Energetyka jądrowa, reaktor a broń jądrowa

Wbrew pozorom energetyka jądrowa nie jest największym wrogiem środowiska, wręcz przeciwnie, jest jednym z całkowicie czystych źródeł energii; nie emituje do atmosfery praktycznie żadnych zanieczyszczeń, a odpady radioaktywne są składowane w bezpiecznym miejscu. Również nieprawdą jest że energetyka jądrowa jest niebezpieczna dla zdrowia. Elektrownie jądrowe posiadają bardzo dobre zabezpieczenia, praktycznie uniemożliwiające przedostanie się odpadów radioaktywnych do środowiska. A Czarnobyl był w tym wypadku wyjątkiem. Pyły z elektrowni węglowych są bardziej szkodliwe dla zdrowia niż mogłoby się wydawać. Prowadzą one do powstawania wielu chorób, powodujących przedwczesne zgony. Okazało sie -jak mówi Andrzej Strupczewski z Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej z Wiednia - że praca elektrowni węglowej wyposażonej we wszystkie nowoczesne zabezpieczenia, urządzenia ochrony środowiska, kosztuje ok. 130 istnien ludzkich (przedwczesnych zgonów) przy produkcji jednego gigawata energii rocznie. Tymczasem wytworzenie w ciągu roku tej samej ilości energii w elektrowni atomowej pochłania dwa istnienia. (...) Wyprodukowana dotychczas w elektrowniach atomowych energia ocaliła 1250000 istnień ludzkich. Poza tym, jak wykazano, energia jądrowa jest 10 razy tańsza od energii pozyskiwanej z gazu ziemnego i około 100 razy tańsza od energii pozyskiwanej z węgla. Koszty inwestycyjne są co prawda większe, ale cena paliwa jest nieporównywalnie niższa. Poza tym dochodzi jeszcze kwestia transportu, który wciąż jest drogi i stanowi jedno z głównych źródeł emisji gazów cieplarnianych do środowiska. Elektrownia nuklearna o mocy 1000MW potrzebuje rocznie około 30 ton paliwa, podczas gdy elektrownia węglowa o takiej samej mocy potrzebuje 3 · 106 ton paliwa.

Polska

Polska jest jednym z nielicznych krajów w którym energetyka jądrowa jest uważana za wroga publicznego numer 1 (Podobną postawę społeczeństwa można spotkać między innymi we Włoszech). Wszelkie próby wprowadzenia jej do naszego kraju napotykają na ostre opory. Niestety, polskie społeczeństwo jest bardzo często niedoinformowane i tratuje elektrownie jądrowe jak bombę atomową z opóźnionym zapłonem. Tymczasem prawda jest taka że w elektrowni nie może dojść do wybuchu jądrowego (warto wspomnieć że wybuch elektrowni atomowej w Czarnobylu nie był wybuchem jądrowym, ale chemicznym). Będąc straszeni przez "ekologów" i mając w pamięci katastrofę w Czarnobylu boimy się wszystkiego, co ma jakikolwiek związek z rozszczepieniem atomu. Tymczasem u naszych sąsiadów (Francja, Finlandia, Litwa) energetyka jądrowa jest czymś codziennym, społeczeństwa w tych krajach nie boją się jej, a nawet chcą aby ten sektor energetyki rozwijał się dalej. Ludzie mieszkający w pobliżu elektrowni atomowych nie czują się zagrożeni. W większości państw europejskich stosunek do energetyki jądrowej jest przychylny lub obojętny.

Być może to co napisałem może się wydać co najmniej dziwne, ale w innych krajach nikt by się temu nie dziwił. W Polsce nie mówi się o energetyce jądrowej. Jesteśmy pozbawieni rzetelnych informacji, a co jakiś czas docierają do nas doniesienia o wypadkach w elektrowniach atomowych. Każde takie doniesienie jest wykorzystywane przez pseudoekologów którzy straszą nas niestworzonymi historiami, nie rozumiejąc że energetyka jądrowa jest ich pierwszym sprzymierzeńcem w walce z zanieczyszczeniami. Energetyka jądrowa jest praktycznie jedynym całkowicie czystym źródłem energii. Co prawda istnieją elektrownie wodne, wiatrowe, czy geotermalne ale nie wszędzie mogą one być budowane, poza tym charakteryzuje je stosunkowo mała wydajność i wysokie koszty. Mogą one być wykorzystywane jedynie jako źródła uzupełniające, zwłaszcza że są uzależnione od warunków atmosferycznych. Elektrownie jądrowe nie emitują do atmosfery żadnych zanieczyszczeń a problem składowania odpadów nie jest aż tak wielki jakby się mogło wydawać.

