Woda z elektrowni jądrowej jest bezpieczna!

Woda w elektrowniach jądrowych jest bardzo ważną substancją. Może pełnić rolę chłodziwa, moderatora, a także podobnie jak w elektrowniach konwencjonalnych, gdzie paliwem jest węgiel, po przejściu w stan pary wodnej, być czynnikiem roboczym napędzającym turbinę. Wszechobecność wody w elektrowni jądrowej każe się zastanowić, czy w czasie normalnej pracy reaktora styczność z nią jest bezpieczna?

Najczęściej stosowana klasyfikacja reaktorów, ze względu na rodzaj chłodziwa i moderatora pozwala wyróżnić najliczniejszą grupę zwaną reaktorami wodnymi. Do nich zaliczają się reaktory ciśnieniowe (Pressurized Water Reactor – PWR) i wrzące (Boiling Water Reactor – BWR). W obu reaktorach woda pełni rolę „spowalniacza” neutronów (moderatora), co umożliwia rozszczepienie jąder uranu-235. Poza tym, będąc chłodziwem, odbiera ciepło od koszulek prętów paliwowych. W obu reaktorach możemy wyróżnić obieg pierwotny i obieg wtórny. Obiegiem pierwotnym w elektrowni jądrowej nazywamy ten, w którym woda bezpośrednio ma styczność z rdzeniem reaktora – omywa go. Z kolei obieg wtórny to ten, w którym woda krąży w różnych stanach skupienia, nie mając bezpośredniej możliwości wymieszania się ze „skażoną” wodą z obiegu pierwotnego.

W obiegu pierwotnym reaktora PWR utrzymywane jest wysokie ciśnienie 14-16 MPa, które powoduje, że mimo wysokiej temperatury 330 °C woda nie zamienia się w parę. Ta bardzo gorąca woda trafia do wytwornicy pary. Wytwornica pary jest urządzeniem, które można porównać w bardzo dużym uproszczeniu do kaloryfera. Bardzo gorąca woda, która dociera z reaktora, oddzielona barierą, podgrzewa wodę z drugiego obiegu chłodzenia, w którym powstaje para. Nieskażona para trafia do turbiny, gdzie wykonuje pracę. Następnie jest schładzana i po skropleniu ponownie trafia do wymiennika ciepła, jakim jest wytwornica pary. Skraplanie pary odbywa się tak samo jak w elektrowniach węglowych – wykorzystując chłodnie kominowe, wodę z rzeki, morza lub jeziora.

W reaktorach BWR, w obiegu pierwotnym woda zaczyna wrzeć bezpośrednio w zbiorniku reaktora. Powstała para wodna, o ciśnieniu około 7 MPa i temperaturze 285 °C, trafia do turbiny, wykonując pracę. Następnie jest schładzana i skraplana, aż w końcu będąc ponownie w stanie ciekłym trafia ponownie do reaktora. Taka sytuacja znacznie upraszcza budowę reaktora w porównaniu do reaktorów PWR. Z drugiej strony w reaktorach BWR elementy takie jak turbiny, skraplacze, pompa wody zasilającej są narażone na promieniowanie jonizujące, co wymaga zastosowania osłon i specjalnego zaplanowania przeglądów i remontów tych maszyn. Woda z obiegu wtórnego w reaktorze PWR jest nieskażona i całkowicie bezpieczna, ponieważ wymienniki ciepła umożliwiają transport energii, a nie masy. Woda w obiegach wtórnych, musi wykazywać się dużą czystością, tak samo jak ma to miejsce w konwencjonalnych elektrowniach, gdyż wszelkie zanieczyszczenia mogą powodować korozję, zapychanie i uszkodzenia rurociągów, pomp i innych urządzeń.

Powstaje pytanie, czy styczność z wodą z obiegu pierwotnego, która omywa rdzeń reaktora jest niebezpieczna? Woda chłodząca, która pozostaje w kontakcie z rdzeniem reaktora w obiegu pierwotnym zawiera radionuklidy nawet podczas normalnej pracy. Ich pojawienie się i monitorowanie ilości nie wpływa na pracę elektrowni, ponieważ wszystkie układy są zaprojektowane do ciągłej pracy w takich warunkach. Radionuklidy brane są jednak pod uwagę z punktu widzenia ochrony środowiska – podczas pozbywania się gazów i ścieków z elektrowni.

W zależności od mechanizmu powstania, izotopy promieniotwórcze, które znajdują się w obiegu pierwotnym można podzielić na 3 grupy:

• produkty rozszczepienia i aktywacji neutronami izotopów w paliwie jądrowym,
• produkty aktywacji wody,
• aktywowane produkty korozji, które pochodzą z obiegu pierwotnego.

