Wprowadzenie
Zespół naukowców pod kierownictwem włoskiego fizyka Enrico Fermi zdołał r 2 XII 1942 roku kontrolowaną reakcję jądrową. Fizykom udało się rozszczepić jądro ciężkiego atomu uranu, złożone z protonów i neutronów, na dwa jądra pierwiastków lżejszych. Podsumowując masy substratu i produktów reakcji okazuje się, że pewna część materii znikła, wydzielając wielką porcję energii. W bombie atomowej proces rozszczepienia zachodzi bardzo szybko, w sposób niekontrolowany. W reaktorze jądrowym reakcja jest starannie kontrolowana i zachodzi dużo wolniej. Produkowana energia zamienia wodę w parę, która porusza olbrzymie turbiny napędzające generatory.
Reakcja rozszczepienia jądra uranu zachodzi pod wpływem powolnego neutronu. Neutron krążący z prędkością odpowiadającą prędkości ruchów cieplnych (ok. 2 km/s), zwany neutronem termicznym, łączy się z jądrem substancji rozszczepialnej, czyniąc je niestabilnym. Jądro deformuje się, przewęża, a w końcu rozpada na dwa jądra stabilne, emitując przy tym kilka neutronów oraz porcję energii. Wyemitowane neutrony mogą trafić w inne jądra, które ulegną rozszczepieniu. W rezultacie powstaje coraz więcej swobodnych neutronów i coraz więcej jąder rozszczepia się. Reakcja ta nosi nazwę reakcji łańcuchowej.
Obecnie wszystkie pracujące reaktory wykorzystują do produkcji energii zjawisko rozszczepienia jąder ciężkich atomów. Lecz istnieje inny sposób otrzymywania jeszcze większej energii, wykorzystywany dotąd jedynie w celach militarnych – jest nim synteza jądrowa. Polega ona na łączeniu się dwóch jąder lekkich atomów (np. deuter lub tryt) w jedno jądro atomu cięższego oraz wolną cząstkę elementarną . Energia wydziela się na wskutek różnicy mas pomiędzy substratami i produktami reakcji. Reakcja nie wytwarza także odpadów promieniotwórczych. Problem polega na wytworzeniu odpowiedniej temperatury (nawet 350 mln stopni C).
Zastosowanie
1. Elektrownie jądrowe
Do wytworzenia energii cieplnej; oprócz energii cieplnej powstają także popioły promieniotwórcze – izotopy wykorzystywane później w medycynie oraz paliwo atomowe – pluton. Poza tym jest stosunkowo tania.
Paliwo jądrowe
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. Pełny wsad paliwa do przeciętnego reaktora składa się z kilkuset takich prętów. Pręty pozostają w reaktorze 4-5 lat. Po tym czasie wypalone paliwo jądrowe jest przesyłane do jego dostawcy, który składuje je, odzyskując zwykle wcześniej wytworzony pluton i niespalony uran.
Pierwszy na świecie reaktor jądrowy dostarczający elektryczności uruchomiono w 1956 roku w Calder Hill w Wielkiej Brytanii. Paliwem stosowanym w większości elektrowni jądrowych jest izotop uranu U 235. Rdzeń reaktora jądrowego stanowi paliwo uranowe. Większość nowoczesnych reaktorów to reaktory termiczne, czyli wykorzystujące neutrony termiczne do rozszczepiania jąder paliwa jądrowego. W tych reaktorach trzeba stosować moderatory, czyli substancje spowalniające neutrony. Obecnie stosuje się 3 ich rodzaje: grafit, wodę oraz wodę ciężką (wodór zastąpiony deuterem). Reaktory, w których stosuje się wodę ciężką charakteryzują się najmniejszymi stratami neutronów. Podobnie jak zwykła woda, woda ciężka może być stosowana z powodzeniem zarówno jako moderator jak i chłodziwo. Reaktory jądrowe bardzo się nagrzewają i jest wiele sposobów odbierania od nich ciepła, by wytworzyć parę poruszająca turbiny. W ciśnieniowych reaktorach wodnych używa się do tego celu wody tłoczonej pod wysokim ciśnieniem. W reaktorach o chłodzeniu gazowym, rdzeń reaktora chłodzony jest dwutlenkiem węgla.
