Alternatywne źródła energii
ALTERNATYWNE ŹRÓDŁA ENERGII
WIATR ŹRÓDŁEM ENERGII
Wiatr istnieje tak długo jak słońce i atmosfera, bowiem powstaje w wyniku nierównomiernego nagrzewania się powietrza nad lądem i morzem. Powoduje to tworzenie się różnicy ciśnień i w efekcie powstają ruchy cyrkulacyjne powietrza. Szacuje się, że około 1% energii promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi ulega konwersji w energię kinetyczną wiatru.
Od starożytności do współczesności
Po raz pierwszy na pomysł pozyskiwania energii z wiatru wpadły ludy starożytne – Chińczycy i Babilończycy – budując pierwsze wiatraki 5 tysięcy lat temu. Z przekazów pisemnych wiemy, że w I wieku naszej ery wybitny inżynier starożytności Aleksandryjczyk Heron zbudował organy napędzane siłą wiatru. Największą popularność wiatraki przeżywały w XVI i XVII wieku. W Holandii używano ich do osuszania nisko położonych terenów nadmorskich w takiej ilości, że do dzisiaj kraj ten nazywany bywa ojczyzną wiatraków. Tylko w XVIII-wiecznej Polsce pracowało 20 000 tych urządzeń!
Idea współczesnych elektrowni powstała w krajach skandynawskich. W Danii liczbę wielkich wiatraków przystosowanych do produkcji energii na skalę przemysłową szacuje się na około 4 000. Tymczasem w Polsce energetyka wiatrowa jest ciągle w powijakach. Niewielkie zainteresowanie budową wiatraków w naszym kraju wynika po części z nienajlepszych warunków naturalnych. Według Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej na około 40% terytorium kraju panują warunki odpowiednie do budowy elektrowni wiatrowych. Jednak w większości przypadków wiatry wieją tam z prędkością około 4 m/s, którą uważa się za granicę opłacalności inwestycji. Z drugiej strony w Niemczech, gdzie warunki wiatrowe są zbliżone do polskich, moc zainstalowanych siłowni wiatrowych jest około 500 razy większa niż w naszym kraju. W Polsce najlepszymi terenami do budowy elektrowni wiatrowych są: na północy Nizina Szczecińska, pasmo lądu wzdłuż wybrzeża Bałtyku od Koszalina do Zatoki Gdańskiej, północno – wschodni kraniec (rejon Suwałk), w centrum – okolice Gniezna i Mazowsze, na południu Beskidy i Bieszczady. Specjaliści szacuję, że dzięki elektrowniom wiatrowym można by uzyskać 3000 MW energii rocznie.
Wiatraki najczęściej wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej. Powstają jednak siłownie o innym przeznaczeniu: do pompowania wody (tzw. pompy wiatrakowe) przy nawadnianiu pól uprawnych lub osuszaniu terenu oraz do zasilania w wodę wielkich hodowli bydła. Z energii wiatrowej można korzystać w skali indywidualnej lub masowej. Małe wiatraki przydomowe, produkują kilka – kilkanaście kilowatów energii, są przystosowane do dostarczania elektryczności np. do domku na działce. Największe wiatraki , o mocy nawet 2 MW, połączone w tzw. farmy wiatrakowe, czyli zespoły dziesiątków lub setek silników wiatrowych, oddają wyprodukowaną energię do systemu energetycznego kraju.
Sceptycy podkreślają, że pozyskanie kilowata energii wiatrowej jest ciągle droższe niż konwencjonalnej. Wynika to głównie ze skomplikowania i wysokiej ceny instalacji wiatrowych. W dodatku takie elektrownie są mniej wydajne w porównaniu z węglowymi. Do uzyskania 1 MW wirnik wiatraka powinien mieć średnicę około 50 m. To oznacza, że do wyprodukowania 1 GW energii (tyle przeciętnie produkuje elektrownia opalana węglem) należałoby wybudować farmę wiatrową składającą się z 1000 gigantycznych wiatraków. Do tego niezbędne są wielki niezamieszkane obszary.
Opinia publiczna jest nieprzychylna budowaniu farm wiatrowych w pobliżu skupisk ludzkich. Setki ustawionych blisko siebie turbin szpecą krajobraz, emitują nieprzyjemne dźwięki i stanowią zagrożenie dla ptactwa. Przy instalowaniu siłowni należy uwzględnić ocenę oddziaływania inwestycji na środowisko. Istnieją plany budowania wiatraków na platformach wysuniętych w głąb morza.
Budowa elektrowni wiatrowej
Duża czy mała, siłownia wiatrowa jest zbudowana na identycznych zasadach. Składa się z wieży, na której montuje się pozostałe elementy. Najbardziej widoczna jest turbina o osi poziomej, z wirnikiem wyposażonym w 2-4 łopaty wykonane z materiału odpornego na działanie warunków atmosferycznych, wytrzymałego i lekkiego, np. z drewna impregnowanego żywicą epoksydową lub włókien węglowych. Wirniki wykonują 20–50 obrotów na minutę i są połączone z prądnicą za pomocą przekładni.
Zarówno prędkość wiatru, jak i jego kierunek zmieniają się w sposób losowy. To sprawia, że konieczne jest stosowanie automatycznych układów regulacji i sterowania, których zadaniem jest utrzymanie optymalnego stanu pracy siłowni. Jedną z najważniejszych funkcji układu sterowania jest automatyczne ustawianie wirnika elektrowni na kierunek wiatru, na podstawie sygnałów ze wskaźnika kierunku wiatru umieszczonego na gondoli wiatraka. Większość wiatraków zaczyna produkować prąd przy prędkości wiatru 3-5 m/s. Inną ważną funkcją układu sterowania jest regulacja mocy wirnika elektrowni wiatrowej. W nowoczesnych urządzeniach osiąga się to poprzez zmianę kąta nastawienia skrzydeł.
Prąd wyprodukowany za pomocą wiatraków można zmagazynować w akumulatorach (rozwiązanie zalecane w przypadku małych przydomowych elektrowni) bądź sprzedać do sieci. W polskim prawie znajduje się zapis, zgodnie z którym dostawca energii wyprodukowanej w ten sposób ma pierwszeństwo przed innymi dostawcami, a państwowy odbiorca musi przyjąć całą wyprodukowaną przez niego energię.
Działanie elektrowni wiatrowej a ochrona środowiska
Elektrownia wiatrowa wytwarza energię elektryczną z energii wiatru za pomocą silnika wiatrowego sprężonego z generatorem elektrycznym. Energię wiatru przetwarza się w turbinach wiatrowych. Turbiny te pracują w sposób ekologicznie bezpieczny, choć szpecą krajobraz i ich generatory pracują hałaśliwie. Sprawność energii wiatrowej wynosi poniżej 40%. Moc największych nie przekracza 5 MW.
SŁOŃCE ŹRÓDŁEM ENERGII
Groźba, że w bieżącym stuleciu paliwa kopalne staną się towarem deficytowym jest bardzo realna. Dlatego na całym świecie są prowadzone prace nad rozwiązaniem nadciągającego kryzysu energetycznego. Okazuje się, że jedynym znanym obecnie źródłem energii wystarczająco obfitym, by zaspokoić globalne potrzeby przez praktyczne nieskończony czas (kilka miliardów lat), jest Słońce. Promieniowanie cieplne na Słońcu powstaje w wyniku reakcji termojądrowych (syntezy helu i wodoru) zachodzących we wnętrzu gwiazdy. Z kilograma wodoru biorącego udział w tych procesach uzyskuje się taką ilość energii, jaką daje spalenie 27 000 ton węgla kamiennego. Współcześnie istnieją trzy podstawowe metody zbierania energii słonecznej: pasywne, aktywne i fotowoltaiczne (fotoelektryczne).
Systemy pasywne
Najprostszym sposobem pozyskiwania energii słonecznej jest zastosowanie tzw. pasywnego ogrzewania słonecznego. Doświadczamy tego na sobie, gdy się opalamy. Przykładem urządzenia wykorzystującego metodę pasywną jest kuchenka słoneczna – izolowana termicznie skrzynia z czarnym wnętrzem i szklaną pokrywką. Przy stałym nasłonecznieniu jej wnętrze może się rozgrzać do 1300C – temperatury wystarczająco wysokiej, aby można było w niej gotować jedzenie.
Jeszcze popularniejsze jest stosowanie odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych budynków, np. rozbudowywanie nasłonecznionych ścian oraz instalacja dużych okien od strony południowej. Ciepło jest rozprowadzane drogą swobodnej konwekcji powietrza, które odbiera energię od elementów nagrzanych i transportuje ją do innych części budynku. Podejmowane są próby wykorzystywania tzw. izolacji transparentnych, którymi pokrywa się zewnętrzne ściany budynku. Odpowiedni materiał, np. aerożel (dmuchana celuloza), łatwo przepuszcza promieniowanie słoneczne do wnętrza, zatrzymuje zaś ciepło uciekające. Niestety na razie jest to bardzo kosztowna metoda.
