O energii jądrowej

Publikacja zawiera podstawowe wiadomości o budowie atomu, promieniotwórczości, reakcjach jądrowych, otrzymywaniu i wykorzystaniu energii jądrowej oraz jej wpływie na organizmy żywe.

Spis treści:

Wstęp	Reakcje łańcuchowe
Promieniotwórczość sztuczna i naturalna	Reaktory atomowe
Budowa atomu	Paliwo atomowe
Rozpad jąder atomowych	Reakcje termojądrowe
Przemiany promieniotwórcze	Energetyka jądrowa
Izotopy	Wykorzystanie energii jądrowej
Sztuczne przemiany jądrowe	Szkodliwy wpływ użytkowania energii jądrowej
Energia wiązania i defekt masy	Użytkowanie energii a zdrowie ludzkie
Rozszczepienie jąder atomowych	Wykaz literatury

Ostanie doniesienia środków masowego przekazu informują, że przyszłość energii jądrowej stoi pod wielkim znakiem zapytania. Pomimo ogromnej wydajności i dużych zasobów źródeł energii jądrowej oraz dość niskiego bezpośredniego zagrożenia środowiska pojawia się problem składowania odpadów promieniotwórczych, co  pociąga za sobą niebagatelne koszty i ciągłe ryzyko ewentualnej katastrofy ekologicznej.

Człowiek  poszukuje zatem innych źródeł energii, może nie tyle wydajnych, co całkowicie bezpiecznych i nie zagrażających środowisku naturalnemu. Rozszczepienie jąder atomowych zostaje więc tylko jednym z możliwych sposobów otrzymywania energii, lecz jak na razie nie tym najlepszym. 

Wstęp

Problem energii był zawsze dla ludzkości wielkim wyzwaniem. Już w mitologii greckiej postać Prometeusza wykradającego bogom ogień kojarzy się z odwieczną potrzebą ludzkości do zdobywania i ujarzmiania energii.

W dzisiejszym rozwoju cywilizacji, w dobie wynalazków i wielkich odkryć naukowych problem energii jest aż nadto aktualny. Przyroda dostarcza wiele jej źródeł, powstaje tylko pytanie, które z nich są najbardziej korzystne dla człowieka.

Energia jądrowa ma dla ludzkości niezwykłe znaczenie, może stać się zarówno wielkim dobrodziejstwem, jak i nieobliczalnym w skutkach złem. Znaczenie to będzie wciąż wzrastało i z zagadnieniami dotyczącymi energii jądrowej ludzkość stale będzie miała do czynienia w przyszłości. Trzeba już dzisiaj uwzględniać przyszły wpływ tego nowego rodzaju energii na wszelkie przejawy życia społecznego i indywidualnego.

 Odkrycie promieniotwórczości                                                                                                                 Spis treści

W 1896 roku Henryk Becquerel odkrył, że uran metaliczny oraz jego związki wysyłają promieniowanie zaczerniające kliszę fotograficzną. Dwa lata później Maria Skłodowska-Curie wraz ze swym mężem stwierdzili, że związki innego pierwiastka toru wysyłają podobne promieniowanie. Co ciekawe, promieniowanie emitowane przez te pierwiastki nie było związane z ich stanem fizyko-chemicznym, lecz stanowiło charakterystyczną własność danego pierwiastka. Własność tę nazywano radioaktywnością lub promieniotwórczością. Jak się okazało, wszystkie pierwiastki o liczbach atomowych większych niż 81 są promieniotwórcze. Promieniotwórczość stanowi rozpad jąder atomowych pewnych pierwiastków, podczas którego jądra tych pierwiastków przekształcają się w jądra atomowe innych pierwiastków.

Zrozumienie zjawiska promieniotwórczości stało się możliwe dzięki takim fizykom jak: N. Bohr i E. Rutheford, którzy wyjaśnili strukturę i budowę jądra atomowego. Niektóre pierwiastki rozpadają się i emitują promieniowanie w sposób samoczynny, mówimy w tym przypadku o promieniotwórczości naturalnej. Podglądając to prawo przyrody ludzie nauczyli się wywoływać je w sposób sztuczny.

Emisja promieniowania w wyniku rozpadu jąder atomowych wywoływanego przez człowieka nazywana jest promieniotwórczością sztuczną.

 Budowa atomu                                                                                                          Spis treści

Cała materia we wszechświecie zbudowana jest z maleńkich ziaren nazywanych atomami. Powietrze, woda, żelazo, diamenty, nafta, łodyga rośliny, tkanka żywego organizmu - substancje z pozoru tak różne, składają się z podobnych atomów różniących się między sobą rozmiarem i sposobem rozmieszczenia. Obecnie znanych jest ponad sto różnych rodzajów atomów, które połączone ze sobą w rozmaitych ilościach tworzą wszystkie substancje występujące w przyrodzie.

Atomy są bardzo małe. W szeregu o długości 1cm mieści się ich około 100 milionów. Gdyby atomy znajdujące się w jednym gramie żelaza, ułożyć równą warstwą na całej powierzchni kuli ziemskiej, to na każdym centymetrze kwadratowym tej powierzchni znalazłoby się ich prawie 2000.

Masa atomów wyrażona w gramach jest znikoma. Na przykład, jeden atom siarki waży około 510^-23 grama. Jest to wielkość bardzo mała, dlatego uczeni postanowili posługiwać się tak zwaną względną masą atomową. Porównuje ona mianowicie masę atomu danego pierwiastka z masą najlżejszego atomu wodoru, którą przyjęto za jednostkę u. Na przykład, każdy atom glinu naturalnego posiada masę 27 razy większą od masy atomu wodoru. Dlatego też masa atomowa glinu wynosi 27.

Decydującą rolę w poznawaniu budowy materii odegrało odkrycie jednego z najważniejszych praw przyrody - prawa okresowości.

W 1869 roku genialny uczony rosyjski D. Mendelejew stwierdził, że po ułożeniu wszystkich pierwiastków chemicznych według wzrastających mas atomowych, co pewien okres powtarzają się pierwiastki o bardzo podobnych właściwościach. Umieszczając takie pierwiastki jeden nad drugim zbudował on układ okresowy pierwiastków chemicznych.

