PRZYSZŁOŚĆ ENERGETYKI JĄDROWEJ- SYNTEZA CZY ROZSZCZEPIENIE?

W dzisiejszych czasach, wraz z rozwojem techniki i wzrostem liczby zaludnienia, zapotrzebowanie na energię elektryczną nieustannie rośnie. Najpowszechniej wykorzystywane źródła energii (elektrownie cieplne) mogą wkrótce nie wystarczać, gdyż ilość zasobów naturalnych na ziemi wciąż maleje. Poza tym tak popularne elektrownie cieplarniane przyczyniają się do destrukcyjnego wpływu na przyrodę. Zaczęto więc już zawczasu szukać innych, niekonwencjonalnych źródeł energii. Już dziś wykorzystuje się wiele z nich jak na przykład elektrownie wiatrowe, wodne, słoneczne, czy atomowe. Wszystkie z nich mają swoje zalety jak i wady, lecz najbardziej kontrowersyjna wśród wielu ludzi okazuje się być elektrownia atomowa, która ma tylu samo zwolenników co i przeciwników. W tej pracy skupię się wyłącznie na tej właśnie elektrowni, jak działa, dlaczego wzbudza tyle lęku wśród ludzi, jakie są jej korzyści oraz jaka przyszłość jest widziana dla tego źródła energii.

Kiedy Einstein w 1905 roku ogłosił swoje równanie dotyczące równoważności masy i energii, nikt nie przypuszczał, że to nie jest tylko spekulacja filozoficzna, ale że może mieć to wpływ na rozwój ludzkiej myśli i ludzkiej działalności przez dziesięciolecia. Zmiana masy w reakcjach chemicznych jest niewiele większa i w żaden sposób nie może być dowodem na to, że Einstein miał rację . Jednakże rozpad promieniotwórczy może służyć jako doświadczalne potwierdzenie słuszności ważnej w fizyce formuły:

E = mc²

Dzięki badaniom na izotopach węgla C-12 spektrografy oraz równanie Einsteina pozwoliły ustalić, że:

1u = 1, 7 × 10⁻²⁷kg = 931MeV = 1, 5 × 10⁻¹⁰J

Na przykład masa radonu Rn-222 i cząstki α, która po rozpadzie radu pozostaje, jest wyraźnie mniejsza niż masa atomu radu Ra-226. Ta różnica wynosi
8,8×10^-30kg, co równoważne jest z 4,9 MeV, z której 4,8 MeV znajduje się w energii kinetycznej cząstki α.

Pierwsze wykorzystanie energii wyzwalanej wskutek ubytku masy atomowej dotyczyło rozpadu ciężkich jąder.¹ Współcześnie wszystkie urządzenia o napędzie jądrowym wykorzystują reakcję rozpadu . W 1934 roku Enrico Fermi użył neutronów jako pocisków, bombardując nimi jądra Uranu ²³⁵U. W rezultacie otrzymał bardzo aktywne źródła promieniotwórcze . Niemieccy fizycy Otto Hahn i Fritz Strassmann poddali analizie produkty reakcji stwierdzając, że są to jądra o liczbie atomowej równej około 50. Można więc było wnioskować, że jądro uranu, które pochłonęło neutron ulega deformacji, a następnie rozszczepia się na dwa fragmenty. Zjawisku rozszczepienia towarzyszy emisja neutronów. Wykrywano również silne promieniowanie β^- . Fragmenty rozszczepienia, jak również neutrony i cząstki β^- unoszą znaczną energię. Badania wykazały, że reakcję rozszczepienia można wywołać bombardując jądra ²³⁵U powolnymi neutronami (ok. 1eV). Tylko takie neutrony są wychwytywane przez jądro ²³⁵U, ponieważ przebywają one stosunkowo długo w pobliżu jądra. Fragmenty rozszczepienia nie są jednoznacznie określone. Możliwe są różne kombinacje fragmentów rozszczepienia oraz liczba wyzwalanych neutronów. Ogólny schemat reakcji rozszczepiania jest następujący:

$$_{92}^{235}{U +}_{0}^{1}n \rightarrow_{92}^{236}U \rightarrow X + Y + neutrony + energia$$