Systemy aktywne
Efektywniejsze są tzw. aktywne technologie słoneczne, wymagające stosowania płaskich kolektorów słonecznych. Z reguły są to prostokątne konstrukcje instalowane na wystawionej do Słońca części dachu. Ich podstawowym elementem jest absorber – pochłaniacz energii promieniowania słonecznego. Najprostsze absorbery są pomalowane czarną farbą, w bardziej skomplikowanych stosuje się specjalne pokrycia (np. dwuwarstwowe niklowo – chromowe), które mają bardzo wysoką zdolność pochłaniania i gromadzenia energii. Pod każdym absorberem są umieszczone rurki z tzw. czynnikiem roboczym: wodą (jej wymuszony obieg jest wykorzystywany do ogrzania mieszkania i w celach sanitarnych) lub powietrzem (używanym w gospodarstwach rolnych np. do suszenia płodów rolnych: ziarna, siana, itp.). Często kolektory słoneczne współpracują z alternatywnym źródłem ciepła, np. bojlerem elektrycznym lub gazowym, dlatego w razie niewystarczającej temperatury wody podawanej z kolektora automatycznie włącza się dogrzewanie.
Podejmuje się próby stosowania aktywnych technologii słonecznych do produkcji energii elektrycznej na dużą skalę w tzw. elektrowniach słonecznych, np. w Mont Louis we Francji. Zastosowano tu tzw. kolektory skupiające: systemy luster (wklęsłych parabolicznych talerzy), pokrywające duże, kilkuhektarowe powierzchnie. Kolektory akumulują energię słoneczną w tzw. kotle słonecznym (w którym temperatura osiąga nawet 3000oC), wytwarzającym parę wodną do zasilania turbiny parowej napędzającej generator prądu elektrycznego.
Systemy fotoelektryczne
Do bezpośredniego przetwarzania promieniowania słonecznego w energię elektryczną służą ogniwa fotoelektryczne. Wykorzystują one zjawisko fotowoltaiczne, zachodzące w półprzewodnikach, które po raz pierwszy zaobserwował w 1839 roku francuski fizyk Antoine Cesar Becquerel.
Ogniwo jest zbudowane z dwóch półprzewodników, z których jeden gromadzi ładunki dodatnie, zaś drugi ujemne. Dwie warstwy są umieszczone między dwoma metalowymi stykami i przykryta siatką. Gdy foton światła uderza w połączenie między półprzewodnikami, wybija z tego miejsca elektron; powstaje tam tzw. dziura. Dziury zachowują się jak ładunki dodatnie i mogą zmieniać swoje położenie wewnątrz materiału, stając się dodatnimi nośnikami elektryczności. Elektrony i dziury są przyciągane do właściwych im półprzewodników, wzbudzają w ten sposób napięcie elektryczne. Pojedyncze ogniwa łączy się w baterie, z których tworzy się zestawy o wymaganej mocy. Do najczęściej stosowanych ogniw fotoelektrycznych należą ogniwa krzemowe o dużej niezawodności i długotrwałości działania.
Ogniwa fotoelektryczne są na razie bardzo kosztowne. Dlatego głównie zastosowanie znalazły tam, gdzie inne metody generowania elektryczności są niemożliwe lub nieopłacalne, przede wszystkim w technice kosmicznej do zasilania urządzeń pokładowych na satelitach badawczych i łącznościowych, w statkach kosmicznych i stacjach orbitalnych. Próby ich stosowania w życiu codziennym mają na razie głównie eksperymentalny charakter. We Francji zbudowano np. przekaźnik telewizyjny zasilany przez baterie fotoogniw. Wykorzystuje się je także do zasilania świateł na bojach dróg wodnych, świateł latarni morskich, automatycznych stacji meteorologicznych i przeciwpożarowych w lasach i dżunglach. Z ogniw korzystamy także na co dzień, gdy używamy słonecznych kalkulatorów i zegarków. Jako prototypy fotoogniwa są wykorzystywane do ogrzewania domów, napędzania samochodów, oświetlania ulic.
Obecnie wykorzystanie promieni słonecznych jako źródła energii jest sporadyczne. Jednak cena elektryczności pochodzącej z baterii słonecznych powinna spadać z upływem czasu – warunkiem powodzenia jest rozwiązanie trudności związanych m.in. z przechowywaniem, przesyłaniem i sprawniejszym zastosowaniem wytwarzanego prądu w fotoogniwach. Jeśli to się uda, ludzkość będzie mogła korzystać z dobrodziejstw Słońca bez ograniczeń.
Działanie elektrowni słonecznej a ochrona środowiska
Elektrownia słoneczna zwana także helioelektrownią przetwarza energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną bezpośrednio przy pomocy przetworników fotoelektrycznych, fotoogniw lub też pośrednio, absorbując początkowo energię słoneczną w kolektorach w formie energii cieplnej później przetwarzanej na energię elektryczną. Ogromną zaletą stosowania tego źródła energii jest to, że jej produkcja nie powoduje żadnych skażeń środowiska. Specjaliści obliczyli, że już 0,2% energii słonecznej wystarczyłoby na pokrycie aktualnych potrzeb energetycznych ludzkości.
WODA ŹRÓDŁEM ENERGII
Energia hydroelektryczna jest rodzajem przetworzonej energii słonecznej. Słońce odparowuje wody powierzchniowe, które unoszą się do atmosfery, tam ulegają schłodzenie, z powrotem opadają w postaci deszczu lub śniegu i napełniają strumienie i rzeki. Obieg wody w przyrodzie sprawia, że jej zasoby stale się odnawiają.
Koło wodne
Zalety wody jako źródła energii dostrzeżono w starożytności. Prawdopodobnie już w III wieku p.n.e. w Egipcie zaczęto stosować do mielenia ziarna podsiębierne koła wodne. Najważniejszym elementem tego urządzenia było koło z łopatkami na obwodzie, dolną częścią zanurzone w strumieniu i poruszane siłą jego naporu. Starożytne koła wodne miały pionową oś obrotu , z powodu braku przekładni przyspieszającej obroty kamienia żarnowego w stosunku do powolnych obrotów koła budowano je tylko w bystrych, górskich strumieniach.
Około I wieku p.n.e. na Bliskim Wschodzie pojawiły się młyny wodne stanowiące połączenie koła wodnego z żarnami obrotowymi. Poruszany przez wodę poziomy wał koła przekazywał ruch pionowemu wałowi napędzającemu kamień młyński za pośrednictwem prostokątnej przekładni zębatej. Podobnych konstrukcji używano do początku średniowiecza, zmieniła się tylko ich wydajność – zespoły młyńskie złożone z kilkunastu kół potrafiły zemleć w ciągu doby nawet 30 ton ziarna.
W V wieku zaczęto stosować bardziej wydajne koła nasiębierne, wprawiane w ruch przez wodę spadającą na łopatki z pewnej wysokości. Przyspieszyło to ruch żaren i uniezależniło ich pracę od stanu rzeki. Rozszerzyła się także skala zastosowań kół wodnych, zaczęto ich używać m.in. do napędu tartaków, miechów hutniczych, młotów w kuźniach i przędzalniach. Do połowy XIX wieku koła wodne były głównym dostarczycielem energii elektrycznej, dlatego ośrodki przemysłowe lokowano w okolicach wód bieżących. Znaczenie kół wodnych spadło dopiero po pojawieniu się bardziej wydajnych turbin wodnych.
Energia rzek
Turbina wodna to silnik przepływowy, którego wirnik jest osadzony na wale i obraca się na skutek działania wody wywierającej napór hydrodynamiczny na jego łopatki. Dzięki temu turbina wykonuje użyteczną pracę mechaniczną, przetwarzając energię kinetyczną strumienia wody w energię ruchu obrotowego.
Pierwowzorem turbiny (tzw. reakcyjnej) było koło Segnera o osiowym dopływie i obwodowym odpływie wody, wynalezione przez Niemca Johanna Andreasa von Segnera w 1750 roku. Turbina reakcyjna wykorzystuje oprócz energii kinetycznej spadku wody także energię ciśnienia zawartego w cieczy; dzięki odpowiednio ustawionym łopatkom wypływająca z turbiny woda ma większe ciśnienie od wpływającego strumienia. Ten rodzaj turbiny wynalazł Benoit Fourneyron (1827), a udoskonalili m.in. James Bicheno Francis (1855) i Victor Kaplan (1921). W 1880 roku Lester Pelton skonstruował pierwszą turbinę akcyjną, która korzysta wyłącznie z energii kinetycznej spływającej wody.
