1.
Na początku jest atom… Przynajmniej w tej historii. Atom a raczej atomy izotopu uranu U-235 zawarte są w naturalnych minerałach w skorupie ziemskiej. Żeby skorzystać z ukrytej w nich energii musimy je najpierw wydobyć i oddzielić. Uran z ziemi wydobywa się na różne sposoby – czasami wykopując skały, czasami wypłukując zawarte w nich minerały. Bywa, że odbywa się to w specjalnych kopalniach uranu, ale czasem uran bywa produktem ubocznym wydobycia innego surowca, np. miedzi (podobnie jak inne cenne surowce, np. srebro i złoto). Złoża uranu są rozmieszczone w wielu regionach świata, często w krajach o stabilnej i przewidywalnej sytuacji politycznej, takich jak Australia czy Kanada. Istotną rolę odgrywają jednak także inne państwa, w tym Kazachstan – obecnie największy producent uranu na świecie – gdzie surowiec występuje w niższych stężeniach, ale jest efektywnie wydobywany dzięki nowoczesnym metodom. Co ważne, geografia złóż uranu znacząco różni się od rozmieszczenia zasobów ropy naftowej i gazu ziemnego. Oznacza to, że energetyka jądrowa opiera się na innym układzie dostawców niż paliwa kopalne, co zwiększa zróżnicowanie i odporność globalnego systemu energetycznego.
2.
Po wydobyciu musimy uran oczyścić i przetworzyć. W typowej rudzie uranu jego zawartość jest niewielka – zwykle wynosi od ok. 0,05% do 0,2%. Złoża o zawartości powyżej 1% należą już do bardzo bogatych i są stosunkowo rzadkie, choć w wyjątkowych przypadkach, jak w Kanadzie, mogą sięgać nawet kilkunastu procent. Konieczne jest zatem przetworzenie rudy i odzyskanie tego cennego surowca, a następnie przetworzenie go do stabilnej i wygodnej w transporcie postaci, która w branży nazywa się z angielska yellowcake.
3.
Niestety w naturalnym uranie izotopu U‑235 jest bardzo mało – poniżej 1%. To za mało, by większość reaktorów mogła działać efektywnie, dlatego jego zawartość trzeba zwiększyć do około 3–5%. Proces ten nazywa się wzbogacaniem uranu. Najczęściej odbywa się on w specjalnych wirówkach. Wykorzystuje się w nich związek uranu w postaci gazu (sześciofluorek uranu). Podczas bardzo szybkiego wirowania cięższe cząsteczki zawierające U‑238 są silniej „wyrzucane” na zewnątrz, a nieco lżejsze z U‑235 pozostają bliżej środka. Różnica mas jest bardzo niewielka, dlatego cały proces jest złożony i wymaga wielu etapów oraz bardzo precyzyjnych urządzeń. Dopiero tak wzbogacony uran może skutecznie podtrzymywać reakcję łańcuchową w reaktorze. Polega ona na tym, że jądro atomu U‑235 po pochłonięciu neutronu rozpada się na mniejsze fragmenty, uwalniając przy tym energię oraz kolejne neutrony. Te z kolei rozbijają następne jądra, co prowadzi do samopodtrzymującego się procesu. Aby reakcja przebiegała stabilnie, neutrony muszą mieć odpowiednią „szansę” trafiania w jądra U‑235 — i właśnie dlatego konieczne jest wcześniejsze wzbogacenie paliwa. Europie funkcjonuje kilka zakładów wzbogacania uranu: we Francji, Holandii, Niemczech i Wlk. Brytanii.
4.
Ze wzbogaconego uranu można już zrobić paliwo do reaktora. Z uranu w procesach chemicznych wytwarza się dwutlenek uranu, a następnie z materiału tego formuje się niewielkie cylindryczne pastylki. Pastylki te następnie umieszcza się – jedna za drugą – w metalowych i szczelnie zamkniętych rurkach długości kilku metrów wykonanych ze stopu cyrkonu, a rurki ustawia obok siebie, łącząc je w zestawy. Gotowe zestawy transportowane są do elektrowni. Można je łatwo magazynować. Dlatego dla podwyższenia bezpieczeństwa energetycznego wiele krajów gromadzi zapasy paliwa na lata.
5.
