Silniki czterosuwowy - budowa, działanie, wykres pracy.

Silnik czterosuwowy jest to silnik spalinowy, którego tłok wykonuje cztery ruchy posuwiste w jednym cyklu roboczym.

Budowa silnika czterosuwowego

Silnik czterosuwowy składa się z następujących głównych części:

• kadłuba,

• głowicy,

• mechanizmu korbowego

• oraz rozrządu i koła zamachowego.

Kadłub, to obudowa silnika. W nim poruszają się tłoki i wał korbowy. Od góry przykrywa go głowica, która zawiera zawory i pozostałe części mechanizmu rozrządu. Kadłub również zawiera w swej budowie elementy, które pozwalają przymocować sam silnik do napędzanego mechanizmu, jak również do niego zostają przytwierdzone elementy osprzętu potrzebne do funkcjonowania silnika. W skład kadłuba i głowicy wchodzą również takie elementy, jak kanały dolotowe mieszanki paliwowo-powietrznej, wylotowe spalin, kanały układu chłodzenia i smarowania. Kanały dolotowe, którymi przemieszcza się mieszanka muszą być odpowiedniej średnicy, aby mogła ona w sposób swobodny przejść do komory spalania silnika. Kanały wylotowe również muszą mieć odpowiednią średnicę, aby sprawnie odprowadzać spaliny. Ich temperatura może osiągać poziom 800ºC a ich ciśnienie około 20 atmosfer, a liniowa prędkość uchodzenia jest bliska prędkości dźwięku, czyli około 1200 km/h. Wynika z tego, że kanał wylotowy musi działać w zdecydowanie bardziej ekstremalnych warunkach, niż kanał dolotowy. Dodatkowo oba kanały muszą biec w odpowiedniej odległości od siebie. Wynika to z faktu, że kanał dolotowy nie może być zbyt ogrzewany. Wyższa temperatura powoduje spadek gęstości gazu, a więc w tej samej objętości powietrza będzie znajdować się mniej tlenu. Jego niedobór spowoduje zmniejszenie wydajności i osłabienie jego mocy. Kadłub i głowica zbudowane są zwykle z żeliwa. Jest to dobry materiał na ten cel ze względu na słabe przewodzenie fal akustycznych, czyli mniej głośna praca niż w przypadku stali, bardzo dobre właściwości ślizgowe, odporność na siły ściskające oraz podatność na obróbkę. Nowsze technologie pozwalają obniżyć masę silnika przez zastosowanie do jego budowy aluminium. Ten materiał jednak, ze względu na słabe właściwości ślizgowe wymaga stosowania na ściankach cylindrów specjalnych powłok poślizgowych.

Mechanizm korbowy jest kolejną zasadniczą częścią silnika. W jego skład wchodzą wał korbowy, korbowód, tłok oraz koło zamachowe. Mechanizm korbowy przekształca liniowy ruch tłoka na obrotowy ruch wału korbowego. Tłok porusza się wewnątrz cylindra. Jego średnica jest nieco mniejsza niż średnica cylindra, więc dla uszczelnienia komory spalania stosuje się pierścienie uszczelniające, które zakłada się w zagłębieniach w górnej części tłoka. Jest to konieczne, gdyż w komorze spalania powstają ogromne ciśnienia gazów w czasie spalania mieszanki. Powoduje to nadanie prędkości tłokowi rzędu 200 km/h. Brak uszczelnienia komory powodowałby znaczny spadek mocy silnika oraz jego zwiększoną awaryjność poprzez przedostawanie się spalin do wnętrza kadłuba, zmiany własności smarnych olejów smarujących mechanizmy ruchome oraz przegrzewanie silnika poprzez dodatkowe ogrzewanie jego części ciepłem spalin. Pierścienie silnika, poza zadaniem uszczelniania komory silnika, mają za zadanie również przekazywać ciepło ogrzanego do bardzo wysokich temperatur tłoka. Energia cieplna przenika przez pierścienie i oddawana jest ściankom cylindra, który jest zaopatrzony w układ chłodzący. Chłodzenie tego elementu może następować za pomocą przepływającej w ściankach cylindra cieczy lub opływającego cylinder gazu (najczęściej powietrza). Tłok do korbowodu przymocowany jest poprzez sworzeń. Materiałem stosowanym zwykle do budowy tłoków jest aluminium, choć część jego elementów może być stalowa. Tłok połączony jest z wałem korbowym za pomocą korbowodu, który przenosi energię eksplozji mieszanki paliwowo-powietrznej na wał korbowy wprowadzając go w ruch. Korbowód zbudowany jest z lekkich materiałów, jednak bardzo wytrzymałych, jak np. uszlachetnione żeliwo lub uszlachetniona stal. Jest to konieczne ze względu na ogromne obciążenia jakie narażony jest korbowód. Silniki sportowe najczęściej zaopatrywane są w wały korbowe wykonane z tytanu.

