Na drodze do Unii Europejskiej

Transkrypt

1 Na drodze do Unii Europejskiej Barbara Warczak Państwowa Agencja Atomistyki (PAA) od dziesięciu lat włącza się w nurt edukacji poprzez publikowanie materiałów na temat promieniowania jonizującego w środowisku człowieka, ochrony przed tym promieniowaniem oraz jego różnorodnym zastosowaniom. Poczynając od roku 1991 na zlecenie Departamentu Szkolenia i Informacji Społecznej PAA wydano dziesięć interesujących szkoleniowych plakatów. W 1998 roku, z okazji obchodów w Polsce stulecia odkrycia polonu i radu ( ), przetłumaczono i wydano świetną książeczkę Cenenaire de la Découverte de la Radioactivité (Setna rocznica odkrycia promieniotwórczości, PAA, Departament Szkolenia i Informacji Społecznej, Warszawa, 1998), a w roku 1999 bardzo interesującą broszurkę Promieniowanie, zdrowie i społeczeństwo, dr Björna Wahlströma, dyrektora d/s ochrony radiologicznej elektrowni jądrowej w Loviisa (Finlandia). Wydane ostatnio materiały, które pragnę zarekomendować są europejskim podręcznikiem o promieniowaniu i jego zastosowaniach (opracowanym i stosowanym w krajach Unii). Promieniowanie, ochrona przed promieniowaniem (Materiały dla szkół podstawowych i średnich), Jos Draijer, John Lakey Wydawcy: Komisja Wspólnot Europejskich oraz Państwowa Agencja Atomistyki, 2000, przekład z języka angielskiego: Ryszard Siwicki, Maciej Skarżewski Stan wiedzy Polaków w zakresie szeroko rozumianej atomistyki jest bardzo mizerny. Polacy czczą swoją rodaczkę, Marię Skłodowską Curie, a jednocześnie jednym tchem łączą jej wielkie odkrycia sprzed 100 lat z katastrofą w Czarnobylu czy tragedią Hiroszimy i Nagasaki. Prof. Jerzy Niewodniczański Prezes Państwowej Agencji Atomistyki (Przedmowa do wydania polskiego) Zbiegiem okoliczności książka ukazała się właśnie teraz, w czasie, gdy niemiecki parlament na wniosek rządu, przedłożony w styczniu br., uchwalił ustawę o likwidacji elektrowni jądrowych w Niemczech. Inicjatorami tego wniosku byli członkowie Partii Zielonych reprezentowani przez Jürgena Trittina, ministra ochrony środowiska. Każde społeczeństwo w kraju demokratycznym powinno mieć możliwość merytorycznej oceny takiej decyzji lub przynajmniej świadomego włączenia się w dyskusję, zanim zapadną decyzje lub potem, poprzez ocenę polityczną w kolejnych wyborach parlamentarnych. Temu również musi służyć proces edukacyjny. Kiedy piszę ten tekst, przedstawiciele Państwowej Agencji Atomistyki prowadzą rozmowy z Ministrem Edukacji Narodowej na temat możliwości upowszechnienia tej publikacji wśród nauczycieli i wprowadzenia na rynek, jako materiału zalecanego przez MEN, który, mam nadzieję, znajdzie trwałe miejsce w programach szkolnych. Publikacja jest bardzo interesująca: Zawiera materiał dotyczący promieniowania niejonizującego i jonizującego pogrupowany w pięć bloków lekcyjnych, z których każdy przeznaczony jest dla innego poziomu nauczania: Bloki I III dla podstawowego, IV i V dla gimnazjum. W ramach poszczególnych bloków powraca się do tych samych zagadnień lecz informacje przekazywane są w coraz bardziej zaawansowanej formie. Poziom I to blok trzech lekcji przeznaczony dla dzieci w wieku 6 8 lat. Na tych lekcjach dzieci dowiadują się o oparzeniach

