Energia jądrowa: Czy powinniśmy z niej korzystać?

18 minute read

Zaktualizowano Thu Jul 15 2021

Dlaczego energia jądrowa?

Energia jądrowa nie powoduje prawie żadnych emisji CO₂ w porównaniu z paliwami kopalnymi, takimi jak węgiel i gaz.

O ile mniej CO₂ emitowałby sektor energetyczny, gdybyśmy wykorzystywali tylko energię jądrową (zamiast pozyskiwać energię tak, jak robimy to obecnie)?


Emisje ekwiwalentu CO₂: 100% energii jądrowej w porównaniu z obecnym koszykiem energetycznym

Ponadto energia jądrowa może zapewnić niezawodną energię elektryczną, kiedy ta jest potrzebna.

Energia jądrowa spotyka się ze sprzeciwem ze względu na rzadkie, ale bardzo głośne wypadki. Stawiając czoła tak poważnemu wyzwaniu jak zmiany klimatu, warto dokładnie rozważyć nasze opcje. Nie chcemy myśleć nieracjonalnie i przegapić czegoś wspaniałego! Aby to zrobić, musimy najpierw zrozumieć, jak działa energia jądrowa.

Jak pozyskujemy energię z rozszczepiania atomów?

Zapewne znasz równanie Einsteina E = mc². To równanie zasadniczo mówi, że masa i energia to dwie strony tego samego medalu: możemy zamienić masę w energię (i odwrotnie)! To właśnie robi energia jądrowa.

Atomy składają się z protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony znajdują się w centrum atomu (nazywanym „jądrem”). Protony mają ładunek dodatni, elektrony są naładowane ujemnie, a neutrony nie są naładowane w ogóle.

Helem

Jeśli znasz tablicę z układem okresowym pierwiastków, wiesz, że każdy pierwiastek na niej jest określony liczbą posiadanych protonów. Jednakże atomy tego samego pierwiastka o tej samej liczbie protonów mogą mieć różną liczbę neutronów – atomy te nazywane są izotopami tego pierwiastka.

Dzisiaj energia jądrowa opiera się na rozszczepieniu jądrowym: niektóre izotopy pewnych pierwiastków rozszczepiają się, gdy skierujemy na nie neutron.

W reaktorach jądrowych używamy teraz U-235, izotopu uranu o 92 protonach i 143 neutronach. Izotop nosi nazwę uranu-235, ponieważ suma liczby jego protonów i neutronów wynosi 235.

Gdy wystrzelimy neutron w U-235 i dojdzie do rozszczepienia jądra U-235, otrzymamy[roszczepienieU235]:

  • Dwa mniejsze atomy
  • Kilka neutronów (do 5, ale średnio 2,5; jest to do pewnego stopnia losowe w każdym rozszczepieniu)
  • Pewną energię w postaci ciepła. W tym miejscu otrzymujemy energię!
Rozszczepianie uranu

Jaka jest różnica między bombą jądrową a elektrownią jądrową?

Zauważasz coś? Jeden neutron powoduje, że atom U-235 rozszczepia się, uwalniając energię i więcej neutronów. Te nowe neutrony mogą spowodować dalszy podział U-235, i proces ten wciąż się powtarza. Więc jeśli w jednym miejscu znajdzie się wiele atomów U-235, otrzymasz...

Jądrową reakcję łańcuchową

Dlaczego stanowi to problem?


Jeżeli każde rozszczepienie powoduje kolejne dwa rozszczepienia (lub więcej), to cała moc zostanie bardzo szybko uwolniona. To właśnie ma miejsce w bombie atomowej. W reaktorach jądrowych chcemy, aby każde rozszczepienie powodowało przeciętnie dokładnie jedno dodatkowe rozszczepienie, co zapewnia stabilność i ciągłość procesu.

Stabilna jądrowa reakcja łańcuchowa

Jak możemy to osiągnąć? (Uwaga: neutrony z rozszczepienia U-235 powstają szybko, ale U-235 rozszczepia się tylko po uderzeniu powolnym neutronem)


Szybko poruszający się neutron z dużą ilością energii z większym prawdopodobieństwem odbije się od jądra U-235 bez rozszczepienia go niż wolniej poruszający się neutron. Jeśli jednak neutrony są zbyt wolne, reakcje zachodzą wykładniczo. Dlatego musimy uważać, o ile spowalniamy neutrony.

Unikanie wybuchów

Aby doprowadzić do tego spowolnienia, dodajemy materiał zwany moderatorem. Większość obecnych reaktorów jądrowych wykorzystuje wodę jako moderator, ale również rozważane są inne opcje (więcej na ten temat w następnym rozdziale).

W jaki sposób pozyskać z tego energię elektryczną?

