Co to jest promieniotwórczość jądrowa?

Pod koniec XIX wieku niemiecki fizyk Wilhelm Roentgen odkrył promieniowanie przenikliwe, nazwanym przez niego promieniowaniem X. Obecnie nazwę tę stosuje się zamiennie z terminem promieniowanie Roentgena. Badania nas właściwościami tego promieniowania prowadziło wielu naukowców, m.in. Henri Becquerel, który przypadkowo odkrył w roku 1896 nowy rodzaj promieniowania, obecnie nazwanego promieniowaniem jądrowym. Podejrzewał on, że na skutej działania światła słonecznego związki uranu wysyłają promieniowanie rentgenowskie. W niedługim czasie zauważył, że kawałek rudy uranowej położony na opakowanym papierze fotograficznym powoduje zaczerwienienie - bez naświetlenia światłem dziennym. Becquerel stwierdził więc, że jedną z właściwości uranu i jego związków jest emisja promieniowania przenikliwego. To nowo odkryte promieniowanie nazwał promieniami uranowymi, współcześnie nazwano je promieniami Becquerela.

Badaniem tego unikatowego zjawiska zajęli się również inni naukowcy, wśród których była Maria Skłodowska-Curie wraz z małżonkiem Pierre Curie. Stwierdzili oni, że tego rodzaju promieniowanie wysyłają metale uran i tor oraz ich związki. Wkrótce okazało się, że istnieją inne pierwiastki o podobnych właściwościach. Zjawisko to zostało nazwane przez Marię Skłodowską-Curie radioaktywnością.

Becquerel wielokrotnie przenosił między laboratoriami kawałek soli radioaktywnego metalu, przechowywał go w szklanej fiolce w kieszonce kamizelki. Skóra pod kieszonką uległa zaczerwienieniu ma skutek działania promieni uranu. Te obserwacje nasunęły uczonym myśl o możliwości zastosowania substancji promieniotwórczych do leczenia nowotworów złośliwych. Podjęto więc badania nad wpływem promieniowania na organizm żywy.

Promieniowanie α, β, γ

• Stwierdzono, że każde z nich ma różny zasięg, przenikalność przez materię oraz w różny sposób oddziałuje z polami magnetycznymi i elektrycznym.

Promieniowanie α ma najmniejszy zasięg (kilka centymetrów w powietrzu) - w polu elektrycznym zostaje odchylone w stronę bieguna ujemnego;

Promieniowanie β w stronę bieguna dodatniego (obydwa rodzaje promieniowania są także odchylane przez pole magnetyczne);

Promieniowanie γ ma największy zasięg, pole magnetyczne i elektryczne są dla niego obojętne.

• Różna jest też przenikliwość tych promieni przez materię:

promieniowanie α zatrzymywane jest przez nawet kartkę papieru;

promieniowanie β trzeba użyć grubszej warstwy materiału, np. aluminium lub ołowiu;

promieniowanie γ jest najbardziej przenikliwe i dlatego do ochrony przed nim potrzeba kilkucentymetrowych osłon ołowianych.

Różnice we właściwościach promieniowania α, β i γ zrozumiano wtedy, gdy poznano lepiej ich naturę i pochodzenie, tzn. przemiany jądrowe, w wyniku których zmienia się skład i stan energetyczny jądra kosztem emisji promieniowania jądrowego.

Promieniowanie neutronowe

Po 36 latach od odkrycia promieniotwórczości naturalnej angielski fizyk Chadwick odkrył promieniowanie neutronowe, które potrafi przenikać przez osłony ołowiane. W celu ochrony przed tym promieniowaniem stosuje się materiały, składające się z substancji mających jądra pochłaniające neutrony (np. pierwiastek Cd). Często stosowanym materiałem są specjalnie przygotowane odmiany betonu zawierające sole Ba, tzw. baryto-betonem. Osłonę przed tym promieniowaniem zapewnia również woda lub parafina. W przyrodzie promieniowanie neutronowe występuje bardzo rzadko. Jest ono składnikiem promieniowania kosmicznego, równie rzadko powstaje podczas samorzutnych rozpadów jąder uranu.

Promieniowanie neutronowe można otrzymać w laboratoriach przez „bombardowanie” cząstkami α jąder pierwiastków lekkich. Nowo powstałe jądro wzbogacone dwoma dodatkowymi protonami i dwoma neutronami stara się wrócić do równowagi energetycznej przez wypromieniowanie neutronu.