2 słonecznych, promieniowaniu rentgenowskim i falach radiowych (skąd się bierze obraz telewizyjny), korzystając z informacji, które zdobyły na drodze codziennych doświadczeń. Poziom II dotyczy dzieci w wieku 8 10 lat i obejmuje 4 lekcje. Na lekcjach tych, w dalszym ciągu wykorzystywane są własne doświadczenia dzieci, ale poszerzone, uzupełnione odpowiedziami na pytania, które zadały dorosłym. Temat dotyczy tych samych problemów: promieniowania słonecznego, ale i budowy oraz reakcji skóry ludzkiej na to promieniowanie; zdjęć rentgenowskich i ich roli w diagnostyce złamań kości i w diagnostyce stomatologicznej; działania fal radiowych uzupełnionego o informacje o dźwiękach. Poziom III został rozbudowany do 6 lekcji, które są przeznaczone dla słuchaczy letnich. W tym rozdziale używa się już fachowej terminologii: promienie niejonizujące (dźwięk, ciepło i światło), promienie jonizujące i ich przenikliwość oraz zastosowania w różnych dziedzinach życia: Na początek w medycynie, w przemyśle (czujniki dymu, aparaty do wykrywania pęknięć w materiałach). Następnie wspomina się o elektrowniach jądrowych, ich rozmieszczeniu w Europie i zróżnicowanych opiniach na temat bezpieczeństwa takiego sposobu wykorzystania energii jądrowej. Kolejne dwa bloki (IV i V) przeznaczone są dla uczniów gimnazjów. Na tym poziomie kształcenia od uczniów wymaga się umiejętności korzystania z różnych źródeł informacji, nie wystarczą własne doświadczenia i informacje uzyskane w najbliższym otoczeniu. Podczas realizacji tego materiału oczekuje się od ucznia także samodzielnego myślenia i umiejętności wyciągania wniosków na podstawie uzyskanych informacji. W bloku 6 lekcji na poziomie IV oraz 8 lekcji na poziomie V poruszone zostały takie tematy, jak: źródła promieniowania, rodzaje promieniowania, sposoby wykrywania promieniowania, skutki biologiczne działania promieniowania, ochrona przed promieniowaniem jonizującym, zastosowanie tego promieniowania w medycynie i innych dziedzinach, o atomach, ich budowie, o energii jądrowej i jej wykorzystywaniu oraz o relacjach energetyka jądrowa a środowisko. Ostatni blok D (dodatek) zawiera materiały dla edukatorów, które są dla nich swego rodzaju przewodnikiem. Obejmują bowiem te zagadnienia, z którymi nauczyciel powinien się zaznajomić, jeśli chce realizować zaproponowany program. Oczywiście informacje zawarte w dodatku mogą i powinny być wykorzystane również podczas lekcji. Książka ma formę skoroszytu, co pozwala wyjąć z niej dowolną stronę i skopiować w wielu egzemplarzach. Jest to bardzo użyteczne, gdyż materiał zawiera wiele cennych tabel, map, dobrych dydaktycznie rysunków, czy choćby pytań sprawdzających, które warto przekazać uczniom. Oczywiście każdy nauczyciel może wykorzystać materiał według własnego uznania, jak napisali autorzy we wstępie. Najważniejsze wydaje się jednak, by jak najliczniejsza rzesza nauczycieli miała chęć i możliwość skorzystania z niego, bo warto! Obszerny fragment rozdziału Atom i energetyka jądrowa materiał szkoleniowy dla uczniów w wieku lat. Zajmijmy się jądrem atomowym. Dlaczego może być ono stabilne? Jeśli przeciwne ładunki elektronu i protonu przyciągają się, to można oczekiwać, że protony w jądrze wzajemnie się odpychają. Jest to prawda, jednak jądro nie rozpada się, ponieważ jest utrzymywane w całości dzięki neutronom, które stanowią,,klej atomowy. Należałoby oczekiwać, że jądro atomu wodoru wcale nie potrzebuje takiego kleju, ponieważ ma tylko jeden proton. Jednak spotykamy jeszcze dwie odmiany wodoru, które zawierają

