio odwiedzanej Elektrowni Jądrowej Chooz B we Francji.
Krótki rys historyczny
Na ten moment Polska nie posiada elektrowni jądrowej, niemniej warto być przygotowywanym na czas, w którym taka inwestycja zostanie zrealizowana, abyśmy mogli podejść do tego tematu z większą świadomością. Na początek trochę tła historycznego powstania energetyki jądrowej. Świat zainteresował się energią jądrową przy okazji II wojny światowej, kiedy pracowano nad jej militarnym wykorzystaniem – bombą atomową. Pierwszy na świecie reaktor jądrowy uruchomiony został w 1942 roku na nieużywanym korcie stadionu uniwersyteckiego Alonzo Stagg Field w Chicago. Był to Chicago Pile-1, CP – 1 (stos chicagowski nr 1). Prace badawcze były wykonywane na nim w ramach Projektu Manhattan. Reaktor CP – 1 składał się z około 40 000 bloków grafitowych, wewnątrz których znajdowało się paliwo jądrowe – uran. Szacowana moc to około 0,5 W, w trakcie eksperymentów zwiększono ją na krótko do 200 W. Jednak nie produkcja energii elektrycznej była priorytetem w tym wypadku. Budowa tego reaktora zajęła około roku.
Źródło: www.euronuclear.org/glossary/cp-1/
W Europie pierwszy reaktor uruchomiony został po wojnie w ZSRR – 25 grudnia 1946 roku. Był to Reaktor F – 1. Budowa i zastosowanie reaktora była bardzo zbliżona do CP – 1. Reaktor miał na celu uzyskanie plutonu – 239, powstającego pod wpływem silnego strumienia neutronów, który później miał posłużyć do budowy radzieckiej bomby atomowej. Reaktor mógł uzyskać moc od 0,1 do 100 kW. Budowa zajęła około 3 lat.
Źródło: militaryrussia.ru/blog/topic-728.html
Pierwsza cywilna elektrociepłownia atomowa na świecie powstała w miejscowości Obnińnsk (ZSRR) w 1954 roku. Pracował w niej reaktor wrzący (BWR) AM-1 Атом Мирный (tłum. pokojowy atom), którego moc energetyczna wynosiła 36 MW, z czego 5 MW przetwarzane było na energię elektryczną, a reszta dostępna była w formie energii cieplnej. Była to prototypowa konstrukcja reaktora chłodzonego wodą z grafitowym moderatorem (podobnie jak w Czarnobylu). Elektrociepłownia ta została wyłączona dopiero 29 kwietnia 2002 roku. Pracowała przez 48 lat, a jej budowa zajęła 3,5 roku.
Źródło: shoes-web.ru/gorod/pervoy/aes/kartinka_18/
Mechanika działania
Wyżej opisane reaktory to tzw. reaktory pierwszej generacji - początki energetyki jądrowej. W dalszej części artykułu skupimy się już na współczesnych rozwiązaniach i ryzykach, jakie generują. Będziemy odnosić się do reaktorów generacji trzeciej oraz trzeciej plus. Na początek przypomnijmy sobie jednak, na jakiej zasadzie działa elektrownia jądrowa. W zasadzie podobnie jak elektrownia konwencjonalna, z tym że posiada inne źródło ciepła.
W tradycyjnej elektrowni ciepło powstaje w wyniku spalania węgla lub innego paliwa kopalnego. W elektrowni jądrowej ciepło jest efektem reakcji rozszczepienia jąder atomów w reaktorze. Najważniejszym składnikiem reaktora jest paliwo jądrowe. Obecnie najczęściej stosowanym paliwem jest wzbogacony uran 235 formowany w pastylki, które następnie układane są w pręty paliwowe. Pręty paliwowe grupowane są w kasety paliwowe i umieszczane bezpośrednio w rdzeniu reaktora. Energię w reaktorze jądrowym otrzymuje się z rozszczepienia jądra uranu 235 przy użyciu spowolnionych neutronów. Polega to na tym, że „lecący” neutron uderza w jądro uranu i powoduje jego rozszczepienie na 2 części i kilka swobodnych neutronów. W tym momencie wydziela się energia. Swobodne neutrony inicjują kolejne rozszczepienie i kolejne itd. Ten proces nazywamy reakcją łańcuchową samopodtrzymującą się. Oczywiście tym procesem trzeba sterować, żeby zawsze po jednym rozszczepieniu następowało następne. Wydzielanie energii w paliwie jądrowym polega na uwalnianiu ciepła, które trwa aż do momentu wyłączenia reaktora. Reaktor wyłączamy, wprowadzając do niego pręty regulacyjne. Są to pręty pochłaniające neutrony: swobodne neutrony są pochłaniane, a w efekcie nie dochodzi do inicjowania kolejnych reakcji, co powoduje wyłączenie reaktora. Do spowolnienia neutronów stosuje się moderatory np.: grafit, zwykłą wodę, ciężką wodę, beryl. Celem jest, aby szybko poruszające się neutrony, zderzając się z cząsteczkami moderatora, wytracały przy tym część prędkości i energii. Gdyby neutrony nie były spowolniane, nie mielibyśmy kontroli nad reakcja łańcuchową. Najczęściej stosowanymi obecnie konstrukcjami są reaktory lekko wodne, w których moderatorem i chłodziwem jest zwykła woda z dodatkiem boru. Wśród nich najpopularniejszymi typami są reaktory wrzące BWR oraz reaktory ciśnieniowe PWR.
