Mity i rzeczywistość. Co naprawdę wydarzyło się w elektrowni Fukushima I? [cz. 1.]

Tsunami, jakie przed rokiem spustoszyło wybrzeże Japonii, stało się przyczyną poważnego incydentu, związanego z elektrownią jądrową. Śledząc doniesienia niektórych mediów z tamtego czasu można odnieść wrażenie, że groziła nam globalna, nuklearna katastrofa. Co z informacji, które wówczas otrzymywaliśmy, było prawdą?

Pierwsze prace nad wykorzystaniem energii jądrowej

Jak niemal wszystko, co istotne w rozwoju technologii i nauki, energetyka jądrowa jest produktem ubocznym prac prowadzonych na potrzeby armii. Pionierami w tej dziedzinie byli Niemcy, gdzie od 1932 roku prowadził badania węgierski uczony, Leó Szilárd.

Naukowiec doszedł do wniosku, że zjawisko reakcji łańcuchowej, które wystąpi po bombardowaniu jądra atomowego neutronami, daje świetną okazję do zbudowanie wyjątkowo skutecznej bomby. Świat miał jednak tym razem szczęście – dojście Hitlera do władzy skłoniło naukowca do wyjazdu. Szilárd kontynuował swoje badania w Austrii, Wielkiej Brytanii, a w 1938 roku przeniósł się do Stanów Zjednoczonych.

Kolejne, doniosłe wydarzenie związane z energetyką jądrową było dziełem niemieckich badaczy Ottona Hahna i Fritza Strassmanna, którym w 1938 roku udało się odkryć wywołane przez neutrony rozszczepienie jądra uranu i związaną z tym możliwość uwolnienia wyjątkowo dużej ilości energii. Dalszy rozwój tej dziedziny nauki został jednak zakłócony przez wybuch wojny – środowiska naukowe z różnych państw, dotąd chętnie dzielące się wynikami badań, zaczęły pracować samodzielnie.

Zanim to nastąpiło, jeszcze w kwietniu 1939 roku Niemcy rozpoczęli prace o kryptonimie „Projekt U” (Uranmaschine), których celem było praktyczne wykorzystanie energii jądrowej. Prace – mimo pierwszeństwa Niemców w tej dziedzinie – posuwały się jednak dość wolno i przewagę w badaniach od 1941 roku zdobyły Stany Zjednoczone.

Kolejne wydarzenia następowały szybko: w 1942 roku uruchomiono projekt Manhattan i Enrico Fermi zbudował pierwszy na świecie reaktor jądrowy, trzy lata później zbombardowano japońskie miasta, a opracowaną wielkim nakładem środków technologię naukowcy, współpracując z członkami Komunistycznej Partii USA, przekazali w imię pokoju Związkowi Radzieckiemu.

Doniosłą rolę w przekazaniu technologii do ZSRR odegrało małżeństwo – Ethel i Julius Rosenbergowie. Byli oni odpowiedzialne za stworzenie siatki szpiegowskiej, wykradającej m.in. materiały z Projektu Manhattan. Jak w swojej autobiografii stwierdził jeden z przywódców ZSRR, Nikita Chruszczow, nikt tak bardzo, jak Rosenbergowie, nie przyczynił się do rozwoju radzieckiego programu atomowego.

O potencjale naukowym Projektu Manhattan wymownie świadczy fakt, że w badaniach brało udział 26 ówczesnych i przyszłych noblistów. Warto przy tym zerwać ze stereotypami – opisy, dotyczące tego przedsięwzięcia sprawiają nieraz wrażenie, że było to jakieś pustynne laboratorium, w którym grupa ówczesnych geniuszy pracowała nad narzędziem zniszczenia.

W rzeczywistości Projekt Manhattan był kolejną gałęzią amerykańskiego przemysłu – jego budżet, po uwzględnieniu inflacji, wynosił około 23 mld dolarów, a w pracach związanych z badaniami nad bombą atomową zatrudniono 130 tys. osób. Pod względem skali był to sektor gospodarki porównywalny z ówczesnym, amerykańskim przemysłem motoryzacyjnym.

