Energetyka jądrowa Wyk. Agata Niezgoda Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Wyzwalanie ogromnych energii w reakcjach rozszczepienia znalazło zastosowanie w reaktorach jądrowych oraz w bombach atomowych. Podstawowa różnica między tymi dwoma polega na tym, że w reaktorach przebieg reakcji jest kontrolowany a w bombie atomowej nie.

Pierwsze kroki Pierwszego rozszczepienia jądra uranu dokonali w 1938 roku dwaj fizycy: Otto Hahn i Fritz Strassmann. W cztery lata później na uniwersytecie w Chicago pod kierownictwem Enrico Fermiego została przeprowadzona kontrolowana reakcja rozszczepienia jąder uranu. Reakcje takie przeprowadza się w urządzeniu, które nazywa się reaktorem atomowym. Na rysunku obok widzimy pierwszy reaktor atomowy. Pierwszy reaktor uruchomiony przez Enrico Fermiego w 1942 roku (Źródło:P. Walczak, G. F. Wojewoda, Fizyka i astronomia, zakres podstawowy, podręcznik, cz. 3, wyd. OPERON, Gdynia 2007)

Reakcja rozszczepienia jąder uranu 235 U n 0 => [ 236 U 92 ]* => 141 Ba Kr n 0 + Q Rozszczepienie jądra uranu 235 powolnym neutronem

Zasada działania reaktora jądrowego Jako paliwo jądrowe w reaktorach jądrowych stosuje się czysty uran naturalny lub wzbogacony w izotop 235 U lub 239 Pu. Materiał, który ulega rozszczepieniu wykonany jest w postaci prętów, pomiędzy którymi znajduje się moderator, służący do spowalniania zbyt szybkich neutronów. Funkcję moderatora najczęściej pełni woda lub grafit. Szybkie neutrony, które wychodzą z pręta wielokrotnie zderzają się z jądrami moderatora i tracą swą energię kinetyczną. Wchodząc do następnego pręta, już spowolnione, wywołują reakcję rozszczepienia jąder uranu 235 U. W celu kontroli reakcji łańcuchowej stosuje się również pręty kontrolne wykonane z kadmu lub stali borowej, które pochłaniają neutrony. Im głębiej pręty kontrolne są wsunięte do środka tym wolniej zachodzi reakcja (rys. obok). Wnętrze reaktora atomowego skonstruowanego przez E. Fermiego w 1942 r. Źródło: P.G.Hewitt, Fizyka wokół nas, Warszawa 2000

Elektrownia jądrowa Ciepło, które wydziela się podczas reakcji rozszczepienia oddawane jest do tzw. chłodziwa, którym najczęściej jest zwykła woda, dwutlenek węgla czy hel. W wymienniku ciepła energia jest przekazywana do wody, która we wtórnym obiegu zamieniana jest w parę, która następnie jest tłoczona na turbinę, a ta dalej napędza prądnicę. Para jest skraplana, wraca do wymiennika ciepła i cykl się powtarza. Schemat elektrowni atomowej. Źródło: P. Walczak, G. F. Wojewoda, Fizyka i astronomia, zakres podstawowy, podręcznik, cz. 3, wyd. OPERON, Gdynia 2007

Zalety elektrowni jądrowych energia jaką można uzyskać z deuteru (izotop wodoru, który stanowi jego 0,01 część), istniejącego w wodzie morskiej jest większa od energii jaką można uzyskać z paliw kopalnianych, nie emituje pyłów oraz szkodliwych gazów, przez co w minimalnym stopniu degraduje środowisko, eliminuje problemy usuwania i składowania lotnych popiołów, wielokrotne zmniejszenie ilości odpadów i powierzchni ich składowania, ogranicza eksploatację paliw kopalnych, nie wymaga hałaśliwych urządzeń do nawęglania.

Wady elektrowni jądrowych kłopotliwy problem składowania i zagospodarowywania radioaktywnych odpadów, powstających z reaktora jądrowego, możliwość skażenia wód, powietrza i gleb znajdujących się w rejonie składowania odpadów, w przypadku awarii reaktora zagrożenie skażenia radioaktywnego.

Obecnie pracuje się nad konstrukcją bezpiecznych reaktorów, które nie produkują szkodliwych i niebezpiecznych odpadów. Wielu uważa, że elektrownie jądrowe są zbyt niebezpieczne powołując się na awarie elektrowni jądrowych w Czarnobylu i Three Mile Island. Ale czy pozostałe sposoby wytwarzania energii elektrycznej są pozbawione wad?