Korbowód przymocowany jest do wału korbowego w miejscu zwanym wykorbieniem wału korbowego. Każdy korbowód przymocowany jest do innego wykorbienia. Elementy te umieszczone są do siebie kątowo. Pozwala to uczynić pracę silnika równomierną - tłoki znajdują się w tym samym czasie w różnych położeniach, pracują w różnych suwach.

Bardzo duże obciążenia, które występują przy zamianie posuwistego ruchu tłoka na moment obrotowy wału korbowego powodują, że wał korbowy musi być wykonany z bardzo wytrzymałych materiałów. Jest to zwykle żeliwo z dodatkiem grafitu, który zwiększa jego wytrzymałość. Wał korbowy podparty jest również w kilku miejscach panewkami. Są nimi zazwyczaj łożyska ślizgowe. Dwa z nich znajdują się w zewnętrznych ściankach kadłuba a kolejne umieszczane są pomiędzy wykorbieniami wału. Co najmniej jedno z tych łożysk stabilizuje również wzdłużnie wał korbowy. Na wale korbowym znajdują się również przeciwwagi równoważące siłę bezwładności korbowodów z tłokami, które działają na wał korbowy.

Ostatnim elementem mechanizmu korbowego jest koło zamachowe. Umieszczone jest ono tuż za blokiem silnika. Spełnia ono bardzo istotną rolę w pracy silnika - bez niego praca silnika nie byłaby możliwa. Ponieważ tylko jeden z czterech suwów funkcjonującego silnika jest suwem dającym energię do obrotu, pozostałe takty wymagają innej siły. Obracające się ciężko koło zamachowe daje właśnie tę siłę, która zgromadzona jest w energii kinetycznej ruchu tego elementu silnika. Koło obrotowe wytwarzane jest zwykle z żeliwa. Wymaga ono dokładnego wyważenia, gdyż w przeciwnym wypadku silnik pracuje niemiarowo, łatwiej ulegając awariom i zużyciu.

Funkcjonowanie mechanizmu rozrządu polega na dostarczaniu do komory silnika mieszanki paliwowo-powietrznej i odbieraniu spalin. Aktualnie stosuje w silnikach czterosuwowych się wyłącznie jeden rodzaj rozrządu, a mianowicie rozrząd górnozaworowy. Oznacza to, że zawory umieszczone są w górnej części silnika, tj. w głowicy. Dawniej funkcjonowały konstrukcje silnikowe, w których zawory były umieszczone w dolnej jego części, w kadłubie (rozrząd dolnozaworowy). Konstrukcje te nie są już dziś używane. Mechanizm rozrządu składa się z: zaworów, wałka lub wałków rozrządu, popychaczy, dźwigienek zaworowych oraz napędu wałka (wałków) rozrządu w postaci paska bądź łańcucha rozrządu. Na każdy cylinder przypadają co najmniej dwa otwory w głowicy, w których umieszczone są zawory. Jeden z nich zamyka dyszę, przez którą dostarczana jest mieszanka paliwowo-powietrzna, natomiast drugi zamyka ujście gazów spalinowych. Jednak konstrukcje dwuzawodowe stosowane są coraz rzadziej. Aktualnie wykorzystuje się mechanizmy trzy do pięciozaworowe. W takim przypadku dwa do trzech zaworów służy zasilaniu komory silnika w mieszankę paliwowo-powietrzną, a jeden do dwóch odprowadza spaliny. Takie konstrukcje pozwalają na sprawniejsze dostarczanie mieszanki i usuwanie produktów spalania, co zwiększa moc jednostek silnikowych. W budowie zaworu możemy wyróżnić dwie części. Jedną z nich jest trzonek, a drugim grzybek. Na trzonek przekazywana jest siła z wałka rozrządu. Porusza się on posuwiście obniżając położenie grzybka, otwierając w ten sposób światło przewodów dostarczających mieszankę paliwowo-powietrzną oraz odprowadzających gazy spalinowe. Wałek rozrządu ma postać wydłużonego walca z umieszczonymi nań w różnych kierunkach wypustkami. Kierunki ich umieszczenia nie są przypadkowe. Wypustki te przemieszczając się wraz z obracającym się wałkiem rozrządu naciskają na trzonek zaworu otwierając go, więc ruch ten musi być ściśle zsynchronizowany z ruchem tłoków w cylindrze. Na każdy zawór przypada jedna wypustka. Siła napędzająca wałek rozrządu jest przenoszona z wału korbowego. Jej transmiterem może być łańcuch lub, co stanowi nowsze rozwiązanie, pasek zębaty. Ten ostatni wymaga stosowania napinaczy, aby nie uniemożliwić mu zesunięcie się z koła zębatego. Obie konstrukcje mają swoje wady i zalety. Łańcuchowe przeniesienie napędu uchodzi za głośniejsze, natomiast jest bardziej trwałe. W przypadku napędu paskiem zębatym, ten element należy częściej wymieniać i naciągać.