Na początku sądzono, że atomy są najmniejszymi, niepodzielnymi cząstkami, z których zbudowana jest materia (atomos - grec. -  niepodzielny). Dopiero około stu lat temu naukowcy zdołali stwierdzić i udowodnić istnienie mniejszych cząstek, z których złożony jest atom.

Atomy, choć są tak małe, że nie można ich zobaczyć nawet przy pomocy najsilniejszych przyrządów powiększających, odznaczają się dość złożoną budową.

W środku każdego atomu znajduje się jądro atomowe, którego średnica jest w przybliżeniu 100000 razy mniejsza od średnicy atomu. Jednakże w tym bardzo małym jądrze zawarta jest przeważająca część masy atomu. Jądro ma ładunek elektryczny dodatni, którego wielkość jest różna w każdym pierwiastku.

Wokoło jądra, w odległości przewyższającej dziesiątki i setki tysięcy razy jego rozmiary, poruszają się z ogromną prędkością bardzo drobne cząstki obdarzone ujemnym ładunkiem elektrycznym- elektrony. Każdy elektron jest w przybliżeniu 1840 razy lżejszy od atomu wodoru. Dlatego też na elektrony przypada tylko znikoma część masy atomowej. Ilość elektronów w każdym atomie równa jest ilości dodatnich ładunków jego jądra. Na przykład, atom tlenu - gazu, którym oddychamy posiada osiem dodatnich ładunków w jądrze i osiem elektronów. Ponieważ jednakowe ilości ładunków dodatnich i ujemnych zobojętniają się, atomu w warunkach normalnych są elektrycznie obojętne.

Między liczbą porządkową pierwiastka w układzie okresowym, od której zależą własności chemiczne pierwiastka, a ładunkiem jego jąder atomowych istnieje bardzo prosty związek: ładunek jądra, a zatem i ilość obiegających je elektronów równe są liczbie porządkowej pierwiastka w układzie okresowym Mendelejewa. Na przykład, pierwiastek chemiczny-hel w układzie okresowym zajmuje drugie miejsce co znaczy, że każdy atom helu posiada jądro obdarzone podwójnym ładunkiem dodatnim, a wokół tego jądra krążą dwa elektrony. Tlen, którego jądro posiada 8 ładunków dodatnich i dokoła którego krąży 8 elektronów, zajmuje w układzie Mendelejewa 8 miejsce. Atom uranu, o liczbie porządkowej 92 ma jądro z 92 ładunkami dodatnimi i taką samą ilością elektronów.

Liczbę elektronów, a zarazem liczbę ładunków w jądrze nazywa się liczbą atomową pierwiastka.

Elektrony w atomach zgrupowane są w pewnych warstwach, np. 92 elektrony uranu rozmieszczone są w atomie w sposób następujący : 2 stanowią grupę najbliższą jądra; w następnej, bardziej odległej od jądra znajduje się 8 elektronów; dalej - znów 8; potem 18, 18 i 32; ostatnich 6 elektronów stanowi najbardziej oddaloną od jądra warstwę zewnętrzną i są one przyciągane przez jądro z najmniejszą siłą.

Z punktu widzenia tematu niniejszej pracy, ważniejsza jest budowa jąder atomowych, ponieważ to one są bezpośrednim źródłem energii jądrowej.

Jądra atomowe dowolnego pierwiastka chemicznego składają się z dwóch rodzajów cząstek - protonów i neutronów, zwanych nukleonami.

Proton jest to cząstka o masie równej jednostce masy atomowej, to znaczy stanowi on po prostu jądro atomowe wodoru. Proton obdarzony jest jednostkowym dodatnim ładunkiem elektrycznym.

Neutron również posiada masę w przybliżeniu równą jednostce, lecz pozbawiony jest ładunku elektrycznego.

Ponieważ masa atomu skupiona jest w jądrze atomowym składającym się z protonów i neutronów wprowadza się nową wielkość charakteryzującą atom - liczbę masową. Liczba masowa jest to ilość protonów i neutronów wchodzących w skład jądra atomowego.

 

 

 Model budowy atomu (na przykładzie helu)

 Rozpad jąder atomowych                                                          Spis treści

Jak wcześniej wspomniano, jądra atomowe niektórych pierwiastków ulegają rozpadowi. Tendencje do rozpadu mają pierwiastki ciężkie, o dużej liczbie protonów i neutronów znajdujących się w ich jądrach atomowych. Na rozpad jąder atomowych ma również wpływ stosunek liczby protonów i neutronów w danym jądrze. Im różnica między protonami i neutronami jest większa tym jądro atomowe jest bardziej nietrwałe.

W wyniku rozpadu jąder atomowych z pierwiastków ulegających rozpadowi tworzą się nowe pierwiastki. Podczas rozpadu ulegają zmianie liczby atomowe i masowe. Liczba masowa nowego pierwiastka powstającego w wyniku rozpadu jest mniejsza bądź równa liczbie masowej pierwiastka ulegającego rozpadowi. Liczba atomowa może być odpowiednio większa lub mniejsza.

Podczas rozpadu promieniotwórczego zbędne protony, neutrony i elektrony są "wydalane" w postaci promieniowania. W zależności od tego w jaki sposób zmienia się liczba atomowa i masowa oraz jaki rodzaj promieniowania jest wysyłany, rozpady promieniotwórcze możemy podzielić na:

   rozpad 

gdzie :

X - pierwiastek ulegający rozpadowi

Y - pierwiastek powstający w wyniku rozpadu

He - jądro atomu helu

A - liczba masowa

Z - liczba atomowa

Jądro atomu helu nazywane jest cząstką 

   rozpad 

gdzie :

e- elektron

W wyniku przemian promieniotwórczych nowo powstałe jądra atomowe są na ogół wzbudzone, tzn. zdolne do emisji dodatkowej energii. Emitowana w ten sposób energia objawia się w postaci promieniowania γ

           

            

Przemiany  i    na przykładzie radu i bizmutu

Przemiany promieniotwórcze.                                                    Spis treści

Jak się okazuje atomy, które powstały w wyniku rozpadu innych atomów są również nietrwałe i ulegają dalszemu rozpadowi. Podczas tego rozpadu (, ) powstaje znów inny pierwiastek. Wszystkie pierwiastki powstające w wyniku kolejnych rozpadów promieniotwórczych tworzą pewien szereg nazywany rodziną promieniotwórczą. Na czele rodziny stoi pierwiastek, który jako pierwszy ulega rozpadowi, na końcu pierwiastek, który powstaje jako ostatni i sam nie ulega dalszemu rozpadowi.