Oba rodzaje turbin są wykorzystywane do pozyskiwania użytecznej energii w hydroelektrowniach. Spadająca woda jest kierowana na łopatki turbiny, która zamienia energię ruchu wody w energię mechaniczną. Obroty łopatek turbiny poruszają wał połączony z generatorem, który produkuje elektryczność. Turbiny reakcyjne stosuje się w hydroelektrowniach niskospadowych (do 20 metrów), gdzie woda ma mniejszą energię kinetyczną. Turbiny akcyjne są instalowane w hydroelektrowniach wysokospadowych (do 150 metrów).
Hydroelektrownie można podzielić na regulacyjne (zbiornikowe), ze zbiornikiem retencyjnym umieszczonym przed zaporą, dzięki czemu mogą one pracować niezależnie od stanu wód, oraz przepływowe, niemające zbiornika, w których ilość wyprodukowanej energii zależy od ilości wody płynącej w rzece w danym momencie.
Hydroenergetyka rozwinęła się na dużą skalę po II wojnie światowej. Zaczęły wówczas powstawać gigantyczne zapory połączone z elektrowniami wodnymi regulacyjnymi, np. Tama Asuańska w Egipcie (długość 3600 m, wysokość 111 m, elektrownia z 12 turbinami o łącznej mocy 2100 MW) czy zapora Itaipu na Paranie na granicy Brazylii i Paragwaju (może wytworzyć 12 600 MW energii). Jednak wszystkie dotychczasowe konstrukcje przebije hydroelektrownia przy Tamie Trzech Przełomów w Chinach, w zachodniej części prowincji Hubei (ukończenie prac przewidziano na 2009 rok). Na fotografii widzimy natomiast zaporę na Jeziorze Roosevelta w Arizonie.
Energia oceanów
Korzystanie z energii wody umożliwiają nie tylko elektrownie na rzekach. Możliwe jest także jej pozyskiwanie z mórz i oceanów. Na skutek obrotowego ruchu Ziemi oraz przyciągania Księżyca i Słońca wokół osi Ziemi przesuwa się fala spiętrzenia wody, co powoduje przypływy i odpływy oceanów. Można je wykorzystać, stawiając pływową zaporę wodną w poprzek wąskiej zatoki morskiej lub lejkowatego ujścia rzeki. W chwili przypływu otwierają się ogromne wrota śluzy i basen pływowy napełnia się wodą. Gdy przypływ osiąga punkt szczytowy, śluza zostaje zamknięta. W czasie odpływu woda jest wypuszczana z basenu. Wirniki turbin obracają się i napędzają wały generatorów zarówno w momencie przypływu morza (napełniania zbiornika wodą), jak podczas wypuszczania wody w czasie odpływu. Praca turbin niezależnie od kierunku przepływu wody stała się możliwa dzięki zastosowaniu turbin Kaplana o zmiennym kącie łopat wirnika. Warunkiem opłacalności działania tego typu hydroelektrowni jest wysokość fali pływowej przekraczająca 5 m. Pierwsza elektrownia tego typu powstała we Francji w 1996 roku, w ujściu rzeki Rance koło Saint-Malo. Fala pływowa sięga tu 13,5 metra wysokości. Wybudowano zaporę o długości 750 metrów i utworzono zbiornik o powierzchni 22 km2. W zaporze zainstalowano 24 turbiny dostarczające 240 MW energii.
Możliwe jest także wykorzystanie falowania morza. Istnieją dwa sposoby pozyskiwania energii fal morskich do napędu turbin. W pierwszym pchana kolejnymi falami woda morska wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku znajdzie się wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę Kaplana sprężoną z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Wykorzystana jest więc przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu. Instalacja tego typu pracuje od 1986 roku na norweskiej wyspie Tortestallen koło Bergen, dając kW mocy. W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale powietrze wprawia w ruch turbinę wiatrową, która napędza generator. Elektrownia tego typu powstała na wyspie Islay w Szkocji.
Działanie elektrowni wodnej a ochrona środowiska
Energię rzek uzyskuje się, wykorzystując przepływ wody w rzekach spowodowany różnicą wysokości w jej górnym i dolnym biegu. Podstawą elektrowni są turbiny wodne, które wprawiają w obrót wirnik generatora energii elektrycznej. Wykorzystanie energii rzek niesie korzyści dwojakiego rodzaju: dostarcza ekologicznie czystej energii oraz reguluje stosunki wodne, zwiększając retencje wód powierzchniowych, co polepsza warunki uprawy roślin oraz zaopatrzenie ludności i przemysłu w wodę.
REAKTOR ATOMOWY ŹRÓDŁEM ENERGII
Energia wyzwolona w reakcji rozszczepienia jednego atomu uranu jest równa energii wytwarzanej przy spaleniu około 50 mln atomów węgla. Jest także znacznie bardziej skoncentrowana: elektrownia jądrowa o mocy elektrycznej 1000 MW zużywa rocznie około 28 ton paliwa jądrowego, a węglowa o tej samej mocy około 3,5 ton węgla.
Elektrownia jądrowa
W elektrowniach jądrowych ciepło wydzielane jest w procesie samorzutnego rozszczepiania ciężkich jąder pierwiastków promieniotwórczych, potem jest przechwytywane przez wodę (zamienianą na parę) i następnie przetwarzane na energię elektryczną. Sprawność tego procesu wynosi 30-42%. Elektrownie jądrowe dostarczają około 17% światowej energii elektrycznej. We Francji aż 73%. Największymi elektrowniami jądrowymi są: Fukushima (Japonia) 9000 MW, Bruce (Kanada) 7000 MW, Grevelines (Francja) 5500 MW. Jednak elektrownie jądrowe niestety nie mają tylko samych plusów – są także i minusy, które są bardzo groźne.
Paliwo jądrowe
Sposób działania elektrowni jądrowej jest podobny do konwencjonalnej. W obu przypadkach jest wytwarzana energia cieplna, służąca do sprężania gazu, który napędza turbiny połączone z generatorami. Różnica polega na odmiennym uzyskiwaniu energii cieplnej. W elektrownii jądrowej źródłem ciepła jest zachodząca w rdzeniu reakcja rozszczepieniowa nietrwałych izotopów metali ciężkich. Tymi metalami są uran (rozpowszechniony w skorupie ziemskiej, ale bardzo rozproszony) oraz pluton (który powstaje w rdzeniu reaktorów na skutek reakcji jądrowych).
W wydobywanej z ziemi rudzie uranowej (uraninicie) znajduje się ponad 99% nierozszczepialnego izotopu uranu238 (nieprzydatnego jako paliwo) oraz śladowe ilości wywołującego reakcję łańcuchową rozszczepialnego izotopu uranu235. Ruda uranowa podlega obróbce chemicznej za pomocą rozpuszczalników w celu uzyskania koncentratu zawierajęcego czyste związki uranu. Następnie w koncentracie zwiększa się zawartość użytecznego uranu235. Proces ten polega na zmianie uranu w gaz i odwirowaniu go z dużą prędkością w wirówce. Cięższe atomy uranu238 zbierają się na ściankach wirówki i są usuwane: pozostały surowiec zawiera do 3% wzbogaconego uranu235. Uran ten jest zagęszczany do postaci granulek, które zamyka się w prętach paliwowych i wprowadza do reaktora.
We wnętrzu reaktora
Uran235 jest izotopem radioaktywnym. Dzieli się samorzutnie, rozszczepiając na dwa jądra pierwiastków o mniejszej masie atomowej, zwanych produktami rozszczepienia. Wydzielające się wówczas neutrony uderzają w inne jądra uranu i powodują podtrzymywanie reakcji rozszczepienia. Przechodząc przez materiał paliwowy (granulowany dwutlenek uranu UO2), jądra produktów rozszczepienia wyhamowują i oddają mu swoją energię, co powoduje jego rozgrzewanie. Każde rozszczepienie jądra atomowego powoduje emisję promieniktóre są niebezpieczne dla organizmów żywych. Materiał paliwowy jest umieszczony w prętach paliwowych. Rdzeń składa się ze 100-200 zestawów (kaset) paliwowych zawierających po 200-300 prętów. Przez kasety przepompowywane jest chłodziwo, które ulega podgrzaniu o kilkadziesiąt stopni. Chłodziwo (w 70% reaktorów na świecie jest nim woda pod ciśnieniem, rzadziej powietrze , azot, ciekły sód, itd.) przepływa do wytwornic pary i w fazie gazowej jest kierowane do turbiny.
Reaktor jest wyposażony w system sterowania, utrzymujący równowagę między wytwarzanym w rdzeniu ciepłem a jego odbiorem przez wodę chłodzącą. Normalnym stanem reaktora jest tzw. stan krytyczny, gdy liczba neutronów powstających w wyniku rozszczepień jest równa liczbie neutronów traconych w tym samym czasie wskutek pochłaniania i ucieczki. Zakłócenie tej równowagi i dopuszczenie do zbyt dużej produkcji ciepła powoduje podwyższenie temperatury paliwa aż do uszkodzenia reaktora (rozszczelnienia koszulek paliwowych i wydostania się części promieniotwórczych produktów rozszczepienia do wody chłodzącej).