Działanie silnika czterosuwowego

Spośród wszystkich znanych typów silników spalinowych, najlepszym jest ten zwany czterosuwowym. Nazywany jest on czterosuwowym, gdyż jego praca polega na cyklicznym wykonywaniu czterech suwów przez tłok. Suwy te, to: ssanie-sprężanie-praca-wydech.

Pierwszym suwem jest ssanie. Tłok w cylindrze przesuwa się wtedy z górnego położenia do dolnego, a przez otwarty zawór ssący wytworzone podciśnienie powoduje zassanie mieszanki paliwowo-powietrznej. W chwili, gdy tłok dojdzie do swego najniższego położenia zawór ssący zostaje zamknięty, a dalszy ruch tłoka to już suw sprężania. Znajdująca się w tym czasie w cylindrze mieszanka paliwowo-powietrzna zostaje sprężona do objętości około 10% objętości początkowej. Zapłon mieszanki, wywołany iskrą lub samoczynny następuje tuż przed przejściem tłoka w najwyższe położenie. Poruszający się dalej tłok powoduje doprężenie wybuchającej już mieszanki, co pozwala na jej pełniejsze spalenie, a więc i uzyskanie większej wydajności względem dostarczonego paliwa. Od momentu, gdy tłok przejdzie przez swe najwyższe położenie zaczyna się faza działania silnika zwana suwem pracy. Eksplodująca mieszanka paliwowo-powietrzna powoduje silny wzrost ciśnienia w cylindrze i odepchnięcie tłoka. Siła ta jest wystarczająca, aby wałowi korbowemu nadać rozpęd, który pozwali mu przesuwać tłok jeszcze przez pozostałe trzy suwy. Z takiego stylu pracy wynika fakt, że z im większej liczby cylindrów zbudowany jest silnik, tym jego praca jest bardziej miarowa. Odepchnięty eksplozją mieszanki paliwowo-powietrznej tłok mija dolne najniższe położenie i od tego momentu zaczyna, przez otwarty zawór wydechowy, wypychać powstałe w wyniku spalania mieszanki spaliny. Działanie to, to suw wydechu. Po przekroczeniu zaś swego górnego położenia, tłok ponownie zasysa mieszankę paliwowo-powietrzną rozpoczynając swój cykl na nowo.

Układ smarowania

Układ smarowania jest układem niezbędnym do funkcjonowania silnika. Przy jego braku silnik niemal natychmiast uległby zniszczeniu, tzw. zatarciu. Każda ruchoma część silnikach musi być intensywnie smarowana, aby obniżyć występujące tam na ich kontakcie tarcie. Idealnym smarowaniem jest taki stan, gdzie wszystkie ruchome części rozdzielone są cienką warstwą oleju. Oczywiście poziom tarcia zależy również od właściwości smarnych oleju. Układ smarowania odpowiada za doprowadzanie do wszystkich ruchomych części silnika oleju pod takim ciśnieniem, aby powyższy warunek był spełniony. Układ smarowania składa się z następujących części: pompa olejowa, filtr oleju oraz rurki, którymi dostarczany jest olej do poszczególnych elementów.