W przyrodzie znane są trzy rodziny promieniotwórcze :

   uranowa

   aktynowa

   torowa

Nazwy tych rodzin pochodzą od pierwiastków stojących na ich czele.

Rozpad promieniotwórczy zachodzi nie we wszystkich atomach danego pierwiastka jednocześnie. W każdej sekundzie przemianie radioaktywnej ulega tylko pewna część atomów. Prawo, według którego zmniejsza się ilość substancji promieniotwórczej jest bardzo proste : po upływie jednakowych okresów z dowolnej ilości danego pierwiastka promieniotwórczego pozostaje połowa. Czas, w którym rozpada się połowa danej substancji radioaktywnej nazywa się okresem połowicznego rozpadu, czyli krótko - półokresem.

RADIONUKLID		OKRES PÓŁROZPADU
	URAN 238	4,47 MLD. LAT
	TOR 234	2,41 DNI
	PROTAKTYN 234	1,17 MLN. LAT
	URAN 234	245 TYS.
	TOR 230	8 TYS. LAT
	RAD 226	1600 LAT
	RADON 222	3,8 DNI
	POLON 218	3,05 MIN.
	OŁÓW 214	26,8 MIN.
	BIZMUT 214	19,7 MIN.
	POLON 214	0,000164 SEKUNDY
	OŁÓW 210	22,3 LAT
	BIZMUT 210	5 DNI
	POLON 210	138,4 DNI
	OŁÓW 206	STABILNY

 Rodzina promieniotwórcza uranu

 Izotopy                                                                                  Spis treści

W jednym szeregu promieniotwórczym mogą występować pierwiastki o takiej samej liczbie atomowej lecz o różnej liczbie masowej. Pierwiastki takie nazywamy izotopami. Dla izotopów danego pierwiastka używa się takich samych nazw z zaznaczeniem liczby masowej. Dla niektórych izotopów istnieją jednak inne nazwy (np. dla izotopów wodoru używa się nazw deuter i tryt). 

 Sztuczne przemiany jądrowe                                              Spis treści

W latach 1896-1919 znano jedynie samorzutnie przebiegające reakcje jądrowe. Oprócz szeregu uranowego zbadano dwa pozostałe - aktynowy i torowy. Wiedziano również o istnieniu kilku pierwiastków nie należących do żadnej z tych rodzin, a wykazujących słabą promieniotwórczość naturalną.

W 1919 roku E. Rutherford dokonał jako pierwszy sztucznej reakcji jądrowej. Wyszedł on z założenia, że nukleony muszą się bardziej silnie przyciągać. W związku z tym, żeby móc rozbić jądro atomowe należy działać siłami tak samo wielkimi, jak siły oddziaływania nukleonów. W praktyczny sposób należałoby więc pokonać siłę przyciągania składników jądra atomowego, np. poprzez bombardowanie jądra pociskami o energii większej niż energia przyciągania nukleonów. Takimi pociskami, które byłyby na tyle małe, aby móc precyzyjnie trafiać w jądro atomowe oraz na tyle silne energetycznie aby to jądro móc rozbić, są cząstki . Cząstki  można było uzyskać z naturalnych rozpadów promieniotwórczych a odpowiednią energię nadać im zwiększają ich prędkość. Pierwszą reakcję jądrową przeprowadzoną przez E. Rutherforda można przedstawić w następujący sposób:

                                

Podczas bombardowania atomów azotu cząstkami  (jądrami atomów helu), dochodzi do rozbicia jego jąder w wyniku czego powstają jądra atomów tlenu i wodoru.

Duży wpływ na zwiększenie wydajności jądrowych miały dwa fakty: zastosowanie innych cząstek jako pocisków jądrowych - protonów i neutronów oraz skonstruowanie urządzeń służących do ich przyspieszania - akceleratorów.

 Energia wiązania i defekt masy                                        Spis treści

Jądra atomowe są nadzwyczaj trwale zbudowane jeśli weźmiemy pod uwagę potężne siły przyciągające między protonami a neutronami. Aby z jądra wyrwać proton lub neutron, trzeba dostarczyć znacznej energii. Dlatego też tylko szybkie "pociski jądrowe" mogą wywołać takie reakcje.

Szczególnie większych ilości energii wymagałoby całkowite rozbicie jąder atomowych. Energia potrzebna do uwolnienia z jądra wszystkich zawartych w nim protonów i neutronów nazywa się energią wiązania jądra.

Przy oznaczaniu energii wiązania różnych jąder, uczeni wykorzystują zasady współzależności masy i energii. W naturze bowiem, stwierdzamy nierozerwalny związek między masą i energią, którą można wyrazić za pomocą następującego wzoru:

                                       = mc²

gdzie :

E - energia; m. - masa; c - prędkość światła

Zgodnie z tą zależnością, każdej zmianie energii towarzyszy odpowiednia zmiana masy ciała. Zazwyczaj nie dostrzegamy zmiany masy wiążącej się z oddawaniem lub przyjmowaniem energii, ponieważ w świecie makroskopowym zmiany masy związane ze zmianami energii są znikome, np. podczas ogrzania 1 litra wody do 100^o zwiększamy jej masę o 5 miliardowych części grama.

Zmianę masy można zauważyć tylko przy wielkich ilościach energii, np. masa promieniowania, które wysyła Słońce w ciągu roku wynosi 1220000000 ton, wielkość ta stanowi zaledwie jedną stumiliardową część masy Słońca.

Energia, z jaką mamy do czynienia w świecie jąder atomowych jest nadzwyczaj wielka, dlatego właśnie tu należy uwzględnić prawo zależności masy od energii.

