Energia wiązania deuteru

1.Odkrycie promieniotwórczości sięga przełomu XIX i XX w. Z jednej strony dało ono
człowiekowi możliwości pozytywnego wykorzystania tego zjawiska ale z drugiej strony
obarczyło ludzkość odpowiedzialnością za właściwe jej wykorzystanie. Szczególnym
rodzajem promieniowania jest promieniowanie jonizujące, wywołuje ono w obojętnych
atomach i cząsteczkach materii zmiany w ładunkach elektrycznych czyli jonizację.
Promieniowanie jonizujące może mieć postać promieniowania korpuskularnego (cząstki a, b,
neutrony) albo elektromagnetycznego (promieniowanie X, gamma). Promieniowanie
jonizujące nie oddziałuje na nasze zmysły. Promieniowaniem jonizującym może być
praktycznie każdy typ promieniowania, jeśli tylko ma odpowiednią energię. Może to być
zarówno promieniowanie elektromagnetyczne (np. rentgenowskie), jak i promieniowanie
korpuskularne (np. promieniowanie alfa).
Przykładowy proces jonizacji
W przypadku promieniowania elektromagnetycznego mamy do czynienia ze strumieniem
fotonów. Każdy taki foton może przekazać atomowi swoją energię. Energia ta tak naprawdę
jest przekazywana jednemu z elektronów atomu i jeśli będzie większa od energii wiązania
elektronu, to elektron uwolni się z atomu, wskutek czego atom przerodzi się w jon. Spośród
rodzajów promieniowania elektromagnetycznego promieniowaniem jonizującym może być
promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Aby się ochronić przed wpływem
takiego promieniowania należy stosować grube tarcze ołowiane, ponieważ promieniowanie to
charakteryzuje się bardzo dużą przenikliwością i bez problemu przechodzi przez nasze ciało.
Spośród promieniowania tzw. korpuskularnego najbardziej znane jest promieniowanie alfa i
beta. W przypadku promieniowania alfa mamy do czynienia ze strumieniem ciężkich cząstek
alfa, czyli jąder helu. Charakteryzuje się ono bardzo niską przenikliwością i już zwykła kartka
papieru może je powstrzymać. Natomiast w przypadku promieniowania beta mamy do
czynienia ze strumieniem elektronów. Promieniowanie to charakteryzuje się trochę większą
przenikalnością niż w przypadku promieniowania alfa, ale nadal jest ona na tyle mała, że
może wniknąć tylko na 1 - 2 cm w głąb naszego ciała. Promieniowanie to można zatrzymać
kilkumilimetrową tarczą aluminiową. Promieniowanie korpuskularne to praktycznie każdy
strumień cząstek. Na uwagę jeszcze zasługuje promieniowanie neutronowe, które jak sama
nazwa wskazuje jest strumieniem neutronów - cząstek neutralnych. Jest emitowane przez
reaktory jądrowe, a do ochrony przed nim stosuje się wodę, tarcze ołowiane, lub ciężki beton.
Od momentu kiedy człowiek zdał sobie sprawę z tego, czym naprawdę jest promieniowanie,
nieustannie się mów o jego szkodliwości na zdrowie człowieka. Powstają zastępy ekologów,
którzy walczą z każdą próbą wybudowania elektrowni jądrowej, czy innego urządzenia
wykorzystującego i emitującego promieniowanie. W ogólnej świadomości istnieje tylko obraz
promieniowania szkodliwego, takie jakie jest emitowane w przypadku wybuchu bomby
atomowej, lub awarii elektrownii jądrowej.
W przypadku bomby atomowej wydzielane są ogromne ilości energii powstającej na skutek
rozszczepienia ciężkich jąder ( np. uranu neptunu, czy plutonu). W czasie wybuchu powstaje
potężna fala uderzeniowa, która niesie ze sobą ogromne zniszczenia. Niesie ze sobą także
olbrzymie ilości promieniowania jonizującego i materiału promieniotwórczego, co prowadzi
do wieloletniego skażenia terenu. Niektóre kraje od czasu do czasu przeprowadzają tzw.
