Zad. 5 W czasie II wojny światowej skonstruowano bombę atomową, którą później użyto. W jaki sposób dzisiaj wykorzystuje się energię atomową?

Energia atomowa nazywana jest również energią jądrową. Energia ta jest uzyskiwana z rozszczepienia bardzo ciężkich jąder (uran, pluton, tor) lub z syntezy lekkich pierwiastków (hel, lit). W obu przypadkach uwalniana jest energia wiązania jądrowego, która ma największą wartość dla jąder o średnich masach (np. przy rozszczepieniu 1 g uranu uzyskuje się tyle energii, co przy spaleniu ponad 2 t węgla). Energię jądrową można uzyskiwać w sposób kontrolowany (dotychczas tylko energia z rozszczepienia - w reaktorach jądrowych) lub niekontrolowany (broń jądrowa, zarówno rozszczepiona, jak i termojądrowa). Prace umożliwiające wyzwolenie energii jądrowej zapoczątkował w 1934r. E. Fermi doświadczeniami nad bombardowaniem uranu spowolnionymi neutronami. 2. grudnia 1942r. przeprowadził pierwszą kontrolowaną reakcję jądrową.

Od czasu wynalezienia bomby atomowej w 1945 r. eksperci pokładają wielkie nadzieje w wykorzystaniu energii jądrowej do wytwarzania energii. Dotychczas energia elektryczna z elektrowni jądrowych pozwoliła zaoszczędzić miliardy ton węgla kamiennego i brunatnego, a także biliardy  m³ gazu ziemnego. O szkodliwościach emisji rozprzestrzeniających się  z elektrowni węglowych wie każdy, toteż łatwo sobie wyobrazić, w jakim stopniu, dzięki elektrowniom jądrowym, zostało zmniejszone zanieczyszczenie środowiska. Np. elektrownia w Strathclyde wyposażona jest w reaktor grafitowy i jego unowocześnioną odmianę, w obu chłodziwem jest CO₂, w reaktorze Magnox wymiennik ciepła i wytwornica pary znajdują się na zewnątrz komory, a chłodziwo jest doprowadzane do nich systemem rur.

Większość nowoczesnych reaktorów to reaktory termiczne, czyli wykorzystujące neutrony termiczne do rozszczepiania jąder atomów paliwa jądrowego. W reaktorach tych trzeba stosować moderatory. Obecnie stosuje się trzy ich rodzaje: grafit, wodę oraz wodę ciężką. Te ostatnie charakteryzują się najmniejszymi stratami neutronów. Niekiedy stosuje się paliwo jądrowe w postaci uranu metalicznego w specjalnych koszulkach ze stopu magnezowego. Jednak zwykle paliwem jest granulowany tlenek uranu zamknięty w długich metalowych rurach – prętach paliwowych. Obecnie wszystkie pracujące reaktory wykorzystują do produkcji energii zjawisko rozszczepiania jąder ciężkich atomów. Lecz istnieje inny sposób otrzymywania jeszcze większej energii, jest nim synteza jądrowa. Polega ona na łączeniu się dwóch jąder lekkich atomów w jedno jądro atomu cięższego oraz wolną cząstkę elementarną. Energia wydziela się wskutek różnicy mas pomiędzy substratami i produktami reakcji. W laboratoriach pracuje się nad kontrolowaną reakcją termojądrową, stosując szereg pomysłowych technologii. Reakcja syntezy zachodzi, jednak wciąż wydatkuje się więcej energii dla jej przeprowadzenia, niż uzyskuje się w jej wyniku. Dlatego elektrownie termojądrowe pojawią się prawdopodobnie nieprędko.

Energia jądrowa jest wyzwalana w reaktorze jądrowym, głównie w postaci ciepła i wykorzystywana albo bezpośrednio do ogrzewania albo przetwarzana na energię mechaniczną lub elektryczną, jak np. na statkach i okrętach z napędem jądrowym. Jednym z takich statków jest lotniskowiec USS Nimitz o napędzie atomowym, gdzie paliwo w reaktorze wymienia się co 13 lat. Energią jądrową jest napędzana sonda Galileo wystrzelona w 1989 roku celem zbadania Jowisza, a dokładniej atmosfery jego satelitów oraz magnetosfery planety.

Jedynie kilka izotopów pierwiastków można wykorzystać jako paliwo jądrowe. Jądro musi być duże i ciężkie. Istnieją także zakłady przetwarzania wypalonego paliwa jądrowego. W Europie znajdują się dwa z największych na świecie zakładów przeróbki paliwa - w Sellafield (Wielka Brytania) i La Hague (Francja). Przyjmują one wypalone paliwo od wielu krajów europejskich, USA, Japonii. Uszkodzenie któregoś z wyżej wymienionych zakładów w czasie aktu sabotażu wewnętrznego lub poprzez upadek samolotu może doprowadzić do uwolnienia znacznych ilości materiałów radioaktywnych. Stany Zjednoczone i Rosja dysponują własnymi zakładami przerobu paliwa.

