Walerijowi Legasowowi i Masao Yoshidzie

dedykuję

Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski

Fotografia na okładce: Oleh Markov, tunasalmon/Shutterstock

Zdjęcia do rozdziału Kadry: © Tomasz Ilnicki

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Paweł Wielopolski

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN: Michał Latusek

Książka wydana pod honorowym patronatem Ministra Klimatu i Środowiska

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2021

ISBN 978-83-01-21785-3

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2021r. (Wydanie I)

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Bezpłatny fragment

PROLOG

Akt I. Czarnobyl

Rozdział I. Rys historyczny

Rozdział II. Budowa i zasada działania reaktora RBMK 

Rozdział III. Przebieg eksperymentu

Rozdział IV. Przebieg akcji likwidacji skutków katastrofy

Rozdział V. Proces (nie)winnych

Rozdział VI. Reakcja Zachodu i ZSRR

Rozdział VII. Tragedia Legasowa

Rozdział VIII. Skutki zdrowotne i społeczne

Rozdział IX. Strefa dzisiaj

Rozdział X. U samosiołów

Rozdział XI. Wspomnienia

Akt II. Fukushima

Rozdział I. Zasada działania reaktora BWR

Rozdział II. Rys historyczny i opis przebiegu katastrofy

Rozdział III. Nuklearna wioska

Rozdział IV. Skutki zdrowotne i społeczne

Rozdział V. Efekty akcji likwidacji skutków katastrofy

Rozdział VI. Wyprawa do Japonii

Rozdział VII. Wspomnienia

Epilog. XXI wiek: ku energetyce bezemisyjnej

Od autora

Podziękowania

Wybrana bibliografia i propozycje dalszych lektur

Kadry

Czarnobyl

Fukushima

Przypisy

PROLOG

Człowiek w każdym momencie swojego życia otoczony jest pierwiastkami, których niestabilne atomy muszą się pozbyć nadmiaru energii. Nazywamy je izotopami promieniotwórczymi lub radionuklidami. Ta dodatkowa energia to właśnie promieniowanie jonizujące. Zmienia ono strukturę atomów, z którymi się zetknie (np. wewnątrz ludzkich komórek). Prowadzi to m.in. do uszkodzeń komórek, jeśli promieniowanie jest odpowiednio silne (różnie dla każdego organizmu).

Pierwiastki występują w odmiennych postaciach, tzw. izotopach. Niektóre izotopy są stabilne, a inne promieniotwórcze, co oznacza, że te drugie emitują nadmiar energii przez określony czas. Mogą to być sekundy lub minuty, po których izotop danego pierwiastka staje się stabilny, przestaje promieniować i stanowić tym samym jakiekolwiek zagrożenie. Oddawanie nadmiaru energii może jednak trwać dziesiątki, a nawet setki tysięcy lat!

Innymi słowy, promieniowanie to cząstki i fale, które oddziałują na atomy każdego dnia. I tak wyróżnia się trzy rodzaje promieniowania: alfa, beta i gamma.

Alfa to cząstki (jądra helu), które w powietrzu „skaczą” na odległość zaledwie kilku centymetrów od emitującego je izotopu radioaktywnego. Dewastują wszystkie komórki, z którymi mają kontakt. Gdybyśmy je połknęli (przez spożycie skażonej wody lub skażonego pożywienia), to negatywne tego skutki odczulibyśmy bardzo szybko. Na całe szczęście cząstki alfa zatrzymuje już kartka papieru albo po prostu nasza skóra, która stanowi nieprzekraczalną barierę ochronną. Promieniowanie alfa nie uczyni nam krzywdy, jeśli będziemy stali blisko emitującego go radionuklidu. Żeby pozbyć się takiej cząstki, która osiadła na naszym ubraniu lub skórze wystarczy wyprać odzież lub wziąć prysznic.

Beta to również cząstki (tym razem elektrony), jednak mniej szkodliwe dla organizmu niż alfa. Źródło promieniowania wyrzuca cząstki beta w powietrze na odległość 2,2 metra, a więc znacznie dalej niż radionuklidy emitujące promieniowanie alfa. Przy zachowaniu odpowiedniej odległości człowiek może czuć się bezpiecznie, jednak w „polu rażenia” musi się liczyć z tym, że cząstki beta wtargną do jego organizmu przez skórę, ponieważ są bardziej przenikliwe od cząstek alfa. Zatrzymać je można np. arkuszem blachy aluminiowej o grubości zaledwie jednego milimetra.

Promieniowania gamma nie tworzą cząstki, lecz fale. Fala nie ostrzeliwuje „pociskami” (cząstkami), tak jak alfa i beta. Oddziałuje bez przerwy, nie dając chwili wytchnienia komórkom znajdującym się w jej zasięgu. Promieniowanie to można porównać do snopu światła, który – mocno upraszczając – jest ciągły, bez pojedynczych „strzałów”. Warto jednak wiedzieć że owa „ciągłość” to nic innego, jak tryliardy cząstek wyrzucanych z wielką siłą dające złudzenie nieprzerwanego strumienia.