Promieniowanie kosmiczne

Przez całe życie jesteśmy na działanie promieniowania kosmicznego. Jest to promieniowanie, które dociera do nas z kosmosu. Składa się z protonów, cząstek α oraz z jąder różnych pierwiastków (głównie lekkich). Źródłem tych cząstek są wybuchy gwiazd nowych i supernowych oraz Słońce. Cząstki te wędrują w Kosmosie przez tysiące lat zanim dotrą do Ziemi i zetkną się z atmosferą ziemską. W wyniku takiego zetknięcia powstają nowe cząstki. Są wśród nich nukleony, które mogą lecieć dalej i reagować z następnymi atomami składników atmosfery. Promieniowanie kosmiczne różni się od tego, które występuje na powierzchni Ziemi. Jego natężenie jest różne na różnych wysokościach. Na poziomie morza jest ono bardzo małe - na 1 cm² powierzchni w ciągu minuty przypada zaledwie jedna cząstka. Im wyższa wysokość tym natężenie promieniowania jest większe.

Okres połowicznego rozpadu

Istotną cechą każdego izotopu promieniotwórczego, obok rodzaju i energii emitowanego promieniowania, jest czas jego istnienia. Wyraża się go tzw. okresem połowicznego zaniku (rozpadu). Jest to czas, po którym połowa atomów substancji promieniotwórczej ulega rozpadowi.

Promieniotwórczość naturalna

Wiele izotopów promieniotwórczych występuje w otaczającej nas przyrodzie. Niektóre są niezbędne do prawidłowego funkcjonowanie naszego organizmu. Trafiają do nas przez rośliny, które przyswajają te promieniotwórcze pierwiastki z gleby.

Uran

Występuje on w przyrodzie jako mieszanina trzech promieniotwórczych izotopów o różnej liczbie masowej: ²³⁸U, ²³⁵U i ²³⁴U. Mają one różne czasy połowicznego zaniku: uran-238 około 4,5 miliarda lat, uran-235 około 713 milionów lat i uran-234 około 248 tysięcy lat. A więc różne izotopy tego samego pierwiastka mają różną trwałość. Jest to związane ze składem jądra atomowego, dokładniej ze stosunkiem liczby neutronów do liczby protonów. Większość izotopów promieniotwórczych występujących w skorupie ziemskiej to izotopy pierwiastków ciężkich o liczbie masowej A>210. Pochodzą one z rozpadów promieniotwórczych uranu i toru. Pierwiastki rozpadają się przez cały łańcuch przemian promieniotwórczych α i β aż do trwałych izotopów ołowiu.

Odkrycie polonu i radu

Maria Skłodowska-Curie podczas badania promieniowania uranowego odkrytego przez Becquerela, stwierdziła, że niektóre próbki rudy uranu wykazują dużą aktywność promieniotwórczą. Według niej obok uranu w rudzie tej musiał występować inny dodatkowy pierwiastek o wysokiej aktywności promieniotwórczej. Od rządu austriackiego dostała tonę rudy aby mogła kontynuować badania. Wraz z mężem Piotrem udało się jej wydzielić dwa nowe nie znane dotychczas pierwiastki promieniotwórcze. Nazwała je Polonem (Po) na cześć swojej ojczyzny i Radem (Ra) z powodu jego ogromnej promieniotwórczości.

Rad

Zastosowano go do niszczenia komórek nowotworowych. W Polsce zaczęto go stosować od 1932 roku, kiedy to Maria Skłodowska-Curie podarowała 1 g radu ojczyźnie. Powstał Instytut Radowy (obecnie Instytut Onkologii) przy ul. Wawelskiej w Warszawie, w którym leczone są choroby nowotworowe.

Radon

Radon jest jednym z produktów rozpadu promieniotwórczego uranu lub toru. Może powodować groźne schorzenia i nowotwory, gdy wdychamy go do płuc. Znajduje się w minerałach, gazie ziemnym oraz w wodzie. A więc na jego obecność jesteśmy skazani. Musimy tylko dbać o właściwe stężenie radonu w pomieszczeniach. Najlepszym sposobem na jego pozbycie jest dobra wentylacja połączona z systematycznym wietrzeniem.

Polon

Pierwiastki promieniotwórcze znajdują się również w dymie powstającym podczas spalania tytoniu. Jednym z produktów rozpadu radonu jest radioaktywny polon, który jest wchłaniany przez tytoń. Następnie wdychany przez palacza osadza się w jamie ustnej i płucach. Stanowi on jedną z głównych przyczyn nowotworów jamy ustnej i płuc.

Potas-40

W skorupie ziemskiej występuje radioaktywny potas-40 w stosunkowo niewielkim stężeniu (stanowi on 0,0118% naturalnego potasu) ale jest jednocześnie bardzo rozpowszechniony.