Dlatego w przypadku przekroczenia stanu krytycznego do reaktora opuszcza się pręty wykonane z boru lub kadmu. Pochłaniają one część neutronów i osłabiają lub wygaszają reakcję łańcuchową, a w konsekwencji prowadzą do zmniejszenia produkcji ciepła w paliwie.
Typy reaktorów
Elektrownie jądrowe produkujące użyteczną energię mogą być wyposażone w reaktory termiczne lub reaktory prędkie. W pierwszych neutrony s ą spowalniane w moderatorze (substancji o małej masie atomowej) do energii poniżej 0,1 eV (elektrowolta), w drugich nie używa się materiałów spowalniających neutrony i ich energie są na ogół wyższe, od 100 000 eV.
Wśród reaktorów termicznych najbardziej rozpowszechnione są reaktory lekkowodne (LWR – Light Water Reactor), w których zwykła, („lekka”), woda jest jednocześnie moderatorem i chłodziwem. W tej grupie wyróżnia się dwa typy reaktorów o nieco różnej konstrukcji i zasadniczo różnym działaniu. Są to tzw. ciśnieniowe reaktory wodne (PWR – Pressurized Water Reactor) oraz reaktory z wodą wrzącą (BWR – Boiling Water Reactor).
W reaktorze wodnym ciśnieniowym ciepło z rdzenia reaktora jest przekazywane do turbiny za pośrednictwem aż trzech oddzielnych pętli obiegu chłodziwa. W reaktorze wodnym wrzącym woda chłodząca sama napędza generator, dlatego zagrożenie wyciekami radioaktywnych izotopów jest większe.
Reaktory prędkie nie mają spowalniacza. Jako paliwo stosuje się w nich mieszaninę uranu i plutonu. Ciepło z takiego reaktora jest odbierane za pomocą chłodziwa w postaci ciekłego sodu. Te reaktory mają szczególną właściwość powielania paliwa (stąd nieraz nazwa reaktory powielające), tj. przetwarzania w rdzeniu reaktora w wyniku reakcji z neutronami nierozszczepialnych jąder uranu w rozszczepialne jądra plutonu239, który jest doskonałym paliwem jądrowym.
KATASTROFY W ELEKTROWNIACH JĄDROWYCH A SKAŻENIE ŚRODOWISKA NATURALNEGO
Naturalna promieniotwórczość otoczenia
Substancje promieniotwórcze znajdują się w środowisku naturalnym Ziemi od samego początku jej istnienia. Nawiasem mówiąc, początkowo było ich znacznie więcej. Te z nich, które miały względnie krótkie w geologicznej skali czasu okresy połowicznego rozpadu znikły samoistnie – rozpadły się. Inne, bardzo długożyciowe, pozostały, lecz ich aktywność zmniejszyła się. Obecnie łącznie występuje na Ziemi ponad 50 różnych naturalnych izotopów pierwiastków promieniotwórczych. Głównie są to alfa-promieniotwórcze izotopy ciężkich pierwiastków zapoczątkowujące tzw. szeregi promieniotwórcze: uranowy (238U), torowy (232Th), aktynowo-uranowy (235U). Szeregi promieniotwórcze to rodziny kolejno rozpadających się izotopów promieniotwórczych, w większości względnie krótkożyciowych. W skład szeregów promieniotwórczych wchodzi łącznie ponad 30 izotopów alfa, beta i gamma promieniotwórczych. W przyrodzie powszechnie występuje też długożyciowy radioaktywny izotop potasu - 40K (emitujący promieniowanie beta i gamma). W ciele człowieka w każdej sekundzie następuje ok. 3000 rozpadów promieniotwórczych tego izotopu. Mówimy, że 40K zawarty w ciele człowieka ma aktywność 3000 bekereli (1 bekerel = 1 Bq = 1 rozpad na sekundę).
Górne warstwy atmosfery Ziemi bombardowane są nieustannie przez promieniowanie kosmiczne – strumień wysokoenergetycznych cząstek elementarnych, głównie protonów. Wywołują one reakcje jądrowe prowadzące do powstawania kolejnych kilkunastu rodzajów tzw. kosmogenicznych pierwiastków promieniotwórczych, najsłynniejszym z nich jest czysto beta-promieniotwórczy izotop węgla 14C, wbudowujący się do organizmów żywych. Jego aktywność w ciele człowieka wynosi około 2000 Bq. Promieniowanie kosmiczne wytwarza też strumień wtórnych cząstek docierających częściowo do powierzchni Ziemi i oddziałujących na organizmy żywe.
Oddziaływanie promieniowania przenikliwego na materię żywą
W wyniku pochłonięcia promieniowania jonizującego przez materię odkłada się w niej dawka (tzw. dawka pochłonięta). Jest to sumaryczna ilość energii pochłonięta w danej masie. Wyraża się ją w grejach (Gy). Niestety, dawka okazała się być wielkością zbyt ogólną do opisu skutków oddziaływania promieniowania z organizmem żywym. Skutek ten pełniej opisuje wielkość nazwana dawką skuteczną. Uwzględnia ona różną przenikliwość poszczególnych typów promieniowania oraz metabolizm danego pierwiastka.
Każdy atom izotopu promieniotwórczego danego pierwiastka zachowuje się chemicznie i biochemicznie jak zwykły atom tego pierwiastka aż do pewnej, przypadkowej chwili, gdy ulegając właściwemu sobie rozpadowi przekształca się w inny pierwiastek chemiczny, emitując promieniowanie jonizujące. W skład tego promieniowania mogą wchodzić cząstki alfa (jądra helu) lub beta (elektrony lub pozytony) oraz, bardzo często, lecz nie zawsze, kwanty promieniowania gamma (fotony). Fotony promieniowania gamma w swej istocie fizycznej nie różnią się od fotonów światła widzialnego, niosą jednak energię co najmniej kilkaset tysięcy razy większą. Są one bardziej przenikliwe od promieniowania beta, a tym bardziej od alfa. Duża przenikliwość oznacza, że kwanty gamma mogą wnikać głęboko w materię, a więc tracą swoją energię wzdłuż względnie długiej drogi. Odwrotnie, mało przenikliwe cząstki alfa, przekazują całą swoją energię na małej drodze. Substancje alfa i beta promieniotwórcze oddziaływają na nas dopiero po dostaniu się do organizmu (lub na powierzchnię skóry), podczas gdy duża przenikliwość promieniowania gamma umożliwia substancjom emitującym to promieniowanie oddziaływać na nas również z otoczenia, tzn. z pewnej odległości. Emisja cząstki alfa następująca w organizmie żywym prowadzi do największych uszkodzeń tkanek. Dla cząstek beta i kwantów gamma uszkodzenia są mniejsze, ale występują na większym obszarze. Czas połowicznego zaniku (fizyczny) określa skalę czasową w jakiej dana substancja promieniotwórcza obecna jest w środowisku. Od chwili jednorazowego skażenia, po upływie czasu niewiele przekraczającym trzy razy czas połowicznego zaniku, aktywność danej substancji spada do poniżej 10% swojej początkowej wartości. Przy wniknięciach do organizmu ważny jest też tzw. czas biologiczny połowicznego zaniku. Definiuje się go jako czas, po którym połowa z wchłoniętej aktywności opuści organizm. Przykładowo, dla 137Cs fizyczny czas połowicznego zaniku wynosi 30 lat, natomiast czas biologiczny tylko około 100 dni.
Dawkę skuteczną wyraża się w siwertach (Sv). Ocenia się, że otaczająca i wbudowana w nas promieniotwórczość naturalna wraz z wtórnym promieniowaniem kosmicznym docierającym do powierzchni Ziemi na poziomie morza, średnio prowadzi do pochłonięcia dawki około 2,8 mSv w ciągu roku. Za bezpieczne uważa się otrzymanie dodatkowo rocznie dawki skutecznej równej 1 mSv. Tego rzędu dawki skuteczne wynikają z np. prześwietlenia płuc. Dawka skuteczna przekraczająca kilka siwertów (a więc kilka tysięcy razy większa), otrzymana w krótkim czasie, prowadzi do śmierci człowieka. Objawy choroby popromiennej można obserwować u osób, które otrzymały dawki skuteczne większe od 0.75 Sv (inaczej: 750 mSv). Mniejsze dawki skuteczne wpływają jedynie na wzrost prawdopodobieństwa zmian genetycznych u otrzymujących je ludzi oraz ich potomstwa, oraz wzrost prawdopodobieństwa zapadnięcia na chorobę nowotworową. Skutki te określa się mianem tzw. skutków stochastycznych. Wierzy się, że prawdopodobieństwo wywołania skutków stochastycznych jest wprost proporcjonalne do otrzymanej dawki skutecznej nawet dla małych dawek. Słowo "wierzy się" oddaje aktualny stan wiedzy na ten temat. Związek ten jest dobrze udokumentowany dla dawek skutecznych rzędu kilkuset mSv lub większych. Jednak brak jest dobrych danych statystycznych w obrębie małych dawek skutecznych (np. 20 mSv), dokumentujących prostą proporcjonalność obu wielkości. Ostatnio pojawiają się zwolennicy kontrowersyjnej tezy, że w obszarze tak małych dawek promieniowanie może być wręcz korzystne dla zdrowia ludzi.
