Wśród społeczeństwa, w filmach, książkach i w internecie nie brakuje mitów dotyczących elektrowni oraz zjawisk z nimi związanych. W szczególności jeśli mowa o katastrofie w Czarnobylu.
Na początek warto wyjaśnić jak działają elektrownie węglowe, atomowe oraz egzotermalne. W tych wypadkach istnieje turbina napędzana wodą, a ściślej woda, której ciśnienie zależy naturalnie od temperatury. W innych słowach, lecz dosłownie można powiedzieć, iż mamy do czynienia z silnikiem zasilanym termicznie, który z kolei napędza prądnicę, zwaną często generatorem. Prawie to samo zjawisko jest w elektrowniach wodnych, z tą różnicą, że różnica ciśnień wynika z spadku wody wskutek działania grawitacji.
Trzeba wspomnieć iż pojęcie produkcji energii jest nazewnictwem bardziej potocznym niż naukowym, gdyż energii nie można wyprodukować – w całym wszechświecie jest jej niezmiennie stała ilość, jednak można zmieniać jej postać, np. z chemicznej na termiczną, z termicznej na mechaniczną, z mechanicznej na elektryczną (uprzednio energia w postaci wirującego pola magnetycznego). Następnie z pomocą silnika elektrycznego odwracamy proces, gdyż zamieniamy energię elektryczną na mechaniczną, a następnie na wykonaną pracę, która zazwyczaj finalnie w większości kończy się energią termiczną.
Przy praktycznie każdej zmianie postaci energii, mamy do czynienia ze stratami. Nie jest możliwe odzyskanie 100% energii wytworzonej podczas procesu spalania węgla czy jakiegokolwiek innego materiału. Dokładnie tak samo jak jest w przypadku ogrzewania budynków – gdyby ściany, okna i drzwi byłyby idealną izolacja termiczną, to ogrzewanie byłoby potrzebne tylko przez krótką chwilę po otwarciu drzwi. Więc jest dość jasne, że ogrzewanie działa cały czas aby „wyrównać” utraconą energię poprzez ściany i inne elementy budynku. Sprawność (stosunek produkcji do strat) jest łatwiejsza do uzyskania przy większych skalach – paląca się mała kostka węgla oddaje ciepło na wszystkie strony, a gdy tego węgla jest więcej to raz, że potrzeba mniej izolacji termicznej (węgiel w samym środku oddaje ciepło do węgla wkoło), a dwa że z tej samej ilości (liczonej w kilogramach/tonach) łatwiej uzyskać więcej energii wskutek lepszego spalania przy większych temperaturach, co też po części tłumaczy czemu przed jazdą samochodem nie pakujemy węgla pod maskę, tylko stosujemy alternator, który de facto jest zwykłą prądnicą. Skoro mowa o samochodach i silnikach, to ten sposób pozyskania energii elektrycznej stosuje się przy mobilnych potrzebach, w miejscach gdzie z jakichś powodów nie ma linii energetycznych lub jako zasilanie awaryjne np. szpitala.
Obecnie na większą skalę produkcji przeważnie stosuje się węgiel oraz rozpad jądra atomowego jako źródło energii. Odnawialne źródła energii, choć bardziej ekologiczne (pomijając wiatrowe) i ekonomiczne (tym bardziej pomijając wiatrowe) to nie mogą całkowicie wyprzeć bardziej konwencjonalnych sposobów z dość prostych dwóch przyczyn jaką jest stabilność oraz niejednokrotnie tzw. „jakość” energii elektrycznej. Prąd jest potrzebny przez cały dzień, a nie tylko wtedy gdy świeci słońce lub wieje wiatr.