próby jądrowe w czasie których testują bomby atomowe. Po wybuchu teren na którym
odbywały się takie próby, całkowicie nie nadaje się do użytkowania. Cała fauna i flora żyjąca
na nim dotychczas praktycznie w całości wymiera. Źródłem zniszczeń mogą być także awarie
elektrowni jądrowych, jak to miało w przypadku elektrowni jądrowej w Czernobylu na
Ukrainie, gdzie w 1986 roku doszło do wybuchu reaktora jądrowego. Do atmosfery wówczas
zostały uwolnione olbrzymie ilości szkodliwych pierwiastków promieniotwórczych w wyniku
czego skażeniu uległa oprócz samej Ukrainy, także Białoruś, Polska, a także inne kraje
Europy. Doprowadziło to do powstania wielu chorób u ludności. Oddziaływanie
promieniowania jonizującego na organizmy żywe jest ściśle związane z jego bezpośrednim
wpływem na komórki. W przypadku gdy promieniowanie jonizujące będzie oddziaływać na
komórki zawierające materiał genetyczny, może dojść do fatalnych skutków. Najbardziej
narażone na działanie promieniowania są komórki szybko rozmnażające się, ponieważ jeśli
jedna komórka zostanie poważnie uszkodzona to komórki powstałe z niej także mogą
narodzić się jako uszkodzone. Na szczęście komórki posiadają zdolność regeneracji, dzięki
czemu zanim powstaną nowe komórki z komórki uszkodzonej ona sama może się naprawić.
Tak więc w przypadku kontaktu promieniowania jonizującego z materiałem komórkowym
mamy do czynienia z następującymi skutkami i efektami:
- może dojść do całkowitego zniszczenia komórki, wskutek którego nie będzie ona mogła
spełniać już swoich dotychczasowych funkcji
- komórka można stracić swoje zdolności do reprodukcji, jednak ona sama nadal będzie
działać
- zostanie uszkodzony materiał genetyczny znajdujący się w komórce
2.Energia wiązania jądra atomowego to różnica mas, tj. masa nukleonów tworzących jądro,
wziętych każdy z osobna, i masy jądra, pomnożona przez c^2, gdzie c=3*10^8 m/s jest
prędkością światła w próżni.
Wykres energii wiązania na nukleon od liczby nukleonów w jądrze, czyli od tzw. liczby
masowej A, jest krzywą która szybko narasta dla małych wartości A i stopniowo opada dla
dużych A. Reakcja jądrowa przeprowadzane tak, aby uzyskać wyraźny wzrost energii
wiązania, mogą być obfitym źródłem energii jądrowej. Takie są reakcje syntezy lekkich jąder
(np. synteza helu), i reakcje rozpadu ciężkich jąder (np. rozpad uranu). Te ostatnie reakcje
produkują jednak różnego rodzaju jądra niestabilne, których dalszy rozpad jest szkodliwy dla
otoczenia.
Energia wiązania deuteru
Jądro deuter zbudowane jest z jednego protonu i jednego neutronu. Ich oddzielne masy to:
m {proton} = 1.007276 u
m {neutron}= 1.008665 u
m {proton} + m_{neutron} = 1.007276 + 1.008665 = 2.015941 u
gdzie u jest masą atomową (u=931.4943 MeV c^{-2}=1.6605 10^{-27} kg) Masa jądra
deuteru jest:
m d = 2.013553 u
Różnica mas wynosi = 2.015941 - 2.013553 = .002388 u, tak więc energia wiązania deuteru
wynosi
Delta E = 0.002388*931.494 MeV/u = 2.224 MeV .
4. Reakcje syntezy jądrowej
Reakcja syntezy jądrowej jest to reakcja jądrowa, w której dwa lekkie jądra łączą się w jedno
cięższe. Reakcji towarzyszy uwolnienie dużej ilości energii. Jest ona źródłem energii Słońca i
innych gwiazd. Istnieje nadzieja, że reakcja syntezy jądrowej stanie się kontrolowanym
źródłem energii na Ziemi. Przykładem jest synteza izotopu wodoru zwanego deuterem. W
odpowiednich warunkach dwa jądra deuteru mogą połączyć się tworząc jądro cięższego
pierwiastka helu. Towarzyszy temu wydzielenie energii. Reakcja syntezy może zajść tylko w
bardzo wysokiej temperaturze i dlatego nazywa się ją reakcją termojądrową. W niektórych
reakcjach syntezy jąder ciężkich izotopów wodoru uwalniane są neutrony o wysokiej energii,
które mogą powodować rozszczepienie uranu lub plutonu. Wynika stąd, że przeprowadzenie
reakcji syntezy w obecności materiału rozszczepialnego pozwala na znacznie lepsze
wykorzystanie tego ostatniego dla wyzwolenia energii, a wybuchy które są wynikiem
przebiegu reakcji rozszczepienia i syntezy mają ogromną moc.
Od II wojny światowej trwają badania nad wykorzystaniem syntezy jądrowej na Ziemi.
Niestety, aby doszło do zapoczątkowania takiej reakcji potrzebna jest ogromna temperatura.
A więc aby uzyskać energię należy najpierw ją dostarczyć. Nie jest to większym kłopotem,
gdy nie musimy kontrolować reakcji - powstały bomby wykorzystujące syntezę jądrową
(bomby wodorowe), jednak do tej pory nie udało się skonstruować elektrowni
wytwarzających prąd elektryczny w oparciu o tą reakcję. Prace wciąż trwają.