Skażenia promieniotwórcze
Przez skażenia promieniotwórcze środowiska rozumie się wzrost koncentracji naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w biosferze spowodowany działalnością człowieka (np. przy wydobywaniu i spalaniu kopalin) lub pojawienie się (od lat czterdziestych XX w.) substancji promieniotwórczych nie występujących wcześniej w środowisku, tzw. sztucznych pierwiastków promieniotwórczych. Głównym źródłem tych ostatnich substancji były próbne wybuchy jądrowe prowadzone w atmosferze, katastrofy reaktorów (w tym największa - czarnobylska) oraz przeróbka i składowanie paliwa jądrowego.
Wybuchy jądrowe w atmosferze prowadziły USA, ZSRR, Francja, Anglia i Chiny. W 1963 roku supermocarstwa (USA, ZSRR i Wielka Brytania) podpisały traktat o zaprzestaniu prób w atmosferze, później dołączyła do nich Francja i Chiny. Największe nasilenie wybuchów miało miejsce tuż przed jego podpisaniem. Ostatni wybuch atmosferyczny przeprowadziły Chiny w 1980 roku. Łączna moc wybuchów przekraczała dwadzieścia tysięcy razy moc bomby zrzuconej na Hiroszimę. Wybuchy spowodowały globalny opad promieniotwórczy, obejmujący całą kulę ziemską. Opad po wybuchach zawierał, oprócz wielu szybko rozpadających się izotopów, również i izotopy względnie długożyciowe. W Polsce, na jeden metr kwadratowy przeciętny opad najważniejszych z nich wynosił: 4800 Bq dla 137Cs (emiter promieniowania beta i gamma, czas połowicznego zaniku 30 lat), 3000 Bq dla 90Sr (emiter promieniowania beta, czas połowicznego zaniku 28 lat), 58 Bq dla 239+240Pu (emiter promieniowania alfa, czas połowicznego zaniku 24 100 lat), 25 Bq dla 241Am (emiter promieniowania alfa i gamma, czas połowicznego zaniku 432 lata). Ponad 90% opadu miało miejsce przed 1966 rokiem.
Dawka skuteczna dla przeciętnego mieszkańca półkuli północnej otrzymana w ciągu całego życia (70 lat) w wyniku tego opadu wynosi 4,5 mSv, a więc stanowi trzydziestokrotnie mniejszą dawkę od tej, jaką otrzyma on w tym czasie od tła naturalnego.
Katastrofa Elektrowni Jądrowej w Czarnobylu
26 kwietnia 1986 roku wydarzyła się najpoważniejsza, jak dotąd, katastrofa reaktora jądrowego. W Elektrowni Jądrowej im. Lenina w Czarnobylu na Ukrainie, w trakcie rutynowego, okresowego wyłączania najnowszego wówczas, czwartego reaktora elektrowni przeprowadzano eksperyment służący, paradoksalnie, wzrostowi bezpieczeństwa pracy reaktora. Eksperyment powinien zostać przeprowadzony dwa lata wcześniej, przed oddaniem reaktora do eksploatacji. Jednak wówczas jego przeprowadzenie zagrażało przedplanowemu oddaniu reaktora do użytku i odłożono go na później, łamiąc jeden z przepisów eksploatacji reaktorów. Młodszym czytelnikom należy uświadomić, że w gospodarce komunistycznej swoistą rutyną (od której zależało wypłacanie premii) było oddanie inwestycji nie zgodnie z planem, lecz wcześniej. Eksperyment polegał na sprawdzeniu jak długo w sytuacji awaryjnej, po ustaniu napędzania turbin generatorów parą z reaktora, energia kinetyczna ich ruchu obrotowego produkuje wystarczającą ilość energii elektrycznej dla potrzeb awaryjnego sterowania reaktorem. Czas ten potrzebny jest by uruchomić system awaryjnego zasilania elektrycznego sterowania reaktorem - mały generator elektryczny napędzany przez silnik spalinowy. Dla przeprowadzenia eksperymentu potrzebne było symulowanie sytuacji awaryjnej. Praktycznie wszystkie automatyczne systemy bezpieczeństwa reaktora zostały wyłączone, aby nie przerwały eksperymentu.
Paliwo reaktora jądrowego w czasie jego eksploatacji staje się znacznie bardziej radioaktywne niż jest początkowo. Dzieje się tak, gdyż pojawiają się w nim produkty rozszczepienia uranu mające znacznie mniejszy czas połowicznego zaniku od samego uranu (przy tej samej masie oznacza to znacznie wyższą aktywność). Ponadto w wyniku reakcji jądrowych wywołanych przez obecne w reaktorze neutrony, w tzw. procesach aktywacji, wiele nieradioaktywnych pierwotnie materiałów staje się radioaktywnymi. Wielość substancji zawartych w wypalonym paliwie jądrowym bardzo komplikuje przebieg procesów zachodzących przy zmianach strumienia neutronów, a więc przy wszelkich próbach regulacji mocy reaktora. Właśnie dla uniknięcia zbytniej złożoności obsługi reaktora paliwo wymienia się po okresie około dwóch lat.
Reaktory w czarnobylskiej elektrowni jądrowej są reaktorami typu RBMK – 1000. Nazwa reaktora to skrót od rosyjskiej nazwy “reaktor dużej mocy kanałowy”, liczba 1000 odnosi się do rozwijanej mocy elektrycznej 1000 MW (moc cieplna wynosi 3000 MW). Na świecie istnieje tylko kilkanaście takich reaktorów, wszystkie na terenie byłego ZSRR. Mają szczególną konstrukcję. Ich cechą charakterystyczną jest wykorzystanie w charakterze tzw. moderatora (substancji służącej do spowalniania neutronów) grafitu. Mają też pewną szczególną cechę eksploatacyjną. W zakresie pracy przy małych mocach bywa niestabilny, a więc może zwiększyć moc w sposób niekontrolowany. W terminologii technicznej określa się to mianem możliwości wystąpienia dodatniej reaktywności przy pewnych warunkach pracy. Własność ta, będąca poważną wadą zagrażającą bezpieczeństwu eksploatacji, była znana już na etapie projektowym reaktora, jednak jego zaleta – możliwość stosunkowo łatwej produkcji plutonu dla potrzeb sektora wojskowego (wytwarzanie broni jądrowej) przeważyła i zdecydowano się wprowadzić ten typ reaktora do eksploatacji. Musiano w tym celu nawet zmienić obowiązujące w ZSRR prawo atomowe, gdyż poprzednie wymagało zagwarantowania stabilności pracy reaktora w każdych warunkach. Z drugiej strony właśnie ze względu na łatwą produkcję plutonu w tym typie reaktora, nie był on eksportowany poza granice ZSRR.
Eksperyment zaplanowano na godziny popołudniowe 25 kwietnia 1986 roku. Do jego przeprowadzenia wybrano lepszą część załogi i przeszkolono ją. Rozpoczęto go zgodnie z planem redukując moc reaktora we wczesnych godzinach popołudniowych, jednak główny dyspozytor mocy systemu energetycznego zażądał dalszej produkcji energii elektrycznej i zezwolił na wyłączenie reaktora dopiero w godzinach nocnych.
Wymienione powyżej czynniki (a więc konstrukcja dopuszczająca dodatnią reaktywność, eksploatacja w warunkach gospodarki niedoboru, wyłączenie systemów bezpieczeństwa) oraz ewidentne błędy operatora chcącego za każdą cenę doprowadzić do założonych parametrów wyjściowych eksperymentu (nawet z pogwałceniem zasad eksploatacji tego typu reaktorów) doprowadziły (o godzinie 1.23 czasu moskiewskiego) do utraty kontroli nad mocą reaktora, która w pewnej chwili wzrosła ponad stukrotnie. Tego nie mogła wytrzymać konstrukcja. Eksplodował najpierw układ chłodzenia, a potem wodór i tlen powstałe z rozkładu termicznego wody. Należy podkreślić, że był to wybuch chemiczny, nie jądrowy.
Wybuch zapoczątkował pożar grafitu (moderatora). Pożar trwał 10 dni, temperatura osiągała 2000 C0. Wiele wysiłku włożono w próby ugaszania go, jednak próby te później okazały się praktycznie bezskuteczne. Aktualnie przyjmuje się, że pożar zakończył się samoistnie w chwili przepalenia betonowego stropu na którym znajdował się reaktor, gdy stopione paliwo spłynęło do pomieszczenia poniżej mającego służyć pierwotnie do przechowywania wykorzystanego paliwa.
