Energia nuklearna

ENERGIA JĄDROWA

Energia jądrowa to rodzaj energii pozyskiwany przez rozszczepienie jąder atomowych. Nauka zajmująca się tym zjawiskiem to energetyka jądrowa. Energię tę pozyskuje się w elektrowniach jądrowych (reaktor jądrowy), w reaktorach służących do napędu okrętów, w zasilaczach izotopowych (SNAP) itd. Energetyka jądrowa obejmuje również problemy związane z wydobyciem uranu, przeróbką paliwa jądrowego oraz składowaniem odpadów jądrowych. Pierwsze elektrownie jądrowe pojawiły się w latach pięćdziesiątych, dynamiczny rozwój tej dziedziny rozpoczął się w 2 poł. lat sześćdziesiątych, w związku z wzrostem kosztów energii uzyskiwanej ze spalania kopalin. Rozwój ten został prawie wstrzymany po katastrofie w Czarnobylu.

Na świecie zainstalowane są elektrownie jądrowe o łącznej mocy 274,5 GW, wytwarzanej przez 429 bloków energetycznych. (Dla porównania: energetyka węglowa posiada moc zainstalowaną równą 1614,1 GW, elektrownie wodne 566,8 GW, dane z końca lat osiemdziesiątych). Wielkości rocznej produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych wskazuje na większe w nich wykorzystanie zainstalowanej mocy (kolejno: jądrowe: 1560, węglowe 6350, wodne 2030 TWh). Najwięcej energii elektrycznej uzyskuje się z energetyki jądrowej w USA (rocznie 527 TWh, 108 reaktorów) i Francji (260 TWh, 55 reaktorów). Potęgami są tu również Japonia, Rosja, Ukraina i RFN. Największy procentowo udział energetyki jądrowej w produkowanej energii elektrycznej ma obecnie Litwa (ok. 80%), Francja (73%) i Belgia (65,5%). Największe kontrowersje wokół energetyki jądrowej związane są z problemem powstawania, transportu i składowania odpadów promieniotwórczych.

Rozszczepianiem jąder atomowych i przetwarzaniem ich w energię zajmują się elektrownie jądrowe.
Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcję rozszczepienia jąder atomowych. Reakcja rozszczepienia jąder atomowych ma przebieg lawinowy – jedna reakcja może zainicjować kilka następnych. W celu kontrolowania szybkości reakcji tak by przebiegała z jednakową prędkością (mówimy, że reakcja ma przebieg łańcuchowy tzn. jedno rozszczepienie inicjuje następne rozszczepienie jądra atomowego) wprowadza się do reaktora substancje pochłaniające neutrony. Substancje te umieszczone są w prętach zwanych regulacyjnymi.


Podział reaktorów ze względu na zastosowanie:

• energetyczne,
• reaktory wodne, ciśnieniowe (tzw. PWR i WWER) , w których chłodziwem i moderatorem jest zwykła woda pod ciśnieniem (na tyle wysokim by woda nie zaczęła odparowywać podczas normalnej pracy reaktora).
• wyjątkowymi reaktorami wodnymi, ciśnieniowymi są reaktory RBMK (tego typu reaktory są między innymi w Czarnobylu, nie ma natomiast takich reaktorów poza terenem byłego ZSRR, gdyż nie spełniają i nigdy nie spełniały podstawowych warunków bezpieczeństwa), chłodzone są wodą, a moderowane grafitem.
• reaktory wodne, wrzące (BWR), w których chłodziwem i moderatorem jest również zwykła woda, ale wrząca,
• reaktory ciężkowodne (PHWR, CANDU), chłodziwem i moderatorem jest ciężka woda,
• reaktory gazowe (GCR, AGR, HTGR), w których chłodziwem jest gaz (dwutlenek węgla lub hel), a moderatorem grafit,
• napędowe (głównie łodzi podwodnych i dużych okrętów wojennych),
• militarne (wytwarzające materiał rozszczepialny do broni jądrowej),
• badawcze.


Budowa reaktora:

W zdecydowanej większości elektrowni jądrowych energia rozszczepienia wzbogaconego uranu jest odbierana przez wodę, która w zależności od reaktora: odparowuje (reaktory wrzące BWR) lub nie, (jeśli jest pod wysokim ciśnieniem - reaktory ciśnieniowe PWR i WWER).

