5- Energia Jądrowa
advertisement
Energia jądrowa. Za pewnie zastanawialiście się kiedyś, skąd nasze słońce bierze tak olbrzymią ilość energii. Ta energia jest czerpana od wielu lat i starczy jej jeszcze na 2 miliardy lub więcej lat. Ten sam rodzaj energii jest źródłem „widzenia” przez nas wielu gwiazd. Jest to energia syntezy (łączenia się) lekkich pierwiastków. Fizyk by ją nazwał energią termonuklearną. Jeżeli weźmiecie np. jądro helu, które składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów i policzycie bardzo dokładnie jego masę a tą, porównacie z masą nukleonów (składniki jądra) oddzielnie, to okaże się, że jądro helu „waży” mniej niż jego składniki. Jest to tzw. deficyt mas i energia z niego obliczona „idzie” na wiązanie jądra helu. Ta wielkość podzielona przez ilość nukleonów jądrze (tym razem przez 4) daje nam energię wiązania przypadającego na jeden nukleon. Dla całego układu Mendelejewa wartość ta nie jest stała i jest najmniejsza gdzieś przy masie atomowej równej około 70. Przedstawia to poniższy rysunek. Rys. 15. Jest korzystnie energetycznie „związać” dwa lekkie pierwiastki lub „rozszczepić” mówimy „zanalizować” ciężkie, bo w obydwu wypadkach energia się wydzieli. Hel najpierw został wykryty na słońcu a później na ziemi. Jest on zapewne jednym z końcowych etapów reakcji syntezy protonów. Jest rzeczą ciekawą, że kontrolować reakcję syntezy umie tylko natura, a nie umie tego człowiek i odwrotnie natura nigdzie nie kontroluje reakcji analizy. Feynman powiedziałby, „O ile nam jest wiadomo”. Co powoduje, że reakcja syntezy jest kontrolowana? Wszyscy przyjmują, że olbrzymia grawitacja słońca czy gwiazd kontroluje tą reakcje. Wysoka temperatura jest tu prawdopodobnie czynnikiem najważniejszym. Dwa protony czy jakiekolwiek inne jądra atomowe lekkie, aby zaszła reakcja syntezy trzeba zbliżyć na taką odległość, aby zaczęły działać siły jądrowe. Są to siły krótkiego zasięgu. Trzeba pokonać wtedy siły Coulomba bardzo duże na granicy jąder atomowych. Siły Coulomba są o około 106 rzędu większe niż siły grawitacji, pomimo, że rządzą tymi siłami podobne prawa. Prawo Coulomba w zastosowaniu do ładunków elektrycznych może być przedstawione. F=K Q1Q2 r2 Gdzie: K – dopasowywuje jednostki, aby siła była w Newtonach (N) Q1 i Q2 – są to ładunki jądrowe, (1.6 x 10-19 Coulomba w tym wypadku). r – odległość od środka ładunków (w tym wypadku granica jąder atomowych 10-15 m) Te siły wzajemnego odpychania można przezwyciężyć poprzez temperaturę kinetyczną rzędu 10 milionów Kelwinów i więcej. Jest rzeczą ciekawą, że tak ładunki jak i masy magnetyczne albo się przyciągają (różnoimienne) albo się odpychają (równoimienne) a zaś masy zawsze się przyciągają. „O ile nam jest wiadomo”- powiedziałby Feynman. Nie będę więcej zajmował się zjawiskiem syntezy jądrowej, dodam tylko, że człowiek potrafi w sposób nie kontrolowany wyzwolić olbrzymią ilość energii w postaci tzw. bomby wodorowej gdzie „zapalnikiem” do syntezy jądrowej wodoru jest bomba uranowa czy też plutonowa. Uran a więc ciężki pierwiastek rozszczepiono jeszcze przed wojną (przed rokiem 1939) w warunkach laboratoryjnych. Użyto wtedy w tym celu źródła neutronów, za co Fermi w 1938 roku dostał nagrodę Nobla. Pierwszeństwo w tym osiągnięciu należy się jednakże Niemcom, Hahnowi i Strassmannowi, którzy już w 1939 roku rozbili Uran i zidentyfikowali