Rozpowszechnianie energetyki jądrowej

Aby w przyszłości energetyka jądrowa zdominowała rynek energetyczny, musi zyskać akceptacje społeczeństwa i polityków. Aby do tego doszło musi następować ciągły wzrost bezpieczeństwa, idący w parze ze stałym spadkiem cen. Nieprzerwanie toczą się prace nad nowymi zabezpieczeniami, nowymi technologiami. Być może za kilka lat będzie możliwe przeprowadzenie kontrolowanej fuzji jądrowej. Prace toczą się również nad poprawieniem wytrzymałości materiałów bombardowanych intensywnymi strumieniami neutronów, oraz innych produktów rozpadu o różnych energiach. Kolejnym ważnym krokiem do zdobycia akceptacji zarówno społeczeństwa, jak i polityków, jest zapobieganie rozprzestrzeniania się broni jądrowej. W tym celu prowadzone są badania nad możliwością wprowadzenia innych paliw (na przykład toru-232). Jeżeli wprowadzono by takie paliwo, to wśród produktów ubocznych nie byłoby Plutonu-239-długożyjącego transuranowca, będącego głównym składnikiem broni jądrowej. Jednakże pierwszym i podstawowym krokiem do użycia elektrowni jądrowych na szerszą skalę jest informowanie społeczeństwa o prawdziwym obliczu energetyki jądrowej. Bo jak może ona zyskać poparcie społeczeństwa, jeżeli będziemy się trzymali starych mitów i jak może zyskać poparcie polityków, jeżeli nie zyska poparcia społeczeństwa?!? Otóż w tym jest ogromna rola dziennikarzy. To właśnie oni mogą ukazywać ludziom prawdę. Niestety nie wszystkim zależy na prawdzie, niektórym z nich zależy głównie na sensacjach, bo kiedy przez Polskę przejeżdża pociąg wiozący odpady radioaktywne, jest to główny temat w mediach. Kamery pokazują "ekologów" przykuwających się do torów, wszyscy znają bardzo dokładnie trasę przejazdu pociągu, ale mało kto wie cokolwiek o trwałości i o zabezpieczeniach pojemników. Otóż są one zabezpieczone przed, praktycznie każdą możliwą katastrofą z pożarem włącznie. W każdym razie rozpowszechnienie się energetyki jądrowej jest tylko kwestią czasu: paliw organicznych zabraknie już w XXI wieku.

Typy reaktorów

Pierwszy reaktor zbudował Enrico Fermini na Uniwersytecie w Chicago. Miał on za pierwszym uruchomieniem moc 0,5 Wata (z trudem wystarczyłoby to na zaświecenie żarówki w latarce). W kilka dni później uzyskano moc 200 watów. Dzisiaj duże reaktory bez trudu osiągają moce 1GW (1000000000W).

        Elektrownia jądrowa nie różni się od elektrowni węglowej, tak bardzo, jakby się mogło wydawać. Elektrowni jądrowa posiada o wiele lepsze zabezpieczenia, jest tańsza, bezpieczniejsza, a miejsce kotła parowego zajmuje reaktor atomowy. Jednak w obydwóch, wyżej wymienionych typów elektrowni, woda odbiera ciepło od kotła, lub reaktora, wyparowuje, a para pod ogromnym ciśnieniem (około 7 MPa) napędz turbiny generatora prądu. Istnieje wiele typów reaktorów jądrowych, różnią się one wydajnością, budową, czy rodzajem paliwa, oto niektóre z nich.