Węgiel-14 w badaniach naukowych

Znalazł on zastosowanie w badaniach procesów biologicznych i chemicznych. Badany związek organiczny, która ma brać udział w jakimś procesie, znakuje się izotopem ¹⁴C i następnie śledzi jego drogę przez analizę zawartości węgla-14 w produktach reakcji. W podobny sposób bada się funkcjonowanie organizmów przez pomiar aktywności węgla-14 w poszczególnych narządach lub wydzielinach.

Zegar archeologiczny

Okres połowicznego rozpadu węgla-14 wynosi 5730 lat. Ulega on wraz w węglem nie promieniotwórczym, asymilacji przez rośliny w postaci dwutlenku węgla. Następnie przez mleko, mięso, tłuszcze zwierząt dostaje się do organizmu człowieka. Jego stężenia w organizmach jest stałe. W przypadku obumarcia organizmu ¹⁴C przestaje być uzupełniany i z czasem jego stężenie zmniejsza się. Na podstawie znajomości pierwotnego stężenia węgla-14 w organizmie oraz znajomości jego okresu połowicznego zaniku można określić wiek obiektu pochodzenia organicznego. Dzięki temu węgiel-14 stosowany jest jako zegar archeologiczny.

Izotopy promieniotwórcze otrzymywane sztucznie

Odkrycie sztucznej promieniotwórczości

Prawie czterdzieści lat po odkryciu promieniowania naturalnego przez państwa Curie, ich córka Irena wraz ze swym małżonkiem Fredericiem Joliot, odkryła możliwość otrzymywania pierwiastków promieniotwórczych sztucznie - w laboratorium, ponieważ okazało się, że: jądra niektórych pierwiastków naświetlonych promieniowaniem α przekształcają się w inne, często nietrwałe ulegające dalszemu rozpadowi promieniotwórczemu.

Jednym z najwcześniej otrzymywanych sztucznie pierwiastków promieniotwórczych był azot ¹³N, powstający w czasie naświetlania boru B-10 cząstkami α. Za to odkrycie Irena i Frederic Joliot-Curie otrzymali nagrodę Nobla w 1935 roku.

Transuranowce

Transuranowcami nazywamy wszystkie sztucznie otrzymywane pierwiastki o liczbie atomowej wyższej niż uran, Z=92. Nowo otrzymane pierwiastki promieniotwórcze są nietrwałe i ich czas połowicznego zaniku wynosi nawet rzędu ułamka sekundy. Po odkryciu przez Irenę i Frederica sztucznej promieniotwórczości, naukowcom udało się wytworzyć przeszło 1000 promieniotwórczych izotopów różnych pierwiastków. Mają one zastosowanie w przemyśle i medycynie. Otrzymywane są w reaktorach atomowych przez napromieniowanie neutronami izotopów odpowiednich pierwiastków. Część z nich wydziela się z wypalonego paliwa uranowego reaktorów jądrowych.

Technet

Jest jednym z niewielu pierwiastków o liczbie atomowej niższej niż uranu a nie występujących w przyrodzie, nie posiada ani jednego trwałego izotopu. Ma on za to kilka nietrwałych promieniotwórczych izotopów o różnych okresie połowicznego zaniku. Jest przedstawicielem grupy manganowców (mangan, technet i ren). Jedną z metod jego otrzymywania jest napromieniowywanie 98Mo neutronami w reaktorze jądrowym. Jego okres połowicznego rozpadu wynosi 6 godzin. Ma szerokie zastosowanie w medycynie. Stosuje się go w scyntygrafii mózgu, wątroby, nerek, serca, kości itd. Metoda ta polega na wprowadzeniu do organizmu odpowiedniego związku znakowanego technetem-99m, a następnie mierzeniu promieniowania wysyłanego przez badane tkanki, które wychwyciły ten pierwiastek. W zależności od tego jaki narząd jest badany, dobiera się odpowiedni związek chemiczny, który jest najlepiej wchłaniany przez dany organ.

Izotopy jodu

Izotopy promieniotwórcze jodu to: ¹²⁵I, ¹³¹I i ¹³²I. Mają one zastosowanie w medycynie, a dokładniej w diagnostyce i leczeniu schorzeń tarczycy. Wykorzystuje się tu dużą chłonność jodu przez tarczycę, która produkuje ważne hormony, w skład których wchodzi jod. Nad morze jeździ się po to by uzupełnić braki jodu w organizmie. Osoby które mieszkają na stałe z dala od morza, często cierpią na choroby tarczycy.

Kobalt-60

Odgrywa on ważną rolę w technice i medycynie. Otrzymywany jest sztucznie i cechuje go promieniowanie γ o wysokiej energii. Stosuje się go m.in. do napromieniowania komórek nowotworowych. Pierwsze takie urządzenie było obudowane grubą osłoną ołowianą w kształcie bomby lotniczej i stąd wzięło się określenie bomba kobaltowa. Stosuje się ją również do sterylizacji żywności.