Z powodu braku ładunku promieniowanie gamma jest bardzo przenikliwe. Można tę falę zatrzymać tylko kilkudziesięciocentymetrową warstwą ołowiu lub jeszcze grubszą warstwą betonu. Na szczęście promieniowanie gamma jest znacznie słabsze niż np. mordercze alfa, jednak stałe wystawienie na nie i ogromna trudność jego zatrzymania mogą nadrobić śmiercionośne braki względem promieniowania alfa.

Promieniowanie neutronowe to prawdziwa apokalipsa dla wszystkiego, co żyje w pobliżu pracującego reaktora jądrowego lub eksplozji bomby jądrowej. Nie tylko wywołuje reakcje jądrowe, ale i może aktywować materiał, z którym się zetknie. Oznacza to, że posiada zdolność tworzenia izotopów w ciele organizmów żywych!

Pierwiastki promieniotwórcze mogą dostać się do organizmu człowieka, ogólnie rzecz biorąc, na trzy sposoby:

1) przez układ oddechowy, gdy są obecne w powietrzu,

2) przez spożycie skażonej wody,

3) przez spożycie skażonych produktów spożywczych[1].

Jeśli coś jest napromieniowane, to nie oznacza wcale, że jest promieniotwórcze – to dwa różne zagadnienia. Wyobraźmy sobie, że izotop promieniotwórczy jest nożownikiem, który atakuje przechodnia. Ofiara odnosi ranę, przez co została napromieniowana, jednak nie stanowi żadnego zagrożenia dla otoczenia, ale sama potrzebuje pomocy medycznej. Tak napromieniowanej osoby nie trzeba się obawiać, gdyż nie wbije nam ona noża w ciało. To może zrobić tylko nożownik (izotop promieniotwórczy), który stoi daleko lub uciekł.

Tak więc osoba napromieniowana mogłaby stanowić niebezpieczeństwo tylko wtedy, gdyby została skażona, czyli połknęłaby źródło promieniowania lub miała je na sobie (trzymała w ręku nóż i wymachiwała nim dookoła). W dodatku musiałaby emitować konkretny typ promieniowania. Pamiętamy przecież, że śmiercionośne promieniowanie alfa nie przebije się przez skórę, więc nawet ktoś skażony alfą od wewnątrz nie stanowi niebezpieczeństwa dla innych.

W Polsce najczęściej można zmierzyć dawkę tła promieniowania w granicach 0,1 mikrosiwerta na godzinę (0,1 μSv/h). Jak można zauważyć, poziom promieniowania mierzy się tak jak prędkość, czyli moc dawki przyjętej w czasie. Żeby mieć pojęcie, jaki to rząd wielkości i czy np. kilkukrotne przekroczenie tej normy jest bezpieczne, spójrzmy na poniższą tabelę:

Tabela 1. Opis dawek promieniowania

Moc dawki

Charakterystyka dawki

1 siwert na godzinę (1 Sv/h)

Taka wartość na wyświetlaczu przyrządu dozymetrycznego oznacza, że po godzinie przebywania w miejscu o mocy dawki promieniowania 1 Sv/h otrzymamy dawkę skuteczną (rzeczywiście przyjętą przez organizm) w wysokości 1 Sv.

Naukowcy już dawno udowodnili, że dawka 3–4 Sv przyjęta przez organizm wywołuje śmierć połowy populacji. Tym samym 1 Sv jest jednostką ekstremalnie dużą. Przyjęcie dawki 3–4 Sv jest efektem przebywania w polu rażenia promieniowania o mocy 1 Sv przez 3–4 godziny lub 3–4 Sv przez godzinę

1 milisiwert na godzinę (1 mSv/h)

Przy takiej mocy dawki po godzinie przebywania w jej zasięgu nasze ciało otrzyma dawkę skuteczną w wysokości 1 mSv, czyli 0,001 Sv. Tak więc będzie to dawka tysiąc razy mniejsza od 1 Sv

1 mikrosiwert na godzinę (1 μSv/h)

Przy takiej mocy dawki po godzinie przebywania w jej zasięgu nasze ciało otrzyma dawkę skuteczną w wysokości 1 uSv, czyli 0,000001 Sv. Tak więc będzie to dawka milion (!) razy mniejsza od 1 Sv

Źródło: opracowanie własne.

Obserwowana w Polsce moc dawki, jak wspomnieliśmy, to tylko 0,1 μSv/h. Czy zatem należy się bać mocy dawek kilkukrotnie wyższych od normy? Pomnóżmy tę wartość przez dziesięć. Jeśli przyjmiemy taką moc dawki, to wciąż będzie to zaledwie 10–6 Sv/h. Na przykład kilkudziesięciokrotność dawki „polskiej” przyjmujemy podczas podróży samolotem.

Zuzanna Podgórska – doktorantka w Zakładzie Fizyki Jądrowej Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. Kieruje polskim oddziałem Radonova Laboratories, największego laboratorium wykonującym badania radonu na świecie. Jest popularyzatorką nauki, działa m.in. w stowarzyszeniu Rzecznicy Nauki i Fundacji Forum Atomowe.

Promieniowanie jest jednym z tych czynników, które od wieków towarzyszą ludziom i są nierozerwalną częścią otaczającego nas świata. Często nie zdajemy sobie sprawy z jego obecności, kojarząc promieniowanie jonizujące wyłącznie z tym sztucznie wytwarzanym w lampach rentgenowskich czy reaktorach jądrowych. Intuicyjnie przyjmujemy, że jeśli w najbliższej okolicy nie ma elektrowni atomowej i szczęśliwie udało nam się uniknąć diagnostyki rentgenowskiej, to nasze ciało nie pochłonęło żadnej, choćby najmniejszej dawki promieniowania. Ale czy na pewno?