Pompa ciśnieniowa zasysa olej ze zbiornika, który następnie filtrowany jest na filtrze olejowym, gdzie wyłapywane są ewentualne cząstki stałe, szczególne niebezpieczne w postaci metalicznych drobin. Następnie olej pod ciśnieniem dostarczany jest do wszystkich elementów wymagających smarowania, po czym swobodnie spływa z powrotem do miski. Miska stanowi pewien bufor, gdzie znajduje się zawsze zapas oleju, z którego jest uzupełniana robocza objętość ciągle znajdująca się w przewodach i dostarczana pod ciśnieniem do m.in. do łożysk wału korbowego, łożysk wałka rozrządu i innych części tego układu.

Oprócz zmniejszania tarcia elementów ruchomych, układ smarowania spełnia także częściowo funkcje chłodzące. Części ruchome, bezpośrednio ocierające o siebie nagrzewają się, poza komorą spalania najmocniej. Przepływający przez nie olej dobiera od nich ciepło, chłodząc je. Ilość odbieranego w ten sposób ciepła wynosi około kilku procent, jednak ze względu na bezpośredni dostęp do nagrzewających się części stanowi to znaczne wsparcie układu chłodzenia.

Układ chłodzenia

Układ chłodzenia silnika zabezpiecza jego działanie przed przegrzaniem i zatarciem. Krążące medium chłodzące odbiera ciepło wydzielane w czasie jego pracy (spalanie, tarcie) schładzając go i utrzymując jego temperaturę na mniej więcej stałym poziomie, bez względu na obciążenie silnika. Medium chłodzącym może być gaz lub ciecz. Zdecydowanie częściej w konstrukcjach silnikowych czterosuwowych stosuje się rozwiązania oparte na chłodzeniu cieczą. Typowy układ chłodzenia składa się z: pompy, termostatu, chłodnicy, przewodów rozprowadzających ciecz chłodzącą. Pompa służy do utrzymywania ruchu medium chłodzącego. Układ chłodzenia składa się z dwóch obiegów: krótkiego i pełnego. Krótki obieg omija chłodnicę i krąży jedynie w obrębie pompy i kanałów chłodniczych silnika. W przypadku pełnego obiegu, ciecz kierowana jest na chłodnicę, gdzie poruszający się wentylator schładza ją do odpowiedniej temperatury. Kierowaniem cieczy na odpowiedni układ zajmuje się zawór. Współpracuje z nim termostat, który w zależności od temperatury cieczy chłodzącej spływającej z silnika przełącza zawór, który otwiera odpowiedni obieg. Zarówno ciśnienie wytwarzane przez pompę, jaki i prędkość obracającego się wirnika chłodnicy zależą od szybkości obrotów silnika. Im szybciej silnik pracuje, tym mocniej się nagrzewa, a więc potrzeba więcej cieczy w jednostce czasu na odebranie ciepła z silnika i tym samym w chłodnicy proces schładzania cieczy musi zachodzić intensywniej.

Obecnie stosowane w silnikach czterosuwowych są pompy wirowe. Ustawione promieniście w stosunku do osi wirnika łopatki obracając się, nadają cieczy wpływającej do pompy ruch wytwarzaną siłą odśrodkową. Odrzucona ciecz wypływa pod ciśnieniem otworem umiejscowionym w bocznej ściance pompy.

Termostat stanowi mechanizm pozwalający utrzymywać daną temperaturę działając w sposób czynny (w odróżnieniu działania biernego, jak w przypadku np. termosu). Budowa termostatu w silniku spalinowym czterosuwowym powoduje, że przełącza on zawór z obiegu krótkiego na pełny w temperaturze powyżej 85ºC.

Chłodnica jest elementem pełnego obiegu chłodzenia silnika. Zbudowana jest ona z licznych wąskich przewodów aluminiowych, które poprzecznie poprzetykane są cienkimi blaszkami z tego samego materiału. Tak silnie rozwinięta powierzchnia intensywnie odbiera ciepło od nagrzanej cieczy chłodzącej. Ruch powietrza w obrębie blaszek i rurek wspomaga wentylator.

Absorpcyjne urządzenia chłodnicze

Pierwsze użycie czynników chłodniczych sięgają czasów zamierzchłych. Do przechowywania żywności stosowano doły wydrążone w lodzie lub śniegu. Czyli można powiedzieć, iż tak wyglądały pierwsze chłodnie, a pierwszymi czynnikami chłodniczymi były powietrze i woda. W historii ludzkości woda w postaci lodu miała bardzo długo zastosowanie. Praktycznie lodem posługiwano się do połowy XX wieku, a i obecnie lód jest stosowany w magazynach chłodu. Stosowano go ze względu na niską cenę i łatwą dostępność, jako bloki w chłodniach i transporcie .