Reaktory prędkie i powielające
Podczas pracy reaktora część neutronów powoduje przekształcenie nierozszczepialnego izotopu U 238 w rozszczepialny izotop plutonu Pu239. Ten może być wykorzystywany jako paliwo jądrowe oraz jako materiał do produkcji broni jądrowej. Zwykle reaktory produkują niewiele plutonu, więc skonstruowano reaktory produkcyjne i powielające, których celem działania jest głównie produkcja Pu239. Jest to znacznie prostszy sposób otrzymania wysoko wzbogaconego materiału rozszczepialnego niż tradycyjne metody wzbogacania uranu. Wysoko wzbogacony uran wykorzystywany jest do produkcji broni jądrowej. Jedną z najciekawszych konstrukcji reaktora powielającego jest reaktor prędki. Neutrony poruszają się w nim ze znacznie większymi prędkościami niż w reaktorze termicznym (rzędu 150 km/s), nie stosuje się więc moderatora. Również chłodziwo musi być odpowiednie, by nie spowalniać neutronów. Dotąd używano w tym charakterze ciekłego sodu, metalu wyjątkowo aktywnego chemicznie. Ta cecha chłodziwa powoduje szereg trudności konstrukcyjnych, gdyż nieliczne tylko materiały nie korodują w kontakcie z sodem.
2. Broń jądrowa
W bombie atomowej podczas reakcji łańcuchowej pozwala się na pełne rozwinięcie łańcucha, by wszystkie powstające przy jednostkowym akcie rozpadu neutrony powodowały rozszczepienie innych jąder. Dlatego następuje bardzo gwałtowne przyspieszenie tempa reakcji owocujące nagłym uwolnieniem wielkiej energii – eksplozją. W reaktorze natomiast część powstałych neutronów jest wychwytywana przez substancję dobrze pochłaniającą neutrony, np. kadm lub bor.
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(1018 W/kg)
Bomba termojądrowa, zwana też bombą wodorową (ang. H-bomb) jest bombą, w której głównym źródłem energii wybuchu jest reakcja termojądrowa zachodząca podczas jej wybuchu. Bomby wodorowe mają największą, z dotychczas skonstruowanych bomb, siłę wybuchu równoważną wybuchowi milionów ton trotylu (megaton).
W dniu 1 listopada 1952 amerykańscy fizycy pod kierunkiem Edwarda Tellera doprowadzili na atolu Eniwetok do pierwszego wybuchu bomby termojądrowej "Mike". Bomba wykorzystywała deuter i tryt jako paliwo termojądrowe. Siłę wybuchu oszacowano na 10,4 megaton (MT) czyli około 700 bomb jądrowych zrzuconych na Hiroszimę. W 8 miesięcy później, 20 sierpnia 1953 roku na terytorium radzieckim miała miejsce eksplozja bomby wodorowej (bomba H), którą wykryły zachodnie sejsmografy.
Reakcja termojądrowa, to synteza jąder lekkich pierwiastków, w wyniku której powstają jądra cięższe o większej energii wiązania w przeliczeniu na jeden nukleon. Warunkami umożliwiającymi reakcję syntezy jest silne rozpędzenie jąder atomowych (wysoka temperatura) oraz duża koncentracja odpowiednich jąder. Warunki takie uzyskuje się przez wybuch bomby jądrowej, w centrum której umieszczono materiał do syntezy termojądrowej.
