Energia Atomowa

• Energia jądrowa

wydzielana podczas

. Uwalnianie się energii podczas

tych przemian związane jest z różnicami w energii
wiązania poszczególnych jąder atomowych.

• Energia Jądrowa (energia atomowa) - potocznie energia

wyzwolona w egzoenerget. w reakcjach jądrowych
przede wszystkim w procesie łańcuchowym , reakcja
rostrzepiania (np. jąder uranu,plutonu) i reakcji syntezy
jądrowej.

• Energia jądrowa w naturze

• Reakcja syntezy jądrowej jest głównym źródłem energii

emitowanej przez

ciała niebieskie

. Jest ona źródłem

promieniowania

Słońca

i innych

gwiazd

. Z kolei we

wnętrzu

Ziemi

, znajduje się pewna ilość ciężkich

pierwiastków promieniotwórczych ulegających ciągłemu
rozpadowi. Energia ta, poza energią pozostałą po
formowaniu się Ziemi, może być źródłem wzrostu
temperatury ziemi wraz z głębokością.

Przyczyny uwalniania się energii jądrowej

Jądra żelaza (

Fe) są najbardziej stabilnymi ze wszystkich

jąder, co oznacza największą

energię wiązania

w przeliczeniu na

jeden

nukleon

. Jądra masywniejsze od jąder żelaza mają

stopniowo coraz mniejszą energię wiązania na nukleon. Dlatego
rozszczepiając ciężkie jądro na mniejsze fragmenty, uzyskuje się
energię. Podobnie dzieje się podczas łączenia jąder lżejszych od
jądra żelaza. Różnice w energiach wiązania i, co za tym idzie,
wydzielane energie są tak duże, że następuje mierzalny spadek
masy produktów takich reakcji jądrowych (część masy zamienia
się na energię). Zmiana masy ma miejsce również podczas
endotermicznych reakcji chemicznych gwałtownego utleniania
(spalania) tradycyjnych paliw, ale jest ona w tym przypadku
nieporównanie mniejsza. Reakcje jądrowe w przeliczeniu na
jednostkę masy - są około milion razy bardziej

efektywne

reakcji chemicznych.

Wykorzystanie energii jądrowej

• Reakcja rozszczepienia ciężkich jąder może być kontrolowana i jest

wykorzystywana w energetyce w elektrowniach jądrowych. Najczęściej
stosowanym surowcem jest

uran-235

. Wytwarzana w ten sposób energia

wewnętrzna jest wykorzystywana do napędzania turbin generatorów
energii elektrycznej. Obecnie ok. 7% energii zużywanej przez ludzkość w
tym 15,7% energii elektrycznej jest produkowanej z energii jąder
atomowych. W Stanach Zjednoczonych ok. 20%, a we Francji aż 80%
energii elektrycznej pochodzi z elektrowni jądrowych.

• Stosowany jest również napęd atomowy (okręty podwodne,

lotniskowce

Energia rozpadu promieniotwórczego służy również do zasilania aparatury
pomiarowej sond kosmicznych (szczególnie tych, które penetrują
peryferyjne obszary Układu Słonecznego).

• Od lat pięćdziesiątych XX w. trwają prace nad kontrolowanym

przeprowadzaniem reakcji fuzji lekkich jąder atomowych. Mimo wielu
prób, do tej pory nie udało się zbudować instalacji pozwalającej
uzyskiwać użyteczną energię w sposób ciągły i stabilny na drodze fuzji
jądrowej.

Elektrownie atomowe

Kiedy w latach pięćdziesiątych powstawały

pierwsze elektrownie atomowe wydawało się,

że ludzkość uzyskała dostęp do ogromnych

ilości czystej, bezpiecznej i stosunkowo taniej

energii. Z 1kg najczęściej używanego paliwa

jądrowego (235 U), można uzyskać tyle energii

elektrycznej, co z 3000 ton węgla lub 1600 ton

benzyny. Obecnie energetyka jądrowa budzi

jednak wiele wątpliwości zarówno natury

ekologicznej jak i ekonomicznej, jednak w

obliczu wyczerpywania się zasobów surowców

kopalnych może okazać się jedynym środkiem

łagodzącym nieuchronne kryzysy energetyczne.