Poza źródłami sztucznymi, czyli wytworzonymi przez człowieka, codziennie oddziałuje na nas promieniowanie naturalne. Są to fale i cząstki obdarzone pewną relatywnie wysoką energią docierającą do nas z kosmosu (promieniowanie kosmiczne), z izotopów znajdujących się glebie (takich jak rad, uran) lub w powietrzu (jak naturalnie występujący promieniotwórczy gaz radon). Co więcej, każdy z nas jest chodzącym naturalnym źródłem promieniowania o aktywności około 8000 Bq! Odpowiada za to skład naszego ciała, a konkretnie minimalne ilości radioaktywnych substancji wbudowanych w strukturę naszego organizmu, jak choćby promieniotwórczy izotop potasu K-40.

Warto zauważyć, że ta promieniotwórcza „odmiana” potasu stanowi niespełna promil wszystkich atomów potasu obecnych w naszym ciele, np. w kościach. Dlatego nie musimy martwić się o dawki emitowane przez nasze ciało, bo są one znikome w porównaniu z tymi pochodzącymi z innych otaczających nas źródeł. Podobnie minimalne, choć wykrywalne w pomiarach, ilości substancji promieniotwórczych w żywności czy wodzie pitnej, jak Cs-137 kumulujący się w grzybach leśnych czy potas w bananach lub suszonych orzechach, nie powinny być powodem do niepokoju.

Człowiek nie jest wyposażony ewolucyjnie w żaden zmysł, który pozwoliłby mu na wykrywanie promieniowania. Dlatego też jest całkiem zrozumiałe, że coś, co może stanowić ryzyko dla zdrowia, a dodatkowo jest niewidzialne, intuicyjnie może budzić nasz niepokój. Czy jednak rzeczywiście powinniśmy się bać? Może jest jakiś sposób, aby ten strach w racjonalny sposób ujarzmić? Warto przypomnieć słowa naszej wielkiej noblistki Marii Skłodowskiej-Curie, prowadzącej w ubiegłym stuleciu pionierskie badania nad zjawiskiem radioaktywności: „Niczego w życiu nie należy się bać, trzeba to tylko zrozumieć”. Zgodnie z tą myślą spróbujmy na chwilę zatrzymać się przy podstawowych zagadnieniach związanych z promieniowaniem jonizującym.

Promieniowanie to zjawisko powszechnie występujące w otaczającym nas świecie. W każdej sekundzie jesteśmy niejako zanurzeni i przenikani przez różnego rodzaju fale. Docierają do nas cząstki o różnej energii i zasięgu oddziaływania. Mogą mieć rozmaity charakter i też od ich parametrów w znacznej mierze zależy, w jaki sposób mogą wpływać na materię, przez którą przechodzą. W szczególnym przypadku tą materią może być przecież nasze ciało i wrażliwe tkanki, komórki czy zawarty w ich wnętrzu materiał genetyczny.

Oczywiście warto mieć świadomość, że bez przerwy komórki naszego ciała są „bombardowane” przez zewnętrzne czynniki, same też bez wpływu z zewnątrz obumierają lub ulegają uszkodzeniom, potem mogą zostać naprawione. O ile taka naprawa przebiegnie zgodnie z planem, czyli nasze mechanizmy samonaprawcze organizmu zadziałają prawidłowo, to nie ma powodu do niepokoju. Jeśli jednak podczas naprawy uszkodzeń dojdzie do błędu, wtedy mogą pojawić się mutacje. W pewnym sensie takie zmiany są pożądane i niezbędne dla przebiegu ewolucji, jednak w obrębie jednego organizmu mogą prowadzić do groźnych mutacji i chorób nowotworowych i przyczynić się do upośledzenia funkcji lub w konsekwencji doprowadzić do śmierci całego organizmu. Choć i tę pozornie szkodliwą właściwość promieniowania jonizującego człowiek zdołał wykorzystać do swoich celów w radioterapii czy do coraz częściej stosowanej sterylizacji radiacyjnej i niszczenia drobnoustrojów.

Warto szerzej spojrzeć zarówno na zagrożenia związane z radioaktywnością, jak i na coraz szersze spektrum jego zastosowań. Oczywiście niezależnie od intencji, należy mieć na uwadze główną zasadę ochrony radiologicznej znanej jako ALARA, zgodnie z którą wcale nie chodzi o to, aby zrezygnować całkowicie z użycia promieniowania, ale aby dawka była As Low As Reasonably Achievable, czyli tak niska, jak to możliwe, z uwzględnieniem skutków nie tylko zdrowotnych.

Należy przeprowadzić rzetelnie bilans zysków i strat. Jeśli na przykład badanie diagnostyczne z wykorzystaniem promieniowania jonizującego może doprowadzić do prawidłowej i szybkiej diagnozy poważnej choroby i pozwolić na wyleczenie pacjenta, racjonalne jest pogodzenie się z faktem, że całe jego ciało pochłonie pewną dawkę promieniowania podczas tego badania. Oczywiście należy wtedy dołożyć wszelkich starań, by chronić wrażliwe tkanki i narządy, np. stosując dodatkowe osłony.

