Energia wydobyta z atomu to najwyższa półka technologiczna. Na całym świecie naukowcy i inżynierowie pracują nad poprawieniem pracujących już konstrukcji, znalezieniem sposobów poradzenia sobie z ich słabymi punktami. W jakich kierunkach idą te zadania i konstrukcje?
Polska wybrała tak technologię nuklearną, jak i jej dostawcę. To reaktor jest wodno-ciśnieniowy PWR (Pressurized Water Reactor). W USA na prawie sto pracujących bloków, 2/3 to właśnie takie reaktory. We Francji wszystkie reaktory to PWR, a w Japonii – połowa. W Rosji reaktory wodno-ciśnieniowe (WWER) to 60% całej atomowej energetyki.
Tę technologię preferowano w Polskim Programie Energetyki Jądrowej, i taki właśnie oferuje Westinghouse dla budowy pierwszych trzech bloków. Przyjrzyjmy się najważniejszym kierunkom udoskonalania najpopularniejszego reaktora. Najważniejszym z nich jest…
Odporne paliwo jądrowe
Bezpieczeństwo pracy współczesnych reaktorów to kluczowa sprawa. Awarie w Three Mile Island, Czarnobylu czy Fukushimie, dowiodły, że zagrożenia są wielorakie, a reakcja społeczeństw bardzo negatywna. Systemów bezpieczeństwa we współczesnych reaktorach jest dużo. Od niego bierze się numeracja pokoleń reaktorów, w których obecnie dominuje pokolenie III+.
Działające systemy przewidują wiele zabezpieczeń na wypadek gwałtownych wyłączeń (jak choćby ostatnio na Ukrainie) czy sytuacji awaryjnych (jak tsunami w Japonii). To hermetyczna obudowa bezpieczeństwa reaktora, awaryjne systemy chłodzenia, pasywne systemy odbioru ciepła, pułapka przechwytująca stopioną strefę aktywną reaktora. Teraz trwają intensywne badania nad odpornym na awarię paliwem.
Międzynarodowa nazwa “tolerant fuel”, gdyż toleruje sytuacje awaryjne, tzn. nie zniszczy się i nie wejdzie w reakcję z czynnikiem chłodzącym (w PWR – woda). Uran z wodą nie reaguje nawet w temperaturze 2500oC, podczas gdy cyrkonowa koszulka pastylek paliwa nuklearnego wchodzi w reakcję z wodą już przy 800oC. A taka reakcja wydziela ogromne ilości ciepła i wodoru, co prowadzi do wybuchu. Z tym radzono sobie przy pomocy systemów, wychwytujących wodór i wymienników ciepła. Jednak w 2011 r. te systemy w Fukushimie nie zadziałały i wydzielający się wodór doprowadził do wybuchu.
Od tego czasu prace nad “tolerancyjnym paliwem jądrowym” przyspieszyły. Poszukuje się nowych materiałów, które zastąpiłyby cyrkonowe koszulki. Testowanych jest wiele rozwiązań, jednak efektów — wdrożeń w pracujących reaktorach — jeszcze nie ma.
Zwiększyć wydajność
PWR — ten najpopularniejszy typ reaktora jest wciąż doskonalony, gdyż, jak każda konstrukcja, nie jest doskonały. Wyzwaniem, szczególnie w dzisiejszej energetyce, jest fakt, że zapasy uranu w przyrodzie są ogromne, wystarczają na setki lat, ale nie są nieskończone. Dlatego podstawowym kierunkiem badań jest zwiększenie wydajności tej konstrukcji. Czyli poprawienie efektywności przetwarzania energii uzyskiwanej z reakcji rozbijania atomu na energię elektryczną.