Tal-204

Stosowany jest w urządzeniach do pomiarów grubości papieru bezpośrednio podczas jego produkcji. Pod przesuwającym się papierem umieszczone jest źródło ²⁰⁴Tl, którego promieniowanie rejestruje sonda. Zmianę w natężeniu promieniowanie powoduje zmiana grubości papieru.

Cez-137 i Iryd-192

Promieniowanie γ cezu-137 i kobaltu-60 stosowane jest do pomiarów grubości materiałów oraz diagnostyki stanu technicznego i wykrywania wad materiałowych (defektoskopia) urządzeń przemysłowych w miejscach niedostępnych dla człowieka. Do podobnych celów stosowany jest iryd-192.

Ameryk-241

Jest on emiterem promieniowanie α. Umieszcza się go w czujnikach dymów, które są montowane w urządzeniach alarmujących o zagrożeniu pożarowym.

Pomiar promieniowania

Jedną z cech substancji promieniotwórczej jest jej intensywność promieniowania, zwana aktywnością promieniotwórczą.

Po okryciu radu, pierwiastek ten zaczęto stosować jako wzorzec przy pomiarach aktywności. Za jednostkę przyjęto aktywność jaką przejawia 1g radu.

Okazuje się, że w tej masie radu w ciągu sekundy dokonuj się 3,7*10¹⁰ rozpadów promieniotwórczych, co przyjmuje się jako 1Ci (kiur). Obecnie obowiązuje jednostka zwana Bq (bekerel), 1 Bq odpowiada 1 rozpadowi na sekundę.

Maria Skłodowska-Curie

Urodziła się w 1867 roku w Warszawie. Była żoną Piotra Curie, fizykiem i chemikiem oraz współtwórczynią nauk o promieniotwórczości. Była autorką pionierskich prac z fizyki i chemii jądrowej. Od 1904 roku kierowniczką laboratorium, a od 1906 roku (po śmierci P. Curie) kierowniczką katedry promieniotwórczości na Sorbonie. Zorganizowała Instytut Radowy w Paryżu, pomagała również w zorganizowaniu, otwartej w 1912 roku Pracowni Radiologicznej Warszawskiego Towarzystwa Naukowego. Kontynuowała badania Henriego Becquerela nad promieniowaniem wysyłanym przez sole uranu. W wyniku tych prac wysunęła pogląd o atomowym charakterze promieniotwórczości („O promieniowaniu wysyłanym przez związki uranu i toru” 1896r.). Podczas systematycznych badań promieniotwórczych minerałów zawierających uran i tor stwierdziła, że niektóre z nich wykazują większą aktywność promieniotwórczą, niżby to wynikało z zawartości w nich uranu i toru. Wraz z P. Curie wyraziła przypuszczenie, że minerały te zawierają silniejsze, od dotychczas znanych, pierwiastki promieniotwórcze. Dalsze badania doprowadziły do odkrycia w 1898 roku polonu i radu, za które to prace małżonkowie Curie otrzymali w 1903 roku nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. W 1911 roku Maria Skłodowska-Curie otrzymała nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za pracę nad własnościami chemicznymi i fizycznymi polonu i radu oraz za prace dotyczące wyodrębniania, oczyszczania i pomiaru aktywności pierwiastków promieniotwórczych. Maria zmarła 4. lipca 1934 roku na białaczkę w sanatorium w Alpach Sabaudzkich.

Działanie promieniowania na organizmy

Izotopy promieniotwórcze stykające się w sposób niekontrolowany z organizmem są bardzo niebezpieczne.

Szkodliwe oddziaływanie na żywą materię może przejawiać się w dwojaki sposób:

• przez napromieniowanie żywej tkanki promieniowaniem jądrowym - może to być promieniowanie typu jonizującego lub neutronowego

• przez skażenie izotopami promieniotwórczymi, które dostały się do wnętrza organizmu lub znalazły się w kontakcie zewnętrznym.

Promieniowanie jonizujące

Promienie jądrowe α, β i γ oraz promieniowanie Reontegena, noszą nazwę promieniowania jonizującego. Nazwa ta jest konsekwencją właściwości promieniowania, które przez oddanie swojej energii wytwarza w materii jony. Dla organizmów proste jony mogą być bardzo szkodliwe.

Mutacje

Jonizacja i wytworzenie wolnych rodników może powodować zmiany w strukturze genów, co prowadzi do mutacji - czyli zmian i zaburzeń cyklu genetycznego.