Podczas tworzenia się jądra z protonów i neutronów wyzwala się energia atomowa. Towarzyszy temu ubytek pewnej części masy cząstek, w których powstaje jądro. Dlatego też, masa jądra zawsze okazuje się mniejsza od sumy mas cząstek, z których się ono tworzy. Aby jednak stwierdzić tę różnicę, trzeba zmierzyć masę jąder z bardzo dużą dokładnością.

Fakt, iż jądro atomowe złożone z pewnej ilości protonów i neutronów, ma inną masę niż te protony i neutrony z osobna, jest zdumiewający. Czy możliwe jest np. aby zbiór 19 piłeczek pingpongowych, z których każda ważona oddzielnie ma masę 1grama, ważył w całości mniej niż 19 g. Zdawać by się mogło, że jest to wykluczone a jednak w świecie jąder atomowych, tego typu zjawisko występuje i nosi nazwę defektu masy lub niedoboru masy. Zasada współzależności masy i energii odgrywa ważną rolę we współczesnej nauce. Znajomość energii wiązania różnych jąder atomowych pozwala na stwierdzenie, które z nich nadają się do praktycznego otrzymywania energii atomowej.

 Rozszczepienie jąder atomowych                                             Spis treści

Drogę do praktycznego otrzymywania energii atomowej odnaleziono w 1939 roku. Po kilku latach uporczywej pracy, uczeni bombardując neutronami jądra atomowe uranu odkryli nowy rodzaj reakcji jądrowych.

W uranie neutrony mogą wywoływać zupełnie inne reakcje jądrowe. Przeniknąwszy do wnętrza jądra atomowego uranu i przekazawszy mu swoją energię, neutron wprawia jądro w stan wzbudzony. Na skutek tego, jądro ostatecznie ulega rozszczepieniu na dwa mniejsze fragmenty

W jądrze atomowym uranu znajduje się tak wiele protonów, że ich wzajemne odpychanie zostaje z trudem przezwyciężone działaniem przyciągającym sił jądrowych. Do rozbicia tego jądra wystarczy więc nawet niewielka energia neutronu.

 

Schemat reakcji rozszczepienia

Podczas rozszczepienia jąder atomowych uranu wyzwala się energia dziesiątki razy większa niż podczas rozpadu promieniotwórczego i dziesiątki milionów razy większa niż przy reakcjach chemicznych. Energia wiązania obu fragmentów jest znacznie większa niż energia wiązania jądra atomowego uranu. Ten właśnie nadmiar energii zostaje wyzwolony w chwili rozszczepienia jądra.

Do zrozumienia istoty uzyskiwania energii podczas rozszczepienia jąder atomowych wygodnie posłużyć się wykresem zależności energii wiązania od liczby masowej.

Z wykresu widać, że dla dużych liczb masowych energia wiązania maleje. Dlatego, zmniejszając liczbę masową - dokonując rozszczepienia, możliwe jest uzyskanie większej energii, która wydziela się podczas tych procesów.

    

Wykres zależności energii wiązania od liczby masowej.

 Reakcje łańcuchowe                                                          Spis treści

Podczas rozszczepienia jąder atomowych uranu powstają nowe pierwiastki o mniejszej liczbie masowej. W jądrach tych pierwiastków występuje nadmiar neutronów, dlatego też podczas rozszczepienia część z nich opuszcza jądro nowo powstałych pierwiastków. Neutrony te, mogą być z kolei użyte jako pociski do wywoływania następnych rozszczepień.

Używając na początku jednego neutronu można zatem uzyskać jedną reakcję rozszczepienia i kilka pocisków jądrowych - a więc kilka następnych reakcji rozszczepień. Jak łatwo wywnioskować, proces ten może przebiegać analogicznie dalej, za każdym razem wywołując więcej reakcji rozszczepień. Mówi się, że w tym przypadku zachodzi reakcja łańcuchowa (lawinowa).

Neutrony podczas łańcuchowego procesu rozszczepienia poruszają się bardzo szybko powodując nowe rozszczepienia w bardzo krótkim czasie. W czasie takiej selekcji bryłka uranu o masie około jednego kilograma może ulec rozszczepieniu w ciągu jednej milionowej sekundy. Ogromna energia wyzwolona w tym czasie powoduje potężny wybuch.

Reaktory atomowe                                                             Spis treści

Reakcje łańcuchowe przebiegają natychmiastowo i wiążą się z wyzwoleniem ogromnej ilości energii. W praktycznych zastosowaniach wymagana jest ścisła kontrola tych reakcji, związana szczególnie z ich spowolnieniem.

Urządzeniem służącym do przeprowadzenia kontrolowanych reakcji jądrowych jest reaktor atomowy. Reaktor składa się ze specjalnej komory, w której umieszcza się paliwo atomowe w postaci prętów wykonanych z uranu.

  Schemat reakcji lawinowej

Schemat pierwszego reaktora atomowego skonstruowanego przez Fryderyka Joliot-Curie

1 - pręt bezpieczeństwa, 2 - pręt sterujący, 3 - osłona betonowa, 4 - wymiennik ciepła, 5 - grafit, 6 - pręty uranowe, 7 - pompa

Aby wywołać reakcje rozszczepienia należy przede wszystkim uzyskać neutrony wolne, które łatwiej mogą wnikać w jądra atomowe uranu. Dlatego też, wokół prętów uranowych stosuje się spowalniacze neutronów (moderatory). Mogą nimi być grafit albo ciężka woda (woda, w której wzorze chemicznym zamiast wodoru jest jego izotop - deuter). Kontrolowanie szybkości lawinowego procesu rozszczepienia jąder uranu polega na ograniczeniu "produkcji" neutronów. Dokonuje się tego poprzez wprowadzenie do komory reaktora prętów sterujących, wykonanych z materiałów dobrze wychwytujących neutrony. Regulując zanurzenie prętów sterujących można przyspieszyć bądź opóźnić przebieg reakcji łańcuchowej. Wokół reaktora stosuje się grube osłony betonowe, które zabezpieczają przed promieniowaniem emitowanym przez pierwiastki powstałe w wyniku rozszczepienia.