Z 1 kg uranu w reakcji

rozszczepienia można uzyskać
tyle energii, co ze spalenie
300 ton węgla

W latach 30 ubiegłego wieku naukowcy przeprowadzali eksperymenty
polegające na bombardowaniu atomów uranu neutronami. Okazało się,
że jądro uranu 235 po przechwyceniu neutronu staje się niestabilne co
skutkuje jego rozpadem – powstają dwa lżejsze jądra, pewna liczba
neutronów (średnio 2,5) oraz duża ilość energii. Neutrony te mogą
wnikać do następnych jąder uranu uwalniając kolejne neutrony.
Otworzyła się więc teoretyczna mozliwośc zainicjowania jądrowej reakcji
łańcuchowej której skutkiem byłoby uwolnienie ogromnych ilości energii.
W 1940 roku fizycy conajmniej 6 krajów pracowali już nad praktycznym
wykorzystaniem tego odkrycia – głównie w celach wojskowych. Dwa lata
później w Stanach Zjednoczonych dysponujących największym
potencjałem naukowym (zaangażono wielu wybitnych fizyków –
uchodźców z ogarniętej wojną europy) i przemysłowym ruszył projekt
Manhattan. Jego celem była budowa bomby jądrowej. 6sierpnia 1945
amerykański bombowiec B29 zrzucił pierwszą bombę uranową na
Hiroszimę wprowadzając świat w erę wykorzystania energii jądrowej.

Reakcja rozszczepienia ciężkiego

jądra

• Wraz z zakończeniem II wojny światowej energia jądrowa znalazła zastosowanie

cywilne – naukowcy nauczyli się przeprowadzać kontrolowaną reakcję rozszczepienie
w reaktorach atomowych. Ciepło uzyskane z reaktora służy do wytwarzania pary –
która z kolei jest wykorzystywana analogicznie jak w innych elektrowniach cieplnych
do napędzania turbozespołów (turbina + prądnica elektryczna). Pierwsza taka
elektrownia została wybudowana w 1954 r. w Obnińsku w ZSRR. Wydawało się, że
przyszłość energetyki jądrowej jest świetlana – w latach siedemdziesiątych
uruchamiano kilkanaście reaktorów rocznie. Jednak dwie poważne awarię (Three Mile
Island w 1979 r. oraz Czarnobyl w 1986 r.) spowodowały wątpliwości co do
bezpieczeństwa elektrowni, wybuch światowej radiofobii wzrost poparcia dla
organizacji proekologicznych (Greenpeace, partie polityczne „Zielonię). Rządy
niektórych krajów Europy Zachodniej (Niemcy) podjęły deczyje o całkowitzm
wycofaniu się z energetyki jądrowej. Obecnie na świecie pracuje około 400 elektrowni
atomowych dostarczających 17% elektryczności zużywanej globalnie.

Producenci energii atomowej na

świecie; źródło: na podstawie danych

IEA

z 2005 r.

Z dzisiejszej perspektywy

regres energetyki atomowej
wydaje się nieuzasadniony.
Doniesienia o setkach tysięcy
ofiar katastrofy czarnobylskiej
okazały się medialną histerią.
Najnowszy raport „Forum
Czarnobylskiego”
(Międzynarodowa Agencja
Energii Atomowej (MAEA),
Światowa Organizacja Zdrowia
(WHO), Agencje ONZ oraz rządy
Białorusi, Rosji i Ukrainy) liczbę
ofiar śmiertelnych szacuje na 50,
oraz dalsze 4 tysiące które
jeszcze umrą w jej wyniku.
Jeszcze bardziej sceptyczna w
swoich osądach jest UNSCEAR
(Komitet Naukowy ONZ ds.
Skutków Promieniowania
Atomowego) który liczbę ofiar
szacuje na 31. W obliczu
wyczerpujących się zasobów
paliw kopalnych i ocieplenia
klimatu w wyniku emisji
dwutlenku węgla do atmosfery
nowoczesna elektrownia
atomowa stanowi źródło czystej
(brak emisji CO2) i bezpiecznej
energii.