W wyniku wybuchu a następnie pożaru do atmosfery przedostało się kilkadziesiąt izotopów promieniotwórczych o łącznej aktywności przekraczającej 1019 Bq. Uwolniona aktywność stanowiła jednak tylko ok. 4% całkowitej aktywności zawartej w reaktorze. Substancje nielotne (np. pluton, cyrkon, cer, niob itp.) zostały uwolnione w trzech procentach swej całkowitej aktywności w reaktorze, substancje lotne (np. jod, cez, tellur) odparowały w ilości od dwudziestu do sześćdziesięciu procent swej zawartości w reaktorze, a gazy szlachetne (np. ksenon i krypton) uwolnione zostały w stu procentach. Prądy termiczne wywołane pożarem i wybuchem wyniosły skażenia na początkową wysokość ok. 2 km, skąd rozchodziły się zgodnie z kierunkiem przepływu mas powietrza, przy czym duże aerozole opadały bliżej, a drobne, mikronowe lub mniejsze mogły unosić się tygodniami w powietrzu. Proporcje pomiędzy poszczególnymi izotopami promieniotwórczymi w opadzie radioaktywnym zmieniały się z odległością od reaktora, gdyż duże aerozole zawierały głównie substancje nielotne, a drobne były kondensatami substancji lotnych. Proporcje te zmieniały się też w kolejnych dniach, co wynikało ze zmian temperatury pożaru. Łatwo mierzalne skażenia obserwowano w całej Europie, a ślady skażeń wykryto praktycznie na całej półkuli północnej. Orientacyjną mapę skażeń Europy długożyciowym izotopem 137Cs przedstawiono na rysunku. Mapa ta opracowana jest na podstawie publikacji naukowych z poszczególnych krajów.
Nadciągające bezpośrednio z Czarnobyla nad Polskę skażone powietrze pochodziło z emisji trwającej praktycznie tylko jedną, pierwszą dobę. Najprawdopodobniej już w nocy z 26 na 27 kwietnia skażeniu uległ rejon Suwałki-Augustów, ale te skażenia nie były wówczas wykryte. Z chmury przemieszczającej się na dużym pułapie w kierunku Skandynawii częściowo nad tym terenem wypadały stosunkowo duże aerozole (przeciętna średnia rzędu 5-10 mikrometrów). Wytworzone tam skażenia charakteryzują się większymi względnymi koncentracjami izotopów pierwiastków mało lotnych (cer, cyrkon, ruten, pluton, stront itd.), obserwowanych w tzw. "gorących cząstkach typu paliwowego”. Terminem tym określa się drobno rozpylone fragmenty paliwa jądrowego. Nad tereny północno-wschodnie na niskim pułapie (tj. w warstwie przyziemnej powietrza) skażenia zaczęły napływać około północy z 27.04 na 28.04, skąd w wyniku zmiany kierunku przepływu mas powietrza zaczęły przenikać w kierunku południowo-zachodnim. Później, obłok promieniotwórczy przekraczający naszą granicę w rejonie Brześcia nad Bugiem przemieszczał się wprost w kierunku Śląska, opuszczając Polskę 1 maja. Maksymalnie aktywność powietrza osiągała wartości kilkuset bekereli w metrze sześciennym, dla Krakowa przykładowo było to 300 Bq/m3 utrzymujące się przez prawie pół dnia 29.04. W pierwszych dniach awarii w opadzie i w powietrzu dominowały krótkożyciowe izotopy głównie jodu i telluru. Wykryte w powietrzu i opadzie substancje promieniotwórcze zestawiono w Tabeli 1. Z dozymetrycznego punktu widzenia najbardziej istotny był początkowo 131I, później, tj. w kolejnych latach, 137Cs.
W następnych dniach docierały nad Polskę kolejne fale skażonego powietrza, ale było to już powietrze zawierające dużo mniejsze skażenia, gdyż docierało do nas nie bezpośrednio ze wschodu, lecz np. po zatoczeniu dużego łuku nad Bałkanami od południa, jak skażenia widoczne w powietrzu w pierwszym tygodniu maja 1986. Szczęśliwie dla Polski w chwili przechodzenia najbardziej skażonych mas powietrza deszcze padały jedynie na małych obszarach kraju. Należy tu wyjaśnić, że opad promieniotwórczy towarzyszący opadowi atmosferycznemu (deszcz, śnieg) może być wielokrotnie większy niż przy dobrej pogodzie. Uważa się, że na terenach nad którymi nie przemieszczała się chmura skażeń na przełomie kwietnia i maja znaczący (względnie) opad promieniotwórczego cezu powstał później (maj-czerwiec) wraz z deszczami zawierającymi ciągle ślady chmury czarnobylskiej.
Ilość wprowadzonych do środowiska substancji promieniotwórczych odpowiada (bardzo zgrubnie - występują duże różnice pomiędzy poszczególnymi izotopami promieniotwórczymi) serii wybuchów jądrowych (od kilku do kilkudziesięciu ładunków małej mocy) lub jednemu wybuchowi dużej mocy.
Długożyciowe izotopy radioaktywne pozostające w środowisku naturalnym Polski
Najwyższe skażenia roślin i zwierząt utrzymują się w lasach. Lasy są szczególnym środowiskiem, w którym substancje skażające pozostają bardzo długo w istotnych elementach ekosystemu. Proces samo oczyszczenia (migracji zanieczyszczeń w głąb gleby) jest szybszy w lasach liściastych, wolniejszy w szpilkowych, lecz w obu przypadkach jest znacznie wolniejszy niż na terenach rolniczych. Substancje skażające przechowywane są głównie w ściółce leśnej.
Po katastrofie czarnobylskiej w Centralnym Laboratorium Ochrony Radiologicznej (CLOR) w Warszawie kontrolowano poziom skażeń promieniotwórczymi izotopami cezu w produktach leśnych eksportowanych z Polski: dziczyźnie, jagodach, grzybach. Przebadano tam ok. 3000 próbek mięsa saren, jeleni, dzików i łosi. Poziomy obserwowanych wartości średnich dla różnych gatunków zwierząt niewiele różnią się od siebie. Najwyższe średnie skażenia obserwowano w 1986 roku w sarninie (227 Bq/kg dla 137Cs), jednak obserwowany zakres skażeń 137Cs wynosił od 10 do 6340 Bq/kg. Średnie skażenia spadły do poziomu 30 Bq/kg w 1991 roku. Wyniki badań mięsa dzika z rejonu Opola i Częstochowy w 1988 roku, przewyższające ówczesną średnią około czterdziestokrotnie, zasygnalizowały możliwość istnienia na terenie Polski miejsc o daleko wyższym, niż przeciętnie, poziomie skażeń promieniotwórczym cezem. W wyniku tego, w CLOR rozpoczęto badania próbek gleby pobieranych na terenach stacji meteorologicznych. Potwierdziły one to przypuszczenie - znaleziono obszar na Śląsku Opolskim, gdzie skażenia 137Cs przekraczały 50 000 Bq/m2. Dalsze badania prowadzone przez CLOR, Państwowy Instytut Geologiczny (PIG) oraz Instytut Fizyki Jądrowej (IFJ) potwierdziły istnienie takiego obszaru oraz sprecyzowały jego granice.
Od 1988 w IFJ prowadzi się badania skażeń ściółek leśnych. Prowadząc badania w próbkach pobranych w 1991 roku na terenie całej Polski stwierdzono obecność w ściółce kilku sztucznych izotopów promieniotwórczych, pochodzących z Czarnobyla, takich jak: 137Cs, 134Cs, 106Ru, 144Ce, 125Sb oraz śladów wcześniej nie stwierdzanych: 60Co, 154Eu i 155Eu. Wszystkie one są beta i gamma promieniotwórcze. Trzy ostatnio wymienione obserwowaliśmy na tak małych poziomach aktywności, że nie są i nigdy nie były, istotne dozymetrycznie. We wszystkich próbkach dominował 137Cs. Jego maksymalne aktywności przekraczały 3000 Bq w 1 kg suchej ściółki co można przeliczyć na kilkadziesiąt tysięcy Bq na metr kwadratowy powierzchni. Geografia skażeń tym izotopem była zgodna z wcześniejszymi badaniami warszawskiego Centralnego Laboratorium Ochrony Radiologicznej. Najwyższe skażenia odnotowano na Śląsku Opolskim, Cieszyńskim i w Sudetach. Powstały one na skutek opadów atmosferycznych występujących podczas przechodzenia chmury promieniotwórczej. 134Cs był obecny w prawie stałej proporcji względem 137Cs, wynoszącej w 1986 roku 50%. Podobnie proporcjonalny do 137Cs był 125Sb, przy czym jego aktywności były jeszcze mniejsze od 134Cs. Obecność stosunkowo krótkożyciowych izotopów: 106Ru a tym bardziej 144Ce w próbkach badanych na początku lat dziewięćdziesiątych wskazuje na ich relatywnie wysokie aktywności w 1986 roku. Dla 144Ce osiągają one wartości rzędu dwudziestu tysięcy bekereli na metr kwadratowy powierzchni w 1986 roku. 144Ce jest ciekawym izotopem promieniotwórczym, występującym w opadzie czarnobylskim w stałej proporcji do plutonu. Wykonując oddzielne analizy radiochemiczne w poszukiwaniu plutonu, na podstawie analizy zawartości izotopu 238Pu potwierdzono obecność plutonu pochodzenia czarnobylskiego w próbkach. Maksymalna aktywność opadu czarnobylskiego dla wszystkich alfa promieniotwórczych izotopów plutonu nie przekraczała 30 Bq/m2, a więc nie przekraczała 50% wielkości opadu po testach z bronią jądrową. Towarzyszył im opad innych nielotnych izotopów, w tym długożyciowych jak: 90Sr (do ok. 3000 Bq/m2), 241Pu (do 1000 Bq/m2) oraz 241Am (do 30 Bq/m2). Geografia tych skażeń jest odmienna od skażeń izotopami cezu. Wystąpiły one w Polsce Północno-Wschodniej, głównie w rejonie Augustowa i Suwałk. Przypuszczalny rozkład skażeń na terenie Polski plutonem pochodzenia czarnobylskiego przedstawiono na rysunku. Ocena wielkości skażeń 90Sr oparta jest na badaniach materiału roślinnego i kości zwierząt. Izotop ten znalazł się w środowisku Polski głównie wewnątrz “gorących cząstek”, po kilku latach został z nich wymyty stając się dostępnym dla roślin, gdzie chętnie się wbudowuje.
