How do nuclear power plants work? - M. V. Ramana and Sajan Saini

Tłumaczenie: Agnieszka Fijałkowska Korekta: Marta Grochowalska

On a December afternoon in Chicago during the middle of World War II,

W grudniowe popołudnie podczas drugiej wojny światowej

scientists cracked open the nucleus at the center of the uranium atom

naukowcy w Chicago rozbili nukleon w centrum jądra atomu uranu

and turned nuclear mass into energy over and over again.

i wielokrotnie przemieniali jego masę atomową w energię.

They did this by creating for the first time

Zrobili to dzięki reakcji łańcuchowej

a chain reaction inside a new engineering marvel:

zachodzącej w nowym cudzie inżynierii:

the nuclear reactor.

reaktorze jądrowym.

Since then, the ability to mine great amounts of energy from uranium nuclei

Od tamtej pory możliwość wydobywania energii z jąder uranu

has led some to bill nuclear power

doprowadziła do okrzyknięcia energii atomowej

as a plentiful utopian source of electricity.

niewyczerpanym źródłem elektryczności.

A modern nuclear reactor generates enough electricity from one kilogram of fuel

Nowoczesny reaktor jądrowy wytwarza dosyć energii z jednego kilograma paliwa,

to power an average American household for nearly 34 years.

żeby zasilać przeciętny amerykański dom przez prawie 34 lata.

But rather than dominate the global electricity market,

Jednak zamiast zdominować światowy rynek energii elektrycznej,

nuclear power has declined from an all-time high of 18% in 1996

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

to 11% today.

do 11% dzisiaj.

And it's expected to drop further in the coming decades.

Oczekuje się, że w najbliższych dekadach spadnie jeszcze bardziej.

What happened to the great promise of this technology?

Co się stało z wielką nadzieją pokładaną w tej technologii?

It turns out nuclear power faces many hurdles,

Energia atomowa napotyka wiele przeszkód,

including high construction costs

w tym wysokie koszty budowlane

and public opposition.

i sprzeciw społeczny.

And behind these problems lie a series of unique engineering challenges.

Za tymi problemami kryją się poważne wyzwania inżynierskie.

Nuclear power relies on the fission of uranium nuclei

Energia jądrowa wymaga rozszczepienia jąder uranu

and a controlled chain reaction

i kontrolowanej reakcji łańcuchowej,

that reproduces this splitting in many more nuclei.

która odtwarza to rozszczepienie w znacznie większej liczbie jąder.

The atomic nucleus is densely packed with protons and neutrons

Jądro atomu jest gęsto upakowane protonami i neutronami

bound by a powerful nuclear force.

związanymi przez potężne siły jądrowe.

Most uranium atoms have a total of 238 protons and neutrons,

Większość atomów uranu ma łącznie 238 protonów i neutronów,

but roughly one in every 140 lacks three neutrons,

ale około jeden na 140 ma trzy neutrony mniej

and this lighter isotope is less tightly bound.

i ten lżejszy izotop jest mniej ściśle związany.

Compared to its more abundant cousin,

Inaczej niż u zasobniejszego kuzyna,

a strike by a neutron easily splits the U-235 nuclei

uderzenie neutronu łatwiej dzieli jądra U-235

into lighter, radioactive elements called fission products,

na lżejsze, radioaktywne pierwiastki, zwane produktami rozszczepienia,

in addition to two to three neutrons,

oraz dwa do trzech neutronów,

gamma rays,

promienie gamma

and a few neutrinos.

i kilka neutrin.

During fission, some nuclear mass transforms into energy.

Podczas rozszczepienia część masy jądrowej przekształca się w energię.

A fraction of the newfound energy powers the fast-moving neutrons,

Część nowo uwolnionej energii zasila szybko poruszające się neutrony,

and if some of them strike uranium nuclei,

a jeśli niektóre z nich uderzą w jądra uranu,

fission results in a second larger generation of neutrons.

rozszczepienie powoduje powstanie drugiej, większej generacji neutronów.

If this second generation of neutrons strike more uranium nuclei,

Jeśli ta druga generacja neutronów uderzy w więcej jąder uranu,

more fission results in an even larger third generation, and so on.

