Niemilitarne wykorzystanie energii jądrowej

Energia jądrowa jest to energia uzyskiwana z rozszczepienia bardzo ciężkich jąder (uran, pluton, tor) lub z syntezy lekkich pierwiastków (hel, lit). W obu przypadkach uwalniana jest energia wiązania jądrowego, która ma największą wartość dla jąder o średnich masach (np. przy rozszczepieniu 1 g uranu uzyskuje się tyle energii, co przy spaleniu ponad 2 t węgla). Energię jądrową można uzyskiwać w sposób kontrolowany (dotychczas tylko energia z rozszczepienia - w reaktorach jądrowych) lub niekontrolowany (broń jądrowa, zarówno rozszczepieniowa, jak i termojądrowa). Prace umożliwiające wyzwolenie energii jądrowej zapoczątkował w 1934r. E. Fermi doświadczeniami nad bombardowaniem uranu spowolnionymi neutronami. 2 grudnia 1942r. przeprowadził pierwszą kontrolowaną reakcję jądrową.

Od czasu wynalezienia bomby atomowej w 1945 r. eksperci pokładają wielkie nadzieje w wykorzystaniu energii jądrowej do wytwarzania energii. Dotychczas energia elektryczna z elektrowni jądrowych pozwoliła zaoszczędzić miliardy ton węgla kamiennego i brunatnego, a także biliardy m3 gazu ziemnego. O szkodliwościach emisji rozprzestrzeniających się z elektrowni węglowych wie każdy, toteż łatwo sobie wyobrazić, w jakim stopniu, dzięki elektrowniom jądrowym, zostało zmniejszone zanieczyszczenie środowiska. Np. elektrownia w Strathclyde wyposażona jest w reaktor grafitowy i jego unowocześnioną odmianę, w obu chłodziwem jest CO2, w reaktorze Magnox wymiennik ciepła i wytwornica pary znajdują się na zewnątrz komory, a chłodziwo jest doprowadzane do nich systemem rur. W reaktorze chłodzonym gazem woda zamienia się w parę przechodząc przez wężownicę umieszczoną wewnątrz komory reaktora.

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.

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 cięzkieIstnieją 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 nastepuje 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.

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

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.