3 neutrony: wodór 2 z jednym neutronem, nazywany deuterem i wodór 3 z dwoma neutronami, zwany trytem. Te trzy odmiany wodoru są izotopami wodoru. Zobaczymy potem, że ten atomowy klej w jądrze trytu wcale nie jest taki doskonały. A zatem chemiczne właściwości pierwiastków można wyjaśnić budową powłok elektronowych, z których najważniejsza jest powłoka zewnętrzna. Można znaleźć grupy pierwiastków, posiadających podobne właściwości chemiczne. Zmienność tych właściwości wykazuje okresową powtarzalność wraz ze wzrostem liczby atomowej. Pierwiastki o podobnych powłokach zewnętrznych mają podobne właściwości chemiczne. Dlatego pierwiastki można uporządkować w układzie okresowym. Założenie, że neutrony są rodzajem,,kleju atomowego pozwala w prosty sposób wyjaśnić, dlaczego jądro nie jest porządnie,,sklejone, a jednym z nich jest tryt. Wydaje się, że aby,,klej dobrze,,lepił, musi mieć właściwą proporcję neutronów do protonów, która w przypadkach szczególnych może być za duża lub za mała. Dla trytu ta porcja jest za duża i jądro ma tendencje do rozpadu i pozbycia się nadmiaru neutronów. W rzeczywistości z jądra trytu emitowany jest elektron. Utrata elektronu powoduje, że jeden z dwóch neutronów uzyskuje ładunek dodatni i staje się protonem. Tryt ulega przemianie w hel, który ma 2 protony w jądrze. Elektron emitowany z neutronu nazywamy cząstką beta. Rozpadowi trytu i jego przemianie w atom helu towarzyszy właśnie emisja cząstki beta. Jest to jeden z czterech głównych rodzajów promieniowania jonizującego emitowanych z jądra atomowego, które w ten sposób osiąga większą stabilność. Różne rodzaje promieniowania jonizującego emitowanego przez radionuklidy zostały opisane w lekcji 2. URAN PALIWO DLA ELEKTROWNI JĄDROWEJ Założenie, że atom, który zawiera za dużo neutronów, jest niestabilny, dotyczy również pierwiastków o bardzo dużych jądrach, takich jak uran. Poznaliśmy już główny składnik naturalnego uranu promieniotwórczy uran 238. Uran naturalny zawiera także niewielką domieszkę uranu 235, który jest również niestabilny i dlatego też jest promieniotwórczy i emituje cząstki alfa. W 1939 r. dokonano odkrycia, że jądro uranu 235 jest wyjątkowo niestabilne po wprowadzeniu dodatkowego neutronu i gwałtownie się rozpada. Reakcja taka, spowodowana bombardowaniem uranu 235 neutronami, to reakcja rozszczepienia jądra atomowego. Obecnie wiemy, że atom uranu 235 rozpada się na dwie prawie równej wielkości fragmenty (produkty rozszczepienia), z których każdy jest lżejszym pierwiastkiem. W czasie tej reakcji uwalnia się bardzo duża ilość energii. Duża liczba takich reakcji, występujących lawinowo po sobie jest źródłem energii bomby atomowej. Podczas reakcji rozszczepienia następuje uwolnienie kilku dodatkowych neutronów. Gdy jeden z tych neutronów zostanie pochłonięty przez inne jądro uranu 235, proces rozszczepienia może być kontynuowany jako reakcja łańcuchowa. W ten sposób jedna reakcja prowadzi do następnej, a stały proces rozszczepienia jest warunkiem działania reaktora jądrowego. Większość produktów rozszczepienia uranu 235 jest promieniotwórcza. Są to odpady, rodzaj,,popiołu powstającego w miarę zużywania się uranu w reaktorze. Dowiedzieliśmy się na lekcji 4, że dawka promieniowania pochodząca od odpadów promieniotwórczych z energetyki jądrowej jest bardzo mała. Pierwszy reaktor jądrowy zbudowany przez człowieka został uruchomiony w 1942 r., ale nie był to pierwszy reaktor na świecie, gdyż prawdopodobnie już przed około 1700 milionami lat w afrykańskich złożach uranu miała miejsce samoistna łańcuchowa reakcja rozszczepienia.

4 Neutrony uwalniane podczas reakcji rozszczepienia mają bardzo dużą energię, a więc i bardzo dużą prędkość i mogą łatwo,,uciec z uranu. Muszą zostać spowolnione, czyli zmoderowane za pomocą warstwy materiału moderatora. Paliwo uranowe powinno być otoczone warstwą moderatora, który nie pochłania zbyt wielu neutronów. Wiemy, że podstawą pracy reaktora jest zapewnienie przebiegu procesu rozszczepienia ze stałą prędkością przez kontrolowanie całkowitej liczby neutronów zawracanych do uranu. W tym celu stosuje się pochłaniające neutrony pręty sterujące wprowadzone do reaktora, dzięki którym do uranu wraca taka ilość neutronów, aby reakcja łańcuchowa mogła być podtrzymywana na wymaganym poziomie. Moderator i pręty sterujące gwarantują, że reaktor nie może eksplodować lub wybuchnąć jak bomba atomowa. Ciepło wytworzone w reaktorze musi być odprowadzone nie tylko po to, by wytworzyć parę dla turbogeneratorów, ale również po to, aby utrzymywać na właściwym poziomie temperaturę uranu. Ciepło z uranu odbierane jest przez chłodziwo, w którym jest on zanurzony. Tym chłodziwem jest zazwyczaj woda, ale może to być także gaz, np. dwutlenek węgla (CO 2 ). Woda może być jednocześnie moderatorem i chłodziwem. REAKTOR WODNY CIŚNIENIOWY Z uranu wytwarza się paliwo reaktorowe w postaci,,pastylek, zawierających dwutlenek uranu, które zamyka się w szczelnych,,koszulkach ze stali nierdzewnej, zatrzymujących produkty rozszczepienia. W czasie pracy reaktora paliwo i chłodziwo znajdują się w szczelnym zbiorniku ciśnieniowym, a reaktor w szczelnym budynku. Ten budynek stanowi obudowę bezpieczeństwa, tzw.,,containment, i jest wyposażony w urządzenia ograniczające rozprzestrzenianie się skażeń promieniotwórczych w razie awarii. Wszystkie te elementy stanowią kolejne bariery zabezpieczające przed ucieczką produktów rozszczepienia. ENERGETYKA JĄDROWA W EUROPIE W tabeli przedstawiono udział energetyki jądrowej w produkcji elektryczności w krajach Europy 1. ELEKTRYCZNOŚĆ Z ELEKTROWNI JĄDROWYCH W KRAJACH EUROPY KRAJ % ELEKTRYCZNOŚCI WYTWORZONEJ W ELEKTROWNIACH JĄDROWYCH Belgia 60% Bułgaria 45% Czechy 19% Finlandia 30% Francja 78% Holandia 3% Hiszpania 29% 1 Stan i tendencje rozwojowe na świecie w 1997 r., Państwowa Agencja Atomistyki, Ministerstwo Gospodarki, Warszawa 1998.