Rozwój urządzeń chłodniczych absorpcyjnych, związany jest właśnie z niemożliwością uzyskania lodu. Podczas wojny secesyjnej Północ wstrzymała dostawy lodu dla Południa i pojawiła się pilna potrzeba jego otrzymania. Pierwsze urządzenie chłodnicze absorpcyjne zaprojektował w 1810 r. szkocki uczony J. Leslie. W 1860 francuski inż. F. Carre opatentował absorpcyjne urządzenie chłodnicze, w którym czynnikiem chłodniczym był amoniak, a pochłaniaczem woda (wykonane 1861). Fernande Carre w 1862 roku przetransportował z Anglii przez Meksyk do San Antonio w Teksasie absorpcyjne urządzenie chłodnicze.

Urządzenia absorpcyjne rozwijają się z powodzeniem do dnia dzisiejszego, pomimo ich niskich współczynników wydajności chłodniczej, COP<1. Jedną z ich zalet jest wykorzystywanie często ciepła odpadowego do procesu desorpcji. Równocześnie wzrastało zainteresowanie możliwością uzyskania lodu poprzez stosowanie zjawisk sprężania i rozprężania. W 1755 r. szkocki lekarz i chemik William Cullen wyprodukował lód przez parowanie wody w niskim ciśnieniu. Wykonywał również eksperymenty z parowaniem eteru etylu.

W 1834 r. Jacob A. Perkins opatentował sprężarkowe urządzenie chłodnicze na eter etylowy mające wszystkie elementy dzisiejszych urządzeń sprężarkowych. Eter etylu nie jest dobrym czynnikiem chłodniczym, ma działanie znieczulające, jest łatwopalny, nie ma przy tym żadnego zapachu. Rozpoczęło się poszukiwanie lepszych czynników chłodniczych dla urządzeń sprężarkowych. W 1663 r. Charles Tellier opatentował urządzenie z eterem metylu jako substancją pracującą przy wyższych ciśnieniach i stwarzającej mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia mieszaniny wybuchowej z powietrzem.

W 1872 roku David Boyle zaprojektował sprężarkę amoniakalną. Cztery lata później Carl von Linde zaprojektował urządzenie chłodnicze wykorzystujące amoniak jako czynnik chłodniczy. Ze względu na toksyczność amoniaku trwały przez cały czas poszukiwania lepszego czynnika chłodniczego. W 1862 roku Thaddeus Lowe wykonał urządzenie z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem chłodniczym, który jest nietoksyczny, ale wymaga wysokiego ciśnienia sprężania i ma niską temperaturę krytyczną (31,6^oC). Pod koniec dziewiętnastego wieku, w 1878 roku, zainteresowano się we Francji możliwością użycia chlorometanu. Chlorometan jest substancją łatwopalną i toksyczną oraz bezzapachową, stanowił jednak początek dla chlorowcopochodnych.

Początkowe lata dwudziestego wieku to przede wszystkim chłodnictwo przemysłowe oparte na takich czynnikach jak amoniak i okresowo dwutlenek węgla. Domowe chłodziarki, zresztą nieliczne (5000 domowych lodówek w USA w 1921 roku) oparte było na amoniaku, chlorometanie, dwutlenku siarki, propanie i izobutanie . Niektóre właściwości tych czynników chłodniczych przedstawiłem w tabeli poniżej.

Dalszy rozwój tanich, masowych chłodziarek domowych wymagał znalezienia lepszego czynnika chłodniczego, niż wymienione powyżej. Nowy czynnik powinien być niepalny, nietoksyczny, mieszalny ze smarem i o odpowiednich właściwościach termodynamicznych. Prace nad poszukiwaniem takiego czynnika rozpoczął inż. Thomas Midgeley, który wziął pod uwagę związki chloru, bromu, jodu i fluoru z węglem. Wytypował on ponad 80 prostych związków, mogących być dobrymi czynnikami chłodniczymi, wśród nich znalazły się dzisiejsze R 11, R 12, R 13, R 22, które zdominowały przemysł chłodniczy na długie lata.