Sterowanie reaktorem

       Sterowanie reaktora odbywa się poprzez kontrolowanie szybkości rekcji, to zaś jest możliwe dzięki kontrolowaniu ilości neutronów powstałych w jednostce czasu. Odbywa się to dzięki tak zwanym prętom sterującym. Są one wykonane z materiałów silnie pochłaniających neutrony (na przykład kadm, czy bor). Sterowanie reaktorem, za pomocą prętów odbywa się poprzez ich wsuwanie, bądź wysuwanie z reaktora. Całkowite wsunięcie powoduje natychmiastowe zatrzymanie reakcji, natomiast całkowite wysunięcie może doprowadzić do niekontrolowanej reakcji. Sterowanie musi się być w pełni zautomatyzowane, ponieważ reakcje jądrowe przebiegają bardzo szybko.

Reaktor wodny wrzący

       W tym reaktorze przekaźnikiem ciepła jest woda, jest tylko jeden obieg, paliwem są najczęściej pręty paliwowe z tlenku uranu (UO₂). Pręty paliwowe składają się z koszulek, i pastylek (sprasowane paliwo jądrowe). Reaktor tego typu miał być zamontowany w elektrowni atomowej w Żarnowcu. Warto wspomnieć że jeżeli ten reaktor zbytnio się przegrzeje, woda będąca moderatorem zaczyna parować, przez co słabiej wychamowuje neutrony: cały reaktor ulega ochłodzeniu.

Reaktor wodny ciśnieniowy

      W tym reaktorze przekaźnikiem ciepła jest również woda, jednakże istnieją już dwa obiegi (pierwotny i wtórny). W obiegu pierwotnym woda ma temperaturę 290-330^oC, jednak mimo tak wysokiej temperatury pozostaje wciąż w stanie ciekłym (za sprawą olbrzymiego ciśnienia (15 MPa). Stałość tego ciśnienia zapewnia odpowiedni regulator. W wytwornicy pary woda z obiegu pierwotnego przekazuje ciepło wodzie w obiegu wtórnym.

W wodzie obiegu pierwotnego jest rozpuszczony bor, silnie pochłaniający neutrony. A zatem sterowanie reaktorem może się, w tym przypadku, odbywać w dwojaki sposób: poprzez regulowanie pozycji prętów paliwowych, oraz przez zmianę stężenia roztworu boru w wodzie obiegu pierwotnego. Można też zauważyć że jest to poniekąd reaktor "samoregulujący się"; kiedy zbytnio się nagrzewa, gęstość wody maleje i szybkie neutrony są słabiej wyhamowywane, przez co nie mogą rozbić następnych atomów -reakcja ulega spowolnieniu, prowadzi to do ochłodzenia całego układu.

Reaktor wodny wrzący oraz wodny ciśnieniowy są nazywane lekkimi, ponieważ jako moderator stosuje się w nich wodę "zwykłą" (H₂O), a nie "ciężką (D₂O).

Reaktor prędki powielający

       Ten reaktor znacznie różni się od dwóch pozostałych; jako paliwa używa się Uranu-238 i Plutonu-239, a nie jak poprzednio Uranu-235. Pierwszą konsekwencją jest to, że nie używa się tu moderatorów, ponieważ aby tym wypadku zaszły odpowiednie reakcje potrzebne są prędkie neutrony. W tym reaktorze wykorzystuje się zjawisko pochłaniania neutronów przez, praktycznie nierozszczepialny

U-238, który staje się wówczas rozszczepialnym Pu-239. A więc reaktor produkuje sobie sam paliwo, a nawet może go wyprodukować więcej niż sam zużył! Można wspomnieć że zasoby U-238 są w skorupie ziemskiej o wiele większe niż zasoby U-235. W tym przypadku istnieją dwa rodzaje prętów; pręty paliwowe i pręty powielające. Technika ta jest 60 razy wydajniejsza niż tradycyjna uranowa. W paliwie znajduje się 20-30% Pu-239 i 70-80% U-238. Jest dziesięciokrotnie więcej materiału rozszczepialnego niż zazwyczaj, więc stwarza to więcej niebezpieczeństw i problemów technicznych niż w tradycyjnych elektrowniach. Z dużą ilością materiału rozszczepialnego wiąże się też większe wydzielanie ciepła. Przekaźnikiem ciepła musi być materiał dobrze przewodzący ciepło i słabo hamujący neutrony. Takim materiałem jest na przykład sód. Można powiedzieć w tym typie reaktora są aż trzy obiegi: pierwotny obieg ciekłego sodu, wtórny obieg ciekłego sodu, oraz obieg wody.

