Poland

Na pewno słyszałaś/słyszałeś o bombach jądrowych (atomowych) - przykładzie wojskowego użycia energii jądrowej. Bomba jądrowa to urządzenie, w którym wykorzystano niekontrolowaną reakcję łańcuchową w materiale rozszczepialnym. Jest to niezwykle szybki proces, który powoduje błyskawiczne gromadzenie się energii i ekstremalny wzrost temperatury aż do dziesiątków milionów stopni.

Little Boy (Źródło: U.S. National Archives, RG 77-AEC, ujawnione w 1960).

Przy takiej temperaturze ciśnienie wewnątrz materiału rozszczepialnego staje się olbrzymie i urządzenie eksploduje. Aby tak się stało, bomba musi zawierać masę krytyczną (nawet superkrytyczną) materiału rozszczepialnego. Jednakże nie oznacza to rozszczepienia całości materiału. Eksplozja następuje nim wszystkie jądra 235U dostaną szansę na rozszczepienie - np. w bombie zrzuconej na Hiroszimę jedynie około 2% jąder uranu uległo rozszczepieniu. Tak niewiele wystarczyło do dokonania tak wielkich zniszczeń!

Śmiertelna moc tych bomb rodzi ważne pytania natury etycznej dotyczące prowadzenia badań i konstruowania tego rodzaju broni.

Możliwość pozyskania i użycia broni nuklearnej przez terrorystów jest pilnym i potencjalnie katastrofalnym wyzwaniem dla globalnego bezpieczeństwa. W kwietniu 2010 r. podczas szczytu bezpieczeństwa nuklearnego w Waszyngtonie skupiono uwagę na zagrożeniu terroryzmem jądrowym, a uczestnicy zawarli konkretne porozumienia, w sprawie zwiększenia bezpieczeństwa materiałów jądrowych i ograniczenia dostępności plutonu i wysoko wzbogaconego uranu.

Energia jądrowa znajduje zastosowanie również w bardzo małych urządzeniach, takich jak baterie. Do eksploracji planet i przestrzeni kosmicznej człowiek potrzebuje długożyciowych i efektywnych baterii (rozruszniki serca używane przez osoby ciężko chore na serce, są również zasilane przez takie baterie). Radioaktywne źródła są dla tych celów stosowane od roku 1961.

Mamy dwa rodzaje takich źródeł zasilania:

1) termojonowe generatory radioizotopowe, w których ciepło jądrowe jest wykorzystywane do wytworzenia różnicy potencjałów elektrycznych między dwiema metalicznymi elektrodami oraz

2) RTG - termoelektryczne generatory radioizotopowe, w których ciepło rozpadu np. 238 Pu (0,56W/g) służy do ogrzewania złącza półprzewodnikowego typu p-n (termopara).

Sondy kosmiczne Voyager, misja Galileo do Jowisza i misja Cassini do Saturna są zasilane przez RTG. Łaziki marsjańskie Spirit i Opportunity wykorzystywały panele słoneczne do produkowania elektryczności i RTG do ogrzewania. Łazik Mars Curiosity wykorzystuje RTG do ogrzewania i elektryczności, ponieważ same panele słoneczne nie byłyby w stanie dostarczyć wystarczającej ilości energii elektrycznej.

Małe reaktory jądrowe wykorzystujące konwertery termoelektryczne lub termojonowe zostały zbudowane i są rozwijane do różnych zastosowań w statkach kosmicznych, na przykład w ich napędach.

Zastosowanie paliwa jądrowego w reaktorze jądrowym produkuje energię wyjściową około 100 milionów (108) razy większą od energii jaką by dało użycie takiej samej ilości paliwa chemicznego!

Dotychczas opracowano dwa układy napędowe wykorzystujące reaktory jądrowe. Działanie pierwszego, tak zwanego termicznego jądrowego układu napędowego (w skrócie NTR dla Nuclear Thermal Rockets), polega na podgrzewaniu wodoru przechowywanego w niskiej temperaturze w postaci płynnej. Ogrzany w reaktorze wodór gazowy o temperaturze około 2500°C, rozprężając się w dyszy nadaje pęd rakiecie.
Drugi system to elektryczny napęd jądrowy (NEP). Działa przez zamianę energii jądrowej na elektryczną, a następnie wykorzystanie jej do zasilania urządzenia elektromagnetycznego, które przyspiesza jony do bardzo dużych prędkości. Przyspieszone jony przechodzą w dyszy przez neutralizator, tworząc strumień neutralnych atomów, które opuszczając silnik wytwarzają ciąg. Tego rodzaju napęd był wykorzystywany w licznych, głównie sowieckich, misjach orbitalnych. Napęd jądrowy jest na pewno korzystniejszy niż chemiczny, zwłaszcza w misjach długoterminowych.