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

Wewnątrz reaktora jądrowego

But inside a nuclear reactor,

this spiraling chain reaction is tamed using control rods

tę spiralną reakcję łańcuchową kontroluje się za pomocą prętów

made of elements that capture excess neutrons and keep their number in check.

wychwytujących nadmiar neutronów i trzymających ich liczbę w ryzach.

With a controlled chain reaction,

Dzięki kontrolowanej reakcji łańcuchowej

a reactor draws power steadily and stably for years.

reaktor może stale i stabilnie pobierać moc latami.

The neutron-led chain reaction is a potent process driving nuclear power,

Reakcja pod wpływem neutronów jest silnym procesem napędzającym energię jądrową,

but there's a catch that can result

ale jest pewien haczyk,

który może spowodować ogromne zapotrzebowanie na produkcję paliwa.

in unique demands on the production of its fuel.

It turns out, most of the neutrons emitted from fission have too much kinetic energy

Większość neutronów z rozszczepienia ma zbyt dużą energię kinetyczną,

to be captured by uranium nuclei.

żeby jądra uranu mogły je wychwycić.

The fission rate is too low and the chain reaction fizzles out.

Rozszczepienie jest zbyt wolne i reakcja łańcuchowa wygasa.

The first nuclear reactor built in Chicago used graphite as a moderator

Pierwszy reaktor jądrowy z Chicago wykorzystywał grafit jako moderator

to scatter and slow down neutrons just enough

do rozpraszania i spowalniania neutronów na tyle,

to increase their capture by uranium and raise the rate of fission.

by zwiększyć ich wychwytywanie przez uran i zwiększyć rozszczepialność.

Modern reactors commonly use purified water as a moderator,

Współczesne reaktory zwykle wykorzystują oczyszczoną wodę jako moderator,

but the scattered neutrons are still a little too fast.

ale rozproszone neutrony są wciąż trochę zbyt szybkie.

To compensate and keep up the chain reaction,

Aby zrównoważyć i utrzymać reakcję łańcuchową,

the concentration of U-235 is enriched

zawartość U-235 rośnie

to four to seven times its natural abundance.

o 4 do 7 razy więcej niż naturalnie.

Today, enrichment is often done by passing a gaseous uranium compound

Dziś wzbogacanie wykonuje się, przepuszczając gazowy związek uranu

through centrifuges

przez wirówki

to separate lighter U-235 from heavier U-238.

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

Jednak ten sam proces można kontynuować i wzbogacić uran

But the same process can be continued to highly enrich U-235

up to 130 times its natural abundance

o zawartość izotopu U-235 130 razy wyższą niż naturalna

and create an explosive chain reaction in a bomb.

i stworzyć bombową reakcję wybuchową.

Methods like centrifuge processing must be carefully regulated

Przetwarzanie wirówkowe i podobne metody trzeba ściśle kontrolować,

to limit the spread of bomb-grade fuel.

żeby ograniczyć ilość paliwa do potencjalnej bomby jądrowej.

Remember, only a fraction of the released fission energy

Pamiętajcie, tylko część uwolnionej energii z rozszczepienia

goes into speeding up neutrons.

przyspiesza neutrony.

Most of the nuclear power goes into the kinetic energy of the fission products.

Większość przechodzi w energię kinetyczną produktów rozszczepienia.

Those are captured inside the reactor as heat by a coolant,

Wychwytuje się ją wewnątrz reaktora jako ciepło za pomocą chłodziwa,

usually purified water.

będącego zwykle oczyszczoną wodą.

This heat is eventually used to drive an electric turbine generator by steam

To ciepło wykorzystuje się do napędzania parą generatora turbiny elektrycznej

just outside the reactor.

na zewnątrz reaktora.

Water flow is critical not only to create electricity,

Woda jest ważna nie tylko dla wytworzenia elektryczności,

but also to guard against the most dreaded type of reactor accident,

ale też dla ochrony przed najbardziej przerażającym typem awarii reaktora,

the meltdown.

czyli stopieniem się rdzenia.

If water flow stops because a pipe carrying it breaks,

Jeśli przepływ wody ustanie,

bo pęknie rura lub nastąpi awaria pomp,

or the pumps that push it fail,

the uranium heats up very quickly and melts.

uran bardzo szybko się nagrzeje i stopi.

During a nuclear meltdown,

Podczas topienia się rdzenia

radioactive vapors escape into the reactor,

radioaktywne opary trafiają do reaktora,

and if the reactor fails to hold them,

a jeśli on ich nie utrzyma,

a steel and concrete containment building is the last line of defense.

ostatnią linią obrony jest budynek ze stali i betonu.