W efekcie wśród napromieniowanych roślin lub zwierząt mogą pojawiać się mutanty, które znacznie różnią się od organizmów macierzystych. Wiele reportaży opisuje znacznie nasilenie się urodzin dzieci z wrodzonymi wadami na terenach narażonych na działanie promieniowania jonizującego, gdzie doszło do dużych skażeń. W pobliżu tych terenów były przeprowadzane próbne wybuchy jądrowe lub znajdowały się zakłady produkujące materiały nuklearne.

Inne zagrożenia

Jednym z wielu następstw wystawienia żywego organizmu na promieniowanie jest powstawanie nowotworów. Promieniowanie jonizujące na powstawanie i rozwój nowotworów. Częstym schorzeniem jest białaczka (nowotwór krwi). Do skutków promieniowania należy również katarakta (schorzenie oczu), która nie leczona powoduje ślepotę.

Dawka promieniowania

Napromieniowanie ta samą dawką różnych organizmów powoduje w nich różne zmiany. Zasadniczą rolę podczas napromieniowania odgrywa czas, w ciągu którego organizm pochłonął określoną dawkę promieniowania. I tak na przykład dawka, która powoduje śmierć 50% osobników w ciągu 30 dni po napromieniowaniu jest różna dla różnych organizmów.

Taki rodzaj dawki jest zwany dawką letalną (śmiertelną) a jej symbolem jest LD_50/30.

Dawki te wyrażone są w siwertach. 1 siwert = 100 remów, 1 rem = 10 mSv.

Dawka letalna dla człowieka wynosi 3-4 siwertów. Osoby stykające się zawodowo z materiałami promieniotwórczymi nie powinny otrzymywać rocznie więcej niż 5 remów. W czasie jednego prześwietlenia rentgenowskiego dawka może wynosić 1 rem.

Choroba popromienna

W przypadku otrzymania dawki letalnej następuje znaczne obniżenie bariery immunologicznej. Występuje wtedy choroba popromienna, która objawia się nudnościami i biegunką. Dochodzi do odwodnienia ustroju i poważnych zaburzeń równowagi elektrolitowej organizmu prowadzących szybko do śmierci. Dawka powyżej 100 siwertów powoduje śmierć w ciągu kilku godzin od napromienienia - na skutek porażenia układu nerwowego.

Skażenia wewnętrzne

Są szczególnym rodzajem zagrożenia dla ludzi. Izotopy promieniotwórcze wysyłające nawet bardzo słabe promieniowanie β lub o bardzo małym zasięgu, jak promieniowanie α, są groźne po dostaniu się do organizmu. Takim przykładem może być izotop wodoru - tryt, którego bardzo słabe promieniowanie β ma zasięg zaledwie kilku centymetrów. Po dostaniu się do organizmu tryt wbudowuje się w komórki (w miejsce zwykłego wodoru) i swoim promieniowaniem bombarduje znajdujące się w jego sąsiedztwie składniki komórek, zmieniając poważnie ich strukturę i powodując zakłócenia w prawidłowym funkcjonowaniu organizmu.

Metabolizm

Typowym pierwiastkiem promieniotwórczym pochodzącym z opadów promieniotwórczych jest stront-90, bardzo niebezpieczny izotop, który wbudowuje się w tkankę kostną. Może być przyczyną białaczki i innych nowotworów. Do organizmu człowieka dostawał się m.in. z mlekiem krów, które pasły się na pastwiskach skażonym pyłem promieniotwórczym. Podobnie jest z cezem-137, który wbudowuje się w tkankę mięśniowe.

Jednym z parametrów, od których zależy szkodliwe działanie izotopów promieniotwórczych jest czas, jaki upływa od chwili skażenia do momentu wydalenia ich przez organizm. Czas ten z kolei zależy od metabolizmu danego pierwiastka. Oznacza to, że czas przebywania izotopu promieniotwórczego w organizmie zależy od okresu jego połowicznego zaniku, jak i od sposobu związania go w tym organizmie.

Toksyczność pierwiastków promieniotwórczych

Pierwiastki promieniotwórcze mają również działanie toksyczne na organizm na skutek ich właściwości chemicznych, m.in. ze względu na to, że są to bardzo często metale ciężkie. U górników i osób które stykają się z pyłem związków pierwiastków pochodzących z naturalnych szeregów promieniotwórczych uranu i toru znacznie częściej obserwuje się u nich ciężkie schorzenia układu krwionośnego, nowotwory płuc czy schorzenia nerek.