Reaktor wysokotemperaturowy

       W przeciwieństwie do poprzednio opisanych typów, w tym reaktorze paliwo ma kształt granulek, zasklepionych w kulach grafitowych wielkości piłki tenisowej. Grafit służy jako moderator. Kolejną istotną różnica jest stosowanie Toru-232 który po przechwyceniu neutronu przekształca się w Uran-233. Występują dwa obiegi: gazu i wody. Gaz (na przykład mało aktywny chemicznie Hel) jest przekaźnikiem ciepła między reaktorem a wodą. Reaktor ten posiada wysoką sprawność.

Jest możliwość uniknięcia trudnej i kosztownej produkcji prętów paliwowych. W takim przypadku rdzeń reaktora jest wypełniony wodnym roztworem pierwiastka, będącego paliwem jądrowym, zdarza się również że reaktor jest wypełniony proszkiem. Taki reaktor nazywamy jednorodnym.

Broń jądrowa

Broń nuklearna, zwana też bronią masowego rażenia lub masowej zagłady, jest najbardziej destruktywną technologią jaką kiedykolwiek rozwinięto. Od dnia, kiedy w 1938 roku odkryto istotę rozszczepienia, problem kontrolowania tej śmiercionośnej technologii był istotą w wyścigu zbrojeń. Świat w którym dokonano tego odkrycia - wstrząśnięty wojną, otaczającą paranoją i okrucieństwami totalitaryzmu - przekształcił czysto teoretyczną możliwość w nieuchronną rzeczywistość. Naukowcy byli pewni, że tworzą tylko bardziej udoskonaloną broń, nie mieli pojęcia, że szybkimi krokami zbliżają się do otwarcia najstraszniejszego rozdziału w historii wojny.

Zrodzony w wojnie, projekt Manhattan był wysoko klasyfikowany od samego początku i jeszcze bardziej ukrywany. Nie zapobiegło to jednak w tworzeniu tych śmiercionośnych ładunków przez państwa, których zaawansowanie techniczne na to pozwalało. Przeszkody na drodze do "klubu nuklearnego" były skrzętnie usuwane - broń ta miała najwyższy priorytet. Podczas zimnej wojny wiodące imperia poświęcały rozwój gospodarczy i ekonomiczny, aby tylko stworzyć jak najdoskonalszą broń. Chociaż motywację posiadania jej często określano jako niezbędną do obrony, prawdziwe cele były często mniej szlachetne. Względy polityczne, osobiste ambicje oraz czyste szaleństwo było wystarczającym powodem do trawienia olbrzymich funduszy publicznych, wystawiania milionów ludzi na zgubny wpływ efektów tej broni i obciążania następnych pokoleń brzemieniem przeszłości.

Wielka energia broni jądrowej pochodzi z rozszczepienia ciężkich lub syntezy lekkich pierwiastków. Rozszczepienie jądrowe zachodzi, gdy jądra pewnych izotopów bardzo ciężkich pierwiastków, na przykład uranu czy plutonu, pochłaniają neutrony. Jądra tych izotopów są mało stabilne i dodanie małej ilości energii kinetycznej pochodzącej z neutronu ( stąd w bombie jądrowej niezbędne jest źródło neutronów, rozpoczynające reakcję) spowoduje nagłe rozszczepienie na dwa jądra, czemu towarzyszy uwolnienie ogromnej ilości energii i kilku nowych neutronów. Jeżeli średnio jeden neutron z każdego rozszczepienia jest pochłaniany i powoduje reakcję rozszczepienia kolejnego jądra dochodzi do samo podtrzymywania, zwanego reakcją łańcuchową. Gdy natomiast średnio więcej niż jeden neutron z każdego rozpadu wywołuje rozszczepienie kolejnego jądra liczba neutronów i ilość wydzielonej energii rośnie wykładniczo do czasu.