jeden z możliwych produktów rozpadu izotop Baru (Z = 56). Hitler jeszcze przed wojną zabronił swoim uczonym występować i kandydować do nagrody Nobla. Dzień później O. Fresch i L. Meitner poprawnie zinterpretowali to doświadczenie. Później była wojna światowa i nagród nie przyznano. Prezydent Amerykański, za osobistym listem Einsteina zgodził się i uruchomił specjalny projekt, w którym zatrudnił prawie wszystkich największych fizyków. Fizycy zrobili bombę atomową. Kierownictwo tego trzymanego w ścisłej tajemnicy projektu, należało do ludzi nie związanych z nauką. W latach 1945 bomba ta i zaraz po niej bomba plutonowa przyczyniły się do zakończenia wojny światowej. Bomby zostały zrzucone na dwa miasta Japońskie Hiroszimę i Nagasaki. Jeszcze raz pokazano, że olbrzymie pieniądze mogą zdziałać wiele. Szkoda, że ta straszna broń dostała się w ręce nie fizyków. Na poniższym rysunku pokazane są procentowe udziały produktów rozpadu Uranu 235 U92 przy pochłanianiu neutronów termicznych, tzn. neutronów spowolnionych. Często dla uproszczenia piszemy po prostu 235U, wiedząc, że jądro Uranu ma w sobie 92 protony, Rys. 16. Pomiędzy USA, Francją, Anglią i Rosją w 1951 i 1953 roku odbyła się wymiana doświadczeń. Wtedy to rzesze fizyków jądrowych dowiedziały się, że w czasie rozpadu Uranu produkowane są około trzy „szybkie” neutrony i że przekrój czynny na reakcję rozpadu pierwiastków ciężkich jest większy dla neutronów uprzednio „spowolnionych” niż tychże neutronów „natychmiastowych”. W tym problem, że w Uranie naturalnym, tych izotopów tzn. U235 czy U233, które mają wysoki przekrój czynny na neutrony spowolnione, jest bardzo mało. W tym wypadku trzeba najpierw spowolnić neutrony. Jako spowalniacza a my mówimy moderatora używa się ciężką wodę D2O, grafit lub nawet zwykłą wodę H2O. Przekrój czynny na daną reakcję jest to prawdopodobieństwo, że dany (neutron) „pocisk” trafi w „tarczę” (jądro Uranowe) mierzony w barn-ach to jest w jednostkach kwadratowych długości. 1 barn = 102 fm2 = 10-28 m2 (σ) Średnio w czasie jednego rozpadu wydziela się, około 200 MeV energii i dlatego znalazło to zastosowanie do wytwarzania energii w reaktorach jądrowych. Z trzech (średnio) neutronów swobodnych wytworzonych w czasie procesu analizy ciężkich jąder, około dwa „zbiera” się, aby nie dopuścić do reakcji łańcuchowej takiej jak w bombie atomowej czy plutonowej (zobacz następny rysunek). Rys. 17. „Zabiera” się te nadmiarowe neutrony poprzez izotop Kadmu mający duży przekrój czynny na reakcję (n,γ) (pochłanianie neutronów i produkcję kwantów γ). Samoistna reakcja rozszczepienia pierwiastków ciężkich łączy się z tak zwaną masą lub jeszcze lepiej z objętością „krytyczną” danego ciężkiego pierwiastka. Objętość krytyczna jest to prawdopodobieństwo, że neutron zostanie „schwytany” w danej masie a właściwie w danej objętości materiału rozszczepianego. Obliczanie tego prawdopodobieństwa jest bardzo skomplikowane i należy brać pod uwagę takie parametry jak: stosunek izotopów U235 i U233 do U238, „zatrucie” reaktora produktami reakcji, reflektory neutronów, rodzaj moderatora i wiele innych parametrów, bądź stałych bądź też ciągle się zmieniających. Nie będę tutaj przytaczał tych rachunków, bo nie są one istotne dla celu, jaki sobie wyznaczyłem to jest zrozumienia zagadnienia, jakim jest energetyka jądrowa. Dla U235 masa krytyczna