Skażenia

Dawniej do wyrobu farb świecących, np. do malowania wskazówek zegarów, dodawano sole radu. Pracownicy malując przedmioty zwilżali pędzelki ustami ulegając w ten sposób skażeniu. U tych pracowników wystąpiły przypadki nowotworów szczęk i warg.

W Stanach Zjednoczonych, w jednym z laboratoriów, zajmującym się badaniem plutonu, radioaktywny pierwiastek wypadł z pojemnika i trzeba go było umieścić go natychmiast tam z powrotem. Pracownik, który to wykonał skaził sobie rękę. W miejscu skażenia wytworzyła się nie poddająca się leczeniu rana i trzeba było rękę amputować.

Energia jądrowa

Odkrycie neutronu, jakiego dokonał w 1932 roku angielski fizyk John Chadwick zwiastowało nadejście nowej ery energetyki jądrowej. Przeprowadzono szereg prób rozszczepienia jąder za pomocą neutronów, ale początkowo rezultatów nie uzyskano.

Odkrycie reakcji rozpadu jądra

Przed wybuchem II wojny światowej niemieccy chemicy Otto Hahn i Fritz Strassmann opublikowali wyniki eksperymentu, podczas którego udało im się rozszczepić jądro uranu za pomocą neutronów. Hahn był radiochemikiem i potrafił od razu stwierdzić, że zaszła reakcja rozszczepienia.

Natychmiast po ogłoszeniu wyników Hahna i Strassmanna naukowcy zaczęli zastanawiać się nad możliwością zastosowania energetyki jądrowej do:

• konstrukcji reaktora jądrowego, w którym reakcja rozszczepienia ciężkich jąder przebiegałaby w sposób kontrolowany, a otrzymywana energia mogłaby być wykorzystana przez człowieka w sposób pokojowy;

• konstrukcji nowej, niszczycielskiej broni - miliony razy silniejszej od broni dotychczas znanej - i tutaj także byłaby wykorzystana reakcja rozszczepienia przebiegająca w sposób nie kontrolowany.

Zainteresowani tą drugą możliwością byli przede wszystkim politycy - należy pamiętać, że świat wówczas stał na krawędzi wojny światowej. Wraz z wybuchem II wojny światowej rozpoczął się wyścig, kto pierwszy zawładnie energią atomową.

Produkty rozszczepienia

Najbardziej podatny na reakcją rozszczepienia jest uran-235. Jądro uranu po otrzymaniu dodatkowego neutronu staje się niestabilne. Wynika to zarówno z nadmiaru energii wniesionej przez „bombardujący” go neutron, jak i z niekorzystnego stosunku neutronów do protonów w jądrze. Po to, aby uzyskać stan równowagi energetycznej, jądro rozpada się tworząc mniejsze fragmenty, które są jądrami innych pierwiastków o dość przypadkowym składzie.

Masa krytyczna jest to najmniejsza ilość materiału rozszczepialnego, wystarczająco duża, aby mogła zajść reakcja łańcuchowa.

Reaktory jądrowe

Pierwszy reaktor jądrowy został uruchomiony już w grudniu 1942 roku, czyli zaledwie 4 lata po przełomowym odkryciu rozszczepienia ciężkich jąder. Urządzenie takie zostało zbudowane w Chicago, a jego głównym konstruktorem był fizyk włoski Enrico Fermi.

Pierwszy reaktor w Polsce został uruchomiony w roku 1958 w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku pod Otwockiem. Do dziś jest wykorzystywany do prac badawczych i produkcji izotopów promieniotwórczych.

Chłodziwo

Dużym problemem jest dobór stosowanego chłodziwa, czyli substancji, która odbiera ciepło od reagującego paliwa i jednocześnie napędza turbiny elektrowni. Stosowano różne chłodziwa: zwykłą i ciężką wodę, ale okazało się, że powodują one korozję rur; ciekły difenyl - ulega rozkładowi; z kolei ciekły sód i potas są bardzo niebezpieczne - mogą eksplodować w zetknięciu z wodą. Obojętny chemicznie hel - mogący mieć zastosowanie jako chłodziwo - jest bardzo kosztowny (w USA zbudowano reaktory chłodzone helem). Najczęściej stosuje się wodę.

Paliwo

Paliwem może być naturalny uran-238 wzbogacony uranem-235. Może być także pluton-239 produkowany w reaktorze z naturalnego izotopu uranu-238 w reakcji z neutronami.

Obecnie elektrownie znajdują się w USA, Kanadzie, Japonii, Rosji czy na Ukrainie, dysponują one reaktorami mocy 1000 MW. Przykładowo elektrownia w Czarnobylu składa się z czterech reaktorów, każdy o mocy ok. 1000 megawatów (tysiąc milionów watów).