Energię oczywiście można magazynować w akumulatorach elektrochemicznych (jak w samochodzie) czy tym bardziej w postaci wysokich wież, które pompują wodę na szczyt a odbierają energię poprzez spadek tejże wody. Podczas magazynowania energii oraz jej późniejszego odbierania również występują straty. Ten drugi sposób z wieżą jest bardziej efektywny bo generuje znacznie mniej strat niż akumulatory elektrochemiczne, przy których w najlepszym razie, trzeba włożyć 40% więcej energii niż da się później odebrać. Te straty to oczywiście głównie energia termiczna, która oddawana jest do otoczenia czyli innymi słowy do środowiska. Powracając na chwilę do efektywności i ogrzewania, podczas ogrzewania budynków, straty podczas przesyłu energii elektrycznej są większe niżeli podczas przesyłania ogrzanej wody w rurach bezpośrednio do budynków – co doskonale tłumaczy istnienie elektrociepłowni oraz lokalnych kotłowni ogrzewających np. całe osiedle.
Nawet gdyby wykluczyć straty termiczne podczas produkcji z odnawialnych źródeł i magazynowania tej energii, to trzeba pamiętać, że produkcja zarówno paneli słonecznych jak i magazynów energii ma negatywny skutek dla środowiska (np. stosowana chemia podczas budowy/produkcji) oraz również wymaga to włożenia energii. Przykładowo wytworzenie aluminiowej ramy panelu słonecznego wymaga wytopienia rudy, przetransportowania a następnie mechanicznej obróbki. Więc na pierwszy rzut oka elektrownie słoneczne i wiatrowe są darem z niebios, a po bliższym spojrzeniu można to wręcz nazwać teorią… spiskową? Ostatnimi laty efektywność energetyczna, ekonomiczna i ekologiczna paneli słonecznych przeważyła na plus – jednak na korzyści z każdego wyprodukowanego panelu obecnie trzeba czekać wiele lat – niejednokrotnie kilkanaście lat.
Jak już wiemy, elektrownie węglowe oraz atomowe działają poprzez wytwarzanie ciepła i napędzanie turbiny parowej. W obu przypadkach istnieje pełno mitów. Nikomu nie trzeba chyba tłumaczyć, że elektrownie węglowe obok wiatrowych są najmniej ekologiczne i korzystają z nieodnawialnego źródła czyli węgla wydobywanego w kopalniach. Za to, mało kto wie, że prądnice w nich, są chłodzone wodorem, o którym wiadomo że jest bardzo wybuchowy. Mielenie węgla również stwarza ryzyko silnej eksplozji. Jednoznacznie można stwierdzić iż nie-wybuchowość elektrowni węglowych jest jednym wielkim mitem. W obu przypadkach zwarcie elektryczne często ma tragiczne skutki, choć są mniej tragiczne w przypadku dzisiejszych reaktorach atomowych, gdyż nie ma tam materiałów palnych (pomijając pierwsze RBMK), a tym bardziej palnych jak rozpylony i wybuchowy miał węglowy.
Wiele osób powie, że przecież reaktory atomowe wybuchają. Skojarzenie słuszne, gdyż bomby atomowe opierają się na dokładnie tej samej zasadzie, tzn. na rozszczepieniu jądra atomowego. Z jednym małym „ale”. Aby to wyjaśnić krótko i prosto, to trzeba zrozumieć banalną rzecz na jakiej zasadzie działa reaktor. Jądro atomu składa się z neutronu oraz protonu. W niektórych wypadkach jądro jest niestabilne (uran, pluton i wiele innych pierwiastków oraz izotopów), czyli może rozpaść się samoistnie lub można mu nieco „pomóc” poprzez uderzenie go neutronem. Uran, jak i inne pierwiastki wydobywa się z naturalnych zasobów, tak samo jak węgiel z ziemi – choć uran często można spotkać na powierzchni ziemi jak np. w niektórych miejscowościach w Polsce, o czym mało kto wie – wystarczy pojechać, podejść i podnieść kamień, w którym pewna część to różne izotopy uranu. Każdy może bez najmniejszego problemu kupić dozymetr, pojechać i sprawdzić to na własne oczy. Przewiduje się że na Sudetach istnieją jeszcze opłacalne źródła, czyli takie w których jest wystarczająco uranu aby jego wydobycie mogło się zwrócić w sensie zarówno ekonomicznym jak i ekologicznym.