Reaktory badawcze Oprócz reaktorów, które wykorzystywane są w energetyce istnieją reaktory badawcze. Służą one do wytwarzania neutronów i promieniowania γ, a także sztucznych izotopów promieniotwórczych, które mają zastosowanie w medycynie oraz wielu gałęziach przemysłu.

Reaktor badawczy Maria w Świerku pod Warszawą W Polsce reaktor badawczy znajduje się w Świerku pod Warszawą. Reaktor ten jest reaktorem basenowym, którego rdzeń zanurzony jest w basenie wypełnionym wodą. Woda służy tu jako moderator, ośrodek chłodzący oraz osłona biologiczna.

Odsłonięty rdzeń reaktora na dnie basenu. W tej chwili reaktor jest wyłączony, następuje wymiana elementu paliwowego

Wymiana elementu elementu paliwowego

Reaktor zbiornikowy Odmianą reaktora basenowego jest reaktor zbiornikowy, w którym rdzeń jest umieszczony w zbiorniku z gazem. Ilość uzyskiwanej energii w reakcjach rozszczepienia kontroluje się tu poprzez zmianę ciśnienia w tymże zbiorniku z gazem.

Bomba atomowa - projekt Manhattan Pierwsze dwie bomby atomowe zostały wykorzystane w czasie II wojny światowej gdy Amerykanie zrzucili je na dwa japońskie miasta: Hiroszimę, 6 sierpnia 1945 roku, i 3 dni później, 9 sierpnia 1945 roku, na Nagasaki. Tą straszliwą broń skonstruowali najwybitniejsi uwcześni fizycy: Niels Bohr, Enrico Fermi i Robert Oppenheimer.

Bomba «Fat Man» (Grubas, Tłuścioch) zrzucona na Nagasaki. Źródło: mons/ thumb/c/c2/Fat_man.jpg/180px-Fat_man.jpg Bomba Little Boy (Chłopczyk) zrzucona na Hiroszimę. Źródło: humb/e/e0/Atombombe_Little_Boy_2.jpg/180px- Atombombe_Little_Boy_2.jpg

Wybuch bomby atomowej w Nagasaki 9 sierpnia 1945r. Źródło: omb.jpg/180px-Nagasakibomb.jpg

Aby zrozumieć zasadę działania bomby atomowej należy zapoznać się z pojęciem masy krytycznej. Masa krytyczna to taka ilość materiału radioaktywnego, po przekroczeniu której nastąpi niekontrolowana reakcja rozszczepienia w całej objętości (rys. poniżej). Na początku uran w bombie podzielony jest na dwie części, przy czym każda ma masę mniejszą od masy krytycznej. Następnie obie części łączy się i rozpoczyna się reakcja łańcuchowa, której efektem jest wydzielenie się ogromnej ilości energii w bardzo krótkim czasie i następuje wybuch.

Bomba termojądrowa Podczas syntezy tej samej masy deuteru i trytu energia wydzielana jest większa niż w przypadku rozszczepienia uranu. Jednak, żeby taką syntezę przeprowadzić trzeba bardzo wysokiej temperatury, temperatury, w której cząstki będą mogły pokonać odpychanie kulombowskie. Długo borykano się z tym problemem, aż w końcu rozwiązano go przeprowadzając dwa etapy wybuchu bomby. W pierwszym etapie eksplodują zapalniki będące bombami atomowymi, wydziela się bardzo duża ilość energii i przy wystarczająco wysokiej temperaturze rozpoczyna się drugi etap wybuchu, czyli synteza jąder deuteru i trytu. Po raz pierwszy bombę termojądrową zdetonowano w 1952 roku.

Reaktor termojądrowy Trwają badania nad konstrukcją reaktora termojądrowego. Jego budowa jest niestety dużo trudniejsza niż w przypadku reaktora jądrowego. Udało się zamienić materię w plazmę, ale nie ma substancji, która mogłaby wytrzymać jej wysoką temperaturę. Wymyślono, że można by ją uwięzić w polu magnetycznym, dzięki czemu nie będzie się stykać ze ściankami reaktora i będzie można zapoczątkować reakcję termojądrową. Problem pojawił się następny, w jaki sposób ją kontrolować i jak wydobyć energię powstałą w reakcji na zewnątrz z magnetycznego pierścienia? Badania nadal trwają. Na zdjęciu obok widać komorę magnetyczną do wytwarzania plazmy. Komora magnetyczna do wytwarzania plazmy Źódło:

Bibliografia  D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki, cz. 5, wyd. PWN, Warszawa 2003  P. Walczak, G. F. Wojewoda, Fizyka i astronomia, zakres podstawowy, podręcznik, cz. 3, wyd. OPERON, Gdynia 2007

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ!!