Odpady promieniotwórcze

Eksploatacja reaktorów jądrowych zmusza do odpowiedzi na podstawowe pytanie: Co zrobić z tzw. „wypalonym” paliwem reaktora?

Ciężkie atomy rozszczepialne rozpadają się na mniejsze fragmenty (nuklidy), które są również promieniotwórcze, a ich czas wygaszania długi - rzędu setek, a nawet tysięcy lat.

Jedna elektrownia produkuje tony odpadów rocznie. Obecnie najczęściej wypalony materiał rozszczepialny jest stapiany za szkłem w specjalne bloki i składowany w stalowych pojemnikach, np. w nieczynnych wyrobiskach starych kopalni. Jest to sposób wysoce kosztowny i nie jest pozbawiony ryzyka.

Awaria w Czarnobylu

Pod koniec kwietnia 1986 roku została w Polsce podana informacja, że w jednej z elektrowni na Ukrainie, w Czarnobylu, miała miejsce awaria. Podano, że w nocy nad Polską przeszła chmura radioaktywna i że w tej chwili (podczas podawania komunikatu) wszystko jest w porządku. Okazało się, że awaria była bardzo groźna i opad radioaktywny rozprzestrzenił się na znaczną część Europy. Przyczyną awarii była niewłaściwa, błędna decyzja człowieka.

Przed zmianą wsadu uranowego w reaktorze postanowiono wykonać eksperyment - sprawdzić funkcjonowanie turbogeneratora w warunkach spadku jego obrotów przy wyłączaniu reaktora. Doświadczenie to było źle zaprojektowane, a pracownicy nie przygotowani. Aby uniknąć przedwczesnego wyłączenia się reaktora operator zablokował zespół awaryjnego wyłączania reaktora, i pomimo sygnalizacji ostrzegającej przed awarią, kontynuował eksperyment. Kiedy wreszcie zdecydował się włączyć awaryjne zabezpieczenie było już za późno - urządzenie nie zadziałało. Nastąpił gwałtowny wzrost temperatury, wydzielanie się gazów, wzrost ciśnienia i w końcu wybuch. Setki kilogramów radioaktywnych materiałów wyleciały w powietrze na wysokość ponad jednego kilometra, w postaci pyłów promieniotwórczych skaziły całą Europę. Konsekwencje tego trwają do dziś.

Głównymi poszkodowanymi okazali się mieszkańcy Białorusi i części północnej Ukrainy. Awaria spowodowała nasilenie się głosów przeciwników energetyki jądrowej. W Polsce wstrzymano prace nad budową pierwszej polskiej elektrowni jądrowej z Żarnowcu.

Problemy ekologiczne

Właściwie zbudowane i prawidłowo obsługiwane elektrownie atomowe są źródłem taniej i czystej energii. Emitują one do atmosfery znacznie mniej izotopów promieniotwórczych niż konwencjonalne elektrownie węglowe. Z drugiej strony, w dyskusjach o energetyce jądrowej, nie należy zapomnieć, że na razie elektrowniami atomowymi dysponują kraje wysoko uprzemysłowione (USA, Kanada, Francja, Niemcy, Szwajcaria). Większość z tych krajów z roku na rok zwiększa swoją globalną produkcję.

Broń jądrowa

Broń jądrowa to przykład wykorzystania wybuchowego łańcuchowego procesu rozszczepienia jąder ciężkich pierwiastków.

Aby zaszła reakcja łańcuchowa w bombie atomowej (zwanej bombą A), podobnie jak w reaktorze jądrowym, musi być przekroczona tzw. masa krytyczna materiału rozszczepialnego. Materiał rozszczepialny (uran-235 lub pluton-239) w bombie jest podzielony na kilka porcji, które dopiero po połączeniu znacznie przekraczają masę krytyczną. Zostają one połączone w efekcie wybuchu specjalnie umieszczonych w bombie ładunków, które jakby wstrzeliwują w siebie podkrytyczne porcje materiału rozszczepialnego. Do rozszczepienia pierwszego atomu, który zapoczątkowuje reakcję łańcuchową, potrzebny jest co najmniej jeden neutron.