Ten uran leżący w ziemi lub na zwykłej drodze ulega samoistnemu rozpadowi, podczas którego wyrzucane są neutrony inicjujące dalsze rozpady w innych jądrach – oczywiście tylko wtedy gdy ten neutron trafi na niestabilne jądro jakiegoś atomu a nie w jakiś inny minerał w ziemi. To właśnie jest reakcja jądrowa, która występuje w naturze. Jednak to nie powoduje żadnej eksplozji jądrowej, jedynie promieniowanie jonizujące (głównie alfa, beta oraz gamma) oraz ciepło. Przy czym trzeba zauważyć że nie każdy atom uranu jest rozszczepialny, więc nie da się go wykorzystać do pozyskiwania ciepła i tym samym energii elektrycznej. Atomy danego pierwiastka można podzielić na izotopy, czyli atomy, które mają niemal identyczne właściwości, lecz różnią się ilością neutronów w atomie, co dotyczy nie tylko uranu, ale także wody w kranie. Przy czym przy pewnym znaczącym „nadmiarze” neutronów, jądro staje się niestabilne czyli ulega okresowemu rozpadowi samoistnemu lub pod wpływem uderzenia neutronu – jeden neutron więcej i atom w pewnych słowach mówi dość i się rozlatuje, wyrzucając przy tym min. pojedyncze neutrony.
Obecnie w Polsce znacząca większość uranu nie jest w postaci czystej i mało tego, w znaczącej większości to są izotopy stabilne. Tak więc nie będzie z tego ani bomby, ani ciepła do napędzenia turbiny i mało tego nikt nie ogrzeje tym rąk. Większość z tych kamieni ma promieniowanie niewiele większe niż promieniowanie docierające do atmosfery z kosmosu i z innych źródeł (np. potas wszędzie w ziemi czy też świetlówki wypierane przez oświetlenie led). Wydobywanie tego uranu w tym przypadku nie ma uzasadnienia ekonomicznego ani nawet ekologicznego. Co innego w innych krajach gdzie są „lepsze” kamyki, w których jest więcej uranu a w szczególności tego rozszczepialnego. Prawdę powiedziawszy, to wciąż za mało aby choćby dyskutować o budowie elektrowni czy tym bardziej o jakichś bombach…
Skąd więc są elektrownie atomowe? Po wydobyciu takiego uranu z opłacalnych miejsc, jest on proszkowany a następnie poddawany procesowi „wzbogacania”, który brzmi jak jakaś magiczna chemia, ale to nic z tych rzeczy. To ww. wzbogacanie to tak naprawdę w prostych słowach wydłubywanie nierozszczepialnego uranu z tej całej mieszaniny, aby rozszczepialnego izotopu było znacznie więcej. Ten proces w praktyce jest bardzo czasochłonny i bardzo kosztowny. To odsiewanie ziarna od plew nie jest wykonywane do 100% tylko do zaledwie paru procent (z 0,7% do 3,3%) właściwego izotopu, gdyż tyle właśnie trzeba. I tu można dopiero mówić o tym czym się różni reaktor atomowy od bomby atomowej.
Reaktor atomowy do celów energetycznych lub naukowo-medycznych (vide reakor Maria i inne) potrzebuje uran wzbogacony w granicach około 2-4%. Aby (choćby teoretycznie) mogło dojść do eksplozji jądrowej, potrzebny jest uran wzbogacony co najmniej aż do 20% oraz pluton, którego nie znajdziemy w żadnym reaktorze – pomijając nieliczne przypadki reaktorów wojskowych służące do produkcji plutonu, ale to temat na inny artykuł.
Jak widać, reaktor atomowy to nie tyle dzieło człowieka, co dosłownie naturalna reakcja – najzwyczajniej w świecie, można spotkać naturalne reaktory atomowe znajdujące się w ziemi i żaden fizyk jądrowy się tym nie przejmuje, gdyż wie że są całkowicie niegroźne, o ile ktoś nie będzie próbował dosłownie zjeść tego uranu, lub go sproszkować i wciągnąć nosem… W obu przypadkach mogło by to zaszkodzić dla zdrowia takiej osoby.