Najczęściej czynnik podgrzany w reaktorze, przekazuje ciepło wodzie w wytwornicy pary, która dzieli cały układ na obieg pierwotny i wtórny. Wytworzona w wytwornicy para napędza turbinę parową, sprzężoną z generatorem.


Paliwo:

W większości reaktorów (a we wszystkich wodnych) paliwo jądrowe stanowi wzbogacony uran. Wzbogacenie polega na zwiększeniu zawartości rozszczepialnego U-235 do około 3-5% (z około 0,7%), ale reaktory ciężkowodne (CANDU, PHWR) pracują przy naturalnym udziale izotopów.

W przyszłości planuje się wykorzystywać jako paliwo jądrowe wzbogacony tor. W wyniku rozszczepienia toru powstają jądra atomowe o mniejszej masie niż przy rozszczepieniu uranu lub plutonu i jest wśród nich więcej jąder trwałych. Niestety rozszczepienie toru wytwarza zbyt mało neutronów by uzyskać masę krytyczną, w związku z tym do reaktora takiego trzeba by wstrzeliwać neutrony pochodzące z zewnątrz. W celu uzyskania dużej ilości neutronów naukowcy pracują nad zastosowaniem zjawiska spalacji. W zjawisku tym jądra ciężkich pierwiastków np. ołowiu są bombardowane wiązką protonów o dużej energii (rzędu 1 GeV), w wyniku, czego ulegają wzbudzeniu. Jądra pozbywaja się energii wzbudzenia wyrzucając z siebie nukleony w tym i neutrony. Zjawisko spalalcji może być stosowane w celu uczynienia bezpiecznymi i przedłużenia pracy paliwa obecnych reaktorów jądrowych, a także pomóc w utylizacji radioaktywnych odpadów. Obecnie Indie opracowują reaktor typu AHWR (Advanced Heavy Water Reactor) przystosowany do \\"spalania\\" toru.


Historia:

Pierwszy reaktor zwany CP-1 (ang. Chicago Pile no.1, \\"Stos Chicago nr 1\\") zbudowany został 2 grudnia 1942 na Uniwersytecie w Chicago pod kierunkiem włoskiego uczonego Enrico Fermiego



Statystyka:

10 listopada 2004 roku było na świecie 440 reaktorów. Znamionowa moc elektryczna bloków energetycznych, w których skład wchodziły wynosiła 366,5 GW(e). Tylko 48 z tych bloków miało mniej niż 10 lat. 266 reaktorów to reaktory wodne ciśnieniowe (PWR i WWER) mogące wytworzyć 239,6 GW(e). 22 reaktory jądrowe było w budowie, z czego 12 to PWR i WWER.

Polskie reaktory:
Ewa
Maria

W Żarnowcu budowano elektrownię jądrową, lecz w 1990 budowa została przerwana.


BOMBA ATOMOWA

Broń jądrowa - rodzaj broni masowego rażenia wykorzystującej energię wydzielaną podczas łańcuchowej reakcji rozpadu izotopów uranu i plutonu (tzw. broń atomowa) albo podczas syntezy jąder izotopów wodoru (tzw. bomba wodorowa - o sile wybuchu znacznie większej niż broni atomowej). Dzięki istnieniu tej broni powstało przekonanie o możliwości pokonania przeciwnika bez użycia ogromnych armii, do zadania dużych zniszczeń na obszarze przeciwnika wystarczy samolot bombowy, pocisk artyleryjski lub rakieta przenosząca atomowe głowice bojowe.

Czynnikami rażenia broni jądrowej są:
fala uderzeniowa,
promieniowanie przenikliwe,
promieniowanie cieplne (świetlne),
skażenie promieniotwórcze,
impuls elektromagnetyczny.