Czynniki rażenia broni jądrowej

Niszczycielskie działanie bomby atomowej składa się z kilku czynników: W chwili wybuchu przez kilkanaście sekund występuje niezwykle silne promieniowanie neutronowe i elektromagnetyczne γ. Temperatura w centrum wybuchu osiąga kilkadziesiąt milionów stopni. Wszystko w pobliżu zostaje stopione, a w dużo większym promieniu rzędu kilometrów ulega spaleniu. Silny błysk może spowodować w promieniu kilku kilometrów od centrum wybuchu (zwłaszcza w nocy) porażenie nerwu wzrokowego, ślepotę u ludzi i zwierząt. Rozgrzane powietrze ulega gwałtownemu rozszerzeniu, powodując falę uderzeniową o ogromnej sile, wywołującą pożary. Ostatnim składnikiem jest opad radioaktywny, którego wielkość zależy od tego czy wybuch był naziemny, czy powietrzny. W wypadku wybuchu naziemnego ziemia zostaje napromieniowana neutronami co prowadzi do wytworzenia i wyrzucenia olbrzymich ilości izotopów promieniotwórczych. Dochodzi jeszcze skażenie nie zużytym materiałem rozszczepialnym, produktami rozszczepienia oraz napromienionymi przez neutrony elementami bomby.

Bomba neutronowa

Amerykanie w latach siedemdziesiątych wprowadzili do uzbrojenia armii tzw. bombę neutronową, która podczas wybuchu nie ma tak dużej mocy jak bomba atomowa, natomiast wyzwala olbrzymią ilość promieniowania neutronowego zabijającego wszystkie żywe istoty w promieniu wybuchu. Promieniowanie neutronowe jest bardzo przenikliwe i z łatwością przechodzi przez wszystkie osłony. Zasada działania bomby neutronowej polega na wzbudzeniu reakcji jądrowych w mieszaninie trytu i wodoru za pomocą promieniowania elektromagnetycznego generowanego podczas wybuchu „minibomby” atomowej.

Krótkie podsumowanie

Poznając naturę sił jądrowych ludzkość zyskała niewyczerpane źródło energii, które umożliwia zagospodarowanie niedostępnych obecnie obszarów Ziemi i wyżywienie następnych pokoleń. Ponadto rozwój środków transportu z napędem atomowym pozwoli na bardziej dynamiczny podbój kosmosu.

Naukowcy przygotowali narzędzia zagłady, które albo w jednej chwili unicestwią życie na Ziemi, albo skażą przyszłe pokolenie na choroby i cierpienia związane ze skutkami napromieniowania.

Obecnie w wielu krajach z powodzeniem funkcjonują elektrownie atomowe, ale prowadzone przez wiele lat próbne wybuchy nuklearne spowodowały skażenie znacznych obszarów Ziemi.

1. Poznanie przemian jądrowych pogłębiło naszą wiedzę o budowie materii. Dzięki temu rozumiemy procesy zachodzące na Słońcu i innych gwiazdach oraz wiele zjawisk zachodzących we Wszechświecie

2. Zastosowanie izotopów w medycynie pozwoliło na rozwinięcie diagnostyki oraz terapii wielu schorzeń - w tym przede wszystkim nowotworów.

3. Radioizotopy są szeroko stosowane w przemyśle i technice.

4. Promieniowanie jonizujące zastosowano w sterylizacji żywności oraz w niektórych procesach technologicznych.

5. Opracowano metody określania wieku skał, minerałów czy materiałów pochodzenia organicznego na podstawie pomiarów naturalnej promieniotwórczości.

6. Izotopy znalazły szerokie zastosowanie w naukach przyrodniczych. Dzięki nim można było wyjaśnić wiele reakcji chemicznych i procesów biologicznych.

7. Pokojowe stosowanie energii jądrowej, która przy prawidłowej eksploatacji, daje ludzkości nieograniczone możliwości. W wielu krajach funkcjonują elektrownie jądrowe wytwarzające znaczny procent globalnej energii. Energia jądrowa jest wykorzystywana w transporcie.

8. Radioizotopy są niebezpieczne nawet w małych ilościach i można pracować z nimi tylko w przystosowanych do tego laboratoriach.

9. Transport izotopów może odbywać się tylko w specjalnych oznakowanych pojemnikach i z zachowaniem wszystkich środków ostrożności.

10. Dostanie się izotopów w niepowołane ręce może doprowadzić do tragedii.

11. Nadal nie rozwiązanym problemem jest zabezpieczenie odpadów promieniotwórczych, tak by nie były groźne dla środowiska.

12. Produkcja i stosowanie izotopów promieniotwórczych powinna odbywać się pod ścisłą kontrolą. Brak takiej kontroli może spowodować przechwycenie materiałów i wyprodukowanie broni jądrowej przez państwa lub grupy zajmujące się terroryzmem.

13. Nieprawidłowa eksploatacja elektrowni jądrowej może prowadzić do klęski na miarę Czarnobyla albo i większej.

14. Wyprodukowana przez człowieka broń jądrowa może doprowadzić do całkowitej zagłady naszego globu, tymczasem wiele państw ciągle pracuje nas zwiększeniem i udoskonaleniem swojego arsenału nuklearnego.

---