5. Energetyka jądrowa jest zespołem zagadnień związanych z uzyskiwaniem na
przemysłową skalę energii, jaka powstaje z rozszczepienia tzw. ciężkich jąder niektórych
pierwiastków . Ten rodzaj energii jest pozyskiwany w reaktorach elektrowni jądrowych,
okrętów ze specjalnie przystosowanym napędem oraz w izotopowych zasilaczach itp.
Problem energetyki jądrowej zawiera także kwestie związane z eksploatacją złóż uranu,
przetwarzaniem paliwa jądrowego a także składowaniem odpadów radioaktywnych.
Elektrownie jądrowe są alternatywą dla tradycyjnych elektrowni. W tym typie elektrowni
energię uzyskuje się z procesów rozszczepiania jąder atomów zamiast ze spalania kopalnych
paliw. Zamiast wielkich kotłów korzysta się z reaktorów jądrowych, czyli urządzeń, w
których wytwarza się energię jądrową. W reaktorach ma miejsce reakcja łańcuchowa, która
jest kontrolowana co oznacza, że rozszczepia się tyle jąder, ile jest potrzebnych do
wytworzenia odpowiedniej ilości energii elektrycznej. Obecnie udział elektrowni jądrowych
w światowej produkcji energii elektrycznej przekracza 20%.
Mieszkanie w pobliżu elektrowni jądrowej powoduje u ludzi zwiększenie narażenia na
niekorzystne oddziaływanie promieniowania w stosunku do ludzi mieszkających w
bezpiecznych odległościach. Jednak nie jest to aż tak silne promieniowanie jak mogłoby się
wydawać. Dawki zazwyczaj nie przekraczają zaledwie kilku procent tła promieniowania
występującego w naturze. O ile reaktory pracują bez zakłóceń ani awarii, to są one niemal
całkowicie bezpieczne. Jeśli jednak pojawiają się jakieś komplikacje, to ludzie, którzy
mieszkają blisko elektrowni, mogą zostać narażeni na szkodliwe działanie promieniowania
jonizującego.
W dzisiejszych czasach najwięcej kontrowersji wokół sprawy energetyki jądrowej wiąże się z
problemem odpadów promieniotwórczych - ich powstawania, transportowania i wreszcie
składowania. Czas odizolowania od środowiska jednej z najniebezpieczniejszych substancji
będących częścią odpadów po produkcji energii (chodzi o izotop plutonu 239) wynosi w
przybliżeniu 0,5 mln lat! Bardzo trudno jest stwierdzić czy pojemniki, w których dziś
składowane są odpady będą w stanie przetrwać tyle czasu. Duża elektrownia jądrowa mająca
moc 1 300 MW produkuje rocznie około 30 t odpadów. Ten materiał obok substancji
niebezpiecznych zawiera także pewne cenne materiały rozszczepialne, które można odzyskać.
Najlepszym znanym dziś sposobem na bezpieczne składowanie promieniotwórczych
odpadów jest umieszczenie ich w specjalnych pojemnikach i zakopanie głęboko w ziemi.
Na korzyść tej metody pozyskiwania energii przemawia fakt, że nie wiąże się ona z emisją
żadnych gazów cieplarnianych, ścieków powodujących eutrofizację wód itp.
Najważniejsze zadania jakie stoją przed przemysłem jądrowym, aby zyskać poparcie
społeczne i polityczne to: obniżenie kosztów budowy elektrowni przy jednoczesnym
zwiększaniu bezpieczeństwa, zaproponowanie możliwych do zaakceptowania społecznego
sposobów na przechowywanie i składowanie odpadów radioaktywnych, a także
udoskonalanie systemów zapobiegających rozprzestrzenianiu się broni jądrowej. Obniżenie
kosztów i zwiększenie poziomu bezpieczeństwa realizuje się głównie poprzez ciągłe
doskonalenie istniejących już procedur operacyjnych oraz technologii. Międzynarodowa
Agencja Energii Atomowej (MAEA) zapewnia, że oceniając ogólnie energetyka jądrowa
wyposażona jest w najlepsze na świecie technologiczne osiągnięcia z zakresu bezpieczeństwa.
W dzisiejszych czasach energetyka jądrowa, obok hydroenergetyki i energetyki związanej z
pozyskiwaniem energii z siły wiatru czy promieni słonecznych, jest jednym z najbardziej
zalecanych źródeł energii elektrycznej. Jej jednoznaczna ocena nie jest możliwa, ten rodzaj
energetyki budzi silne kontrowersje, ma zarówno oddanych zwolenników, jak i zagorzałych
przeciwników.