Energia jądrowa i sposoby jej wykorzystania

W skład każdego jądra atomowego wchodzą dwa rodzaje cząstek. Są to protony i neutrony zwane ogólni nukleonami. Od prawie stu lat wiadomo, że w określonych warunkach w jądrach atomowych niektórych pierwiastków może dochodzić do reakcji rozszczepienia bądź syntezy jądrowej.

Jeżeli jądro ciężkiego pierwiastka ulegnie rozpadowi na dwa mniejsze fragmenty to okazuje się, że suma mas tych obu fragmentów jest mniejsza od masy jądra wyjściowego. Ta różnica masy wydziela się w postaci energii zgodnie z założeniem Einsteina o równoważności masy i energii. Procesy rozszczepienia są źródłem energii w reaktorach jądrowych i bombach atomowych.

Aby zwiększyć prawdopodobieństwo rozszczepienia jąder poddaje się je bombardowaniu neutronami, które mają odpowiednio wysoką energię. Jako materiał rozszczepialny najczęściej wykorzystuje się izotop uranu 235 i plutonu 239. Podczas procesu rozszczepienia pojedynczego jądra uranu wydziela się energia równa 200 MeV.

To czy jądra danego izotopu są trwałe czy nie zależy od stosunku protonów do neutronów w jądrze. Analizując zawartości poszczególnych nukleonów w jądrze można zauważyć, że dla pierwiastków lekkich liczba protonów i neutronów w jądrach jest zbliżona. Natomiast w przypadku pierwiastków ciężkich dominująca jest liczba neutronów. Dlatego też gdy dochodzi do reakcji rozszczepienia obok dwóch jąder lżejszych powstają także neutrony. Te neutrony mogą wywoływać rozszczepienia kolejnych jąder ciężkich. W rezultacie może dojść do samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej. Do tego jednak jest potrzebna odpowiednia ilość materiału rozszczepialnego. Taka ilość nazywa się masą krytyczną.

Reakcje rozszczepienia wykorzystywane w reaktorach jądrowych muszą podlegać stałemu nadzorowi. Chodzi o to, aby ilość rozszczepień w danej jednostce czasu była mniej więcej na stałym poziomie. Proces ten nazywa się kontrolowana reakcją łańcuchową.

Człowiek nauczył się kontrolować takie reakcje dopiero w latach czterdziestych ubiegłego wieku. Mianowicie pierwsza udana reakcja rozszczepienia została przeprowadzona w roku 1942 na uniwersytecie w Chicago.

Jeżeli jednak masa materiału rozszczepialnego jest na tyle duża, że powstałe w wyniku pojedynczej reakcji rozszczepienia neutrony wywołują więcej niż jedną kolejną reakcje rozszczepienia to zostaje zapoczątkowana lawinowa reakcja łańcuchowa. O takiej masie mówi się ,że jest nadkrytyczna. Tak więc do całkowitego rozszczepienia takiej masy może dojść w bardzo krótkim czasie nawet rzędu 0.001 sekundy. Wiąże się to z bardzo dużą prędkością neutronów. Dochodzi więc do eksplozji. W taki właśnie sposób działa bomba atomowa.

Bombę atomowa przygotowuje się w taki sposób, że materiał rozszczepialny dzieli się na dwa bloki lub formuje się go w rozrzedzoną kulę już o masie nadkrytycznej. Materiał rozszczepialny najczęściej otacza się powszechnie stosowanymi ładunkami wybuchowymi. Podczas eksplozji takich ładunków następuje zwiększenie ciśnienia. Powoduje to zmniejszanie objętości materiału rozszczepialnego, a co za tym idzie zwiększenie gęstości. Masa nadkrytyczna zostaje osiągnięta i dochodzi do eksplozji.

Jak już wcześniej zostało wspomniane aby do takich sytuacji nie dochodziło w reaktorach konieczny jest cały system regulacji zachodzących reakcji. Przede wszystkim stosuje się wyłapywanie nadmiaru neutronów, aby tempo reakcji rozszczepienia utrzymać na stałym poziomie.