Dawka promieniowania pochodząca od medycznych badań diagnostycznych stanowi sporą część dawki, jaką otrzymuje statystyczny Polak każdego roku. Mówiąc tu o dawce, mam na myśli dawkę skuteczną, czyli całkowitą ilość promieniowania pochodzącą ze wszystkich możliwych źródeł, oddziałującą na każdą część ciała, uwzględniającą różne typy promieniowania i drogi narażenia. Ta dawka całkowita w Polsce wynosi około 3,74 mSv, ale co ciekawe, zaledwie 1,3 mSv pochodzi ze źródeł sztucznych, a aż 2,43 mSv ze źródeł naturalnych. Pośród tych naturalnych aż 1,2 mSv to dawka od promieniotwórczego gazu radonu, obecnego w powietrzu, którym oddychamy i produktów jego rozpadu. I mimo że promieniowanie związane z ekspozycją na radon jest uznawane przez WHO za drugi po paleniu czynnik powodujący nowotwory układu oddechowego u ludzi, to nadal mówi się o nim niewiele. Dla porównania, za dawkę otrzymaną w wyniku awarii czy incydentów z udziałem promieniowania odpowiada niecały promil rocznej dawki skutecznej.

Oczywiście nie oznacza to, że powinniśmy bagatelizować zagrożenie, jakie może wiązać się z ekspozycją na duże dawki promieniowania jonizującego. Ale co tak naprawdę oznacza „duża dawka”? Przede wszystkim należy rozpatrywać to na kilku płaszczyznach, zwracając uwagę na niejednakowy charakter różnych źródeł promieniowania i mechanizmów oddziaływania.

Po pierwsze, co wydaje się intuicyjne, skutki napromieniowania zależą od jego ilości. Istnieje wiele wielkości dozymetrycznych opisujących ilościowo promieniowanie, ale jeśli odniesiemy się do dawki pochłoniętej przez organizm, możemy oszacować pewne wartości, tzw. letalne, czyli śmiertelne, oraz takie, w wyniku których w organizmie ludzkim zachodzą nieodwracalne zmiany widoczne w postaci choroby popromiennej.

Jednak i to też nie jest kryterium bezwzględne. Przytoczę tu przykład incydentu w akceleratorze cząstek w 1978 roku, w wyniku którego pewien rosyjski naukowiec Anatolij Pietrowicz Bugorski otrzymał dawkę około czterysta razy większą niż wartość podawana w literaturze jako śmiertelna, kiedy przez jego głowę przeszła wiązka protonów. Mimo że była to ekstremalna ekspozycja na promieniowanie, uczony mimo obrażeń w obrębie twarzy i utraty słuchu przeżył. Co więcej, pracował naukowo przez wiele kolejnych lat.

Sugeruje nam to, że nie tylko wielkość dawki jest istotna. Musi być coś jeszcze… Rzeczywiście, ważny jest m.in. czas i obszar oddziaływania, ale przede wszystkim rodzaj promieniowania. I tak energia promieniowania jonizującego jest na tyle wysoka, by mogła zmienić strukturę atomu. Ściślej, oderwać elektron od atomu i spowodować jonizację, czyli powstanie naładowanej cząstki o zmienionych względem pierwotnej właściwościach.

Poza samą różnicą w energii mamy też do czynienia z promieniowaniem o naturze falowej, jak i cząsteczkowej. Jedne z cząstek są obojętne, inne naładowane. Jedne przenikają przez materię, która staje na ich drodze, inne są zatrzymywane, pochłaniane, a jeszcze inne oddziałują w taki sposób, że mogą zmieniać jej właściwości, powodując aktywację atomów ośrodka, jak np. neutrony. Wśród tych ostatnich też możemy wyróżnić więcej „podtypów”. Nie jest więc możliwe podanie jednej jasnej i wyczerpującej definicji promieniowania i przypisanie mu prostych zależności, na podstawie których można byłoby przewidzieć i ocenić potencjalne zagrożenie dla człowieka.

Na przykład cząstkę alfa cechuje stosunkowo niewielka przenikliwość i niewielki zasięg, który w powietrzu w zależności od energii wynosi zaledwie kilka centymetrów i którą bez problemu zatrzymuje kartka papieru. Skuteczną barierą może być też nasza skóra. Czy jednak oznacza to, że promieniowanie alfa jest całkowicie bezpieczne dla człowieka? Cząstki alfa mają dużą zdolność jonizacji. Jeśli dostaną się do wnętrza organizmu (drogą pokarmową, oddechową lub przez uszkodzenie skóry), dojdzie do wewnętrznego skażenia emiterem alfa, czyli substancją wytwarzająca promieniowanie tego typu, cząstki zaczną oddziaływać na organizm w bezpośrednim sąsiedztwie wrażliwych tkanek, narządów i komórek. W tym kontekście ten „niewielki” kilkucentymetrowy zasięg oddziaływania jest wystarczający, aby cząstki alfa dotarły do komórek naszego organizmu i mogły spowodować groźne uszkodzenia.