Od bomby do elektrowni

Po skutecznym zniechęceniu Japończyków do oporu, Stany Zjednoczone oraz Kanada i Wielka Brytania podjęły działania, zmierzające do zakazu produkcji i posiadania broni jądrowej, co oczywiście okazało się zupełnie nieskuteczne, a ograniczone skutki zaczęło przynosić dopiero kilkadziesiąt lat później (o utylizacji największej, amerykańskiej bomby atomowej możecie przeczytać w tym miejscu).

Rozpoczęto jednak na większą skalę badania nad spożytkowaniem energii jądrowej do mniej morderczych celów. Poza wykorzystaniem jej do napędzania okrętów, rozpoczęto również produkcję cywilnych reaktorów energetycznych.

Pierwszy, demonstracyjny reaktor jądrowy EBR-1 przeznaczony dla cywilów, powstał w 1951 roku. Uruchomiony w National Reactor Testing Station w Idaho, zasilił energią pochodzącą z przemian jądrowych 4 żarówki o niewielkiej mocy.

Technologię szybko udoskonalono. W 1952 roku położono stępkę pod okręt podwodny USS Nautilus (SSN-571), który dzięki reaktorowi atomowemu zyskał to, czego zabrakło dekadę wcześniej Niemcom do wygrania bitwy o Atlantyk – nieograniczony zasięg i możliwość wielotygodniowych, podwodnych rejsów.

W 1954 roku pierwszą elektrownię jądrową uruchomił Związek Radziecki, dwa lata później Wielka Brytania, a w 1959 roku Stany Zjednoczone. Producentami energii jądrowej jest obecnie co najmniej 31 państw.

Jak działa elektrownia jądrowa?

Wbrew temu, co można wywnioskować z niektórych medialnych doniesień, elektrownia jądrowa nie jest  miejscem, gdzie  nieustannie wybuchają małe bomby, w tajemniczy sposób nie robiąc większych szkód najbliższemu otoczeniu. Pod względem działania nie różni się od innych elektrowni cieplnych, np. popularnych w Polsce elektrowni węglowych.

Prąd wytwarzany jest za pomocą turbin, napędzanych przez parę wodną. Jedyna różnica polega na źródle ciepła – para powstaje dzięki podgrzewaniu wody nie przez węgiel ale przez reaktor jądrowy. Paliwem, które najczęściej stosuje się w takich elektrowniach jest uran – nieulegający rozszczepieniu U-238 i rozszczepiany po uderzeniu neutronami U-235. Zwiększenie ilości tego drugiego izotopu do niezbędnego w energetyce poziomu 3-5 proc. nazywa się wzbogacaniem uranu.

Uran w postaci pastylek (choć może być dostarczany również w innej formie) centymetrowej wielkości umieszczany jest w metalowych rurach – prętach paliwowych, które trafiają do rdzenia reaktora w postaci kaset, zawierających od kilku do kilkudziesięciu prętów.

Gdy w jądro uranu U-235 uderzy neutron, dochodzi do rozszczepienia. Jego rezultatem jest powstanie niestabilnego jądra uranu U-236, które rozpada się, emitując promieniowanie gamma i neutrony. Poruszające się z bardzo dużą prędkością produkty rozpadu mają znaczną energię kinetyczną. Uderzając w podłoże tracą ją, powodując zarazem wzrost temperatury.

Cała reszta jest jedynie kwestią wykorzystania tej temperatury do podgrzania wody. Woda zmienia się w parę, para napędza turbiny, turbiny napędzają generatory, generatory produkują prąd. Brzmi prosto i niegroźnie, prawda?

Co zatem musiało się wydarzyć, że do tej pory wokół Czarnobyla istnieje niezamieszkana przez ludzi zona (cmentarzysko napromieniowanych pojazdów z Czarnobyla możecie zobaczyć na tej stronie), a awaria w Fukushimie (tu znajdziecie ciekawe zdjęcia z okolic elektrowni) spowodowała nerwowe reakcje całego świata? Czy elektrownia jądrowa może wybuchnąć jak bomba? Z czego wynika ryzyko energetyki jądrowej? Odpowiedź na te pytania znajdziecie w poniedziałek w drugiej części artykułu.

Źródło: Narodowe Centrum Badań Jądrowych • Zakład Geografii Fizycznej, Uniwersytet Wrocławski • Energetyka Jądrowa • Post Carbon • Nuclear • Archiwum Instytutu Energii Atomowej