W Polsce badane były również skażenia mchów, różnych roślin łąkowych, porostów, jagód oraz przede wszystkim grzybów. Obserwowane aktywności w jagodach sięgały od 5 do 600 Bq w 1 kg świeżej masy owoców. W połowie lat sześćdziesiątych w Niemczech odkryto, że pewne gatunki grzybów zawierają skoncentrowane ilości 137Cs pochodzącego z opadu globalnego po próbnych wybuchach jądrowych. Wśród takich gatunków najbardziej pospolitymi są podgrzybek brunatny i krowiak podwinięty – olszówka (według ostatnich klasyfikacji trujący). Badania prowadzone w IFJ pozwalają zaliczyć do grzybów silnie akumulujących cez ponadto takie gatunki jak: płachetka kołpakowata, kolczak obłączasty i maślak pstry. Niskie koncentracje cezu występują w grzybach takich gatunków jak czubajka kania i opieńka miodowa. Duże zróżnicowanie wykazują poszczególne gatunki gąsek (największe koncentracje w gąsce zielonce), gołąbków (najwięcej w gołąbku jadalnym i gołąbku wymiotnym) i koźlarzy (najwięcej w koźlarzu babce). Najwyższe stężenia izotopów cezu stwierdzono w badaniach prowadzonych w IFJ, w próbce podgrzybków brunatnych pobranej w 1991 roku w okolicach Opola, stwierdzono 158 000 Bq 137Cs i 16 000 Bq 134Cs w 1 kg suszu (przy błędach oznaczenia rzędu 5%). Najmniejsze stężenia były ponad tysiąc razy mniejsze. W badanych w CLOR próbkach grzybów największe skażenia izotopami cezu były niższe niż wymienione, sięgały 5000 Bq w 1 kg świeżych grzybów (w podgrzybku brunatnym z 1988) co odpowiada ok. 50 000 Bq/kg dla aktywności obliczanej w suchej masie próbki, gdyż owocniki grzybów zawierają około 90% wody. Skażenia tego samego gatunku grzybów w Polsce różnią się znacznie. Na rysunku przedstawiona została orientacyjna mapa skażeń 137Cs w próbkach podgrzybka brunatnego z terenu Polski w 1991 roku. Aktywności podane są w tysiącach Bq (kilo bekerelach) na 1 kg suchej masy. Dla porównania warto dodać, że naturalna substancja promieniotwórcza, izotop potasu (40K) znajduje się w grzybach w ilości rzędu 1300 Bq w 1 kg suszu, lub inaczej mówiąc, 130 Bq w 1 kg świeżych grzybów. Przeprowadzone badania pozwalają ocenić, że bezpośrednio przed 1986 w grzybach utrzymywało się stężenie 137Cs pochodzącego z testów jądrowych (a więc z opadu, który wystąpił około 20 lat wcześniej) na poziomie rzędu 1 tys. Bq/kg dla suszu. Pozwala to prognozować, że 137Cs pochodzący z katastrofy czarnobylskiej obecny będzie w grzybach przez kilkadziesiąt lat.
Skutki zdrowotne
W akcji gaszenia i następnie porządkowania rejonu katastrofy wzięło udział ponad 600 000 ludzi, głównie żołnierzy. W listopadzie 1986 zakończono budowę tzw. sarkofagu – improwizowanej osłony resztek reaktora. Bezpośrednio w okresie katastrofy w wyniku napromieniowania 237 osób zachorowało na chorobę popromienną (ostrą chorobę popromienną stwierdzono u 134 osób), zmarło 31 osób. Pomimo szczególnej opieki medycznej dalszych 14 osób spośród przechodzących ostrą chorobę popromienną zmarło w kolejnych 10 latach, jednak ich śmierci nie wiąże się z katastrofą, gdyż bezpośrednimi przyczynami ich zgonów były choroby nie wiązane dotychczas z promieniowaniem (np. zawał serca).
Od końca kwietnia do połowy sierpnia 1986 ewakuowano około 116 tysięcy mieszkańców terenów najsilniej dotkniętych. Przyjmuje się, że ok. 200 000 ludzi przebywających bezpośrednio w rejonie katastrofy otrzymało dawki skuteczne większe od 100 mSv, a więc takie, dla których skutki stochastyczne promieniowania zajdą lub już zaszły po czternastu latach od niej. Jednak istotą zmian stochastycznych jest ich statystyczna, oparta wyłącznie na pewnym prawdopodobieństwie, natura. Trzeba pamiętać, że w tak licznej populacji występuje zawsze skończona liczba zachorowań i śmierci również na nowotwory. Prowadzenie badań nad zachorowalnością na nowotwory wywołane katastrofą czarnobylską tych osób napotyka na duże trudności związane z rozpadem ZSRR, utrudnieniami i przekłamaniami w przepływie informacji, brakiem wiarygodnych ocen otrzymanych indywidualnie dawek itp.
Jedynym widocznym bez wątpliwości, ogólnie uznanym skutkiem stochastycznym jest wzrost zachorowalności na nowotwory tarczycy obserwowany wśród dzieci głównie na Białorusi. Szczęśliwie osiąga się wysoki procent uleczalności tego schorzenia. Pojawiają się doniesienia o wzroście zachorowalności na białaczki wśród populacji osób bezpośrednio zaangażowanych w likwidację skutków katastrofy w jej miejscu, jednak dane budzą wciąż zastrzeżenia specjalistów.
Obserwowane w Polsce skażenia nie powinny budzić silnego niepokoju. Ocenia się, że na skutek katastrofy czarnobylskiej przeciętny mieszkaniec Polski otrzymał w pierwszym roku od katastrofy dawkę skuteczną równą 0.2 mSv, a w czasie całego życia otrzyma od 0.9 do 2.5 mSv. Dla dzieci wartości te są większe o 50%. Mieszkaniec Krakowa i okolic otrzymał trochę większe dawki niż przeciętny Polak. Przykładowo, w Instytucie Fizyki Jądrowej w Krakowie oszacowano dawkę skuteczną dla dorosłego mieszkańca Krakowa w pierwszym miesiącu po katastrofie, z rozbiciem na udziały od poszczególnych izotopów promieniotwórczych. Uwzględniono tam trzy drogi narażenia radiacyjnego człowieka: inhalację, spożycie i napromienienie zewnętrzne. Sumarycznie dawka ta wynosi ok. 0,3 mSv (w ciągu miesiąca), przy czym decydujący wpływ na dawkę skuteczną miało spożywanie skażonej żywności (0,17 mSv). Największe równoważniki dawek otrzymali mieszkańcy Północno-Wschodniej Polski (z racji znacznego opadu “gorących cząstek”) oraz województwa Opolskiego (gdzie opad cezu przekraczał 50 000 Bq/m2). Po kilku miesiącach od katastrofy w pożywieniu pozostały praktycznie tylko izotopy cezu (137Cs i 134Cs), inne izotopy promieniotwórcze (np. izotopy rutenu) słabiej przenikają do roślin lub ich aktywności były bardzo niskie (np. na większości terenu Polski 90Sr). W typowych produktach spożywczych, pochodzących z upraw rolniczych, obserwuje się znacznie szybszy spadek aktywności izotopów cezu niż wynikałoby to z fizycznych czasów połowicznego zaniku (T1/2). Wynika to z sorbowania się cezu na minerałach ilastych gleby oraz z przedostawania się cezu poza obszar zasilania korzeni dzięki orce. Według raportu Państwowej Agencji Atomistyki z 1991 roku szacuje się że np. w 1990 roku łączne średnie roczne spożycie izotopów cezu z produktami rolniczymi wynosiło 1000 Bq dla 137Cs i 150 Bq dla 134Cs, co prowadzi do zaniedbywalnie małej dawki skutecznej (mniejszej od 0,02 mSv). Większe dawki od przeciętnych otrzymuje się przy zjadaniu grzybów. Wraz ze zjadanym grzybem (jagodami, dziczyzną itp. ) do naszego organizmu przedostaje się promieniotwórczy cez. Gromadzi się w ciele we wszystkich tkankach miękkich, po czym jest powoli wydalany z organizmu. Po około 100 dniach pozostaje w nas już tylko około połowa ze zjedzonych atomów promieniotwórczego cezu. Zjedzenie w ciągu roku osiemdziesięciu tysięcy bekereli 137Cs daje dawkę skuteczną równą 1 mSv. Uwzględniając również obecny w 1991 roku 134Cs dawkę 1 mSv można było otrzymać zjadając 0.4 kg suszu (ok. 4 kg świeżych) najbardziej skażonych Polskich grzybów. Jeśli pragniemy porównać skażenia kraju z obserwowanymi na świecie to największe skażenia obserwowane w Polsce stanowią tylko jeden procent maksymalnych skażeń, jakie wystąpiły w grzybach na Białorusi (stanowczo należy unikać importu grzybów z Białorusi) i około jedną szóstą największych skażeń obserwowanych w Szwecji. Dawkę 1 mSv otrzymuje się po zjedzeniu około stu kilogramów średnio skażonej Polskiej dziczyzny, lub jeszcze większej ilości najbardziej skażonych jagód.