Pamiętasz, że za każdym razem, gdy atom U-235 rozszczepia się, uwalniane jest ciepło? Pamiętasz też, że dzisiejsze reaktory jądrowe wykorzystują wodę jako moderator?

Reaktory wodne ciśnieniowe (PWR) zawierają dwa obiegi wody. Pierwszy, zwany obiegiem pierwotnym, absorbuje ciepło z rozszczepienia U-235.

Reaktor wodny ciśnieniowy – krok 1

Ta gorąca woda następnie przepływa przez rurę, która przechodzi przez oddzielny obieg wody.

Reaktor wodny ciśnieniowy – krok 2

Para wytworzona w wyniku wrzenia tego drugiego obiegu wody jest następnie używana do napędu turbiny. Ta ostatnia część procesu jest taka sama jak w elektrowni węglowej.

Reaktor wodny ciśnieniowy – krok 3

Czy energia jądrowa jest bezpieczna?

Jak uważasz, jakie obawy dotyczące bezpieczeństwa są związane z powyższym procesem?


Wszystko to są problemy. Spójrzmy w miarę możliwości na liczby.

Energia jądrowa powoduje więcej czy mniej zgonów niż węgiel (na jednostkę wytworzonej energii elektrycznej)?


Węgiel a bezpieczeństwo jądrowe

Przerażające wypadki miały miejsce w Fukushimie w 2011 r. i w Czarnobylu w 1986 r.. Jednak wbrew powszechnemu przekonaniu, awarie jądrowe są bardzo mało prawdopodobne i w sumie powodują o wiele mniejszą liczbę zgonów niż paliwa kopalne (głównie dlatego, że spalanie paliw kopalnych powoduje śmiertelne zanieczyszczenie powietrza).

Wskaźnik zgonów dla różnych źródeł energii

Należy też wspomnieć, że wiedza specjalistyczna dotycząca budowy reaktorów jądrowych pomaga również krajom zrozumieć, jak lepiej konstruować bomby atomowe.

Drugą wadą rozszczepienia jądrowego są odpady radioaktywne. Odpady występują głównie w dwóch postaciach:

  • Zubożony uran U-238: Naturalny uran to 99,3% U-238 i 0,7% U-235. Jednak pręty uranu w reaktorze muszą mieć 4-5% U-235. Tworząc to paliwo wzbogacone, pozostawiamy dużą ilość U-238. Na szczęście te odpady nie stanowią zagrożenia.
  • Wypalone paliwo i odpady radioaktywne: Po zużyciu pewnej ilości początkowych 4-5% U-235 we wzbogaconym paliwie jądrowym pozostały materiał nie jest już wystarczająco radioaktywny, aby mógł zostać skutecznie wykorzystany. Jednakże nadal jest wystarczająco radioaktywny, aby być niebezpiecznym dla ludzi i przyrody przez tysiące do milionów lat od momentu jego użycia.
Najważniejsze rodzaje odpadów z energii jądrowej

Do tej pory w USA jest 90 000 ton wypalonego paliwa (to odpowiednik boiska do piłki nożnej o głębokości 20 metrów). Chociaż wiemy, jak tymczasowo przechowywać te odpady, nie mamy jeszcze długoterminowego rozwiązania. W następnym rozdziale omówimy potencjalne sposoby rozwiązania tego problemu i uzyskania z odpadów więcej energii!

Energia jądrowa jest kosztowna

Energia jądrowa jest kosztowna

Oprócz społecznej percepcji kwestii bezpieczeństwa energii jądrowej, niezaprzeczalnym problemem jest wysoki koszt budowania nowych elektrowni jądrowych. W rzeczywistości budowa nowych reaktorów w krajach zachodnich nie jest obecnie uznawana za opłacalną.

Podsumowanie

Energia jądrowa ma niemal zerową emisję węgla i jest stabilnym źródłem energii. Budowa nowych elektrowni jądrowych w krajach zachodnich jest zbyt kosztowna, ale kraje takie jak Chiny i Indie działają prężnie w tej kwestii – i jest to dobre dla klimatu!

Dzisiejsza energia jądrowa ma problem z odpadami. Wybuchy są jednak tak rzadkie i powodują porównywalnie niewiele zgonów, że energia jądrowa jest w rzeczywistości jedną z najbezpieczniejszych form dostępnej energii! Budowa nowych elektrowni jądrowych stała się nierentowna w świecie zachodnim, ale wyłączenie reaktorów, które już zbudowaliśmy, tylko usuwa bezpieczną i niemalże bezemisyjną alternatywę dla węgla.

W następnym rozdziale przyjrzymy się nowym koncepcjom w dziedzinie energii jądrowej, które mogłyby pomóc rozwiązać obecne problemy.

Następny rozdział