Energia wyzwolona w prętach uranowych bardzo je ogrzewa, w związku z tym należy stosować chłodziwo. Do tego celu może służyć woda, która ogrzewając się jednocześnie stanowi źródło energii cieplnej, bądź mechanicznej (para wodna może napędzać tłok, turbiny parowe). Pomiędzy główną komorą reaktora z osłoną betonową, znajduje się warstwa grafitu działająca jako zwierciadło odbijające neutrony wychodzące na zewnątrz.

Ze względu na budowę i szczegóły konstrukcyjne możemy wyróżnić następujące typy reaktorów :

   termiczne, prędkie i pośrednie - ze względu na energię neutronów wywołującą rozszczepienie

   jednorodne i niejednorodne - różniące się sposobem umieszczenia paliwa i moderatora

   wodne, gazowe, ciśnieniowe, wrzące - zależne od rodzaju i postaci chłodziwa.

Istotnym elementem reaktora jest tzw. pręt bezpieczeństwa, który opada do wnętrza reaktora w czasie awarii, hamując proces rozszczepienia.

 Paliwo atomowe                                                                  Spis treści

Paliwem atomowym jest przede wszystkim uran 238 i jego izotop uran 235. W warstwie ziemi o grubości 16 km znajduje się 1000 miliardów ton uranu. Wprawdzie większa część tego surowca znajduje się w stanie silnego rozproszenia co bardzo utrudnia, a nawet częściowo uniemożliwia jego eksploatację. Jednakże, nawet te ilości uranu, które potrafimy wydobyć stosunkowo niewielkim kosztem, zdolne są do zabezpieczenia nas w paliwo atomowe na bardzo długi okres. Oprócz tego, energię można również czerpać z innego ciężkiego pierwiastka - toru, z którego otrzymuje się izotop uranu 233 bezpośrednio wykorzystywany w reakcjach rozszczepienia.

        

                      

 

Otrzymywanie paliwa jądrowego.

 Reakcje termojądrowe                                                Spis treści

Energię jądrową, oprócz reakcji rozszczepienia, można również uzyskać w wyniku połączenie (syntezy) lekkich jąder atomowych. Energia wiązania jąder atomowych o bardzo małej liczbie masowej jest mniejsza niż energia wiązania jąder atomowych o nieco wyższej liczbie masowej. W tym przypadku paliwem atomowym jest wodór lub jego izotopy - deuter i tryt. Do wywołania reakcji syntezy wymagane jest stworzenie odpowiednich warunków - uzyskanie wysokiego ciśnienia i temperatury (warunki zbliżone do warunków panujących na Słońcu). Obecnie nauka, nie potrafi jeszcze stworzyć takich warunków przez dostatecznie długi czas, dlatego też reakcje termojądrowe nie są na razie wykorzystywane w sposób praktyczny.

Energetyka jądrowa                                                                  Spis treści

Najbardziej typowym zastosowaniem energii powstającej w wyniku rozszczepień jąder atomowych jest wykorzystywanie jej w energetyce - elektrowniach jądrowych.

27 czerwca 1954 r. w Związku Radzieckim, została uruchomiona pierwsza w świecie elektrownia atomowa. W ten sposób zapoczątkowano praktyczne wykorzystanie podstawowej energii wydzielanej podczas rozszczepienia jądra uranu w reaktorze atomowym. Ciepło bowiem stanowi 80% całej ilości energii powstającej w reaktorze.

Aby uzmysłowić sobie znaczenie zastosowania paliwa jądrowego do wytwarzania energii elektrycznej, wystarczy powiedzieć, że bezstratne wykorzystanie 70 kg. Uranu wystarcza na wyprodukowanie energii wytwarzanej przez zwykłą elektrownię średniej mocy.

W elektrowni atomowej palenisko zastępuje reaktor atomowy. Wytwarzane przez niego ciepło ogrzewa płyn chłodzący, który trafia do tzw. wymiennika ciepła. Tam oddaje swe ciepło wodzie. Woda zamienia się w parę, która pędzi przewodami do turbin i obracając je napędza połączone z nimi prądnice. Następnie ochłodzony w wymienniku ciepła płyn chłodzący przepompowywany jest z powrotem do reaktora.

Reaktor otoczony jest oczywiście grubymi osłonami betonowymi nie przepuszczającymi szkodliwego dla obsługi promieniowania. Odpowiednio zabezpieczone są również przewody z płynem chłodzącym i wymiennik ciepła.

W elektrowni atomowej oprócz powstawania energii cieplnej produkowane są jednocześnie :

   popioły promieniotwórcze - izotopy, wykorzystywane później w przemyśle i medycynie

   paliwo atomowe - pluton

                             a)                                                                    b)

 

Uproszczone schematy elektrowni jądrowych a) z obiegiem pierwotnym i wtórnym, b) z jednym obiegiem

R - reaktor, W - wytwornica pary, T - turbina parowa, G - prądnica, S - skraplacz, P - pompa

Wykorzystanie energii jądrowej                                                   Spis treści

Myśl wykorzystania energii jądrowej do napędów drutów pojawiła się w momencie poznania możliwości jej "zmobilizowania" do celów użytkowych. Największą zaletą napędu jądrowego jest niskie zużycie paliwa, gdyż 1 gram rozszczepionego uranu wyzwala 23000 kWh mocy. Wykorzystanie paliwa atomowego jest ograniczone nie jego wypalaniem lecz mechanicznym rozpadaniem się pod wpływem działania promieniowania.

Na dużym statku o klasycznym napędzie zużycie paliwa w podróży międzykontynentalnej wynosi około 5000 ton. Przy wykorzystaniu paliwa atomowego wystarcza tylko 10 ton uranu, a więc 500 razy mniej. Dodatkowym atutem jest w tym przypadku to, iż przy napędzie jądrowym zbędne jest powietrze co pozwala wykorzystać go do zasilania łodzi podwodnych.

Obok korzyści wynikających z zastosowania paliwa atomowego istnieją również strony ujemne. Najważniejszą z nich jest konieczność ochrony pasażerów i wyposażeń przed promieniowaniem, co wymaga skutecznych osłon. Z jednej strony oszczędza się miejsce dzięki bardziej ekonomicznemu paliwu, z drugiej jednak traci na niekorzyść ciężaru reaktora jądrowego. Następną przeszkodą są trudności z utrzymaniem ciągłej bezpiecznej pracy reaktora, która wiąże się ze zwiększeniem ciężaru i kosztów tego urządzenia.

