Zastosowanie energii jądrowej

Od kiedy społeczeństwo świata zaczęło korzystać z dobrodziejstw techniki jądrowej, ujawniły się następujące jej zastosowania:
- produkcja energii elektrycznej,
- zastosowanie izotopów w badaniach medycznych i radioterapii,
- uzyskiwanie efektywnych technologii w przemyśle (na przykład radiografia, inne ekspertyzy jakościowe - zatem podniesienie standardu produkcji),
- możliwość produkcji silników wykorzystujących energię jądrową (okręty, samoloty, rakiety),
- produkcja broni jądrowej.

Od czasu wynalezienia bomby atomowej w 1945 r. eksperci pokładają wielkie nadzieje w wykorzystaniu energii jądrowej do wytwarzania energii elektrycznej. Dotychczas energia elektryczna z elektrowni jądrowych pozwoliła zaoszczędzić miliardy ton węgla kamiennego i brunatnego, a także biliardy m3 gazu ziemnego. O szkodliwości emisji rozprzestrzeniających się z elektrowni węglowych wie każdy, toteż łatwo sobie wyobrazić, w jakim stopniu, dzięki elektrowniom jądrowym, zostało zmniejszone zanieczyszczenie środowiska.

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. Światowe zasoby deuteru są ogromne (oceany), zaś tryt jest łatwy do wyprodukowania. Reakcja nie wytwarza też odpadów promieniotwórczych. Problem polega na tym, że do jej przeprowadzenia potrzebne jest podgrzanie substratów do co najmniej 40 mln stopni Celsjusza. Zapoczątkowanie reakcji deuteru wymaga temperatury 350 mln stopni Celsjusza. W tych temperaturach materia staje się plazmą. Poza tym jądra muszą znaleźć się odpowiednio blisko siebie, potrzebna jest więc ogromna gęstość plazmy. Co więcej, warunki te muszą trwać odpowiednio długo, czyli dziesiątą część sekundy. 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.

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.

Zastosowanie izotopów promieniotwórczych jako źródła promieniowania

Szeroką dziedzinę zastosowania izotopów promieniotwórczych stanowi radiografia. Metoda analizy radiograficznej polega na badaniu wewnętrznej struktury materiałów i wyrobów za pomocą promieniowania jonizującego (rentgenowskiego, gamma). W odlewach bardzo często tworzą się niepożądane pęcherze, luki i pęknięcia, pochłaniające promieniowanie jonizujące w inny sposób niż materiał, z którego został wykonany badany obiekt. W rezultacie na radiogramie, czyli na kliszy fotograficznej umieszczonej po przeciwległej stronie, w stosunku do źródła promieniowania badanego obiektu lub na ekranie fluoryzującym, są widoczne szczegóły badanego przedmiotu. W hutach i w fabrykach często stosuje się prześwietlanie konstrukcji aparatami rentgenowskimi (defektoskopia rentgenowska). Bardziej opłacalna jest metoda defektoskopii izotopowej, polegająca na wykorzystaniu izotopów jako źródeł promieniowania gamma (defektoskopia gamma).

Izotopem promieniotwórczym jest zwykle kobalt 60 lub cez 137 znajdujący się w grubej osłonie biologicznej, najczęściej w kształcie kuli („bomby") z okienkiem przepuszczającym promienie gamma. Aparat nosi nazwę bomby kobaltowej lub cezowej. Termin „bomba kobaltowa” jest również stosowany do bomby jądrowej.

Defektoskopia izotopowa jest stosowana przede wszystkim w metalurgii, przemyśle maszynowym, stoczniowym, lotniczym i chemicznym.
Bomby kobaltowe i cezowe są stosowane w medycynie do celów diagnostycznych (wykrywanie uszkodzeń kości) i w leczeniu nowotworów.

Zastosowanie izotopów w nauce i technice

Obecnie jest już znanych ok. 1000 nietrwałych, promieniotwórczych izotopów pierwiastków chemicznych (radioizotopów) oraz ok. 300 trwałych. Wyodrębnienie, rozdzielenie i badanie chemiczne pierwiastków promieniotwórczych obejmuje dziedzina nauk chemicznych zwaną radiochemią. Ze względu na łatwość wykrywania izotopów promieniotwórczych, nawet z większej odległości, są one szeroko stosowane do badań analitycznych oraz do badania procesów fizycznych i chemicznych, jak dyfuzja w cieczach i ciałach stałych, rozpuszczalność, strącanie osadów, określanie poziomu cieczy w zbiornikach itp.

Radioizotopy oddają cenne usługi w defektoskopach służących do wykrywania wad w wyrobach metalowych.

Metody radiometryczne umożliwiają śledzenie wędrówki izotopów w organizmach, dzięki czemu można dziś znacznie dokładniej niż za pomocą klasycznych metod chemicznych poznać i zrozumieć metabolizm, czyli procesy przyswajania i przemiany materii w organizmie. W ten sposób stwierdzono np. gromadzenie się fluoru w zębach, prześledzono procesy trawienne, dzięki izotopom jodu 131I gromadzącym się w tarczycy opanowano diagnostykę choroby Basedowa.