Budowa elektrowni Atomowej

•

Sercem każdej EJ jest reaktor, w którym
ciepło uzyskuje się z kontrolowanej reakcji
łańcuchowej rozszczepienia jąder atomów
paliwa (np. uranu-235) przy udziale
wodnego, grafitowego lub berylowego
moderatora spowalniającego powstałe
neutrony, dzięki czemu zwiększa się
prawdopodobieństwo zainicjowania przez
nie kolejnej reakcji rozszczepienia. Przebieg
reakcji reguluje się przez wsuwanie lub
wyciąganie z rdzenia (zawierającego paliwo
jądrowe) tzw. prętów sterujących
wykonanych z materiałów pochłaniających
neutrony (izotopy boru lub kadmu). Przez
rdzeń przepływa chłodziwo, które chłodząc
rdzeń samo silnie nagrzewa się. Woda jest
bardzo dobrym chłodziwem z uwagi na jej
duże ciepło właściwe, ale musi być
utrzymana pod dużym ciśnieniem dla
uniknięcia wrzenia w temperaturze rzędu
kilkuset stopni Celsjusza. Ciepło pobrane w
reaktorze zostaje oddane w wymienniku
ciepła wodzie obiegu wtórnego lub wodzie
w wytwornicy pary, która zasila
turbogenerator. Temperatura tej pary i jej
ciśnienie muszą być odpowiednio wysokie,
aby zapewnić wysoką sprawność turbiny. Po
przejściu przez turbinę para jest chłodzona i
skroplona wraca do wytwornicy pary.

Schemat budowy elektrowni

atomowej z reaktorem wodnym

ciśnieniowym

Paliwo

Paliwem dla większości elektrowni jądrowych jest Uran. Jest

najcięższym pierwiastkiem występującym naturalnie na ziemi. Występują
w nim głównie dwa izotopy: 238 U (ok 99,3%) i 235 U (ok 0,7%) mogący
ulegać rozszczepieniu pod wpływem neutronów – a więc mogący być
paliwem dla reaktora atomowego. Uran wydobywa się z rud uranowych,
a następnie poddaje się go wzbogaceniu – obróbce zwiększającej
zawartość izotopu 235 U. Światowe zasoby uranu szacowane są na około
3, 3 mln ton. W ostatnim okresie wydobywano około 40 tys. ton tego
paliwa rocznie. Do potentatów w tej dziedzinie należą Kanada, Australia,
Kazachstan oraz Rosja, które to kraje posiadają około 50 proc
udokumentowanych światowych zasobów uranu.

•

Zespół naukowców pod kierownictwem włoskiego fizyka Enrico
Fermiego zdołał przeprowadzić 2.12.1942.r. kontrolowaną reakcje
jądrową. Fizykom udało się rozstrzepić jądro ciężkiego atomu uranu,
złożone z protonów i neutronów, na dwa jądra pierwiastków lżejszych.
Podsumowując masy substancji i produktów reakcji okazuje się, że
pewna część materii znikła, wydzielając wielką porcje energii. W
bombie atomowej proces roztrzepienia zachodzi bardzo szybko , w
sposób niekontrolowany. W reaktorze jądrowym reakcja jest staranie
kontrolowana i zachodzi dużo wolniej. Produkowana energia zamienia
wodę w parę, która porusza olbrzymie turbiny napędzające generator.
Energia atomowa jest to energia potocznie wyzwolona w
egzoenergetycznych reakcjach jądrowych, przede wszystkim w
procesie łańcuchowej reakcji rostrzepiania (np.jąder uranu, plutonu) i
reakcji syntezy jądrowej.