Innym wykorzystaniem reakcji jądrowych jest utrwalanie żywności. Metoda ta polega na poddaniu żywności oddziaływaniu silnego strumienia kwantów promieniowania , zwykle pochodzących z rozpadu promieniotwórczego kobaltu ⁶⁰Co. Silny strumień promieniowania unieszkodliwia drobnoustroje chorobotwórcze, mogące być przyczyną zatruć pokarmowych. Napromieniowanie silnym strumieniem promieniowania  zapobiega również niekorzystnym, z punktu widzenia przydatności do konsumpcji zmianom, jakie zachodzą w żywności od chwili jej wyprodukowania. Wyniki badań prowadzonych od wielu dziesiątków lat świadczą o tym, że żywność utrwala radiacyjnie nie jest promieniotwórcza, nie jest toksyczna ani rakotwórcza, a więc można ją bezpiecznie spożywać. Napromieniowanie żywności nie zmienia też wartości odżywczej jej składników. Obecnie wiele krajów posiada tego typu urządzenia, pozwalające utrwalać radiacyjnie żywność na skalę przemysłową. Wśród tych państw jest również Polska, która posiada stację utrwalania żywności we Włochach k/Warszawy. Napromieniowanie na pewno nie zastąpi innych metod utrwalania żywności. Może jednak odegrać niesłychanie ważną rolę w gospodarce żywnościowej świata, a w szczególności poprzez zmniejszenie strat żywności może przyczynić się do likwidacji głodu w krajach Trzeciego Świata.

W wyniku reakcji jądrowych otrzymuje się izotopy, mające liczne zastosowania: głównie w technice, medycynie, biologii, fizyce. Są wykorzystywane m. in. do zwalczania nowotworów, wykrywania wad materiałów, pomiarów grubości. Jako wskaźniki izotopowe wykorzystywane są w biologii do śledzenia przemian materii, w geofizyce do badania wędrówki wody w przyrodzie. Izotopowe datowanie pozwala natomiast, określić wiek szczątków organizmów żywych, materiałów, np. znalezisk archeologicznych. Dobrze by było, by wykorzystywanie energii jądrowej sprzyjało rozwojowi badań naukowych służących człowiekowi, poznawaniu jego przeszłości i budowaniu lepszej przyszłości.

Czy należy bać się elektrowni jądrowych?

Duża elektrownia węglowa spala w ciągu doby kilkadziesiąt tysięcy ton węgla. Powoduje to wytworzenie olbrzymiej ilości popiołu, a także dziesiątków tysięcy ton tlenków: węgla, siarki, azotu i dużej ilości pyłów. Natomiast duża elektrownia jądrowa nie wysyła do atmosfery żadnych szkodliwych gazów, a ilość wytworzonych w ciągu doby odpadów zmieściłaby się w niedużym samochodzie. Problemem jest jednak system bezpieczeństwa elektrowni. Musi być ona zbudowana na terenie, na którym nie występują klęski żywiołowe. Konieczne jest zastosowanie licznych, wzajemnie się zastępujących i uzupełniających systemów bezpieczeństwa. Wadą elektrowni jądrowej jest zagrożenie, jakie stanowi ona w przypadku katastrofy czy np. wojny, konieczność składowania promieniotwórczych odpadów (izotopów) oraz olbrzymie koszty likwidacji obiektu (wiele prac ze względu na wysoki poziom radioaktywności musi być wykonywanych przez bardzo drogie, zdalnie sterowane roboty, a zdementowane elementy stanowią silnie radioaktywne odpady). W elektrowniach jądrowych również zdarzają się awarie. Zazwyczaj nie mają wpływu na pracę elektrowni i bezpieczeństwo ludzi, ale awaria elektrowni w Czarnobylu w kwietniu 1986 roku miała skutki tragiczne. Reaktory tej elektrowni zbudowano nieco inaczej. Były to tzw. reaktory wielkiej mocy, w których do spowolnienia neutronów używano nie wody (jak już wcześniej wspomniałem) lecz skuteczniejszego grafitu. Przegrzanie prętów paliwowych spowodowało zapalenie się tysięcy ton grafitu. Pożar trwał 10 dni, zniszczył część paliwa jądrowego oraz produktów jego rozpadu i uniósł je wraz z gazami spalinowymi na olbrzymią wysokość, skąd stopniowo opadały na Ziemię, powodując skażenie. Takich reaktorów nie buduje się już od wielu lat. W reaktorach, w których spowalniaczem jest woda, niebezpieczeństwo pożaru nie istnieje, a ubytek wody z rdzenia powoduje samoczynne hamowanie procesu rozszczepiania. Jak można się domyślić elektrownie te mają dobre i złe strony. Jednak, jeśli będzie się je budowało z „umysłem” i pełnym zapasem bezpieczeństwo, to nie będzie wtedy żadnego zagrożenia dla naszej populacji.

Prace na ten temat wykonano w formie prezentacji multimedialnych. Można je pobrać pod następującym adresem:

Anna Nadolińska