Siła rażenia jest daleko większa niż w przypadku konwencjonalnego materiału wybuchowego -- największe bomby są zdolne zniszczyć całe miasta. Bomby atomowe zostały zastosowane dwukrotnie w celach wojennych przez armię Stanów Zjednoczonych przeciwko japońskim miastom Hiroszima i Nagasaki, w trakcie II wojny światowej. Od tego czasu użyto ich około 2000 razy, jedynie w ramach testów, przeprowadzanych przez siedem państw (USA, Związek Radziecki, Wielka Brytania, Francja, Chińska Republika Ludowa, Indie i Pakistan).

Mocarstwami nuklearnymi są Stany Zjednoczone, Rosja, Wielka Brytania, Francja, Chińska Republika Ludowa, Indie i Pakistan. Ponadto w posiadaniu broni atomowej najprawdopodobniej jest Izrael, którego władze nie potwierdzają ani nie zaprzeczają tym podejrzeniom. Korea Północna ogłosiła, że posiada arsenał nuklearny, jednakże nie zostało to potwierdzone. Ukraina może posiadać głowice atomowe, które w wyniku pomyłki nie zostały zabrane przez Armię Radziecką. Prace nad budową broni atomowej prowadzi Iran. Prace nad budową broni atomowej prowadziła swego czasu RPA oraz Irak.


Rodzaje broni nuklearnej

• Bomba atomowa
Bomba atomowa czerpie swoją energię z reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych (np. uranu lub plutonu) na lżejsze pod wpływem bombardowania neutronami. Rozpadające się jądra emitują kolejne neutrony, które bombardują inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową.

Nazwa bomba atomowa może być myląca, gdyż konwencjonalne chemiczne materiały wybuchowe czerpią swą energię z wiązań atomowych; ponadto inne rodzaje broni nuklearnej są nie mniej atomowe.

Zasada działania bomby atomowej polega na wytworzeniu w jak najkrótszym czasie masy nadkrytycznej ładunku jądrowego. Masę nadkrytyczną uzyskuje się poprzez połączenie kilku porcji materiału rozszczepialnego lub zapadnięcie materiału uformowanego w powłokę. Połączenie to musi odbyć się szybko by reakcja nie została przerwana już w początkowej fazie w wyniku energii powstającej podczas rozszczepiania jąder, dlatego do połączenia materiałów rozszczepialnych używa się konwencjonalnego materiału wybuchowego. Reakcja łańcuchowa wydziela ogromną ilość energii, ogromna temperatura i energia produktów rozpadu powodują rozproszenie materiału rozszczepialnego i przerwanie reakcji łańcuchowej. Jako ładunku nuklearnego używa się uranu-235 lub plutonu-239.

Z jednego kilograma U-235 można uzyskać do 82 TJ (teradżuli) energii. Typowy czas trwania reakcji łańcuchowej to 1 μs, więc moc wynosi 82 EW/kg.

• Bomba wodorowa
Zwana jest też bombą termojądrową. Zasada działania bomby wodorowej opiera się na wykorzystaniu reakcji termojądrowej, czyli łączenia się lekkich jąder atomowych (np. wodoru lub helu) w cięższe, czemu towarzyszy wydzielanie ogromnej ilości energii. Ponieważ rozpoczęcie i utrzymanie fuzji wymaga bardzo wysokiej temperatury, bomba wodorowa zawiera ładunek rozszczepialny (pierwszy stopień), którego detonacja inicjuje fuzję w ładunku drugiego stopnia.

Ładunki drugiego stopnia mogą być łączone w prawie dowolnej ilości i wielkości (jedna reakcja fuzji inicjuje następną), co umożliwia budowę broni o mocy daleko większej niż w przypadku zwykłej bomby atomowej.

• Brudna bomba
Brudna bomba to określenie na rodzaj broni radiologicznej, której działanie polega na rozrzuceniu materiału radioaktywnego na dużej przestrzeni za pomocą konwencjonalnej eksplozji. Powoduje to skażenie promieniotwórcze terenu. Ze względu na łatwość konstrukcji takiej bomby, znaczną dezorganizację funkcjonowania dużych aglomeracji oraz bardzo duże koszty usuwania materiałów promieniotwórczych istnieje niebezpieczeństwo użycia ich przez terrorystów.