Wszystkie przekształcenia jednej formy energii w inną skutkują stratami, a we współczesnych PWR efektywność energetyczna wynosi około jednej trzeciej. Dwie trzecie energii tracimy w całym procesie. To z powodu “niskiej” temperatury wody, wychodzącej z reaktora. Niskiej… rzecz względna, bo to aż 320 stopni Celsjusza. Efektywność można poprawić w bloku o parametrach nadkrytycznych, gdzie temperatura wynosiłaby przynajmniej 540 °С. To oczywiście zwiększa wymogi wobec instalacji, na przykład ciśnienie wzrasta półtorakrotnie.
Pytanie czy projektanci takiego bloku zrezygnują także z drugiego obiegu, który dzisiaj jest wyróżnikiem PWR. Wtedy woda o tak wysokich temperaturach, szłaby bezpośrednio do turbiny, a wskaźnik efektywności wzrósłby do 40-44%. To znacząco zmniejszyłoby koszty wytwarzania jednostki energii. A przecież PWR to już dzisiaj najbardziej ekonomiczny model reaktora.
Atom bez odpadów
Powodem ataków na energetykę jądrową są odpady z procesu wytwarzania energii w reaktorze. Z tego powodu zamknięty cykl paliwowy to zadanie, na którym skupione są główne wysiłki rozwojowe. Jeśli starania zakończą się sukcesem, odpady nie będą bardziej toksyczne, niż surowce pobierane z głębi ziemi.
Wydobywane z ziemi rudy uranu o niskim stanie koncentracji, są wzbogacane, przetwarzane w paliwo, a gdy przechodzi ono przez reaktor, powstają w efekcie izotopy, z których niektóre są groźne przez tysiące lat. A zapewnić im pełnego bezpieczeństwa nawet dzisiaj nie jesteśmy w stanie, o czym świadczy przykład ostrzeliwanej Zaporoskiej Elektrowni Jądrowej. A co dopiero mówić o tysiącach lat ich aktywności.
Ale przepracowane paliwo można przerobić ponownie, jakby dopalając je. O tym już wcześniej pisałem, jednak od tego czasu (połowa 2020 r.) sprawy poszły do przodu. W Rosji, liderze tego programu już nie tylko pracują reaktory na szybkich neutronach, chłodzone wodą, ale w czerwcu 2021 rozpoczęła się w Siewiersku, na zachodniej Syberii budowa reaktora model BREST, w którym chłodziwem jest ołów. Podjęto też decyzję o budowie reaktora BN-1200, chłodzonego solami sodu. To zbliża naukowców i inżynierów do wymarzonego celu.
Sterowanie procesem
Na koniec jeszcze jeden kierunek badań i udoskonaleń najpopularniejszego typu reaktora. Jest to tzw. “spektralne sterowanie”, czyli zmiany proporcji wody i uranu w strefie aktywnej reaktora. Gdy zastępuje się w początkowej fazie wodę przez np. hel czy CO2, zmniejsza się gęstość wody, i reakcja przyspiesza. Później zmniejsza się szybkość reakcji przez zwiększenie udziału wody. To oznacza mniejsze zużycie uranu (szacuje się na 30%).
A efektywność wykorzystania uranu w reaktorach PWR jest niska. Jednak naukowcy na całym świecie nad tym pracują. I to od ponad pół wieku. Na dodatek daje możliwość stosowania jako paliwa mieszanki uranu z plutonem z przepracowanego paliwa jądrowego. Pierwsze takie reaktory mogą powstać w końcu tej dekady.
Andrzej Szczęśniak, specjalista od energetyki i bezpieczeństwa energetycznego, ekonomista, publicysta polityczny i naukowo-popularny, redaktor naczelny portalu Kierunek Chemia, przedsiębiorca
Kolegium redakcyjne nie obowiązkowo zgadza się z treścią i ideami artykułów zamieszczonych na stronie. Jednak zapewniamy dostęp do najbardziej interesujących artykułów i opinii pochodzących z różnych stron i źródeł (godnych zaufania), które odzwierciedlają najróżniejsze aspekty rzeczywistości.
Ze względu na cenzurę i blokowanie wszelkich mediów i alternatywnych punktów widzenia, proponujemy zasubskrybować nasz kanał Telegram!