Mówiąc o wartościach liczbowych opisujących ilościowo promieniowania, warto zwrócić uwagę na normy ujęte w obowiązującej w Polsce ustawie Prawo atomowe i rozporządzeniu o tzw. dawkach granicznych. Jako dawkę graniczną dla osób z populacji (i kobiet w ciąży pracujących w „branży okołoatomowej”, bo płód jest zaliczany zgodnie z przepisami do grupy „osób z populacji”) przyjęto wartość 1 mSv na rok ponad to, co ujęte jest w tej statystycznej dawce rocznej. Jest to zgodne z definicją dawki skutecznej lub równoważnej pochodzącej od kontrolowanej działalności zawodowej, której nie wolno przekroczyć. Dawka jest określana jako suma narażeń wewnętrznych i zewnętrznych.

Może to budzić pewien niepokój czy powodować dezorientację, jeżeli porównamy tę wartość 1 mSv z wartością rocznej dawki całkowitej powyżej 3 mSv. Muszę tutaj dodać i uspokoić, że w normalnych warunkach i przy obecnym stanie systemu ochrony radiologicznej nie ma ryzyka przekroczenia przez przeciętnego mieszkańca Polski wartości 1 mSv, podobnie jak u pracowników pracujących w warunkach narażenia na promieniowanie, sporadycznie odnotowuje się przekroczenie progu 6 mSv/rok.

Skąd jednak możemy wiedzieć, czy wystąpiło przekroczenie dawki uznawanej za względnie bezpieczną? Przede wszystkim możemy polegać na pomiarach dozymetrycznych. W Polsce prowadzony jest stale monitoring mocy dawki promieniowania i skażeń promieniotwórczych w powietrzu. Aktualne dane dostępne są na stronie Państwowej Agencji Atomistyki. Jest to wiarygodne źródło aktualnych danych o sytuacji radiologicznej w kraju.

Jeśli jednak doszłoby do incydentu, który mógłby mieć wpływ na obywateli, istnieją także pewne specjalistyczne metody retrospektywnej oceny dawki, czyli możliwość oceny skali narażenia już po napromieniowaniu, ale jeszcze przed wystąpieniem ewentualnych objawów napromieniowania. Takie badania prowadzi się, opierając się na zmianach rejestrowanych m.in. w chromosomach komórek napromieniowanych organizmów, analizowanych pod mikroskopem w próbkach krwi obwodowej. Ilości i procedura pobierania krwi do takich badań nie różni się od typowego pobrania krwi do analizy. Wierzę jednak, że w dzisiejszych czasach ta metoda i podobne techniki, w których człowiek pełni rolę swoistego dozymetru, pozostaną jedynie narzędziami badawczymi i nigdy nie będą musiały zostać wykorzystane w diagnostyce na większa skalę[2].

Słowo o energetyce jądrowej

Każdy pierwiastek, w tym uran, ma kilka „odmian”, czyli izotopów, oznaczonych konkretną liczbą. Wyobraźmy sobie, że trzymamy w ręku świeżo wyciągniętą z kopalni bryłę uranu, zwanego naturalnym. Bryła ta zawiera w sobie dwie odmiany uranu: 0,7% to uran-235 (U²³⁵), natomiast 99,3% to uran-238 (U²³⁸)[3]. Czym od siebie się różnią? Otóż U²³⁵ ma ciekawą właściwość – jego atomy da się rozszczepić, w wyniku czego powstają atomy innych pierwiastków wraz z uwolnionymi neutronami. Rozszczepieniu takiemu towarzyszy również promieniowanie gamma (jonizujące).

Z kolei U238 jest uranem w zasadzie nierozszczepialnym (dla niskich energii neutronów[4]), choć wciąż użytecznym, gdyż jest materiałem paliworodnym, tj. po pochłonięciu neutronu (U²³⁹) oraz późniejszych dwóch rozpadach beta minus staje się rozszczepialnym izotopem plutonu-239 (U²³⁹ → Np²³⁹ → Pu²³⁹).

To właśnie z uranu naturalnego tworzymy niewielkie pastylki, którym nadano nazwę paliwa jądrowego. Pastylki te umieszcza się w tzw. prętach paliwowych, czyli długich na trzy–cztery metry rurach, które tworzą rdzeń reaktora.

Reakcję rozszczepienia inicjuje neutron, który rozbija atom uranu. Neutron to pocisk – uran to cel, który ulega rozszczepieniu na inne pierwiastki. W wyniku tej „strzelaniny” wydziela się ciepło, a uwalniane kolejne neutrony rozbijają kolejne atomy uranu. Tworzy się więc reakcja łańcuchowa. To właśnie jej podtrzymanie na stałym poziomie jest procesem zachodzącym przez kilkadziesiąt lat działalności elektrowni jądrowej. Wytworzone w ten sposób ciepło potrzebne jest do produkowania energii elektrycznej.

W elektrowniach węglowych ciepło uzyskujemy ze spalania węgla w kotle, w reaktorach z kolei poprzez reakcje rozszczepienia. Tak naprawdę elektrownie jądrowe od węglowych odróżnia głównie właśnie źródło ciepła, reszta wygląda podobnie. Reaktor jest zatem czymś w rodzaju nowoczesnego kotła. Zasadnicza różnica w kontekście użytkowym jest taka, że z rozszczepienia jednego atomu uranu otrzymujemy około pięćdziesiąt milionów razy więcej ciepła (energii) niż ze spalenia jednego atomu węgla[5]! Mało tego, kilogram uranu kosztuje mniej więcej tyle, ile tona węgla.