Ktoś powie że przecież uran to promieniowanie, a promieniowanie jest niebezpieczne bo może zabić albo mogą wyrosnąć komuś rogi, albo trzecia ręka – choć to ostatnie było by wręcz czasem przydatne. Równie dobrze można powiedzieć że zapałki, zapalniczki, kuchenki gazowe czy np. samochody są niebezpieczne. Wszystkie powyższe rzeczy są niebezpieczne w nieodpowiednich rękach. I zarazem mogą być bardzo cenne i przydatne gdy są umiejętnie wykorzystane. Na kuchence gazowej można zarówno ugotować obiad, jak i wysadzić cały budynek, o ile ktoś niechybnie zapomni zakręcić zawór na dość długi czas. Tak samo samochodem można dojechać do pracy albo zawieść chorą osobę do szpitala, jak i można nim wjechać w coś lub co gorsza w kogoś…
Odpowiednio wyszkolony mechanik jest dosłownie naukowcem, który wykonuje pomiary i obliczenia matematyczne, tak samo jak fizyk jądrowy czy np. elektryk. Przy czym dyplom mechanika lub uprawnienia elektryka można (nielegalnie – co stanowczo odradzam) kupić, ale uprawnienia inspektora dozoru jądrowego zdobyć jest niezwykle trudno i nie wystarczy tu sama tylko wiedza. Elektryk może mieć woltomierz, próbnik i rękawice dielektryczne, a fizyk jądrowy dozymetr, odpowiednie przystosowane pomieszczenia z ołowianymi ścianami, czy nawet specjalny kombinezon zawierający ołów, co osobiście mogłem na własne oczy zobaczyć – mało tego w w tym właśnie miejscu promieniowanie było na tyle niskie oraz rzadko występujące, że osoby pracujące tam przez lata nie korzystają nawet z tych kombinezonów.
W tym miejscu wiele osób zacznie krzyczeć, że przecież reaktor w Czarnobylu wybuchł i promieniowanie zabiło wiele osób. To pierwsze jest jednym wielkim mitem powtarzanym od ponad trzech dekad. Ten reaktor nie eksplodował i mało tego wciąż się znajduje w tym samym miejscu i wciąż w nim zachodzi (poniekąd naturalna) reakcja jądrowa. To co wybuchło to chłodzenie tego reaktora wskutek nadmiernej temperatury oraz dwóch reakcji chemicznych, co wtedy było tak bardzo nieprawdopodobne że nie było brane pod uwagę, oraz kilka innych istotnych szczegółów jego budowy było ukrywane w tak bardzo ścisłej tajemnicy, że nikt z pracowników tej elektrowni o tym nie wiedział – wliczając w to samych operatorów w sterowni reaktora, którzy byli zaznajomieni z (zafałszowaną) dokumentacją.
Tak więc czy są one bezpieczne czy nie? Należy zauważyć że w Czarnobylu mieliśmy do czynienia z reaktorem RBMK a nie reaktorem wodnym (PWR, WWR i inne). Znów można wykorzystać analogię kuchenki gazowej. Sprawna nowoczesna kuchenka gazowa w obecności osoby dbającej o bezpieczeństwo jest całkowicie niegroźna. Nawet jak dana osoba udając się do ubikacji, pozostawi zapalony palnik kuchenki i przeciąg spowoduje jej zgaszenie, to blaszka bimetalowa ostygnie i odetnie gaz uniemożliwiając tym samym ulatnianie i gromadzenie się gazu. Najłatwiej to zauważyć w kuchenkach, w których po zapłonie trzeba przez kilka sekund trzymać wciśnięty zawór aby bimetal zdążył się nagrzać i nie odciął przedwcześnie dopływu gazu.
Dziś już nie budowane, lecz wciąż działające reaktory RBMK charakteryzowały się dodatnią reaktywnością (dodatnie sprzężenie zwrotne) w przeciwieństwie do niemal wszystkich innych (dziś to definitywnie wszystkich), które miały ujemną reaktywność (ujemne sprzężenie zwrotne). W prostych słowach i również porównując do kuchenki gazowej można wyobrazić sobie dwie kuchenki. Jedna ma ujemne sprzężenie zwrotne – ulatnianie się choćby odrobinki gazu powoduje zamknięcie zaworu jak to w tych najnowszych. Druga (teoretyczna) kuchenka ma silne dodatnie sprzężenie zwrotne, czyli ulotnienie się małej ilości gazu automatycznie powoduje ulotnienie się dużo większej ilości, która z kolei powoduje jeszcze większe ulatnianie się tak w kółko.