Ziębiarki absorpcyjne znajdują szerokie zastosowanie w różnych gałęziach wielkiego chłodnictwa przemysłowego. Mogą pracować dla temperatur od -60 do +100C a więc od temperatur zamrażania do temperatur wymaganych w klimatyzacji. Ich moc ziębienia wynosi od około 500 kW w jednej autonomicznej jednostce.  Urządzenia te znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym, petrochemicznym rafineryjnym oraz spożywczym. Do ich napędu wykorzystywane jest ciepło wytwarzane w towarzyszących kotłowniach niskoparametrowych, ciepło z upustu pary w siłowniach oraz ciepło odpadowe pochodzące z procesów przetwórczych w postaci pary wodnej gorących cieczy lub gazów. Ponadto urządzenia te mogą być zasilane poprzez bezpośrednie ogrzewanie gazem ziemnym lub olejem opałowym. Czynnikiem roboczym w ziębiarkach absorpcyjnych jest roztwór amoniak-woda. Zarówno amoniak jak i woda nie powodują niszczenia warstwy ozonowej atmosfery i są przyjazne dla środowiska naturalnego. W urządzeniach tych wielostopniowa desorpcja pozwala wykorzystać niskoparametrowe ciepło odpadowe już przy temperaturze 90-1200C. Natomiast absorpcja wielostopniowa zapewnia ziębienie przy różnych poziomach temperatury.

Zasada działania chłodniczego urządzenia absorpcyjnego

     Chłodziarki sorpcyjne , są to urządzenia, w których dla zrealizowania obiegu doprowadzana jest energia z zewnątrz w postaci ciepła. Urządzenia te są chłodziarkami parowymi, w związku z tym czynnik podlega przemianom fazowym. W parowniku odbywa się proces wrzenia czynnika chłodniczego kosztem ciepła doprowadzonego od środowiska ochładzanego. Proces przebiega w niskiej temperaturze i przy niskim ciśnieniu. W skraplaczu zaś oddaje ciepło do otoczenia przy wyższej temperaturze i przy wysokim ciśnieniu ulegając skropleniu. Przejście z ciśnienia skraplania na ciśnienie parowania uzyskuje się przez dławienie w zaworze rozprężnym. Realizacja procesu sprężania czynnika wymaga odprowadzenia ciepła do otoczenia (absorber) oraz doprowadzenie w innym miejscu ciepła przy temperaturze wyższej od temperatury otoczenia (desorber).

Zespół ten nosi nazwę sprężarki termicznej i zastępuje sprężarkę mechaniczną trzema przemianami:

• izobaryczną absorpcją pary czynnika chłodniczego przez ciekły absorbent,

• izentalpowym zwiększaniem ciśnienia cieczy przez pompę,

• 
  desorpcją pary czynnika chłodniczego przez doprowadzenie ciepła,

Elektrownie jądrowe

Elektrownia jądrowa jest to obiekt przemysłowo-energetyczny (elektrownia cieplna) wytwarzający energię elektryczną poprzez wykorzystanie energii pochodzącej z rozszczepienia jąder atomów, najczęściej uranu (uranu naturalnego lub nieco wzbogaconego w izotop U-235), której ciepło, do uzyskiwania pary, jest otrzymywane z reaktora jądrowego.

Odkąd odkryto energię elektryczną, zaczęto używać ją na coraz to większą i większą skale. Obecnie zapotrzebowani na nią jest ogromne i przez to powietrze, wody, całe środowisko jest zatrute. Na dodatek kończą się nam paliwa kopalne, a „ekologiczne” elektrownie tj. wiatrowe, wodne, słoneczne są mniej wydajne i także szkodliwe. Alternatywą od wszystkich tych sposobów otrzymywania elektryczności wydaje się energia jądrowa [atomowa], która już dzisiaj wytwarza ok. 20% światowej energii.