Jako że uran naturalny zawiera w sobie 0,7% uranu rozszczepialnego, jest zdolny do reakcji rozszczepienia (produkowania ciepła). W toku prac nad reaktorami z wodą lekką, jako moderatorem, postanowiono oddzielić z uranu naturalnego uran rozszczepialny (U²³⁵). Uzyskany w ten sposób U235 dodaje się do uranu naturalnego. Innymi słowy, stosunek uranu nierozszczepialnego i rozszczepialnego ulega zmianie, dzięki czemu uran rozszczepialny występuje np. w ilości 2%, a nie 0,7% względem U²³⁸. Nazywamy to wzbogaceniem. Tym samym pastylki uranowe stają się nieporównywalnie lepsze i wydajniejsze.

Ile zatem procent (wobec początkowych 0,7%) U235 musi w sobie zawierać paliwo jądrowe? Zazwyczaj od 2% do 5%, choć można spotkać reaktory o wzbogaceniu nawet do 20%. Reszta to U²³⁸. Proces wzbogacenia paliwa w uran rozszczepialny odbywa się poprzez oddzielenie U238 od uranu rozszczepialnego w tzw. wirówkach. Oba izotopy uranu (czyli oba izotopy – 235 i 238) poprzez proces wirowania zostają odseparowane od siebie. Jest to możliwe dzięki temu, że U²³⁸ jest cięższy od U²³⁵ (zaledwie o 1%), więc zostaje wyrzucony dzięki sile odśrodkowej na ścianki kręcącej się w zawrotnym tempie wirówki. Uran rozszczepialny (lżejszy) pozostaje w pewnym oddaleniu od jej ścianek, czyli bardziej na środku urządzenia.

Wzbogacenie paliwa jądrowego w uran rozszczepialny (umożliwiający reakcje rozszczepienia) do kilku procent sprawia, że jest on bardzo skuteczny w procesie produkcji ciepła w reaktorze produkującym energię elektryczną. Co by się jednak stało, gdybyśmy stworzyli paliwo jądrowe ze znacznie większym wzbogaceniem, np. powyżej 90%? To właśnie tak silnie wzbogacone paliwo potrzebne jest do stworzenia bomby jądrowej. Tym samym dochodzimy do ciekawej konkluzji: wybuch jądrowy jest fizycznie niemożliwy w elektrowni jądrowej! Zatem ani w Czarnobylu, ani w Fukushimie nie mogło dojść do wybuchów jądrowych. Tego typu wybuch możliwy jest wyłącznie po detonacji bomby jądrowej, czego doskonałym i ikonicznym przykładem jest Hiroszima[6] oraz niezliczone testy ładunków jądrowych, którymi zatruwały świat Stany Zjednoczone i Związek Radziecki w trakcie zimnej wojny. Pojawia się wtedy grzyb atomowy, a siła wybuchu zamienia miejsce katastrofy w nuklearną pustynię. Gdyby coś takiego miało miejsce w Czarnobylu, to nie byłoby tam dziś elektrowni i całej Strefy Wykluczenia z charakterystyczną infrastrukturą, w której wciąż pracują ludzie.

Uzyskanie reakcji rozszczepienia w elektrowni jądrowej nie jest jednak takie proste. Żeby neutron uderzył w atom uranu i rozbił go na kolejne pierwiastki i neutrony (wydzielając przy tym promieniowanie gamma), te ostatnie należy spowolnić. Pędzą one tak szybko, że atomy uranu są dla nich czymś niemal abstrakcyjnym. Zmniejszenie prędkości neutronów jest zatem konieczne, aby „trafiły” one w uran[7]. Jeśli tego nie zrobimy, to neutrony po prostu przemkną z niezwykłą prędkością obok atomów uranu, nawet „nie wiedząc”, że coś minęły.

Aby spowolnić neutrony, używa się tzw. moderatora, czyli spowalniacza. W początkach energetyki jądrowej, gdy jeszcze nie zastanawiano się nad tym, że uran można wzbogacić i pracowano jedynie na uranie naturalnym, jedynymi moderatorami były ciężka woda (HDO) oraz grafit. Ciężka woda uzyskiwana jest w dosyć kosztownym procesie elektrolizy wody zwykłej. Alternatywą pozostawał więc znacznie tańszy grafit. Dlatego też to właśnie on został użyty przez amerykańskich i radzieckich uczonych jako spowalniacz neutronów.

W połowie XX wieku zarówno w USA, jak i ZSRR prowadzono już prace nad reaktorami wodnymi[8], czyli takimi, w których woda (zwykła, nie ciężka) pełniła aż dwie funkcje: chłodziwa i moderatora (spowalniacza neutronów). Woda poza świetnymi parametrami odbioru ciepła charakteryzuje się również bardzo dobrymi parametrami w kontekście spowalniania neutronów, aby te mogły trafić w atomy uranu. Wymagało to jednak wówczas stosowania paliwa wzbogaconego, które wciąż udoskonalano.