Paliwo jądrowe to spieczony i uformowany w pastylkę tlenek uranu. Dzięki swojej strukturze zatrzymuje 99% produktów rozszczepienia. Należy pamiętać, że jedynie 3-5% uranu w pastylce paliwowej ulega rozszczepieniu. Pastylki paliwowe osadzone są w prętach paliwowych. Koszulka paliwowa, w której zamknięte jest paliwo wykonana jest ze stopu cyrkonu. W przypadku, gdy reakcja rozszczepienia zachodzi bardzo blisko koszulki paliwowej, istnieje możliwość migracji produktów rozszczepienia do wody chłodzącej. Biorąc pod uwagę jednak wytrzymałość i „szczelność” stopu cyrkonu do obiegu pierwotnego dostaje się jedynie 0,001% wszystkich produktów rozszczepienia. Innym źródłem tego typu zanieczyszczeń mogą być wady w koszulce paliwowej, które nie zostały wykryte na kolejnych etapach produkcji paliwa lub też korozji. W celu zapobiegnięcia korozji stopu cyrkonu utrzymuje się poziom pH wody ok. 7-7,3 oraz stałą zawartość boru i litu w wodzie (na poziomie kilkuset ppm). Niewielka ilość produktów rozszczepienia, które dostają się do obiegu pierwotnego to przede wszystkim gazy rozpuszczalne i nierozpuszczalne w wodzie. W poniższej tabeli podane są typowe radionuklidy, które mogą się pojawić w odpowiednich obiegach reaktorów wodnych wraz z ich aktywnością. Dla porównania aktywność skały granitowej wynosi około 7000 Bq/kg.

Innym wspomnianym źródłem „radiacyjnych zanieczyszczeń” w wodzie są aktywowane produkty korozji, które pochodzą z obiegu pierwotnego. Powstają one, kiedy następuje uruchomienie reaktora po przestoju. Wówczas panuje nierównowaga w obiegu i produkty korozji mogą odrywać się z powierzchni rur, krążąc po całym systemie. Wędrują do najcieplejszej powierzchni, czyli do rdzenia reaktora, gdzie zostają aktywowane. Te wyzwalane produkty to przede wszystkim kobalt, chrom, żelazo i nikiel, z których najbardziej kłopotliwy jest kobalt, gdyż ma najdłuższy czas połowicznego rozpadu:

•       ,
•       ,
•       ,
•       .

Innym źródłem „zanieczyszczeń” jest radioliza wody. Wytworzony w ten sposób wodór jest niebezpieczny, gdyż jest bardzo agresywny wobec materiałów konstrukcyjnych, może migrować przez bariery do budynku obudowy reaktora stwarzając niebezpieczeństwo wybuchu. W celu uniknięcia wymusza się rekombinację i usuwanie nadmiaru wodoru. Inne typowe radionuklidy to powstający tryt (H-3 oraz azot (N-16) i fluor (F-18) przez aktywację tlenu.

Wszystkie wyżej wymienione izotopy mają stosunkowo krótki czas połowicznego rozpadu lub też łatwo można je usunąć z obiegu. W celu usunięcia tych niepożądanych izotopów stosuje się specjalne demineralizatory. Zbudowane są one na bazie żywicy i wyłapują prawie wszystkie kationy, które pojawią się w wodzie. Najczęściej woda filtrowana jest tuż przed tym, gdy ponownie trafi do reaktora tak, aby ponownie była neutralna, pozbawiona wszystkich źródeł aktywności.

Podczas pracy reaktora na bieżąco monitoruje się takie parametry wody jak jej pH, czy przewodność elektryczną. Poza tym obserwuje się zawartość I-131, I-133, I-134, Cs-137, Cs-134. Pod ciągłą kontrolą są stężenia chlorków, fluorków, siarczanów, krzemionki, glinu, magnezu zawartości tlenu i wodoru, a w szczególności trytu. Pomiary podczas normalnej pracy reaktora, przy względnie stałej mocy dokonywane są co najmniej 2 razy dziennie, natomiast, gdy moc reaktora zmieniła się co najmniej o 15% wówczas próbkowanie następuje 4-6 razy w ciągu godziny. Analiza zmian każdego z tych czynników, dostarcza cennych informacji – np. gdzie potencjalnie może być uszkodzenie korozyjne paliwa.

Woda z elektrowni jądrowej jest bezpieczna, gdyż jej stan jest ciągle monitorowany. Przez zastosowanie rozwiązań konstrukcyjnych, które ograniczają przemieszczanie się produktów rozszczepienia oraz urządzeń, które usuwają radionuklidy, nie jest groźna.