Elektrownie termojądrowe działają na zasadzie syntezy jądrowej, jednakże obecnie wszystkie pracujące reaktory wykorzystują do produkcji energii zjawisko rozszczepienia jąder ciężkich atomów synteza jądrowa jest wykorzystywana dotąd wyłącznie w celach militarnych. Polega ona na łączeniu się dwóch jąder lekkich atomów w jedno jądro atomu cięższego oraz wolną cząstkę elementarną. Energia wydziela się wskutek różnicy mas pomiędzy substratami i produktami reakcji. Światowe zasoby deuteru są ogromne (oceany), zaś tryt jest łatwy do wyprodukowania. Reakcja nie wytwarza też odpadów promieniotwórczych. Problem polew na tym, że do jej przeprowadzenia potrzebne jest podgrzanie substratów do co najmniej 40 mln stopni Celsjusza. Zapoczątkowanie reakcji deuteru wymaga temperatury 350 mln stopni Celsjusza. W tych temperaturach materia staje się plazmą. Poza tym jądra muszą znaleźć się odpowiednio blisko siebie. potrzebna jest więc ogromna gęstość plazmy. Co więcej, warunki te muszą trwać odpowiednio długo, czyli dziesiątą część sekundy. Dotychczas warunki takie uzyskano w bombie wodorowej. W laboratoriach pracuje się nad kontrolowaną reakcją termojądrową, stosując szereg pomysłowych technologii. Reakcja syntezy zachodzi, jednak wciąż wydatkuje się więcej energii dla jej przeprowadzenia, niż uzyskuje się w jej wyniku. Dlatego elektrownie termojądrowe pojawią się prawdopodobnie nieprędko.

Wszystkie działające zaś obecnie elektrownie jądrowe działają na zasadzie rozszczepiania ciężkich jąder. Reakcja rozszczepienia jądra uranu, zachodzi pod wpływem powolnego neutronu. Neutron krążący z prędkością odpowiadającą prędkości ruchów cieplnych (ok. 2 km/s), zwany neutronem termicznym, łączy się z jądrem substancji rozszczepialnej, czyniąc je niestabilnym. Jądro deformuje się, przewęża, a w końcu rozpada na dwa jądra stabilne, emitując przy tym kilka neutronów oraz porcję energii. Wyemitowane neutrony mogą trafić w inne jądra, które ulegną rozszczepieniu. W rezultacie powstaje coraz więcej swobodnych neutronów i coraz więcej jąder rozszczepia się. Reakcja ta nosi nazwę reakcji łańcuchowej. W bombie atomowej pozwala się na pełne rozwinięcie łańcucha, by wszystkie powstające przy jednostkowym akcie rozpadu neutrony powodowały rozszczepienie innych jąder. Dlatego następuje bardzo gwałtowne przyspieszenie tempa reakcji owocujące nagłym uwolnieniem wielkiej energii - eksplozją. W reaktorze natomiast część powstałych neutronów jest wychwytywana przez substancję dobrze pochłaniającą neutrony, np. kadm lub bor.

Elektrownie jądrowe i cały sprzęt potrzebny do ich obsługi jest niezwykle drogi i skomplikowany, jednakże uzyskuje się dużo energii i w efekcie jest to opłacalna inwestycja. Opłacalna w przeliczniku na pieniądze. Dużym problem są odpady z takiej elektrowni, których właściwie nie da się zlikwidować, więc trzeba je składować. Miasteczko Elstow w pobliżu Bedford w Wielkiej Brytanii wydało się specjalistom spraw jądrowych idealnym miejscem na składanie odpadów z reaktorów jądrowych. Podłoże z mocnych skał zapewniało, że zbiorniki nie będą przeciekać, a miękka glina na wierzchu powinna pochłaniać promieniowanie. Kiedy plan składowania odpadów został ogłoszony, mieszkańcy Elstow natychmiast zdecydowanie zareagowali. Nastąpiła burza protestów, plany zostały zaniechane. Teraz specjaliści szukają innych miejsc. Rozważano projekt wiercenia tunelu pod Morzem Północnym. Przeciwko temu pomysłowi ostro wypowiedziały się Norwegia i Dania. Państwa te obawiają się, że materiały promieniotwórcze mogłyby wyciekać i zanieczyszczać ich wybrzeża. Tymczasem rośnie sterta odpadów z brytyjskich elektrowni jądrowych. Odpady będą promieniotwórcze przez setki lat i ostatecznie gdzieś trzeba je składować Odpady te są groźniejsze od jakichkolwiek innych. Gdyby nastąpił jakikolwiek wyciek odpadów promieniotwórczych, mógłby spowodować skażenie powietrza, zbóż oraz okolicznych źródeł wody. A to mogło by spowodować liczne wypadki śmiertelne.

