Energia jądrowa i promieniotwórczość

Energia jądrowa to rodzaj energii uzyskiwany na drodze rozszczepiania jąder atomowych.

Rozszczepienie jądra atomowego to rodzaj rozpadu promieniotwórczego wzbudzonego jądra atomowego ciężkich pierwiastków na ogół na dwa, czasem na więcej fragmentów, również będących jądrami atomowymi.

Z praktycznego punktu widzenia największe znaczenie mają własności rozszczepienia jąder uranu i plutonu, gdyż izotopy 235U, 233U oraz 239Pu ulegają rozszczepieniu już przy bombardowaniu neutronami o dowolnie małej energii (nawet neutronami termicznymi), podczas gdy większość izotopów ciężkich pierwiastków ulega rozszczepieniu od pewnej progowej energii bombardującego neutronu. Pojedynczy akt rozszczepienia jądra atomowego może w sprzyjających warunkach indukować (poprzez emitowane neutrony) dalsze rozszczepienia, prowadząc do reakcji łańcuchowej, co znalazło zastosowanie w reaktorze jądrowym i broni jądrowej. Ktoś kiedyś powiedział:

„Jakie są argumenty za i przeciw energetyce jądrowej?
- Za: ekologia.
- Przeciw: ekologia.”

Jądro atomowe jest niezwykle skomplikowanym układem kwantowym wielu cząstek zwanych nukleonami, do których zaliczają się proton oraz neutron. Cząstki te mogą tworzyć jądro dzięki oddziaływaniom silnym o małym zasięgu (rzędu wielkości jądra), które ma charakter wymienny. Samo jądro ma wymiary rzędu 10-15 m. Jedną z najważniejszych cech jąder atomowych z punktu widzenia wykorzystania użytkowego jest tzw. defekt masy tj. fakt, że suma mas składników jądra (nukleonów) jest większa od masy samego jądra wyznaczonej doświadczalnie za pomocą metod spektroskopii masowej. Owa brakująca masa jest wykorzystana na energię wiązania jądra zgodnie ze wzorem E=mc2.

Energia wiązania jest to energia potrzebna na rozbicie jądra atomowego na pojedyncze nukleony.

Stabilność jąder atomowych jest zależna od ilości energii wymaganej do jego rozerwania (równej energii wiązania). Gdy jądro atomu przejmuje neutron czy proton musi na nowo przebudować swoją strukturę. Jeżeli w czasie tego procesu energia jest uwalniana, energia wiązania maleje. Jeżeli energia jest absorbowana, energia wiązania rośnie.

W roku 1934 Enrico Fermi i Emilio Segre przeprowadzili doświadczenie, w którym bombardowali uran neutronami. Zaobserwowali rozpady beta. Nie zgadzało się to z dotychczasową wiedzą, ponieważ jak było wiadomo uran rozpadał się z emisją cząsteczek alfa, a nie beta. Tymczasem obserwowano emisję beta. Naukowcom wydawało się więc, iż w wyniku bombardowania neutronami powstają nowe pierwiastki - transuaranowce rozpadające się właśnie w rozpadzie beta.

Reakcja rozszczepienia uranu przebiegającą w wyniku bombardowania powolnymi neutronami:

Innym rodzajem reakcji jądrowych jest reakcja syntezy. Od wielu wieków naukowcy zastanawiali skąd Słońce i inne gwiazdy czerpią swoją energię. Gdyby było to klasyczne spalanie, Słońce zgasłoby po niezbyt długim czasie. W 1938 roku Hans Albrecht Bethe (ur. 1906) stwierdził, iż mechanizmem zapewniającym Słońcu energię jest właśnie synteza jądrowa. Synteza ta miała polegać na łączeniu się dwóch jąder w jedno cięższe jądro z emisją znacznej ilości energii. Reakcje takie mogą zachodzić we wnętrzu gwiazd, czyli w środowisku o bardzo wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Atomy w takich warunkach są silnie zjonizowane i tworzą gorącą plazmę. W takich warunkach zachodzi synteza jąder atomowych i zostaje wyzwolona wielka energia

Czy można wykorzystać syntezę jądrową do wytworzenia energii na Ziemi podobnie jak robi się to ze zjawiskiem rozszczepiania jąder? Tak. Jednak jest to znacznie trudniejsze. Trudno jest zbudować pomieszczenie do otrzymywania i przechowywania bardzo gorącej plazmy. Stosuje się specjalne pułapki magnetyczne, w których w specjalnie dobranych polach magnetycznych więzi się gorące jony. Buduje się specjalne urządzenia zwane tokamakami, w których pracuje się nad syntezą jądrową.

Promieniowanie jądrowe jest to emisja cząstek lub promieniowania elektromagnetycznego (promieniowanie gamma) przez jądra atomów. Promieniowanie zachodzi podczas przemiany promieniotwórczej lub w wyniku przejścia wzbudzonego jądra do stanu o niższej energii. Rodzaj wysyłanego promieniowania oraz jego energia zależy od rodzaju przemiany jądrowej. Najbardziej znane rodzaje promieniowania to: promieniowanie alfa, promieniowanie beta i promieniowanie gamma.

Rozpad promieniotwórczy jest to zjawisko spontanicznej przemiany jądra atomowego danego izotopu w inne jądro. Podstawową własnością rozpadu promieniotwórczego jest brak wpływu fizykochemicznych czynników zewnętrznych na proces. Rozpad promieniotwórczy zachodzi zgodnie z kinetyką I rzędu.

Nasuwa się więc pytanie: Czy energia jądrowa i promieniotwórczość są na tyle bezpieczne, że powinny znaleźć zastosowanie w dzisiejszym świecie? Biorąc pod uwagę bombę atomową z pewnością można stwierdzić, że nie, lecz wyczerpujące się naturalne źródła energii i coraz to większe zapotrzebowanie na nią, zmuszają nas do poszukiwań kolejnych sposobów wytworzenia energii. Wywnioskować można, że jesteśmy niemalże zmuszeni do korzystania z energii atomowej. Jedyny warunek jaki musimy spełnić, to zachowanie szczególnej ostrożności, aby tak wielkie osiągnięcie jakim jest energia jądrowa, była dla nas bezpiecznym sprzymierzeńcem, a nie wrogiem który może zagrozić ludzkości.