Pierwszą łodzią podwodną o napędzie atomowym wyprodukowaną przez USA był Nautilus. Do napędu wykorzystano tu niejednorodny reaktor termiczny. Paliwem był uran rozcieńczony cyrkonem stosowany w postaci prętów. Woda przepływająca wokół prętów występowała w roli chłodziwa, jak również jako źródło pary. Para wodna przechodziła do turbin, które bezpośrednio napędzała. Moc turbin w tym przypadku dochodziła do 2000 kW.

Inną możliwością wykorzystania energii jądrowej jest zastosowanie jej do napędu samolotu.

Stosuje się tutaj kilka systemów. Można, np. zastosować ogrzewanie powietrza w repulsyjnym silniku reakcyjnym za pomocą gorących gazów opuszczających system chłodzący reaktora jądrowego. Można też zastosować sposób łatwiejszy do bezpośredniej realizacji, polegający na użyciu turbinowego silnika reakcyjnego, zapewniającego cyrkulację powietrza chłodzącego, które po ogrzaniu w reaktorze doznawałoby pierwszego stopnia rozprężenia w turbinie przed przejściem do dyszy napędowych.

Rozwiązanie te napotykają jednak wiele trudności związanych przede wszystkim z poważnym ciężarem reaktora i urządzeń pomocniczych, a zwłaszcza osłon. Problem wykorzystania reaktora jako układu zasilającego w lotnictwie jest zatem mało prawdopodobny i nabiera dopiero sensu przy zastosowaniu go w pojazdach kosmicznych.

Istnieją rozwiązania, co prawda na razie teoretyczne, napędzania pojazdów międzyplanetarnych energią powstałą w wyniku wybuchu jądrowego w przestrzeni kosmicznej. Kontrolowany wybuch jądrowy nadawałby statkowi kosmicznemu wymaganą prędkość początkową w podróżach międzyplanetarnych.

Rozpatrując zastosowanie energii jądrowej do napędu nie sposób, nie wspomnieć o transporcie jądrowym.

Wykonano szereg badań z tego zakresu w Stanach Zjednoczonych i w byłym Związku Radzieckim, gdzie przebywane duże odległości usprawiedliwiają stosowanie napędu nie wymagającego częstego zaopatrywania w materiały pędne. Badania ekonomiczne wykazują jednak, że lokomotywa o napędzie jądrowym nie byłaby obecnie opłacalna i jeżeli można twierdzić, że energia jądrowa powinna być użyta do napędu kolejowego, to dokona się tego raczej poprzez rozbudowę elektronów jądrowych a następnie elektryfikację kolei.

Energię jądrową, która powstaje w wyniku naturalnego rozpadu promieniotwórczego pierwiastka można wykorzystać również dla celów medycznych. W niektórych przypadkach, posługiwanie się wiedzą o promieniotwórczości i rozpadach jąder atomowych okazuje się, z punktu widzenia medycyny, nieodzowne i niezastąpione.

Jedną z bardzo ciekawych metod diagnostycznych jest scyntygrafia.

Metoda ta polega na wprowadzeniu do organizmu pewnej substancji z dodatkiem pierwiastka radioaktywnego. Wprowadzona substancja jest tak dobrana aby gromadziła się w obszarach chorobotwórczych badanego narządu. Podczas późniejszych obserwacji emisji promieniowania można stwierdzić, które punkty badanego organu są zmienione chorobowo.

Innym przykładem wykorzystania energii jądrowej w medycynie jest walka z nowotworami. W radioterapii wykorzystuje się energię jądrową w postaci promieniowania γ pochodzącego z tzw. bomby kobaltowej.

 

Każdy wynalazek w zasadzie może być wykorzystany w sposób ułatwiający życie człowieka, ale i jako czynnik to życie unicestwiający. W przypadku energii jądrowej to drugie zastosowanie może być aż nadto skuteczne.

Historycznie pierwszym zastosowaniem energii jądrowej było użycie jej do celów niszczenia. 6 sierpnia 1945 roku amerykanie zrzucili bomby atomowe na Hiroszimę, a trzy dni później na drugie miasto japońskie - Nagasaki. Bomby te przyniosły śmierć wielu tysiącom osób i ogromne straty materialne. Od tamtej pory rozpoczął się wyścig zbrojeń podyktowany posiadaniem bomby atomowej. Prace naukowców wojskowych miały na celu udoskonalenie zwiększenia siły rażenia tej bomby, co zresztą przyniosło wymierne skutki.

Bomba atomowa, jądrowa lub nuklearna niezależnie od nazwy działa w oparciu o taki sam proces - gwałtowną, lawinową reakcję rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich, np. uranu z jednoczesnym wydzieleniem ogromnej ilości energii.

3

2

1

                           

Schemat konstrukcji bomby atomowej: 1.  Stalowa kula wysokoprężna  2. Powłoka kulista z uranu  3. Zapalniki trotylowe

Istotnym elementem bomby atomowej jest kształt i rozmieszczenie materiału będącego źródłem energii - uranu. Są one dobrane w ten sposób aby stosunek powierzchni do jej objętości był równy tzw. rozmiarom krytycznym, przy którym stosunek wytwarzania neutronów do ich tracenia jest stały. Sytuacja taka nie powoduje zachodzenia reakcji rozszczepienia.

Jeżeli rozmiary krytyczne ulegną zmianie natychmiast zapoczątkowany zostaje lawinowy proces pękania jąder uranu i następuje wybuch.

W bombie przedstawionej na rys. uran uformowany jest w postaci cienkościennej powłoki kulistej. Kształtem i wielkością przypomina ona powszechnie znany biały kulisty klosz do lampy. Wybór tego kształtu zapewnia duży stosunek powierzchni do objętości uranu (kula jest wewnątrz pusta). W takim układzie geometrycznym masa (m) użytego uranu ma wartość podkrytyczną, gdyż prawie wszystkie wytworzone wewnątrz jej neutrony uciekają przez zewnętrzną powierzchnię poza materiał rozszczepialny. Bomba jest zabezpieczona przed wybuchem.

