Jak działa elektrownia jądrowa? - M. V. Ramana and Sajan Saini

Zobacz całą lekcję: http://ed.ted.com/lessons/what-are-the-challenges-of-nuclear-power-m-v-ramana-and-sajan-saini

Możliwość wydobywania energii z jąder uranu doprowadziła do okrzyknięcia energii atomowej niemal idealnym źródłem elektryczności. Jednak zamiast zdominować światowy rynek energii elektrycznej, udział energii jądrowej w produkcji elektryczności spadł z najwyższego poziomu 18% w 1996 r. do 11% dzisiaj. Co się stało z wielką nadzieją pokładaną w tej technologii? M.V. Ramana i Sajan Saini opowiadają o wyzwaniu, jakie stanowi energia jądrowa.

Lekcja: M. V. Ramana i Sajan Saini, animacja: Wooden Plane Productions.

W grudniowe popołudnie
podczas drugiej wojny światowej

naukowcy w Chicago rozbili nukleon
w centrum jądra atomu uranu

i wielokrotnie przemieniali
jego masę atomową w energię.

Zrobili to dzięki reakcji łańcuchowej

zachodzącej w nowym cudzie inżynierii:

reaktorze jądrowym.

Od tamtej pory możliwość
wydobywania energii z jąder uranu

doprowadziła do okrzyknięcia
energii atomowej

niewyczerpanym źródłem elektryczności.

Nowoczesny reaktor jądrowy wytwarza
dosyć energii z jednego kilograma paliwa,

żeby zasilać przeciętny amerykański
dom przez prawie 34 lata.

Jednak zamiast zdominować
światowy rynek energii elektrycznej,

zastosowanie energii jądrowej spadło
z najwyższego poziomu 18% w 1996 roku

do 11% dzisiaj.

Oczekuje się, że w najbliższych dekadach
spadnie jeszcze bardziej.

Co się stało z wielką nadzieją
pokładaną w tej technologii?

Energia atomowa napotyka wiele przeszkód,

w tym wysokie koszty budowlane

i sprzeciw społeczny.

Za tymi problemami kryją się
poważne wyzwania inżynierskie.

Energia jądrowa wymaga
rozszczepienia jąder uranu

i kontrolowanej reakcji łańcuchowej,

która odtwarza to rozszczepienie
w znacznie większej liczbie jąder.

Jądro atomu jest gęsto upakowane
protonami i neutronami

związanymi przez potężne siły jądrowe.

Większość atomów uranu
ma łącznie 238 protonów i neutronów,

ale około jeden na 140
ma trzy neutrony mniej

i ten lżejszy izotop
jest mniej ściśle związany.

Inaczej niż u zasobniejszego kuzyna,

uderzenie neutronu
łatwiej dzieli jądra U-235

na lżejsze, radioaktywne pierwiastki,
zwane produktami rozszczepienia,

oraz dwa do trzech neutronów,

promienie gamma

i kilka neutrin.

Podczas rozszczepienia część masy jądrowej
przekształca się w energię.

Część nowo uwolnionej energii
zasila szybko poruszające się neutrony,

a jeśli niektóre z nich
uderzą w jądra uranu,

rozszczepienie powoduje powstanie
drugiej, większej generacji neutronów.

Jeśli ta druga generacja neutronów
uderzy w więcej jąder uranu,

rozszczepienia sprawią, że powstaje
kolejna, większa generacja i tak dalej.

Wewnątrz reaktora jądrowego

tę spiralną reakcję łańcuchową
kontroluje się za pomocą prętów

wychwytujących nadmiar neutronów
i trzymających ich liczbę w ryzach.

Dzięki kontrolowanej reakcji łańcuchowej

reaktor może stale i stabilnie
pobierać moc latami.

Reakcja pod wpływem neutronów jest silnym
procesem napędzającym energię jądrową,

ale jest pewien haczyk,

który może spowodować ogromne
zapotrzebowanie na produkcję paliwa.

Większość neutronów z rozszczepienia
ma zbyt dużą energię kinetyczną,

żeby jądra uranu mogły je wychwycić.

Rozszczepienie jest zbyt wolne
i reakcja łańcuchowa wygasa.

Pierwszy reaktor jądrowy z Chicago
wykorzystywał grafit jako moderator

do rozpraszania i spowalniania
neutronów na tyle,

by zwiększyć ich wychwytywanie przez uran
i zwiększyć rozszczepialność.