Reakcja fuzji, zwana często reakcją termojądrową, jest reakcją zachodzącą pomiędzy jądrami pewnych izotopów lekkich pierwiastków. Jeżeli do jąder tych dostarczy się dostatecznie dużo energii (np. na skutek wybuchu, lub dzięki akceleratorowi cząstek w laboratorium) istnieje wtedy znacząca szansa, że połączą się one tworząc jedno lub więcej nowych jąder, czemu towarzyszy wydzielenie się energii.

Broń jądrową dzielimy ze względu na rodzaj wykorzystywanej w niej reakcji jądrowej, na jedno -, dwu- i trójfazową. W broni jądrowej jednofazowej, nietrafnie zwanej również atomową, jedynym źródłem energii jest reakcja rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich, takich jak uran czy pluton. Broń jądrowa dwufazowa wykorzystuje energię powstałą w wynikureakcji syntezy (fuzji) jąder pierwiastków lekkich. Powszechnie nazywa się ją również bronią termojądrową ze względu na olbrzymie temperatury, w jakich zachodzi reakcja syntezy, lub wodorową, ponieważ podstawowymi składnikami reakcji są izotopy wodoru - deuter i tryt. Pierwsza faza, rozszczepienie, dostarcza potrzebnej energii do zapoczątkowania drugiej fazy, czyli łączeniu się deuteru i trytu w wodór. Broń jądrowa trójfazowa, typu: rozszczepienie - synteza - rozszczepienie - wytwarza znaczną moc. Jest również nazywana bombą płaszczową lub przekładańcem, ze względu na swoją budowę. Jej działanie polega na rozszczepieniu neutronami, wytworzonymi w reakcji termojądrowej, plutonu, który powstaje dzięki energii z I i II fazy z nierozszczepialnego, tworzącego płaszcz bomby, uranu.

Istnieje jeszcze typ broni jądrowej, który jest odmianą broni dwufazowej. Jest to broń neutronowa. Bomby należące do tej grupy nie absorbują neutronów powstających w czasie syntezy. Uwolnione w ten sposób intensywne promieniowanie wysokoenergetycznych neutronów stanowi jej główny mechanizm destrukcyjny. Promieniowanie neutronowe nie niszczy materii, lecz przez nią przenika, jednak zabija organizmy żywe.

Do broni jądrowej, należy również dodać tzw. bomby zasolające lub bomby kobaltowe. Ich działanie podobne jest do broni jądrowej trójfazowej, jednak zamiast rozszczepialnych pierwiastków z III fazy, stosuje się nierozszczepialne, specjalne dobrane izotopy radioaktywne, głównie kobalt (stąd nazwa bomb - kobaltowe). Warstwa pierwiastka, pochłania neutrony, powstające w fazie fuzyjnej, co powoduje przejście izotopu do stanu wysokiej radioaktywności. Użycie takiej bomby powoduje skażenie promieniotwórcze terenu. Zmienny efekt skażenia można uzyskać dzięki zastosowaniu odpowiednich izotopów. Złoto jest przeznaczane dla krótkoterminowego skażenia (trwającego dni), tantal i cynk dla skażenia pośredniego (trwającego miesiące), kobalt zaś stosuje się do skażania długoterminowego (lata).

Eksplozje jądrowe wytwarzają zarówno bezpośrednie jak i opóźnione w czasie skutki destrukcyjne. Efekty bezpośrednie (fala uderzeniowa, promieniowanie cieplne czy jonizujące) powodują poważne zniszczenia w ciągu sekund lub minut po wybuchu nuklearnym. Efekty opóźnione (opad radioaktywny oraz inne efekty środowiskowe) działają przez dłuższy okres - począwszy od godzin, aż do wieków - oraz mogą spowodować straty nawet na obszarach bardzo oddalonych od miejsca detonacji.

Istnieją trzy kategorie efektów bezpośrednich: fala uderzeniowa, radiacja cieplna (termiczna) oraz promieniowanie jonizujące. Ich relatywne znaczenie zmienia się w zależności od siły eksplozji bomby. Przy małych ładunkach wszystkie trzy mogą być znaczącym źródłem zniszczeń. Przy dość dużej sile te trzy efekty są sobie równe - są zdolne do dokonywania znaczących zniszczeń na odległość 1 km.

---