Kulista powłoka uranu otoczona jest materiałem wybuchowym. Na zewnątrz znajduje się gruba warstwa stalowa. Poprzez spowodowanie eksplozji wewnętrznej nie mieszczącej grubej warstwy stalowej powoduje się zgniecenie kuli uranowej. Stosunek powierzchni do objętości ulega zmianie i osiąga wartość ponad krytyczną, przy której rozpoczyna się reakcja lawinowa i następuje wybuch.

                   

Techniczne rozwiązanie konstrukcji bomby atomowej

Inne rozwiązanie konstrukcyjne bomby atomowej.

Stosunek nadkrytyczny osiąga się tu poprzez połączenie kilku bryłek uranu bądź plutonu w wyniku eksplozji materiału wybuchowego.

Energia wydzielana podczas wybuchu bomby atomowej występuje w trzech rodzajach: jako energia mechaniczna, cieplna i promieniotwórcza. Pierwsza z wymienionych form uwidacznia się, jako potężny  podmuch. W pewnych miejscach występuje bardzo silny wzrost podciśnienia powietrza, w innych odwrotnie - w skutek szybkiego przemieszczania się olbrzymich mas powietrznych występuje sprężenie. Tak zresztą jeden, jak i drugi efekt jest dla ludzi bardzo niebezpieczny.

Energia cieplna i związane z nią promieniowanie świetlne wydzielane są przez bardzo krótki czas - zaledwie w ciągu drobnego ułamka sekundy a więc tylko wtedy, gdy trwa łańcuchowa reakcja jądrowa. Wytworzone światło uwidacznia się jako jaskrawy błysk. Późniejsze promieniowanie świetlne rozżarzonej kuli powietrznej ma już znaczenie o wiele mniejsze. Trzecia forma wydzielania energii - promieniotwórczość, ma dwa źródła. Pochodzi ona albo bezpośrednio od nowych atomów promieniotwórczych wytwarzanych podczas łańcuchowego procesu rozszczepień, albo też od atomów istniejących w substancjach materialnych otaczających bombę (powietrze, woda, ziemia, rośliny) i pobudzonych do promieniotwórczości przez neutrony wyzwolone w czasie eksplozji. Stężenie ciał promieniotwórczych, a zatem ich intensywność zmniejsza się jednak stopniowo i powoli ich zabójcze działanie ustaje.

Ilość substancji użytej podczas jednego wybuchu wynosi 1 kg. (plutonu lub uranu). Ilość uwalnianej energii równa jest energii, która wydzieliłaby się podczas wybuchu 100 pociągów towarowych załadowanych materiałem wybuchowym.

1 2 3 4

                                

Schemat bomby wodorowej: 1. Kula wysokoprężna 2. Mieszanka deuteru i trytu  3. Zapalniki trotylowe 4. Powłoka z uranu

O wiele niebezpieczniejsza jest bomba wodorowa, w której wykorzystuje się energię termojądrową powstałą na skutek syntezy lekkich jąder wodoru.

Początkowe działanie takiej bomby jest podobne do zwykłej bomby atomowej. Ładunki trotylu inicjują reakcję jądrową uranu, która z kolei powoduje ściśnięcie wodoru zawartego wewnątrz.

W wyniku ściskania następuje synteza (łączenie się) jąder wodorowych, w wyniku czego wydziela się energia powodująca wybuch. Jak się okazuje, w tym przypadku moc wybuchu jest dużo większa niż w przypadku zwykłej bomby jądrowej.

Szkodliwy wpływ użytkowania energii jądrowej.                                   Spis treści

Główną wadą i ograniczeniem możliwości korzystania z jądrowych źródeł energii jest jej szkodliwość w stosunku do środowiska naturalnego.

Jedną z możliwości niekorzystnego wpływu na środowisko jest przenikanie do atmosfery substancji radioaktywnych powstających w wyniku rozszczepień paliwa jądrowego. Ilość i rodzaj substancji radioaktywnych zależy od typu reaktora.

W reaktorach z wodnym moderatorem lub wodnym chłodzeniem radioaktywne skażenie pochodzi głównie od trytu, radioaktywnego izotopu wodoru. Tryt powstaje poprzez wychwyt neutronów przez deuter, ciężki izotop wodoru. W reaktorach chłodzonych z gazowym dwutlenkiem węgla produkowane są znaczne ilości radioaktywnego węgla ¹⁴C i argonu ⁴¹Ar.

W wyniku nieszczelności cyrkonowych koszulek paliwowych mogą wydostać się też do atmosfery lotne produkty rozszczepienia.

Nuklidy krótkożyciowe nie stanowią istotnego zagrożenia, gdyż rozpadną się, zanim wydostaną się na zewnątrz. Najgroźniejsze są nuklidy o odpowiednio długim czasie życia, wśród izotopów jodu jest to jod ¹³¹J o czasie życia 8 dni, ksenon ¹³³ Xe o czasie życia 5 dni. W wyniku korozji elementów układu chłodzenia mogą przedostawać się na zewnątrz, ale na ogół w mniejszej ilości, takie nuklidy jak : kobalt ⁵⁸ Co, mangan ⁵⁴ Mn, chrom ⁵¹ Cr, żelazo ⁵⁵ Fe, nikiel ⁶⁵ Ni, cyrkon ⁹⁵ Zr.

Problem skażenia środowiska przez elektrownie jądrowe jest trudny do oceny. Zależy on przecież od tak zmiennych czynników jak pogoda, przestrzeganie technologii czy solidności wykonania pracy.

Innym zagrożeniem dla środowiska jest również przerób zużytego paliwa jądrowego i składowanie odpadów promieniotwórczych.