Po załadowaniu do reaktora i uruchomieniu go, zaczynamy wreszcie uzyskiwać energię z rozszczepienia jąder atomowych. Trafiane neutronami jądra rozszczepiają się i uwalniają energię – a także dodatkowe neutrony, z których część inicjuje kolejne takie reakcje tworząc samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową – i tak przez nawet osiemnaście miesięcy pracy reaktora. Proces jest fantastyczny z punktu widzenia ilości uzyskiwanej energii i dość skomplikowany na poziomie mikroskopowym – ale widziany gołym okiem, jest mało spektakularny. Paliwo, w którym przebiega reakcja łańcuchowa zwyczajnie grzeje się od środka, zupełnie jak grzałka elektryczna. Jego jedyną funkcją w elektrowni jest podgrzanie przepływającej przez reaktor wody. Wodę w reaktorze utrzymujemy pod wysokim ciśnieniem – około 150–170 razy wyższym od ciśnienia atmosferycznego, żeby można ją było podgrzać do wysokiej temperatury – typowo „w okolice” 300°C.
6.
Od tego momentu w procesie produkcji energii nie ma już niczego „atomowego”. Ale etapów jeszcze kilka zostało. Przede wszystkim gorąca woda jest bezpośrednio nieprzydatna do produkcji energii elektrycznej. Musimy ją najpierw „zamienić” na parę. W układach z reaktorami ciśnieniowymi odbywa się to poprzez wymienniki ciepła zwane wytwornicami pary. Woda podgrzana wcześniej w reaktorze przepływa przez znajdujące się wewnątrz wytwornicy rurki i oddaje ciepło innej, chłodniejszej wodzie omywającej je z zewnątrz ale zupełnie oddzielonej i utrzymywanej pod niższym ciśnieniem. Ta woda na zewnątrz – w obiegu wtórnym – podgrzewa się i odparowuje. I w ten sposób uzyskujemy parę – podobnie jak konwencjonalnym kotle np. elektrowni węglowej. Woda płynąca z reaktora i woda służąca do wytworzenia pary nigdy się nie mieszają.
7.
Gorąca para z wytwornicy kierowana jest poza budynek reaktora i wprowadzana do dużej turbiny, podobnej jak w elektrowniach konwencjonalnych. Rozprężając się porusza jej łopatkami, wprawiając cały wirnik turbiny w bardzo szybki ruch wirowy – typowo w dużej elektrowni jądrowej jest to 1500 obrotów na minutę, czyli 25 na sekundę. Po rozprężeniu para jest z powrotem skraplana i jako woda kierowana ponownie do wytwornic pary.
8.
Wirujący wał turbiny połączony jest z wałem dużego generatora elektrycznego, który bardzo efektywnie zamienia energię mechaniczną w prąd. Mamy wreszcie energię elektryczną! Ale to jeszcze nie koniec.
9.
Energia elektryczna wytworzona w elektrowni nie zapewnia jeszcze pokrycia naszych potrzeb w domu, biurze, sklepie czy fabryce. Trzeba ją teraz do użytkownika dostarczyć. Do tego służy rozbudowany system przesyłowy i dystrybucyjny – stacje transformatorowe oraz linie najwyższych, wysokich, średnich a potem niskich napięć. Ale i w pracy tego systemu elektrownie jądrowe mają swój udział. Jako źródła mogące pracować niezależnie od pogody gwarantują, że nigdy nie zabraknie w nim mocy. Mogą też pomagać w utrzymaniu stabilnej pracy całego systemu elektroenergetycznego – podobnie jak tradycyjne elektrownie, które są dziś stopniowo wycofywane, a inaczej niż większość małych, rozproszonych źródeł energii. Choć na co dzień tego nie zauważamy, te funkcje są niezbędne – bez nich system nie działałby prawidłowo i prąd nie mógłby docierać do odbiorców. A tylko energia dostarczona tam, gdzie jej potrzebujemy i wtedy, gdy jej potrzebujemy, zaspokaja nasze potrzeby. Polskie elektrownie jądrowe zapewnią, że w przyszłości proces ten będzie odbywał się efektywnie i niezawodnie, a jednocześnie w sposób przyjazny dla środowiska, a energia elektryczna z czystych źródeł – zarówno jądrowych, jak i odnawialnych – docierać będzie do wszystkich odbiorców.