Reaktory atomowe wodne posiadają dość silne ujemne sprzężenie zwrotne, które powoduje automatyczną samoistną autoregulację – chwilowe zwiększenie mocy i przez to temperatury od razu powoduje jej zmniejszenie. W takich właśnie reaktorach przegrzanie się rdzenia reaktora graniczy wręcz z niemożliwością. Od kilku dekad istnienia reaktorów wodnych (w sensie PWR i podobne konstrukcje), tylko jeden uległ nie tyle przegrzaniu co stopieniu się rdzenia, tak samo (czytaj: podobnie) jak RBMK w Czarnobylu, a mimo tego prawie nikt o tym nie słyszał. Tak samo reaktor po stopieniu się stał się bezużyteczny, z tą małą różnicą że nie było ani eksplozji ani wydostania się materiału rozszczepialnego na zewnątrz. Podczas gdy powstawały fundamenty pod budynek reaktora w Czarnobylu, to wszędzie za granicą były już reaktory wodne umieszczone w tzw. obudowie bezpieczeństwa oraz z dodatkowymi automatycznymi zabezpieczeniami, których nie da się jakkolwiek wyłączyć w przeciwieństwie do RBMK.
Z pewnością wiele osób będzie krzyczeć, lub już krzyczy, że reaktor to promieniowanie, a promieniowanie to śmierć! Owszem – dokładnie tak samo jak woda. Szklanka wody raczej nikogo nie zabije, ale powódź już prędzej. Nie liczy się to czy jest czy nie, tylko ilość oraz czas. Jak mawiają pracownicy medyczni: wszystko jest lekarstwem i wszystko jest trucizną – dawka decyduje o tym czy coś jest lekiem czy zabójczą trucizną.
Kolejny mit, jest taki że w Polsce nie ma i nigdy nie było żadnego reaktora atomowego. Wręcz przeciwnie, było ich kilka, a jeden wciąż funkcjonuje i jest stosowany głównie do produkcji leków w tzw. medycynie nuklearnej, która ratuje życie ludzkie. Ten sam reaktor jest doskonałym dowodem dla wcześniejszego akapitu, gdyż można go zwiedzać nawet gdy jest włączony i bez najmniejszego problemu można stać tuż nad wodą, w której się on znajduje i zarazem jest włączony. W razie gdyby ktoś chciał przeskoczyć przez barierkę albo się nadmiernie wychylić i utopić, to na ten wypadek od wielu lat tuż nad taflą wody znajduje się koło ratunkowe. Co innego gdyby ktoś chciał zanurkować i objąć reaktor, to godzina takiego nurkowania mogła by być szkodliwa – o ile ktoś ma na tyle tlenu w płucach albo w butli.
Kolejny mit w tym temacie jest taki że w Polsce nie ma nigdzie żadnego promieniowania. Wręcz przeciwnie jest, tak samo jak wszędzie indziej na ziemi. Z tym małym ale że jest ono co najmniej kilkanaście razy mniejsze niż wartość, przy której można się choćby zastanawiać o negatywnym wpływie na zdrowie. Znacząca większość źródeł medycznych twierdzi że niewielkie promieniowanie jest zdrowsze niż jego całkowity brak – aby to wyjaśnić, należałoby wytłumaczyć w jaki sposób działa DNA oraz mechanizmy naprawcze tego kodu genetycznego wewnątrz komórek, co wykracza poza niniejszy temat.