Duże ilości energii można uzyskać także w procesach syntezy jądrowej. Wynika to z faktu, że suma mas dwóch jąder lekkich jest większa niż masa jądra powstałego po ich połączeniu. Tak więc znowu różnica mas wydziela się w postaci energii. Do zapoczątkowania takiej reakcji potrzebna jest jednak bardzo wysoka temperatura. I tak np. dla reakcji połączenia się dwóch deuteronów w jądro helu potrzeba jest temperatura około
K. Jeśli jednak dojdzie do zapoczątkowania reakcji to będzie ona trwała dotąd aż materiał zostanie całkowicie spalony. Reakcje takie nazywa się reakcjami termojądrowymi. Cały czas trwają prace nad konstrukcja reaktora termojądrowego, dzięki któremu można będzie wykorzystać energię z syntez jądrowych. Na razie problem polega na sposobie kontroli takiej reakcji.

Neutrony powstające w reaktorach wykorzystuje się do analizy aktywacyjnej. Stosowane są one w przypadkach wielopierwiastkowej analizy śladowej. Neutrony mają na celu wytworzenie wskaźników analitycznych , których aktywność następnie się mierzy. Tak więc w materiale poddanym działalności strumienia neutronów powstają izotopy promieniotwórcze. Analizie mogą być poddawane np. próbki geologiczne.

Taki materiał poddaje się aktywacji w reaktorach. Czas trwania takiego procesu może wynosić nawet kilka dni. W takiej analizie wyróżnia się dodatkowo analizę z użyciem: neutronów termicznych, epitermicznych i prędkich.

I tak np. reaktorowe neutrony prędkie wykorzystywane są do oznaczania pierwiastków, które mają zbyt małe przekroje czynne na aktywację z użyciem neutronów termicznych.

Możliwość produkcji energii elektrycznej z energii wydzielanej podczas rozpadów jądrowych odegrała bardzo dużą rolę np. w astronautyce. W latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku rozpoczęto pierwsze prace nad konstrukcją tzw. baterii jądrowych. Program ten nosił nazwę "System of Nuclear Auxiliary Power" i był realizowany w Stanach Zjednoczonych.

Najprostsza bateria jądrowa składa się ze źródła cząstek beta, tworzącego elektrodę centralną oraz otaczającej ją elektrody zbiorczej. Podczas rozpadów jądrowych emitowane są ze źródła cząstki beta, które padają na elektrodę zbiorczą. Dzięki temu dochodzi do wytworzenia różnicy potencjałów między elektrodami. Niestety prąd uzyskiwany w takich bateriach jest tylko rzędu
A.

Większe zastosowanie praktyczne znalazły baterie jądrowe , których działanie opiera się na zjawisku termoelektrycznym. W bateriach takich pod wpływem różnicy temperatur generowane jest napięcie elektryczne. Różnica temperatur powstaje kosztem energii kinetycznej cząstek beta, emitowanych przez znajdujące się w baterii ich źródła. Takie baterie instalowane są obecnie na statkach kosmicznych.

Dzięki reakcjom jądrowym można także otrzymać izotopy promieniotwórcze, które znajdują zastosowanie nie tylko w medycynie do celów diagnostycznych i terapeutycznych ale także w innych dziedzinach nauki i techniki.

Bardzo ważnym zastosowaniem izotopu promieniotwórczego węgla C14 jest datowanie izotopowe. Ponieważ izotop ten ma bardzo długi czas połowicznego zaniku dlatego na podstawie jego zawartości w znaleziskach archeologicznych można określać ich wiek.

Okazuje się, że promieniowanie może być także wykorzystywane do utrwalania żywności. Do tego celu stosuje się najczęściej promieniowanie gamma emitowane w trakcie rozpadów izotopu kobaltu 60. Dzięki tej metodzie można unieszkodliwić bakterie zawarte w żywności a także zapobiec wielu procesom, które powodują, że żywność staje się niezdatna do spożycia.

Zgodnie z regulaminem serwisu www.bryk.pl prawa autorskie do niniejszego materiału posiada Wydawnictwo GREG. W związku z tym, rozpowszechnianie niniejszego materiału w wersji oryginalnej albo w postaci opracowania, utrwalanie lub kopiowanie materiału w celu rozpowszechnienia w szczególności zamieszczanie na innym serwerze, przekazywanie drogą elektroniczną i wykorzystywanie materiału w inny sposób niż dla celów własnej edukacji bez zgody Wydawnictwa GREG podlega grzywnie, karze ograniczenia wolności lub pozbawienia wolności.

---