Ze względu na to, że wybuch bardzo szybko rozrzuca reagujące materiały należy zastosować w bombie materiały umożliwiające przeprowadzenie reakcji termojądrowej w jak najniższej temperaturze. Pierwsze bomby zawierały deuter i tryt, ale tryt nie jest zbyt trwały (ma względnie krótki okres półtrwania - 12,26 lat) i tak skonstruowanej bomby nie można zbyt długo przechowywać. Rozwiązaniem jest generowanie trytu w trakcie wybuchu bomby. Tryt otrzymywany jest z litu poprzez bombardowanie jego jąder neutronami pochodzącymi głównie z rozszczepienia jąder ładunku inicjującego, którym jest zazwyczaj uranowa lub plutonowa bomba jądrowa o stosunkowo niewielkiej mocy. Zastosowanie związków deuteru i trytu z litem znacznie upraszcza konstrukcję bomby, umożliwiając przechowywanie tych substancji w stanie stałym, bez instalacji chłodzących.
Mina jądrowa
To urządzenie z ładunkiem jądrowym o mocy od kilku do kilkudziesięciu kiloton. Jest przeznaczone do niszczenia ważnych obiektów. Miny jądrowe umieszcza się w przygotowanych wcześniej komorach jądrowych.
4. Lodź o napędzie atomowym
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. Atutem jest to, że do napędu zbędne jest powietrze.
5. Samolot oraz pojazdy kosmiczne o napędzie atomowym
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.
Rozwiązania 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.
Pierwszy z nich, o skrócie NTR (od ang. Nuclear Thermal Rockets), polega na podgrzaniu wodoru, zgromadzonego w niskiej temperaturze w fazie ciekłej. Gazowy wodór o temperaturze około 2500 stopni Celsjusza jest wyrzucany przez dyszę, dając w ten sposób napęd rakiecie. W drugim systemie, napędzie jądrowo-elektrycznym NEP (od ang. Nuclear-Electric Propulsion), przekształca się energię jądrową w elektryczną, a następnie używa się tej ostatniej do zasilania układu elektromagnetycznego przyspieszającego jony do wielkich prędkości. Jony te podczas przejścia przez neutralizator w dyszy wytwarzają strugę atomów elektrycznie obojętnych, która opuszczając rakietę daje jej potrzebną siłę ciągu. Napęd tego rodzaju był wielokrotnie używany szczególnie w radzieckich misjach orbitalnych
6. Transport jądrowy
Wykonano szereg badań z tego zakresu w Stanach Zjednoczonych i w byłym Związku Radzieckim, gdzie przebywane duże odległości usprawiedliwiają stosowanie napędu nie wymagającego częstego zaopatrywania w materiały pędne. Badania ekonomiczne wykazują jednak, że lokomotywa o napędzie jądrowym nie byłaby obecnie opłacalna i jeżeli można twierdzić, że energia jądrowa powinna być użyta do napędu kolejowego, to dokona się tego raczej poprzez rozbudowę elektronów jądrowych a następnie elektryfikację kolei.
7. Medycyna
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 g pochodzącego z tzw. bomby kobaltowej (w lecznictwie do zwalczania chorób nowotworowych oraz wykrywania uszkodzeń kości, a także w defektoskopii i do sterylizacji żywności).
8. Baterie elektryczne
Do prowadzenia badań planet i przestrzeni kosmicznej potrzebne są wydajne i długożyciowe baterie (także tzw. rozruszniki serca, z których korzystają ludzie z poważnymi wadami serca, są zasilane właśnie z tego typu baterii). W tym celu już od roku 1961 budowane są promieniotwórcze układy zasilania. Istnieją dwa rodzaje takich układów: promieniotwórcze generatory termoelektryczne, w których ciepło rozpadu promieniotwórczego np. 238Pu (0.56 W/g) ogrzewa złącze półprzewodnikowe typu p-n (termoparę) oraz termojonowe promieniotwórcze generatory mocy, w których ciepło z rozpadu promieniotwórczego wykorzystywane jest do wytworzenia różnicy potencjałów pomiędzy metalicznymi elektrodami.
9. Odsalanie wody
Energia jądrowa jest już wykorzystywana do odsalania wody, co jest problemem niezwykle istotnym dla znacznych obszarów świata cierpiących na brak wody pitnej. Jest to szczególnie ważne w Azji i Afryce Północnej. Reaktory mogą dodatkowo wytwarzać energię elektryczną, tj. działać jako małe elektrownie jądrowe.