• Bomba neutronowa
Specjalny rodzaj bomby termojądrowej, pozbawiona ekranu odbijającego neutrony, w której energia powstaje w wyniku reakcji syntezy deuteru z trytem; siła jej wybuchu jest relatywnie niewielka, małe jest również skażenie promieniotwórcze terenu; czynnikiem rażącym jest promieniowanie przenikliwe - neutronowe (szybkie neutrony - stąd nazwa), przenikające przez materię (w tym opancerzenie), ale zabójcze dla żywych organizmów.


• Bomba kobaltowa
Bomba kobaltowa zawiera w osłonie kobalt, który pod wpływem wytwarzanych przez ładunek neutronów przekształca się w izotop Co-60, silne i trwałe (okres półrozpadu 5,26 lat) źródło promieniowania gamma. Głównym celem jest skażenie terenu, by uczynić go niezdatnym do zasiedlenia. Zamiast kobaltu dodatkiem może być złoto, które pozostanie radioaktywne przez okres kilku dni, oraz tantal i cynk (kilka miesięcy). Najprawdopodobniej żadna tego typu bomba nie została skonstruowana.



Historia broni jądrowej

eksplozja próbna:

16 lipca 1945 - pustynia w stanie Nowy Meksyk (USA), miejsce próby nazywano nieoficjalnie Jornada del Muerto (Podróż Śmierci);

użycie bojowe:

6 sierpnia 1945 - Hiroszima (bomba Little Boy);
9 sierpnia 1945 - Nagasaki (bomba Fat Man).


Broń jądrowa w kulturze

Zimna wojna toczona poprzez Stany Zjednoczone oraz ZSRR, przyczyniła się do powstania wizji zagłady ludzkości lub upadku cywilizacji na skutek dojścia do konfliktu nuklearnego pomiędzy tymi dwoma państwami. W tej globalnej wojnie atomowej dokonano by tak wielu eksplozji bomb atomowych, że doprowadzono by rozległych zniszczeń a efektem rozpylenia dużych ilości pyłów w górnych warstwach atmosfery byłaby zima nuklearna. W czasach zimnej wojny, w USA strach przed nuklearnym atakiem ze strony Związku Radzieckiego był ogromny, powstał nurt, ukazujący upadek cywilizacji. Z tego nurtu wywodzą się filmy z serii Mad Max, Terminator oraz gry Fallout. Polskim głosem dotyczącym upadku cywilizacji była Seksmisja, gdzie męską połowę ludzkości zabiła „Bomba M”. W literaturze powstały liczne opowiadania fantastyczne dotyczące tego tematu istnieje również interpretacja Władcy Pierścieni, mówiąca, iż Tolkien, mógł opisywać zagrożenie bronią jądrową.

MOJA OCENA ENERGI JADROWEJ

Moje zdanie na temat energii jądrowej jest podzielone, bo uważam, że energia ta jest z jednej strony dobra, a z drugiej zła.
W wielu źródłach pisze się, że energia jądrowa, jeśli jest bezpiecznie otrzymywana i stosowana nie powoduje zanieczyszczeń środowiska. Jednak i tutaj o bezpieczeństwie decyduje rozważna i odpowiedzialna działalność człowieka. Awarie urządzeń, w których zachodzą reakcje jądrowe, są bardzo groźnie w skutkach dla środowiska, powodują bowiem choroby wywołane skażeniem substancjami promieniotwórczymi oraz napromieniowaniem. Ważne jest również odpowiednie unieszkodliwianie odpadów promieniotwórczych, tak, aby nie miały one kontaktu ze środowiskiem naturalnym.
Energia jądrowa zamiast dla dobra ludzkości wykorzystywana jest również przeciwko niej. Przykładem są różnego rodzaju bronie masowego rażenia(bomba jądrowa). Ale energia jądrowa to nie tylko ma same wady, ma ona też i swoje zalety, jakimi są np. na dużym statku zużycie paliwa podczas podróży międzykontynentalnej wynosi 5000 ton. Przy wykorzystaniu paliwa atomowego wystarczy tylko 10 ton uranu, czyli 500 razy mniej. Ten przykład wyraźnie ilustruje jak ogromną energię można wytwarzać dzięki promieniotwórczości. Ale oczywiście jest jeszcze wiele innych dobrych czynników, jakie wytwarza energia jądrowa.