Pręty wypalonego paliwa jądrowego są niezwykle silnie promieniotwórcze. Składa się na to głównie aktywność kilkudziesięciu powstałych po rozszczepieniu pierwiastków  promieniotwórczych, z których najbardziej znane są stront i cez. Znajduje się w nich także nie do końca wypalone paliwo jądrowe, czyli uran - 235. Zwykle wypalaniu podlega tylko około połowy paliwa jądrowego. Dodatkowo, stanowiący nieaktywny składnik prętów paliwowych uran 238 pochłania w czasie pracy reaktora neutrony, stając się nowym, nie występującym w przyrodzie izotopem uranu o liczbie masowej 239. Izotop ten jest nietrwały i z okresem połowicznego zaniku 24 min. ulega rozpadowi stając się plutonem 239. Ten nowo powstały pierwiastek jest rozszczepialny przez neutrony termiczne i dlatego może być stosowany jako paliwo jądrowe lub materiał do głowic broni jądrowej. Właściwości chemiczne plutonu są różne od właściwości chemicznych uranu i dlatego może on być stosunkowo tanio oddzielony od pozostałego materiału wypalonego pręta.

Odpady promieniotwórcze stanowią istotne zagrożenie dla środowiska i powinny być odpowiednio magazynowane. Na aktywność wypalonego paliwa składają się : aktywność ciężkich pierwiastków i aktywność jąder atomowych powstałych w wyniku rozszczepienia. Zanik aktywności wypalonego paliwa jądrowego trwa przez bardzo długi okres czasu. Dopiero po czasie kilkudziesięciu tysięcy lat aktywność ta stanie się równa aktywności rudy, z której to paliwo wyprodukowano. Czas ten możemy nazwać czasem powrotu do stanu naturalnego. Jest to czas, w którym odpady promieniotwórcze muszą być bezpiecznie składowane, czyli tak zabezpieczone, aby przez czas swej wzmożonej aktywności nie przedostały się do atmosfery, wód powierzchniowych i głębinowych.

 Użytkowanie energii jądrowej a zdrowie ludzkie.                                         Spis treści

W wyniku powstawania energii jądrowej wysyłane jest promieniowanie jonizujące, szkodliwe dla organizmów żywych a szczególnie ludzi. Pochłaniana przez ciało ludzkie energia promieniowania powoduje zakłócenie procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w organizmie, uszkodzenie komórek lub także złośliwy wzrost komórek (zmiany genetyczne). Dlatego też działanie nawet słabego promieniowania może wywołać ciężkie dolegliwości, między innymi choroby nowotworowe.

Promieniowanie jądrowe w postaci cząstek ,  lub kwantów γ powoduje w organizmie jonizację, czyli wybijanie elektronów ze związków i pierwiastków chemicznych, z których zbudowane są organy ludzkie. W wyniku jonizacji zostają zaburzone reakcje fizyko - chemiczne zachodzące podczas przebiegania procesów życiowych. Jonizacji ulega szczególnie woda, która stanowi ponad 60% organizmu ludzkiego. Ze zjonizowanej wody powstają tzw. wolne rodniki, z których z kolei może powstawać woda utleniona lub cząsteczkowy wodór. Woda utleniona jest jak wiadomo jednym z najbardziej reaktywnych związków chemicznych, dlatego właśnie jej nadmiar powoduje zaburzenia w reakcjach fizyko - chemicznych odpowiadających za procesy życiowe.

Zaburzenia zdrowotne wywołane takimi zmianami mogą objawiać się w różnorodny sposób, począwszy od nudności, gorączki a skończywszy na anemii, białaczce i częstych przypadkach śmierci.

Skutki naświetlenia promieniowaniem jonizującym zależą od otrzymanych przez organizm dawek promieniowania przy krótkim jednorazowym naświetleniu lub w ciągu dłuższego czasu. Dawki pochłoniętego promieniowania podawane są w grejach (Gy).

Dawka równa 1 Gy odpowiada energii promieniowania 1 J pochłoniętej przez 1 kg. masy

1 Gy = 1J/1kg

W otaczającym nas świecie istnieją różne źródła promieniowania jonizującego, w normalnych warunkach nie ma miejsca przekroczenia dawki dozwolonej. Jednak, np. w czasie awarii reaktora jądrowego pojawia się zagrożenie nie tylko dla personelu elektrowni, ale również dla osób, które znajdują się w znacznej odległości, ze względu na przenoszenie pyłów i gazów promieniotwórczych przez wiatr. Występują wówczas skażenia gleby, roślin, wody, mleka - ma miejsce bezpośrednie zagrożenie dla ludzi.

 Badania wykazały również, że promieniowanie jądrowe przyspiesza proces starzenia, wywołuje zmiany mutagenne, jest przyczyną nowotworów, owrzodzeń i zmian martwicznych układu pokarmowego, skóry i spojówki oka, utratę odporności oraz hamuje działanie mechanizmów w organizmie człowieka.

Zapobieganie szkodliwemu wpływowi promieniowania pochodzącego z reakcji jądrowych odbywa się na różnej drodze. W elektrowniach jądrowych bezpośrednim źródłem promieniowania są procesy rozpadu jąder atomowych zachodzące w rdzeniu reaktora. W związku z tym wokół reaktorów stosuje się grube osłony betonowe i ołowiowe, które hamują szkodliwe promieniowanie emitowane przez produkty rozszczepienia. Oczywiście, nie można w sposób całkowity ograniczyć wpływu tego promieniowania na pracowników elektrowni. Konieczne jest zatem przeprowadzanie okresowych badań personelu w celu wykrywania ewentualnych, podwyższonych dawek promieniowania.

Następnym problemem związanym z zapobieganiem ubocznym skutkom produkcji energii jądrowej jest składowanie odpadów promieniotwórczych.

W początkowym okresie rozwoju produkcji energii jądrowej zdarzyło się, że odpady promieniotwórcze wpompowywano do jezior albo składowano w taki sposób, że ich niekontrolowany wybuch związany z uwolnieniem energii podczas stygnięcia powodował skażenia. Odpady promieniotwórcze są obecnie umieszczane w pojemnikach a następnie zatapiane w morzach lub oceanach.

Innym sposobem dezaktywacji odpadów jest magazynowanie ich w starych kopalniach. Należy jednak pamiętać, że składowane odpady zawierają pierwiastki ulegające ciągłym rozpadom promieniotwórczym przez bardzo długi okres czasu. Dlatego też środowisko naturalne wokół składowiska jest stale narażone na niekorzystny wpływ spowodowany ich obecnością.

 

---