Energię jądrową, która powstaje w wyniku naturalnego rozpadu promieniotwórczego pierwiastka można wykorzystać również dla celów medycznych. W niektórych przypadkach, posługiwanie się wiedzą
o promieniotwórczości i rozpadach jąder atomowych okazuje się, z punktu widzenia medycyny, nieodzowne i niezastąpione.

Jedną z bardzo ciekawych metod diagnostycznych jest scyntygrafia. Metoda ta polega na wprowadzeniu do organizmu pewnej substancji z dodatkiem pierwiastka radioaktywnego. Wprowadzona substancja jest tak dobrana aby gromadziła się w obszarach chorobotwórczych badanego narządu. Podczas późniejszych obserwacji emisji promieniowania można stwierdzić, które punkty badanego organu są zmienione chorobowo.
Innym przykładem wykorzystania energii jądrowej w medycynie jest walka z nowotworami. W radioterapii wykorzystuje się energię jądrową w postaci promieniowania pochodzącego z tzw. bomby kobaltowej.

Innym wykorzystaniem reakcji jądrowych jest utrwalanie żywności. Metoda ta polega na poddaniu żywności oddziaływaniu silnego strumienia kwantów promieniowania gamma, zwykle pochodzących z rozpadu promieniotwórczego kobaltu 60Co. Silny strumień promieniowania unieszkodliwia drobnoustroje chorobotwórcze, mogące być przyczyną zatruć pokarmowych. Napromieniowanie silnym strumieniem promieniowania gamma 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.

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. Przeprowadza się w nich chemiczne zabiegi dążące do wydzielenia plutonu. Pręty paliwowe są cięte a następnie rozpuszczane w kwasie azotowym. Po rozpuszczeniu następuje ekstrakcja plutonu, który może służyć jako materiał rozszczepialny do produkcji ładunków nuklearnych lub jako paliwo do pewnych typów reaktorów. (Proces odzyskiwania plutonu z wypalonego paliwa znany jest pod nazwą mokrej metody PUREX). Pozostałe po nim materiały radioaktywne wykazują bardzo wysoką promieniotwórczość i są kierowane do składowisk materiałów radioaktywnych. 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.

Pierwszą łodzią podwodną o napędzie atomowym wyprodukowaną przez USA był Nautilus. Do napędu wykorzystano tu niejednorodny reaktor termiczny. Paliwem był uran rozcieńczony cyrkonem stosowany w postaci prętów. Woda przepływająca wokół prętów występowała w roli chłodziwa, jak również jako źródło pary. Para wodna przechodziła do turbin, które bezpośrednio napędzała. Moc turbin w tym przypadku dochodziła do 2000 kW.

Inną możliwością wykorzystania energii jądrowej jest zastosowanie jej do napędu samolotu. Stosuje się tutaj kilka systemów. Można, np. zastosować ogrzewanie powietrza w repulsyjnym silniku reakcyjnym za pomocą gorących gazów opuszczających system chłodzący reaktora jądrowego. Można też zastosować sposób łatwiejszy do bezpośredniej realizacji, polegający na użyciu turbinowego silnika reakcyjnego, zapewniającego cyrkulację powietrza chłodzącego, które po ogrzaniu w reaktorze doznawałoby pierwszego stopnia rozprężenia w turbinie przed przejściem do dyszy napędowych.
Rozwiązanie te napotykają jednak wiele trudności związanych przede wszystkim z poważnym ciężarem reaktora i urządzeń pomocniczych, a zwłaszcza osłon. Problem wykorzystania reaktora jako układu zasilającego w lotnictwie jest zatem mało prawdopodobny i nabiera dopiero sensu przy zastosowaniu go w pojazdach kosmicznych.

Każdy wynalazek w zasadzie może być wykorzystany w sposób ułatwiający życie człowieka, ale i jako czynnik to życie unicestwiający.
W przypadku energii jądrowej to drugie zastosowanie może być aż nadto skuteczne.
Historycznie pierwszym zastosowaniem energii jądrowej było użycie jej do celów niszczenia. 6 sierpnia 1945 roku amerykanie zrzucili bomby atomowe na Hiroszimę, a trzy dni później na drugie miasto japońskie - Nagasaki. Bomby te przyniosły śmierć wielu tysiącom osób i ogromne straty materialne. Od tamtej pory rozpoczął się wyścig zbrojeń podyktowany posiadaniem bomby atomowej. Prace naukowców wojskowych miały na celu udoskonalenie zwiększenia siły rażenia tej bomby, co zresztą przyniosło wymierne skutki.
Bomba atomowa, jądrowa lub nuklearna niezależnie od nazwy działa w oparciu o taki sam proces - gwałtowną, lawinową reakcję rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich, np. uranu z jednoczesnym wydzieleniem ogromnej ilości energii.