Fragmenty rozszczepiania są jądrami niestabilnymi. Mają one za dużo neutronów, jak na jądra o średnich rozmiarach. Pozbywają się tego nadmiaru wyrzucając neutrony w czasie 10^-13s. Są to tzw. Neutrony natychmiastowe. Liczba ich wynosi średnio 2,5. Następnie ulegają dwóm, trzem lub nawet czterem kolejnym przemianom β^-. Każda taka przemiana związana jest z zamianą w jądrze jednego neutronu w proton. Zdarzają się również przypadki tzw. neutronów opóźnionych po czasie około 10s. Tymi sposobami, z fragmentów rozszczepienia, powstaną jądra, w przypadku których stosunek neutronów do protonów spełnia warunek stabilności.

W przypadku rozszczepiania ²³⁵U z rachunku bilansu energetycznego wynika, że uwalnia się bardzo duża energia:

$$_{92}^{235}{U +}_{0}^{1}n \rightarrow_{92}^{236}U \rightarrow_{56}^{144}\text{Ba} +_{36}^{89}\text{Kr} + 3_{0}^{1}n + 210\ MeV$$

Energię wyzwoloną w czasie reakcji rozszczepienia jądra uranu unoszą produkty rozszczepiania oraz cząstki, które powstają w wyniku rozszczepiania, w tym neutrony natychmiastowe. W rzeczywistości każdy z neutronów nie wywołuje rozszczepienia jądra uranu. Część neutronów ucieka z obszaru wypełnionego uranem nie zderzając się z jądrami uranu, ze względu na bardzo duże odległości miedzy jądrami. Poza tym niektóre neutrony zostają pochłonięte przez uran i w ten sposób stracone, ponieważ rozszczepienie jądra uranu ²³⁸U mogą wywołać tylko te neutrony, których energia jest niemniejsza niż 1,8 MeV. Jeśli trzy neutrony emitowane w czasie rozszczepienia wywołują więcej niż jedną kolejną reakcję rozszczepienia, mamy do czynienia z lawinowym przebiegiem zjawiska- następuje wybuch. W przypadku gdy znaczna ilość neutronów ucieka na zewnątrz lub jest absorbowana przez jądra innych pierwiastków – reakcja wygasa. Samopodtrzymującą się reakcję uzyskamy w sytuacji, gdy każde rozszczepienie powoduje wywołanie jednego kolejnego rozszczepienia.² Jeżeli reakcje są w pełni kontrolowane w elektrowniach atomowych, gdzie przykładem mogą być Francuzi, mając właśnie z tego źródła 75% energii elektrycznej w kraju, uzyskiwanie energii w taki sposób jest jak najbardziej bezpieczne i efektywne. Jeśli jednak coś zostanie zaniedbane może dojść do tragedii o nieodwracalnych efektach.

Przykładem może być wybuch w Czarnobylu 25 kwietnia 1986 roku. Inżynierowie z elektrowni jądrowej zmniejszyli prędkość pomp, które utrzymywały cyrkulację wody w układzie chłodzenia rdzenia reaktora z paliwem jądrowym. Około północy temperatura rdzenia wzrosła tak, że sytuacja wymknęła się spod kontroli. Nastąpiła eksplozja, która rozerwała budynek i umożliwiła przedostanie się pyłu radioaktywnego do atmosfery. Chmura radioaktywna rozprzestrzeniła się na zachód po całej Europie, co spowodowało choroby popromienne, skażenie zbiorów, wód etc. ³

W porównaniu z reakcjami syntezy, o których wspomnę poniżej, reakcja rozpadu ciężkich jąder na lżejsze wyzwala mniej energii. Poza tym w reakcjach rozpadu nigdy nie wiadomo, co będzie produktem rozpadu, a najbardziej prawdopodobne jest, że to coś będzie niestabilne, czyli niebezpieczne.