Ostrożne, lekko pesymizujące oceny oparte na dawkach średnich i zakładające największe sensowne współczynniki ryzyka oraz model proporcjonalności ryzyka od dawki przewidują maksymalnie 6600 zachorowań nowotworowych w Polsce spowodowanych katastrofą czarnobylską w ciągu najbliższych 50 lat. Niestety, nie jest znana wielkość konsumpcji grzybów w Polsce z rozróżnieniem gatunkowym i regionalnym, stąd nie wiadomo o ile ta liczba może być jeszcze zwiększona przez dawkę wynikającą ze spożycia cezu z grzybów. Wydaje się jednak, że niewiele. Podana liczba zachorowań oznacza wzrost średniej zachorowalności nowotworowej nie przekraczający 0.2% w skali roku, co wydaje się wykluczać możliwość zauważenia efektu katastrofy na tle ogólnej liczby około 100 000 zachorowań na nowotwory rocznie w Polsce. Jako najpoważniejszy skutek zdrowotny katastrofy czarnobylskiej dla populacji polskiej niektórzy wymieniają wzrost liczby sztucznych poronień wywołany lękiem przed możliwością urodzenia dziecka z uszkodzeniami genetycznymi. Innym wymienianym skutkiem katastrofy są efekty uboczne podania jodku potasu, które wystąpiły u około 1 miliona osób. Oddzielną kwestią, nie rozpatrywaną tu, są społeczne, psychologiczne i ekonomiczne konsekwencje katastrofy.
ENERGIA PRZYSZŁOŚCI
Ogniwa nie zanieczyszczają środowiska (zastąpienie nimi tradycyjnych metod wytwarzania energii zmniejszyłoby emisję dwutlenku węgla o 40-60%, a emisję tlenków azotu o 50%-90%), pracują cicho i nie ulegają uszkodzeniom mechanicznym, ponieważ żadna z ich nie rusza się w czasie pracy. Poza tym są proste w budowie, a ich sprawność, czyli procent energii chemicznej przekształconej w energię cieplną i elektryczną, a w samochodach w energię kinetyczną, wynosi 45-60% (w silniku spalinowym około 15%).
Skoro są tak wspaniałe, dlaczego nie znalazły szerokiego zastosowania? Głównie z powodów wysokich kosztów produkcji, które próbuje się zmniejszać. W 1980 platyna do ogniwa o mocy 7 kW kosztowała aż 9 000 $, w roku 2001 już tylko 50$. Można zmniejszyć jej użycie. Trwają też poszukiwania tańszego zamiennika.
Ogniwo elektryczne nie jest nowym wynalazkiem. W 1839 roku Brytyjczyk William Robert Grove udowodnił, że proces elektrolizy jest odwracalny i że podczas elektrochemicznej syntezy wodoru i tlenu można wytworzyć prąd elektryczny. Ogniwo Grove’a zastosowano dopiero w XX wieku w załogowych misjach kosmicznych (zasilały radiostacje pokładowe i dostarczały wody).
Jak działa ogniwo
W ogniwie paliwowym zachodzi reakcja tlenu z wodorem (2H + O2 = 2H2O), która odbywa się bez spalania, a zatem jest bezpieczna. Wodór przepływa wokół elektrody ujemnej (anody), tlen – wokół dodatniej (katody). Powierzchnię katody zwykle pokrywa platyna – katalizator o dużej przewodności, ale w niektórych typach ogniw może to być nikiel lub perowskit (tlenek wapnia i tytanu CaTiO3). Katalizator odrywa elektrony z każdego atomu wodoru, powodując jego jonizację. W efekcie z obojętnego elektryczne atomu wodoru powstaje naładowany dodatnio jon i swobodnie elektrony.
Elektrony i jony wodoru wędrują do katody: jony przez elektrolit, elektrony natomiast przez obwód ogniwa, wytwarzając w nim prąd elektryczny. Ubocznym produktem reakcji jest woda, a w ogniwach wysokotemperaturowych – dodatkowo – energia cieplna.
Elektrolit i elektrody
Zamiast elektrolitu ciekłego stosuje się inne media, np. materiał ceramiczny lub membranę. Przewodzenie jonów zależy od temperatury, która waha się od pokojowej do około 10000C. Gdy jest tak wysoka, powstają dodatkowe komplikacje.
Anoda i katoda muszą być wykonane z materiału porowatego, np. miedzi czy niklu, z wielką liczbą mikrokanałów, aby gazy stykały się z elektrolitem na jak największej powierzchni (im większy jest przepływ gazów i ich ciśnienie, tym więcej energii produkuje ogniwo).
Ogniwo paliwowe generuje prąd stały o napięciu 0,6-0,9 V i mocy 0,3-0,6 W. Ogniwa łączy się w stosy; napięcie wytwarzanego przez nie prądu zależy od liczby ogniw w stosie, a natężenie – od ich łącznej powierzchni. Stos ogniw może mieć moc 30-50 kW, przy wielkości urządzenia umożliwiającej zmieszczenie go w samochodzie osobowym.
Problemy z wodorem
Tlen w ogniwie pobiera się zwykle z powietrza, natomiast wodór albo dostarcza się czysty (ciekły lub gazowy), albo zanieczyszczony tlenkiem węgla, albo pozyskuje się go z metanolu lub paliwa mineralnego bogatego w wodór, np. metanu, amoniaku, gazu ziemnego, propanu i innych węglowodorów, w procesie chemicznym zwanym reformingiem.
Ponieważ przechowywanie czystego wodoru jest skomplikowane, lepiej go pozyskiwać z metanolu, który po pierwsze jest łatwy do magazynowania w temperaturze pokojowej, a po drugie w jego cząsteczce wodór jest najsłabiej związany i najłatwiej odrywa się od węgla. Jednak w trakcie reformingu powstają niepożądane zanieczyszczenia: tlenek węgla, dwutlenek węgla, resztki metanolu i formaldehydów. Aby się ich pozbyć, potrzeba dodatkowej instalacji, co podraża koszty ogniw i zwiększa ich wymiary.
Zastosowanie
Ogniwa paliwowe mogą być w przyszłości wykorzystywane: w motoryzacji do napędu samochodów (eksperymentalnie stosuje się je już obecnie); w energetyce, w której odchodzi się od elektrowni megawatowych do małych elektrociepłowni lokalnych (obecnie na niewielką skalę); w elektronice (w kwietniu 2002 roku zaprezentowano pierwszy laptop napędzany ogniwami; firma Toshiba twierdzi, że pierwszych telefonów komórkowych zasilanych ogniwami można się spodziewać już w połowie 2003 roku).
Ogniwa w samochodzie
W 2001 roku pojawił się w Niemczech pierwszy samochód osobowy na ogniwa. Był to przerobiony Mercedes Sprinter firmy Dailmler–Chrysler, przekazany spółce transportowej domu towarowego Otto. Po Bawarii kursują autobusy napędzane ogniwami. Pierwsze seryjne auta osobowe z ogniwami paliwowymi (Honda FCX i Toyota FCHV-4) są na rynku od końca 2002 roku. Oba koncerny szacują rocznie sprzedaż na 20-30 sztuk.