wynosi około 40 kg a dla Plutonu jest jeszcze mniejsza. Skąd bierze się pierwszy neutron? Jest to na ogół neutron szybki i bierze się on z „powietrza”. Również U238 ulega rozbiciu, ale ten izotop Uranu potrzebuje neutrony szybkie o energii powyżej 1MeV i nie potrzebuje on moderatora. Wtedy może nastąpić też następująca reakcja: 238 U92 + 1n0 = 239U92 = 239Nu93 + 48 min ut = 239 Nu93 + 4.7 dnia = 239Pu94 U238 plus neutron szybki przechodzi w cięższy izotop Uranu. Izotop ten rozpada się na cząstkę -β i z czasem 48 minut przechodzi w izotop Neptunu a ten zaś z czasem 4,7 dnia, na cząstkę radioaktywną – β przechodzi w izotop Plutonu. Te dwa ostatnie pierwiastki nie występują w przyrodzie i nazywamy je transuranowymi. Izotop Plutonu może służyć jako materiał rozszczepialny i ma własności podobne do U235. Reakcję powyższą stosujemy często w reaktorach energetycznych są to tzw. „reaktory powielające”. W celu podtrzymania reakcji w reaktorach jądrowych potrzeba, aby przynajmniej jeden z około trzech neutronów powodował kolejne rozszczepienie. Jeżeli reaktor jądrowy ma być praktycznym źródłem energii, musi być zapewniona jego opłacalność oraz musi on być bezpiecznym. Uran naturalny zawiera tylko 0,75% izotopu, 235U, który „idzie” na neutrony termiczne. Trzeba zadecydować czy wzbogacić Uran w paliwo rozszczepialne czy też użytkować 239Pu? Konstruktor reaktora dysponuje ogromną ilością parametrów, które trzeba dopasować, aby otrzymać warunki najbardziej optymalne. Do celów naukowych na ogół używa się reaktorów pracujących na uranie wzbogaconym w izotop U235 i jako moderatora używa się zwykłej wody. Do celów energetycznych używa się na ogół reaktorów powielających. Zagadnienie reaktorów jest bardzo skomplikowaną sprawą i budowa ich to oddzielny temat, którego nie będę poruszał. Dodam tylko, że są dzisiaj reaktory bardzo bezpieczne i mogą „przejściowo” służyć jako źródło energii. Każdy z nas wie, że energii tej dzisiaj tak potrzebujemy. Dotychczas człowiek korzystał z energii wyzwalanej w reakcjach chemicznych, głównie w procesie spalania, oraz z energii wodnej. Ze względu na wyczerpywanie się źródeł tradycyjnego paliwa i stale wzrastające zapotrzebowanie współczesnego, uprzemysłowionego społeczeństwa, opracowanie nowych metod otrzymywania energii stało się sprawą pierwszorzędnej wagi. Na podstawie obecnego wzrostu zużycia energii szacuje się, że około 50% energii powinno pochodzić z tzw. źródeł „niekonwencjonalnych”, czyli obecnie z reaktorów rozszczepiających. Mówię przejściowo, bo uważam, że w przyszłości człowiek będzie wykorzystywał energię syntezy lekkich pierwiastków jak na przykład wodoru z wody, której jest przecież bardzo dużo. Produkty syntezy są stosunkowo mało radioaktywne w porównaniu do produktów otrzymanych z reaktorów jądrowych. Trzeba tylko umieć zbliżyć protony tak, aby przezwyciężyć siły wzajemnego odpychania się i aby zaczęły działać siły jądrowe. Ciągle jeszcze w laboratoriach, siły wzajemnego odpychania są dużo większe od tych sił przyciągania (tworzonych poprzez temperaturę), które przybliżają protony i bilans energetyczny jest nie korzystny. Nie potrafimy jeszcze utrzymać gorącej plazmy tzn. zjonizowanych cząsteczek w dostatecznie długim czasie i reaktory syntezy jeszcze nie istnieją. Za rozwiązanie syntezy na słońcu i w gwiazdach Bethe dostał nagrodę Nobla w 1967 roku.