Reakcja syntezy polega na łączeniu najlżejszych jąder w cięższe, co daje wielokrotnie większe korzyści, gdyż wyzwala wielokrotnie większą energię niż reakcja rozpadu.⁴ Synteza jądrowa zachodzi w temperaturach rzędu wielu milionów stopni. Synteza jądrowa  polega głównie na łączeniu lekkich izotopów wodoru: deuteru lub trytu.  W reakcji łączenia produkowane są  szybkie neutrony i cząstki naładowane.⁵ Przykładowy przebieg reakcji:

$$_{1}^{2}H +_{1}^{2}H \rightarrow_{2}^{3}\text{He} +_{0}^{1}n + 3,3\ MeV$$

Ilość wyzwolonej energii może wydawać się mała w porównaniu z 210 MeV uzyskanymi przy rozpadzie, ale też i ilość materiału jest znacznie mniejsza. Jeśli weźmie się pod uwagę ilość energii wyzwolonej przypadającej na jeden nukleon biorący udział w reakcji, to otrzymamy efekt w stosunku 5:1 na korzyść reakcji syntezy. ⁶

Jest to dość nowatorska metoda pozyskiwania energii, choć w taki właśnie sposób produkowana jest energia gwiazd np. Słońca. Już teraz prowadzone są liczne badania i testy tej metody. Nad syntezą pracuje cały świat. Europa prowadzi program HIPER  - European High Power Laser Energy Research Facility. Biorą w nim udział 22 laboratoria (większość w Europie). HIPER ma na celu opracowania układu prototypowego dla zademonstrowania efektywnej syntezy laserowej w wersji z tzw. szybkim zapłonem paliwa termojądrowego. Milowym  krokiem na drodze do energii z fuzji termojądrowej ma być budowa Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego (International Tokamak Experimental Reaktor – ITER). Aktualnie trwają pracę nad  materiałami, które wytrzymają ekstremalne warunki panujące wewnątrz reaktora.⁷

Synteza jądrowa jest bezpieczniejsza niż rozszczepianie, gdyż nie produkuje radioaktywnych odpadów. Należy też pamiętać, że zasoby, które są potrzebne przy współczesnych elektrowniach atomowych (uran, pluton) są wyczerpywane. W przypadku energetyki termojądrowej takiego problemu nie ma. I oczywiście, co najważniejsze, jak już wcześniej zostało wspomniane w tej pracy, produkowana jest większa energia.

Podsumowując i spoglądając na przyszłość energetyki atomowej można bez wątpienia wskazać, że ta przyszłość będzie się opierała na syntezie. Jest to wersja znacznie bezpieczniejsza i efektywniejsza od rozpadu. Należy jednak pamiętać, że proces syntezy jest jeszcze w fazie zaawansowanych badań i jeszcze wiele może się w kwestii tego procesu zmienić. Póki co wiele krajów decyduje się jednak na otwieranie tych konwencjonalnych elektrowni atomowych, które przynoszą dużą ilość energii, lecz cięgle mogą być niebezpieczne, przez ludzką nieuwagę czy też katastrofy naturalne (trzęsienia ziemi). Z biegiem lat, kiedy technologia syntezy będzie już dostępna na skalę przemysłową, wiele krajów na pewno zdecyduje się to rozwiązanie, ze względu na niższe koszty i bezpieczeństwo. Nie jest to jednak stu procentowe bezpieczeństwo, bo nic nie jest bezpieczne, co człowiek robi na poziomie atomu. Dlatego dzięki najwyższej klasy rozwiązaniom technologicznym, ludzkiej wiedzy i rozsądkowi, elektrownie termojądrowe mogą być najlepszym źródłem energii, który przyniesie krajom swobodę elektryczną, czystsze powietrze i być może niższe rachunki za prąd.

---

1. „Moja fizyka tom 2.” Wojciech Dindorf wyd. PWN s.127↩

2. „Fizyka z astronomią IV” wyd. WSiP s.103-106↩

3. „100 największych katastrof” wyd. Podsiedlik-Raniowski i spółka s.86↩

4. „ Moja fizyka tom 2.” Wojciech Dindorf wyd. PWN s.130↩

5. http://www.elektrownieatomowe.info↩

6. „Moja fizyka tom 2.” Wojciech Dindorf wyd. PWN s.131↩

7. http://www.elektrownieatomowe.info↩