Istotnym elementem bomby atomowej jest kształt i rozmieszczenie materiału będącego źródłem energii - uranu. Są one dobrane w ten sposób aby stosunek powierzchni do jej objętości był równy tzw. rozmiarom krytycznym, przy którym stosunek wytwarzania neutronów do ich tracenia jest stały. Sytuacja taka nie powoduje zachodzenia reakcji rozszczepienia.
Jeżeli rozmiary krytyczne ulegną zmianie natychmiast zapoczątkowany zostaje lawinowy proces pękania jąder uranu i następuje wybuch.

Energia wydzielana podczas wybuchu bomby atomowej występuje w trzech rodzajach: jako energia mechaniczna, cieplna i promieniotwórcza.
Energia mechaniczna uwidacznia się, jako potężny podmuch.
W pewnych miejscach występuje bardzo silny wzrost podciśnienia powietrza, w innych odwrotnie - w skutek szybkiego przemieszczania się olbrzymich mas powietrznych występuje sprężenie. Tak zresztą jeden, jak i drugi efekt jest dla ludzi bardzo niebezpieczny.

Energia cieplna i związane z nią promieniowanie świetlne wydzielane są przez bardzo krótki czas - zaledwie w ciągu drobnego ułamka sekundy a więc tylko wtedy, gdy trwa łańcuchowa reakcja jądrowa. Wytworzone światło uwidacznia się jako jaskrawy błysk. Późniejsze promieniowanie świetlne rozżarzonej kuli powietrznej ma już znaczenie o wiele mniejsze.

Energia promieniotwórcza ma dwa źródła. Pochodzi ona albo bezpośrednio od nowych atomów promieniotwórczych wytwarzanych podczas łańcuchowego procesu rozszczepień, albo też od atomów istniejących
w substancjach materialnych otaczających bombę (powietrze, woda, ziemia, rośliny) i pobudzonych do promieniotwórczości przez neutrony wyzwolone w czasie eksplozji. Stężenie ciał promieniotwórczych, a zatem ich intensywność zmniejsza się jednak stopniowo i powoli ich zabójcze działanie ustaje.

O wiele niebezpieczniejsza jest bomba wodorowa, w której wykorzystuje się energię termojądrową powstałą na skutek syntezy lekkich jąder wodoru.
Początkowe działanie takiej bomby jest podobne do zwykłej bomby atomowej. Ładunki trotylu inicjują reakcję jądrową uranu, która z kolei powoduje ściśnięcie wodoru zawartego wewnątrz.
W wyniku ściskania następuje synteza (łączenie się) jąder wodorowych, w wyniku czego wydziela się energia powodująca wybuch. Jak się okazuje,
w tym przypadku moc wybuchu jest dużo większa niż w przypadku zwykłej bomby jądrowej.

KORZYŚCI WYNIKAJĄCE ZE STOSOWANIA ENERGII JĄDROWEJ
- jest niezależna od surowców naturalnych (węgla, ropy naftowej, gazu ziemnego) elektrownie mogą pracować bez obawy szybkiego wyczerpania się zapasów paliwa
- z używanego paliwa jądrowego uzyskuje się więcej energii elektrycznej niż z jakiegokolwiek źródła naturalnego
- energetyka jądrowa jest nieszkodliwa dla środowiska, tzn. Nie zanieczyszcza powietrza, nie emituje pyłów i gazów (klasyczne elektrownie emitują duże stężenia dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, i innych trujących substancji, które przyczyniają się do powstawania efektu cieplarnianego
- nie wpływa na pogorszenie się stanu zdrowia ludzi
- nie wymaga hałaśliwych urządzeń
- można ją wykorzystać w celach medycznych (bomby kobaltowe, które używa się w leczeniu nowotworu)

ZAGROŻENIA WYNIKAJĄCE ZE STOSOWANIA ENERGII JĄDROWEJ
- główne zagrożenie może wystąpić w przypadkach awarii reaktora (np. Czarnobyl w 1986 roku doszło do skażenia środowiska, śmierci i ciężkich chorób nowotworowych u ludzi)
- składowanie odpadów radioaktywnych (pierwiastki mają długi czas połowicznego rozpadu, proces jest ten długotrwały i wymaga, aby składowisko było dobrze zabezpieczone
- transport materiałów promieniotwórczych musi być bezpieczny
- skażenia radioaktywne, w tym promieniowanie, prowadzi do wystąpienia chorób u ludzi, głównie są to choroby nowotworowe skóry, białaczki, które prowadzą do śmierci organizmu, uszkodzenie układu limfatycznego (spadek odporności), uszkodzenia szpiku kostnego, uszkodzenia zarodków i płodów
- możliwość skażenia wody przez co woda jest niezdatna do picia; powietrza
i gleby (wyjałowienie gleby)