Wykorzystanie energii jądrowej w okrętach podwodnych i samolotach rozważano niemal od początku historii reaktorów jądrowych. Jednak użycie napędu jądrowego w samolotach zarówno wojskowych jak i cywilnych uznano za zbyt ryzykowne i rozwój w tej dziedzinie został zatrzymany. Pomysł został podchwycony i jest rozwijany jako napęd statków kosmicznych. Napęd jądrowy jest również bardzo skutecznie wykorzystywany w nowoczesnych jednostkach floty wojennej i cywilnej.

Pierwszy amerykański okręt podwodny o napędzie atomowym „Nautilus”, którego budowę rozpoczęto już w 1946 r., zwodowany w roku 1954, był pierwszym, który 23 lipca 1958 przepłynął Biegun Północny pod arktyczną pokrywą lodową. Napędzany energią jądrową lodołamacz „Arktica” z byłego Związku Radzieckiego był pierwszym okrętem nawodnym, który dotarł na biegun północny 17 sierpnia 1977 r. USA zbudowały także lotniskowce. Pierwszy z nich, USS Enterprise, został zwodowany w 1960 roku. Pierwszy frachtowiec, NS Savannah, został zwodowany w USA w 1959 roku. Japonia wprowadziła na rynek statek handlowy Mutsu w 1962 roku.

Reaktory stosowane we flocie morskiej są typu PWR. Wszystkie rosyjskie łodzie podwodne oraz statki i okręty nawodne są napędzane dwoma reaktorami. Dlatego ważne jest, aby rozmiary tych reaktorów były niewielkie. Początkowo osiągano to używają silnie wzbogaconego (do 90%) paliwa jądrowego: 235U. Jednakże ostatnio coraz popularniejsze stają się niższe wzbogacenia: 20-25% w reaktorach amerykańskich i około 50% w reaktorach rosyjskich.

Na pierwszy rzut oka wydaje się, że napęd jądrowy zdaje się być idealny dla samochodów. Taki silnik mógłby pracować przez wiele lat bez wymiany elementów paliwowych. Jednakże źródło energii w postaci małego reaktora wytwarzałoby neutrony, które są silnie penetrującym i jonizującym promieniowaniem. Takie promieniowanie byłoby szkodliwe dla podróżujących samochodem, a nawet dla przechodniów przypadkowo znajdujących się w pobliżu. Aby ochronić kierowcę i pasażerów przed skutkami promieniowania neutronowego należałoby zastosować osłony biologiczne rdzenia bardzo obszerne i ciężkie - czyli coś zupełnie sprzecznego z naszymi wyobrażeniami o użytecznym i wygodnym samochodzie pasażerskim.

Jednak nawet jeśli udałoby się zbudować bezpieczny samochód stosując np. wydajne konwertery termoelektryczne, nadal pozostanie problem kontrolowania materiałów radioaktywnych.

Ford Nucleon, koncepcyjny samochód osobowy typu coupé amerykańskiej firmy Ford Motor Company z planowanym napędem atomowym, został zaprezentowany w roku 1958 jako model w skali 3:8. Zamiast silnika spalinowego miał być napędzany małym reaktorem umieszczonym w tyle pojazdu. Zakładano, że pewnego dnia będzie to możliwe dzięki malejącym rozmiarom reaktorów. Miano użyć silnika parowego napędzanego rozszczepieniem uranu, czyli rozwiązanie było podobne do stosowanych w okrętach podwodnych.

Wodór odgrywa coraz większą rolę w chemii, rolnictwie (produkcja nawozów azotowych), w przemyśle naftowym oraz jako potencjalne źródło energii, tzn. jako paliwo. Można się spodziewać, że spośród różnorodnych możliwych zastosowań wodoru, najbardziej popularne stanie się jego użycie w ogniwach paliwowych. Z powodu rosnącego zainteresowania wodorem szacuje się, że energia potrzebna do jego produkcji może wkrótce być tak duża, jak obecna produkcja energii elektrycznej.

Z powyższych względów bardzo interesują nas wydajne źródła energii, które mogą wytwarzać wodór. W tym przypadku zastosowanie reaktorów jądrowych może być bardzo pomocne. Reaktory mogą wytwarzać energię elektryczną do przeprowadzania elektrolizy wody, a energia cieplna jądra może służyć do produkcji wodoru z gazu ziemnego i w procesach termochemicznych z wody. W przeciwieństwie do procesu chemicznego, w którym para reformuje gaz ziemny, w reakcjach termochemicznych nie jest produkowany dwutlenek węgla. Ponieważ w obu przypadkach potrzebne są względnie wysokie temperatury (1000 K-1300 K), najodpowiedniejsze zdają się być reaktory wysokotemperaturowe. Pracując w dzień jako zwykłe elektrownie jądrowe dostarczające energię elektryczną do sieci, w nocy mogłyby wytwarzać wodór, przygotowując jego zapas na następny dzień.