Atomy promieniotwórcze są atomami nietrwałymi. Każde jądro rozpada się po pewnym czasie, wyrzucając z siebie maleńkie cząsteczki lub porcje fal energii. Promieniowanie jądrowe może zniszczyć żywe komórki w ludzkim ciele. Nadmierna dawka promieniowania może spowodować choroby nowotworowe lub nieuleczalną chorobę popromienną. Szczególnie niebezpieczny jest promieniotwórczy gaz i pył, ponieważ może dostać się do organizmu z powietrzem, jedzeniem lub piciem. Kiedy substancje promieniotwórcze zostaną wchłonięte przez organizm, nie można już ich usunąć, a ich promieniowanie powoduje uszkodzenie komórek w głębi ciała.

Noc z 25 na 26 kwietnia, obsługa czwartego reaktora w Czarnobylu decyduje się na przeprowadzenie doświadczenia. Energia reaktora jest przekazywana przez podgrzaną, przez energię reaktora, parę na generatory wytwarzające prąd elektryczny. Doświadczenie ma polegać na znacznym zmniejszeniu mocy reaktora, zablokowaniu dopływu pary do generatorów i mierzeniu czasu ich pracy po odcięciu w taki sposób zasilania. Obsługa wyłącza automatyczne systemy zabezpieczające, aby eksperyment przeszedł bez zakłóceń. Reaktory w Czarnobylu będące typu RBMK-1000 posiadają niestety pewną wadę - są niestabilne przy małej mocy i każdy symulowany wzrost ilości wytwarzanej pary może spowodować zwiększanie ilości wytwarzanej przez reaktor energii. Wzrost energii powoduje wzrost wytwarzania pary co znów powoduje wzrost wytwarzania energii itd. Następuje bardzo gwałtowny i niekontrolowany wzrost mocy reaktora. Powinny włączyć się systemy zabezpieczające, ale zostały one wcześniej odłączone. Kilkanaście minut po godzinie pierwszej w nocy. Reakcja rozwija się. Jeden z obsługujących czwarty reaktor elektrowni w Czarnobylu próbuje uruchomić system zabezpieczeń. Reaktor jednak nie wyłącza się. Reakcja rozwija się nadal. Mija jeszcze kilka sekund. Reaktor produkuje sto razy więcej energii niż wynosi jego dopuszczalny poziom. Energia rośnie, temperatura rośnie. Następują dwie potężne eksplozja. Zerwana zostaje ciężka 2 tyś tonowa płyta pokrywająca reaktor. Ciśnięta z impetem niszczy budynek czwartego reaktora. Wybucha pożar, który przez następne 10 dni pali się w budynku reaktora. Do atmosfery dostaje się radioaktywny pył. 237 osób zatrudnionych w elektrowni i przybyłych na miejsce ratowników zostało poddanych ogromnym dawkom promieniowania (2000-16000 mSv). Dawki takie spowodowały, że zapadli oni na ostrą chorobę popromienną. W najbliższych tygodniach zmarło 28 spośród nich. Trzy osoby zmarły w wyniku odniesionych ran mechanicznych w czasie katastrofy. Nieco później z grupy tej zmarło jeszcze 7 osób. Troje dzieci umarło z powodu raka tarczycy wywołanego najprawdopodobniej radiojodem pochodzącym z radioaktywnej chmury. W sumie zgonów spowodowanych na pewno katastrofą w Czarnobylu było 41. Co do tego większość źródeł jest zgodnych. Najgroźniejszymi substancjami wyemitowanymi do atmosfery w czasie awarii były: jod-131 i cez-137. Powstały rozległe radioaktywne chmury, które znad Ukrainy i Białorusi (elektrownia w Czarnobylu znajduje się na terenie Ukrainy, bardzo blisko granicy z Białorusią) przemieszczały się w ciągu następnych kilku dni nad Rosję, Gruzję, Polskę, Szwecję, Niemcy, Bułgarię i inne kraje Europy. Zwiększone promieniowanie wykryto nawet w USA i Japonii. W wielu krajach Europy trzeba było zniszczyć mleko i płody rolne napromieniowane w okresie katastrofy.

Zdarzenie w Czarnobylu pokazuje jak niebezpieczna może być energia jądrowa, jednakże na dziś dzień nie mamy chyba lepszej alternatywy. Mimo, że odpady są niezwykle niebezpieczne, same elektrownie też, człowiek nie wynalazł lepszego sposobu wytwarzania energii elektrycznej. Miejmy tylko nadzieję, że wkrótce ktoś wymyśli co można zrobić z odpadami i żebyśmy nie przeżyli „drugiego Czarnobyla”.

---