Budowa elektrowni jądrowej

Rysunek 1 przedstawia sposób funkcjonowania elektrowni jądrowej z reaktorem typu PWR (Pressurized Water Reactor), czyli wodnym ciśnieniowym. Jest to jeden z najbardziej rozpowszechnionych typów reaktora na świecie. Zwróćmy uwagę na obieg zamknięty, a w zasadzie na dwa takie obiegi: pierwotny i wtórny. Łączy je niejako zasadniczy element, tzw. wytwornica pary. W obiegu pierwotnym woda chłodząca reaktor przepływa przez niego pod bardzo dużym ciśnieniem. Dzięki temu nie wrze, nawet pomimo bardzo wysokiej temperatury, którą odbiera od paliwa. Tak gorąca woda (około 270° Celsjusza) przepływa (wciąż zamknięta w ramach obiegu pierwotnego) przez wytwornicę pary, czyli zbiornik wypełniony zwykłą (lekką) wodą stanowiący element drugiego obiegu zamkniętego (wtórnego).

Rysunek 1. Schemat działania elektrowni jądrowej z reaktorem typu PWR. Strzałki oznaczają kierunek przepływu wody.

Źródło: http://www.if.pw.edu.pl/~liwinski/mitj/typy/pwr/pwr.html.

Woda ta, pod wpływem wysokiej temperatury przekazywanej przez wodę płynącą z reaktora, podgrzewa się, aż przemieni się w parę, która wkrótce spotyka na swojej drodze tzw. turbinę, czyli wielką, obracającą się z ogromną prędkością, stalową choinkę położoną na boku. Jej „igły” to nic innego, jak łopatki, za które para „chwyta” turbinę, by nadać jej prędkość. Para ta wędruje obiegiem wtórnym pod tak wysokim ciśnieniem, że wprawia ową potężną turbinę w ruch. Ta z kolei napędza generator (prądnicę), który wytwarza energię elektryczną[9]. Pozostaje już tylko przesłać ją liniami energetycznymi w głąb kraju, aby można było z niej korzystać.

Co dzieje się dalej z parą? Otóż wędruje ona niżej i przechodzi do miejsca, w którym ma kontakt z kolejnym, trzecim obiegiem (otwartym) – tym razem zimnej wody pochodzącej z zewnątrz, np. morza. Zimna woda ochładza parę, która skrapla się i pod postacią cieczy płynie z powrotem do wytwornicy pary. I tak bez końca.

Woda w obu pierwszych (zamkniętych) obiegach musi być słodka, w przeciwnym wypadku sól uszkodzi reaktor wraz z infrastrukturą. Dlaczego więc Japończycy budują swoje elektrownie jądrowe tuż przy oceanie, gdzie woda jest mocno zasolona? Właśnie po to, aby mieć stały dostęp do zimnej oceanicznej wody, która schładza parę, aby ta mogła zamienić się z powrotem w wodę i wrócić do wspomnianej wytwornicy pary (w reaktorze typu PWR). Pamiętajmy, że słona woda znajduje się poza oboma obiegami zamkniętymi, przepływając tylko przez wtórny, w szczelnych rurach – i tym samym nie jest w stanie niczego uszkodzić, gdyż nie ma kontaktu z wodą słodką. Jest to obieg otwarty, ponieważ ma kontakt ze światem zewnętrznym, np. oceanem lub innym otwartym zbiornikiem.

Należy też wspomnieć, że napromieniowana woda występuje wyłącznie w pierwszym obiegu, ponieważ nie ma kontaktu z wodą z obiegu drugiego. Jest to o tyle istotne, że wszelkie kluczowe urządzenia (turbina, skraplacz) nie są napromieniowane. Dzięki temu można je łatwo wymienić i konserwować, gdyż nie stanowią niebezpieczeństwa dla człowieka. Z kolei wadą PWR-ów są koszty budowy zbiornika ciśnieniowego reaktora i pierwszego obiegu, których ścianki muszą wytrzymać potężne ciśnienie wody oraz powodowaną przez nią korozję w wyniku bardzo wysokich temperatur[10].

Najważniejszą czynnością podczas eksploatacji reaktorów jest ich schładzanie. Bez względu na to, czy pracują, czy są wygaszone (np. ze względu na rutynową konserwację), paliwo jądrowe, które podlegało procesowi rozszczepienia, wytwarza duże ilości ciepła. W związku z tym temperatura jest tak wysoka, że paliwo w nich (pod postacią pastylek uranowych) stopiłoby się, przez co reaktor nadawałby się wyłącznie na śmietnik. Należy je zatem jeszcze (w przypadku wyłączonego reaktora) przez pewien czas schładzać. Przepływ wody chłodzącej (chłodziwa) gwarantują pompy wprawiające ją w ruch, dzięki czemu stale odbiera ona ciepło z reaktora (paliwa). Pompy potrzebują oczywiście energii elektrycznej do funkcjonowania.

Spójrzmy teraz na rysunek 2 – schemat budowy reaktora PWR (wodny ciśnieniowy).