Źródło: www.studypool.com/documents/13088297/what-is-nuclear-energy
Reaktor wodny wrzący BWR
Reaktor wodny wrzący (BWR – Boiled Water Reactor). Woda odbierająca ciepło z rdzenia doprowadzana jest do wrzenia. W reaktorze powstaje para wodna, która trafia na łopatki turbiny, gdzie rozpręża się, oddając energię. Reszta procesu wytwarzania energii elektrycznej jest taka sama, jak w konwencjonalnych elektrowniach. Turbina jest połączona z generatorem itd. Para po wyjściu z turbiny jest schładzana i skraplana, po czym wraca do reaktora. Skraplacz powiązany jest zewnętrznym układem chłodzącym, który oddaje ciepło do otoczenia – chłodni kominowej, wody w rzece, morza itp. Jeżeli chodzi o zalety tego rozwiązania, to budowa reaktorów BWR jest prostsza i tańsza od reaktorów PWR. Mamy tylko jeden obieg, pracujący na ciśnieniu około 70 bar. Do wad tego rozwiązania należy zaliczyć to, że wszystkie urządzenia w obiegu roboczym (turbiny, skraplacza, pomp wody zasilającej itd.) pracują w warunkach radioaktywnych. Zatem wszystkie prace wykonywane przy nich - rewizje turbin, wymiany i naprawy elementów - muszą się odbywać w reżimie radiacyjnym, również ich późniejsze złomowanie. Ważnym aspektem bezpieczeństwa jest fakt, że pręty regulacyjne najczęściej są wprowadzane od dołu reaktora. Nie opadną więc samoczynnie z pomocą grawitacji w wypadku awarii związanej z całkowitym brakiem zasilania. Jest to bardzo ważne dla samoczynnego wyłączenia reaktora w skrajnych sytuacjach awaryjnych.
Źródło: www.studypool.com/documents/13088297/what-is-nuclear-energy
Reaktor wodny ciśnieniowy PWR
W reaktorze wodnym ciśnieniowym (PWR – Pressurized Water Reactor) mamy dwa obiegi wody chłodzącej – pierwotny i wtórny. Woda w układzie pierwotnym reaktora jest pod bardzo dużym ciśnieniem (150 – 160 bar). Duże ciśnienie powoduje, że podczas normalnej pracy woda ta chłodząc pręty paliwowe, odbierając od nich ciepło, nie wrze, pomimo że ma około 320 st. C. Po odebraniu ciepła z rdzenia reaktora woda przepływa do wytwornicy pary, gdzie oddaje ciepło wodzie obiegu wtórnego, powodując jej odparowanie. Woda w obiegu wtórnym jest pod niższym ciśnieniem (70 bar), dzięki czemu w wytwornicy pary zostaje wytworzona para, która kierowana jest na turbozespół (turbina i generator). Para po turbinie jest kierowana do chłodzenia i skraplacza po czym wraca do wytwornicy pary. Skraplacz jest powiązany zewnętrznym układem chłodzącym, który oddaje ciepło do otoczenia. Do zalet tego rozwiązania należy zaliczyć fakt, że obieg wtórny jest odseparowany od obiegu pierwotnego, a co za tym idzie skażona radioaktywnie woda nie ma dostępu do żadnych urządzeń poza obudową bezpieczeństwa reaktora. Dodatkowo pręty regulacyjne wprowadzane są od góry, dzięki czemu mogą zostać wprowadzone do rdzenia reaktora siłą grawitacji – brak zasilania zwalnia elektromagnesy, które je podtrzymują. Wadą tego typu reaktorów jest ich bardziej skomplikowana konstrukcja, a co za tym idzie - wyższa cena.
Jeżeli interesują Was dodatkowe informacje dotyczące tego tematu, zapraszamy do kontaktu z Warta Risk Service:
mgr inż. Bartłomiej Bobrowski, Radca - Risk Engineer, Departament Produktu i Taryfikacji Klientów Korporacyjnych (Bartłomiej.Bobrowski@warta.pl)