Żeby nie być gołosłownym, to najlepiej samemu zainwestować w dozymetr i osobiście sprawdzić. W zdecydowanej większości miejsc w Polsce poziom promieniowania nie przekracza 0.1uSv/h, przy czym norma jest przesadnie niska, gdyż wynosi dokładnie 0.3uSv/h. Wspomniane złoża uranu w Polsce, jeśli dobrze poszukać i się nieco wysilić o można znaleźć kamyki, które „świecą” promieniowaniem rzędu 1-2uSv/h. Istnieją miejscowości, w których naturalne promieniowanie promieniowanie wynosi ponad 10uSv/h a zarazem zachorowalność na raka nie jest tam wyższa niż w innych miejscach. Na chwilę obecną tuż pod budynkiem feralnego reaktora nr. 4 w Czarnobylu można zmierzyć 3-4uSv. Wycieczki do tego miejsca są organizowane niemal codziennie i osoby z podstawową wiedzą, są świadome że (obecnie) można tam przebywać długimi godzinami. Co innego w samym pomieszczeniu reaktora i jego sterowni. Z wiadomych względów to ostatnie można zwiedzić przez maksymalnie kilka minut, aby dawka wciąż była lekarstwem a nie trucizną. Osobiście przed laty miałem do czynienia z promieniowaniem znacznie przekraczającym 100uSv/h przez niecałą dobę i niestety trzecia ręka mi nie urosła.
Co z przechowywaniem paliwa jądrowego, zwłaszcza tego zużytego? Tym razem to jest pół-mit pół-prawda. Podczas transportu uranu, zdarzały się niedopatrzenia wskutek czego zdarzyło się że kilka osób zostało niebezpiecznie bardzo napromieniowanych co definitywnie było w tym wypadku szkodliwe dla zdrowia. W kwestii przechowywania, nie są one pakowane do pudełek tekturowych jak np. laptop czy telefon komórkowy, tylko do specjalnych pojemników obliczonych na wytrzymałość ponad 100 lat i jeszcze dla pewności, są one umieszczane głęboko w ziemi. Przy czym wymiana paliwa wbrew pozorom nie następuje często, a w niektórych reaktorach to nawet nigdy.
Innym dość istotnym mitem dotyczącym elektrowni, choć nie do końca w temacie, jest wyłączenie zasilanie miasta lub całego kraju poprzez awarię jednej elektrowni, jak to miało miejsce podczas pisania tego artykułu. Elektrownie, niezależnie od ich zasady działania, są podłączone równolegle do tej samej sieci. W normalnej sytuacji system energetyczny jest zrównoważony, czyli elektrownie produkują tyle energii jakie jest zapotrzebowanie w danej chwili. Działa to podobnie jak kilka baterii i kilka żarówek połączonych równolegle – awaria lub odłączenie jednej z nich, nie powoduje utraty zasilania i żarówki dalej świecą. Sieci elektroenergetyczne w Polsce są stale połączone z sąsiednimi państwami, więc jeśli elektrownie chwilowo nie mają dostatecznie dużo mocy, to brakująca energia jest „importowana”. Działa to również w drugą stronę. Oczywiście bardziej się opłaca eksportować energię, jednak impedancja linii oraz transformatorów (czasem przekładników) powoduje, że nie można „ot tak” zwiększać do woli wyprodukowanej ilości energii, gdyż spowoduje to nadmierne podniesienie napięcia w sieci, co automatycznie spowoduje liczne awarie, a nawet pożary, gdyż (w dużym uproszczeniu) moc jest proporcjonalna liniowo od kwadratu napięcia.
Zarówno elektrownia węglowa jak i atomowa mają swoje zalety jak i wady. Kominy w elektrowniach węglowych zawierają obecnie lepsze filtry, jednak wciąż ilość dwutlenku węgla oddawanego do środowiska jest gigantyczna, czego nie można powiedzieć o elektrowniach atomowych. Dzisiaj projektowane i budowanie reaktory atomowe można uznać za bezpieczne, gdyż ryzyko awarii jest niezwykle małe, a gdy już do niej dojdzie, to ww. obudowa bezpieczeństwa uniemożliwia oddanie promieniotwórczych pierwiastków do atmosfery. Ponadto uznaje się je za bardziej ekonomiczne i ekologiczne, wskutek tańszej produkcji energii elektrycznej i braku wydzielanego dwutlenku węgla do atmosfery.