But if the radioactive gas pressure is too high,

Jeśli ciśnienie radioaktywnego gazu będzie zbyt wysokie,

containment fails and the gasses escape into the air,

bariera pęknie i gazy uciekną,

spreading as far and wide as the wind blows.

rozprzestrzeniając się z wiatrem.

The radioactive fission products in these vapors

Radioaktywne produkty rozszczepienia w tych oparach

eventually decay into stable elements.

ostatecznie rozpadną się na stabilne elementy.

While some decay in a few seconds,

Niektóre rozpadną się w kilka sekund,

others take hundreds of thousands of years.

innym zajmie to setki lub tysiące lat.

The greatest challenge for a nuclear reactor

Największym wyzwaniem dla reaktora

is to safely contain these products

jest bezpieczne przechowywanie tych produktów,

and keep them from harming humans or the environment.

żeby nie zagrażały ludziom lub środowisku.

Containment doesn't stop mattering once the fuel is used up.

Odpady nie przestają mieć znaczenia po zużyciu paliwa.

In fact, it becomes an even greater storage problem.

Sprawiają jeszcze większy problem ze składowaniem.

Every one to two years,

Co rok lub dwa lata

some spent fuel is removed from reactors

część zużytego paliwa usuwa się z reaktorów

and stored in pools of water that cool the waste

i przechowuje w basenach z wodą, które chłodzą odpady

and block its radioactive emissions.

i blokują emisję radioaktywną.

The irradiated fuel is a mix of uranium that failed to fission,

Napromieniowane paliwo to mieszanka uranu,

który nie uległ rozszczepieniu,

fission products,

produkty rozszczepienia

and plutonium, a radioactive material not found in nature.

i pluton, radioaktywny materiał niewystępujący w naturze.

This mix must be isolated from the environment

Ta mieszanka musi być odizolowana od środowiska,

until it has all safely decayed.

dopóki nie ulegnie całkowitemu rozkładowi.

Many countries propose deep time storage in tunnels drilled far underground,

Wiele krajów proponuje składowanie jej w tunelach głęboko pod ziemią,

but none have been built,

ale żadnego nie wywiercono,

and there's great uncertainty about their long-term security.

a ich długoterminowe bezpieczeństwo budzi wątpliwości.

How can a nation that has existed for only a few hundred years

Jak naród, który istnieje zaledwie od kilkuset lat,

plan to guard plutonium through its radioactive half-life

planuje strzec plutonu, którego radioaktywny okres półtrwania

of 24,000 years?

trwa 24 tysiące lat?

Today, many nuclear power plants sit on their waste, instead,

Obecnie wiele elektrowni jądrowych stoi na własnych odpadach,

storing them indefinitely on site.

przechowując je na czas nieokreślony.

Apart from radioactivity, there's an even greater danger with spent fuel.

Oprócz radioaktywności

jest jeszcze większe niebezpieczeństwo związane ze zużytym paliwem.

Plutonium can sustain a chain reaction

Pluton może podtrzymywać reakcję łańcuchową

and can be mined from the waste to make bombs.

i można go wydobywać z odpadów, żeby budować bomby.

Storing spent fuel is thus not only a safety risk for the environment,

Przechowywanie zużytego paliwa jest więc nie tylko zagrożeniem dla środowiska,

but also a security risk for nations.

ale też dla bezpieczeństwa światowego.

Who should be the watchmen to guard it?

Kto powinien nad tym czuwać?

Visionary scientists from the early years of the nuclear age

Naukowcy-wizjonerzy z początku ery jądrowej

pioneered how to reliably tap the tremendous amount of energy

zapoczątkowali wykorzystanie ogromnej ilości energii z atomu

inside an atom -

as an explosive bomb

jako wybuchowej bomby

and as a controlled power source with incredible potential.

i jako kontrolowane źródło energii o niewiarygodnym potencjale.

Jednak ich następcy nauczyli się patrzeć z pokorą

But their successors have learned humbling insights

about the technology's not-so-utopian industrial limits.

na dalekie od utopii ograniczenia przemysłowe.

Mining the subatomic realm makes for complex, expensive, and risky engineering.

Eksploatacja sfery subatomowej jest skomplikowana, droga i ryzykowna.