Uran zamiast węgla. Jak powstaje prąd w elektrowni jądrowej?

Elektrownia jądrowa Lubiatowo-Kopalino ma rozpocząć pracę w drugiej połowie lat 30. i będzie działać przez 40 lat. Plan przewiduje, że kosztem ok. 42 mld euro (178 mld zł) powstanie obiekt o mocy do 3750 MW, zapewnianej przez trzy reaktory jądrowe o mocy 1250 MW każdy.

Pierwsza elektrownia jądrowa ma pokryć około 15 proc. polskich potrzeb w zakresie produkcji energii, a po zbudowaniu kolejnych obiektów, w roku 2043 energetyka jądrowa ma zaspokajać ponad 38 proc. zapotrzebowania.

Pomimo swoich zalet energetyka jądrowa budzi wiele kontrowersji, związanych z obawami o bezpieczeństwo. Lęki te podsyca pamięć o awarii elektrowni w Czarnobylu czy skażenie, do jakiego doszło po tsunami w Fukushimie. Obawa przed niewidocznym, a zarazem śmiertelnie groźnym promieniowaniem jest tak duża, że informacje o planach budowy elektrowni jądrowych wywołują społeczne protesty.

Było tak w przypadku budowy (nieukończonej) elektrowni w Żarnowcu czy wytypowaniu – jako potencjalnego miejsca budowy elektrowni jądrowej – miejscowości Gąski czy Choczewo.

Ostatecznie wybór padł właśnie na gminę Choczewo, gdzie w pobliżu wsi Lubiatowo i Kopalino, we współpracy z amerykańskim koncernem Westingouse, powstanie pierwsza polska elektrownia jądrowa. Według zapowiedzi premiera prace mają ruszyć jeszcze w grudniu 2025 r. W jaki sposób nowa elektrownia będzie produkować prąd?

Pod względem zasady działania elektrownia jądrowa nie różni się od węglowej czy gazowej. Energia powstaje w niej za sprawą turbin napędzanych parą wodną – to rozwiązanie znane i powszechnie stosowane od XIX wieku. Różnica polega w tym przypadku na sposobie podgrzania wody.

Zamiast spalać węgiel czy gaz, elektrownia jądrowa ogrzewa wodę korzystając z energii pochodzącej z rozszczepienia jąder atomów. Powstaje ona, gdy "bombardowane" neutronem ciężkie jądro – np. uranu U-235 – rozpada się. Efektem rozpadu są lżejsze jądra, jak krypton (Kr-92) i bar (Ba-141), a ponieważ suma mas produktów rozszczepienia jest mniejsza od masy jądra ulegającego rozszczepieniu, rozpadowi towarzyszy uwolnienie energii i kilku neutronów. Można je wykorzystać do inicjowania kolejnych rozszczepień – czyli reakcji łańcuchowej.

Jeśli będzie ona przebiegać w sposób niekontrolowany – uruchomimy bombę atomową. Jeśli jednak rozszczepianie jąder atomowych poddamy kontroli – uzyskamy reaktor jądrowy, służący celom naukowym czy medycznym (pozyskiwanie pierwiastków będących produktem rozpadu) albo pozwalający na produkcję energii.

W przypadku elektrowni będą to trzy reaktory Westinghouse AP1000 - dwupętlowe reaktory wodne ciśnieniowe (PWR). To rozwiązanie, którego projektanci bardzo restrykcyjnie potraktowali kwestię bezpieczeństwa.

Jego kluczową cechą jest zastosowanie dwóch niezależnych, oddzielonych od siebie obiegów wody. W pierwszym znajduje się woda pod wysokim ciśnieniem, która pełni rolę moderatora spowalniającego neutrony, a jednocześnie jest chłodziwem.

Odebrane z reaktora ciepło trafia poprzez wytwornicę pary do drugiego obiegu wody, działającego pod niższym ciśnieniem. Służy on do napędzania turbiny odpowiedzialnej za generowanie prądu.

Rozwiązanie takie minimalizuje ryzyko, że awaria któregoś z układów spowoduje radioaktywny wyciek i skażenie. Jednocześnie kluczowe układy bezpieczeństwa zaprojektowano tak, aby działały całkowicie pasywnie.

Ich działanie nie zależy od pracy pomp czy wentylatorów, ale od prostych zasad fizyki, bazujących na grawitacji, cyrkulacji podgrzanej wody czy wpływowi temperatury na jej gęstość i skuteczność spowalniania neutronów. W praktyce oznacza to, że awaria – jeśli już wystąpi - spowoduje spadek mocy reaktora.

Podkreślanie przez producenta wysokiego poziomu bezpieczeństwa jest efektem amerykańskich doświadczeń z energetyką jądrową. Jej rozwój został wstrzymany na ponad 30 lat przez incydent w elektrowni Three Mile Island, zbudowanej na sztucznej wyspie zlokalizowanej pośrodku rzeki Susquehanna.

Przebieg awarii z 1979 r. był tam spotęgowany błędem człowieka – jednoczesną konserwacją wszystkich pomp awaryjnych, które nie mogły rozpocząć pracy zgodnie z założeniami projektantów. W rezultacie radioaktywne opary trafiły do atmosfery, jednak obsługa elektrowni zdołała utrzymać kontrolę nad pracą reaktora, a żaden człowiek nie otrzymał zagrażającej zdrowiu dawki promieniowania.