Współczesne reaktory zwykle wykorzystują
oczyszczoną wodę jako moderator,

ale rozproszone neutrony
są wciąż trochę zbyt szybkie.

Aby zrównoważyć i utrzymać
reakcję łańcuchową,

zawartość U-235 rośnie

o 4 do 7 razy więcej niż naturalnie.

Dziś wzbogacanie wykonuje się,
przepuszczając gazowy związek uranu

przez wirówki

w celu oddzielenia lżejszego U-235
od cięższego U-238.

Jednak ten sam proces
można kontynuować i wzbogacić uran

o zawartość izotopu U-235
130 razy wyższą niż naturalna

i stworzyć bombową reakcję wybuchową.

Przetwarzanie wirówkowe i podobne
metody trzeba ściśle kontrolować,

żeby ograniczyć ilość paliwa
do potencjalnej bomby jądrowej.

Pamiętajcie, tylko część
uwolnionej energii z rozszczepienia

przyspiesza neutrony.

Większość przechodzi w energię kinetyczną
produktów rozszczepienia.

Wychwytuje się ją wewnątrz reaktora
jako ciepło za pomocą chłodziwa,

będącego zwykle oczyszczoną wodą.

To ciepło wykorzystuje się do napędzania
parą generatora turbiny elektrycznej

na zewnątrz reaktora.

Woda jest ważna nie tylko
dla wytworzenia elektryczności,

ale też dla ochrony przed najbardziej
przerażającym typem awarii reaktora,

czyli stopieniem się rdzenia.

Jeśli przepływ wody ustanie,

bo pęknie rura lub nastąpi awaria pomp,

uran bardzo szybko się nagrzeje i stopi.

Podczas topienia się rdzenia

radioaktywne opary trafiają do reaktora,

a jeśli on ich nie utrzyma,

ostatnią linią obrony jest
budynek ze stali i betonu.

Jeśli ciśnienie radioaktywnego gazu
będzie zbyt wysokie,

bariera pęknie i gazy uciekną,

rozprzestrzeniając się z wiatrem.

Radioaktywne produkty
rozszczepienia w tych oparach

ostatecznie rozpadną się
na stabilne elementy.

Niektóre rozpadną się w kilka sekund,

innym zajmie to setki lub tysiące lat.

Największym wyzwaniem dla reaktora

jest bezpieczne przechowywanie
tych produktów,

żeby nie zagrażały ludziom lub środowisku.

Odpady nie przestają
mieć znaczenia po zużyciu paliwa.

Sprawiają jeszcze większy
problem ze składowaniem.

Co rok lub dwa lata

część zużytego paliwa
usuwa się z reaktorów

i przechowuje w basenach z wodą,
które chłodzą odpady

i blokują emisję radioaktywną.

Napromieniowane paliwo to mieszanka uranu,

który nie uległ rozszczepieniu,

produkty rozszczepienia

i pluton, radioaktywny materiał
niewystępujący w naturze.

Ta mieszanka musi być
odizolowana od środowiska,

dopóki nie ulegnie całkowitemu rozkładowi.

Wiele krajów proponuje składowanie jej
w tunelach głęboko pod ziemią,

ale żadnego nie wywiercono,

a ich długoterminowe bezpieczeństwo
budzi wątpliwości.

Jak naród, który istnieje
zaledwie od kilkuset lat,

planuje strzec plutonu,
którego radioaktywny okres półtrwania

trwa 24 tysiące lat?

Obecnie wiele elektrowni jądrowych
stoi na własnych odpadach,

przechowując je na czas nieokreślony.

Oprócz radioaktywności

jest jeszcze większe niebezpieczeństwo
związane ze zużytym paliwem.

Pluton może podtrzymywać
reakcję łańcuchową

i można go wydobywać z odpadów,
żeby budować bomby.

Przechowywanie zużytego paliwa jest więc
nie tylko zagrożeniem dla środowiska,

ale też dla bezpieczeństwa światowego.

Kto powinien nad tym czuwać?

Naukowcy-wizjonerzy
z początku ery jądrowej

zapoczątkowali wykorzystanie
ogromnej ilości energii z atomu

jako wybuchowej bomby

i jako kontrolowane źródło energii
o niewiarygodnym potencjale.

Jednak ich następcy
nauczyli się patrzeć z pokorą

na dalekie od utopii
ograniczenia przemysłowe.

Eksploatacja sfery subatomowej
jest skomplikowana, droga i ryzykowna.