Reakcja łańcuchowa

• Reakcja rostrzepiania jąder uranu zachodzi pod wpływem

powolnego neutronu. Neutron krąży z prędkością odpowiadającą
prędkości ruchów cieplnych(ok. 2 km/s) ,zwany neutronem
termicznym, łączy się z jądrem substancji rostrzepialnej, czyniąc
ją niestabilnym. Jądro deformuje się, przewęża , a w końcu
rozpada się na dwa jądra stabilne, emitując przy tym kilka
neutronów oraz porcję energii. Wyemitowane neutrony mogą
trafić w inne jądra , które ulegają rostrzepieniu W rezultacie
powstało ,coraz więcej swobodnych neutronów i coraz więcej
jąder rostrzepia się. Reakcja ta nosi nazwę reakcji łańcuchowej. w
bombie atomowej i pozwala się na pełne rozwinięcie łańcucha, by
wszystke powstające przy jednostkowym akcie rozpadu neutrony
powodowały rostrzepienie innych jąder. Dlatego następuje
bardzo gwałtowne przyśpieszenie tempa reakcji owocujące
nagłym uwolnieniem wielkiej energii-eksplozją.

Promieniowanie Jonizujące

• Promieniowanie jonizujące

to promieniowanie wywołujące bezpośrednio lub

pośrednio jonizacje atomów i cząsteczek (promieniowanie rentgenowskie i
jądrowe).Jest szkodliwe dla organizmów żywych.

• Pierwiastki których jądra ulegają rozpadowi czyli tzw. pierwiastki promieniotwórcze

(Ra, Ac i inne ) oraz wszystkie ich związki chemiczne (RaCl

) są nazywane

substancjami promieniotwórczymi lub radioaktywnymi. Każda ich próbka
makroskopowa emituje bez przerwy promieniowanie , czyli strumień cząsteczek i
najczęściej jeszcze pewien rodzaj niewidzialnego światła (fali elektromagnetycznej)
zwanego promieniami gamma. Emisja promieni gamma towarzyszy bowiem
większości rozpadów samorzutnych.

• Promieniowanie wytworzone przez substancje radioaktywne jest nazywane

promieniowaniem jądrowym. Najistotniejsze są skutki przejścia promieniowania
przez organizmy żywe , które mogą spowodować ich śmierć. Szybkość
samorzutnego rozpadu jest cechą danego radionukloidu ( izotopu
promieniotwórczego) i zależy od liczby jąder w badanej próbce. Im więcej jąder
tym większa ich liczba rozpadnie się w ciągu najbliższej sekundy.Najczęściej
stosowaną miarą szybkości rozpadu promieniotwórczego jest okres półtrwania
(okres połowicznego zaniku) oznaczone symbolem T

1/2

czyli czas w którym połowa

początkowej liczby jąder ulega rozpadowi.

• Jeżeli znany jest okres półtrwania i początkowa ilość radionukloidu to można

obliczyć ile sięgo rozpadnie w ciągu założonego czasu. promieniowanie jądrowe
jest promieniowaniem przenikliwym i potrafi przejść przez napotkany materiał .

• Grubość materiału - im grubsza jest warstwa materiału tym skuteczniej pochłania

promieniowanie. W praktyce substancje silnie promieniotwórcze przechowuje się i
przewozi w osłonach wykonanych z ołowiu , szkła ołowianego, betonu lub stali o
grubości kilku mm do kilku m .

Główne rodzaje promieniowania jonizującego

• alfa

- emitowane głównie przez jądra o dużej

liczbie atomowej .

• beta

- szybkie elektrony mające większy

zasięg niż promieniowanie alfa ale mniej
szkodzą , ich źródłem są pierwiastki
promieniotwórcze i promieniowanie kosmiczne
.

• prom. gamma i rentgenowskie

- to

promieniowania elektromagnetyczne , są
bardzo przenikliwe w dużych dawkach szkodzą
organizmom żywym.

Document Outline