STRONA GŁÓWNA WSTĘP ENCYKLOPEDIA FAKTY I LUDZIE CO POWINNIŚMY WIEDZIEĆ REFERENCJE
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.
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 [11,12].
Rys.: Wykres zależności energii wiązania od liczby masowej [12] Internet.
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 [11,12].
Rys.: Schemat reakcji lawinowej [12] Internet.
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.
Rys.: 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 [12] Internet.
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 [12].
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) [11,12].
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.
Inną możliwością wykorzystania energii jądrowej jest zastosowanie jej do napędu samolotu.
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 [11,12].
Rys.: Pierwsza eksplozja termojądrowa "Ivy Mike".
Miała miejsce na atolu Eniwetok 1 listopada 1952 r. prawie kwadrans po godzinie siódmej [12] Internet.
Rys.: Wbuch "Castle Romeo" [12] Internet.
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 133Xe 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 58Co, mangan 54Mn, chrom 51Cr, żelazo 55Fe, nikiel 65Ni, cyrkon 95Zr.
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.
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 [11,12].
Zabezpieczanie i składowanie odpadów promieniotwórczych.
Rys.117, str.156: [11] Andrzej Czerwiński, "Energia jądrowa i promieniotwórczość", 1998 Oficyna Edukacyjna.
Składowanie najbardziej aktywnych odpadów promieniotwórczych w kopalniach.
Rys.118, str.157: [11] Andrzej Czerwiński " Energia jądrowa i promieniotwórczość", 1998 Oficyna Edukacyjna.
DZIAŁANIE PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO NA ORGANIZMY ŻYWE
PROMIENIOWANIE KOSMICZNE
ZASTOSOWANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