5 Litwa 81% Niemcy 32% Rosja 14% Rumunia 10% Słowacja 44% Słowenia 40% Szwecja 46% Szwajcaria 40% Ukraina 47% Węgry 40% Wielka Brytania 27% Poniższa tabela zawiera wykaz typów reaktorów jądrowych stosowanych obecnie do wytwarzania elektryczności. TYP REAKTORA wodny ciśnieniowy PWR wodny ciśnieniowy WWER wodny z wodą wrzącą BWR ciężkowodny CANDU gazowo grafitowy na naturalny uran GCR chłodzony gazem AGR wodno grafitowy RBMK CHŁODZIWO/ /MODERATOR woda/woda woda/woda woda/woda ciężka woda/ /ciężka woda CO 2/grafit CO 2/grafit woda/grafit PALIWO naturalne naturalne lekko lekko UWAGI Drugi obieg wodny służy do wytwarzania pary. Najbardziej rozpowszechniony reaktor energetyczny; stosowany (łącznie z WWER) w 60% elektrowni jądrowych na świecie Drugi obieg wodny służy do wytwarzania pary. Eksploatowany jedynie w krajach dawnego ZSRR, Europy Środkowo wschodniej oraz w Finlandii. Chłodziwo reaktora doprowadzone jest do wrzenia i zamienia się w parę. Drugi po PWR najbardziej rozpowszechniony typ reaktora; stosowany w 20% elektrowni jądrowych na świecie. Drugi obieg wodny służy do wytwarzania pary. Gaz CO 2 ogrzewa oddzielny obieg wodny, który służy do wytwarzania pary. Eksploatowany jedynie w Wielkiej Brytanii, dalej nie rozwijany. Gaz CO 2 ogrzewa oddzielny obieg wodny, który służy do wytwarzania pary. Eksploatowany jedynie w Wielkiej Brytanii, dalej nie rozwijany. Chłodziwo reaktora doprowadzone jest do wrzenia i zamienia się w parę. Eksploatowany tylko w krajach dawnego ZSSR, dalej nie rozwijany. tego typu uległ awarii w Czarnobylu w 1986 r.

6 Atom składa się z jądra, w którym znajdują się protony i neutrony oraz z elektronów, krążących po zewnętrznych w stosunku do jądra powłokach. jądrowy zawiera paliwo uranowe, moderator oraz pręty sterujące. Ciepło uzyskuje się z reakcji rozszczepienia. Najbardziej rozpowszechnionym typem reaktora jest reaktor wodny ciśnieniowy. Udział elektrowni jądrowych w produkcji elektryczności na świecie wynosił w 1998 r. ok. 17%. 1. Dlaczego pierwiastek promieniotwórczy, który posiada nadmiar neutronów w jądrze, emituje cząstkę beta, a nie neutron? 2. Wyjaśnij, jakie środki bezpieczeństwa zaprojektowano w wodnym ciśnieniowym reaktorze. 3. Dlaczego nie czekamy z wykorzystaniem energii jądrowej, aż zostaną wyczerpane wszelkie zasoby węgla i ropy naftowej? Dlaczego nie możemy korzystać tylko z odnawialnych źródeł energii? Przedyskutować to. 4. Dlaczego elektrownia jądrowa nie może wybuchnąć jak bomba atomowa? 5. Na lekcji czwartej dowiedzieliśmy się, że dawki promieniowania, które otrzymują mieszkańcy Europy od odpadów promieniotwórczych usuwanych z elektrowni jądrowych są znikome. Ile kilometrów w ciągu roku wystarczy przelecieć samolotem, aby otrzymać taką samą dawkę?