Rysunek 2. Schemat budowy reaktora jądrowego. Legenda: 1) mechanizmy napędowe prętów kontrolnych; 2) głowica reaktora; 3) pręt kontrolny (pochłąniający neutrony); 4) wlot wody do rdzenia; 5) zbiornik ciśnieniowy reaktora; 6) woda (pełniąca rolę chłodziwa i moderatora); 7) kosz rdzenia; 8) kaseta paliwowa złożona z prętów z paliwem uranowym (pastylkami) otoczonych koszulkami ze stopu cyrkonu; 9) podstawa rdzenia; 10) wylot wody z rdzenia. Strzałki – kierunek przepływu wody

Źródło: https://nuclear.pl/energetyka,reaktor,klasyfikacja-reaktorow-jadrowych,0,0.html, Areva.

Wyobraźmy sobie nowo wybudowany reaktor. Wprowadza się do niego źródło neutronów w celu zapoczątkowania reakcji rozszczepienia tak, by operator mógł potem stworzyć samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową. W zależności od procedur pręty kontrolne są zwykle włożone do rdzenia, a osiągnięcie podtrzymującej się stale reakcji łańcuchowej kontroluje się poprzez zmniejszenie stężenia kwasu borowego dodawanego standardowo[11] do wody przepływającej przez reaktor. Na późniejszym etapie, by podtrzymywać moc reaktora na stałym poziomie, należy balansować prętami kontrolnymi poprzez regularne wysuwanie i wsuwanie ich do rdzenia. Gwarantuje to najwydajniejszą i najbardziej ekonomiczną pracę reaktora.

Poprzez systematyczne zanurzanie i wyciąganie prętów kontrolnych można kontrolować reakcje jądrowe (liczbę rozszczepień) w paliwie. Celem jest utrzymanie reakcji łańcuchowej w stanie krytycznym, czyli takim, w którym podtrzymuje się ona samoistnie i generuje stałą ilość ciepła. Gdy reakcja łańcuchowa zaczyna gasnąć[12], stan taki określamy jako podkrytyczny. Moc zaczyna wówczas spadać, po czym stabilizuje się (dzięki działaniom operatora) i wówczas określamy reaktor ponownie jako krytyczny. Jeśli zaś chcemy wrócić do poprzedniej mocy (wyższej), wyciągamy częściowo pręty, aby na powrót zwiększyć, a następnie podtrzymać reakcję łańcuchową na stałym, pożądanym poziomie.

Prętami kontrolnymi można sterować na dwa sposoby: ręcznie lub automatycznie. Gdy hipotetycznie zdarzyłoby się, że moc rośnie w drastycznym tempie i temperatura w rdzeniu staje się niebezpiecznie wysoka, do akcji wkraczają automatyczne systemy bezpieczeństwa, które spuszczają błyskawicznie w głąb reaktora wszystkie pręty kontrolne (bez udziału człowieka). Reaktor zostaje wyłączony w czasie kilku sekund. Takiego zabezpieczenia nie da się wyłączyć. Aktywuje się ono bez względu na działania operatorów, by bezpiecznie wygasić reaktor w sytuacji ekstremalnej[13].

Przypisy

[1] Produkt spożywczy może zostać skażony również pośrednio. Na przykład mięso z dzika, który napiłby się skażonej wody w rzece albo zjadł radioaktywne jagody i trawę (mowa o sytuacji, w której radioaktywne izotopy osiadły na trawie, jagodach lub znalazły się w wodzie), z pewnością będzie radioaktywne, czyli potencjalnie szkodliwe, choć zależy to od „mocy” promieniowania.

[2] Teksty na szarym tle powstały specjalnie na potrzeby niniejszej publikacjii, chyba że zaznaczono inaczej.

[3] W rzeczywistości w uranie naturalnym znajduje się też uran-234, choć jego ilość jest śladowa, toteż często się go pomija.

[4] W rzeczywistości dla niskich energii neutronów dochodzi do nielicznych reakcji jądrowych, jednak ich liczba jest śladowa i można ją pominąć w rozważaniach na temat produkcji energii.

[5] Spalenie jednego atomu węgla produkuje 4 eV (elektronowoltów), a spalenie jednego atomu uranu aż 200 MeV (200 000 000 elektronowoltów).

[6] Na Nagasaki spadła bomba plutonowa.

[7] Obecnie buduje się również reaktory pracujące na tzw. neutronach prędkich, których nie trzeba spowalniać.

[8] Chodziło o stworzenie bezpiecznego reaktora energetycznego zdolnego produkować wyłącznie energię. Taki reaktor nie nadawał się do produkcji paliwa na potrzeby bomb jądrowych.

[9] Turbina i generator są ze sobą połączone potężną osią, są jakby na nią nabite. Dlatego też określa się je mianem turbogeneratora.

[10] Zob. https://nuclear.pl/energetyka,pwr,0,0,0.html. Autor z materiałów internetowych korzystał w styczniu 2020 roku.

[11] Kwas borowy jest trucizną reaktorową, tj. związkiem silnie pochłaniającym neutrony.

[12] Reakcja łańcuchowa wygasa zarówno samoistnie, jak i poprzez celowe działanie operatora, któremu zależy na obniżeniu mocy reaktora lub jego wyłączeniu, np. do prac konserwacyjnych.

[13] Ostatnio doszło do niej w 2011 roku w Fukushimie. Tego typu przypadków wydarzyło się dotychczas niewiele i za każdym razem automatyczny system wygaszania zadziałał bezbłędnie. Wyjątkiem był tylko przypadek czarnobylski.