Energia jądrowa jest już wykorzystywana do odsalania wody. Brak wody pitnej to problem o wielkim znaczeniu dla dużej części świata, szczególnie poważny w Azji i Afryce Północnej. Reaktory użyte do odsalania wody mogą ponadto wytwarzać energię elektryczną, tzn. pracować jako małe elektrownie jądrowe. Przykładem takiego podwójnego wykorzystania jest reaktor BN-350 na neutrony [prędkie w Aktau w Kazachstanie. Japonia, Rosja i Kanada mają doświadczenie z reaktorami jądrowymi stosowanymi do odsalania wody, a Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (MAEA) zdecydowanie promuje takie rozwiązania. Chodzi o wykorzystanie elektrowni jądrowych służących do zasilania sieci elektrycznej w okresach największego zapotrzebowania i wykorzystanie nadwyżki produkowanej elektryczności do odsalania wody w okresach, gdy zapotrzebowanie na elektryczność spada. Takie projekty rozwijane są w Indiach, Chinach, Rosji, Pakistanie, Tunezji, Maroku, Egipcie, Algierii, Iranie, Korei Południowej, Indonezji i Argentynie.

Neutrony są cząstkami, które cieszą się wielkim zainteresowaniem naukowców. Mogą nie mieć ładunku, ale działają jak małe magnesy: mówimy, że mają moment magnetyczny. Wolne neutrony rozpadają się na proton, elektron i antyneutrino z okresem połowicznego zaniku 10,25 minut, więc neutrony wytwarzane w Słońcu nie mają szans na dotarcie do naszej planety. Choć podobno nie mają ładunku elektrycznego, fizycy wciąż go szukają. Znalezienie choćby najdrobniejszego byłoby sensacją, wiadomością na pierwsze strony gazet. Jak dotąd udowodniono, że ładunek taki, jeżeli istnieje, musi być mniejszy niż 10-21 ładunku elementarnego! Wiemy jednak, że w neutronie znajdują się ładunki dodatnie i ujemne, i zastanawia, czy tworzą tak zwany dipol elektryczny z ładunkami dodatnimi i ujemnymi oddzielonymi niewielką odległością. Do tej pory wykazano eksperymentalnie, że taki rozdział musi być mniejszy niż 10-26 cm, co świadczy o dokładności obecnych eksperymentów.

Do prowadzenia takich badań potrzeba wielu neutronów. Stąd przydatność reaktorów jądrowych, które są gigantycznymi fabrykami neutronów. Reaktory zaprojektowane specjalnie do produkcji neutronów na potrzeby eksperymentów naukowych są nazywane reaktorami badawczymi. Istnieje wiele zastosowań reaktorów badawczych w nauce, medycynie i technologii.

TRIGA Reaktor badawczy w AERE, w Bangladeszu (Zdjęcie: IAEA).

Najpopularniejszymi źródłami neutronów do badań są reaktory działające w stanie ustalonym, które wytwarzają neutrony w sposób ciągły. W większości z nich rdzeń reaktora jest zanurzony w basenie wodnym. Woda stanowi część układu chłodzenia, działa jako osłona biologiczna i jest również częścią moderatora neutronów. We wszystkich elektrowniach działają reaktory w stanie ustalonym.

Istnieją również impulsowe źródła neutronów, które wytwarzają okresowe impulsy neutronów. Niektóre z nich stosują reakcję spallacji zamiast rozszczepienia.

Proces, który obecnie wymaga wielkich umiejętności, odbywał się spontanicznie w przyrodzie około dwóch miliardów lat temu. W czerwcu 1972 w kopalni uranu Oklo w Gabonie w Afryce Zachodniej dokonano sensacyjnego odkrycia. Zbadano, że zawartość 235U w miejscowej rudzie uranu była znacznie mniejsza od powszechnie znanej 0,72%. Jak to możliwe?

Ponieważ 235U ma krótszy okres połowicznego zaniku niż 238U, 2 miliardy lat temu względna zawartość 235U w uranie musiała pozostawać na poziomie 3-4% zamiast typowego 0,72%. Takie wzbogacenie uranu w izotop 235U jest dość typowe dla obecnych reaktorów. Zatem warunki hydrogeologiczne (woda jest dobrym moderatorem neutronów i może służyć jako reflektor!) wokół wzbogaconej rudy uranu sprzyjały ciągłej reakcji łańcuchowej, która rzeczywiście nastąpiła. Ruda stawała się coraz uboższa i uboższa w 235U aż do poziomu odkrytego w 1972, a stało się to w wyniku działania naturalnego reaktora rozszczepieniowego.

Szacuje się, że te naturalne reaktory (do tej pory odkryto w Oklo 17 reaktorów kopalnych) działały przez około 1 miliona lat. Badania wykazały, że w reaktorach w Oklo został wyprodukowany 239Pu, który (przez rozpad alfa) przekształcił się w 235U. Zatem w Oklo działały naturalne reaktory powielające! Oklo był darem dla ludzkości, ponieważ badania nad tym, jak pochodzące stamtąd długożyciowe fragmenty rozszczepienia dyfundowały przez ziemię, pozwalają oszacować efektywność obecnie budowanych podziemnych składowisk odpadów nuklearnych.