Kurioza naukowe / Scientific curiosities ISSN 1176-7545; rok XII; No 2678

Zestawienie tematyczne prowadzone na bieżąco

 

Jedno zdumienie dziennie...

 

.

Jak to jest z tą kontrolowaną reakcją jądrową.
(
notka poprzednia)

Wszystkie elektrownie atomowe wykorzystują energię cieplną powstającą w procesie rozpadu jąder atomowych pierwiastków radioaktywnych. Pierwiastki radioaktywne odznaczają się jakimś brakiem równowagi w składnikach jądra atomowego. Prowadzi to do ich rozpadu z wydzieleniem energii i wyrzuceniem pewnych składników jądra, co prowadzi do zmiany atomów jednych pierwiastków w atomy innych pierwiastków. Realizuje się tu odwieczne marzenie alchemików, transmutacja pierwiastków. Rozpad jąder atomowych jest procesem bardzo regularnym. Zawsze można określić ile jednego pierwiastka przekształci się w inny po jakimś czasie. Paradoks jednak polega na tym, że możemy to powiedzieć z dużą dokładnością o wielkiej liczbie atomów, na tym polega konstrukcja zegarów atomowych, a zupełnie niczego nie można powiedzieć o pojedynczym atomie. Pojedynczy atom może rozpaść się w każdej chwili.. albo nigdy. Taka już jest natura rozpadu radioaktywnego (podobnie jest z innymi zjawiskami przewidywalnymi statystycznie, ale to już inna historia). 
Wracając to sprawy elektrowni atomowych trzeba pamiętać, że reakcje jądrowe zachodzące w stosie atomowym elektrowni są dokładnie takie same jak te, które zachodzą w bombie atomowej, z jedną zasadniczą różnicą. Reakcje jądrowe w stosie atomowym są kontrolowane. To jakby bardzo zwolniony wybuszek, któremu nie pozwalamy na zbytnie rozbuchanie się. 
W praktyce wygląda to tak:
A tom uranu 235U rozpada się 'z wewnętrznego musu' na dwie nierówne (!) połowy i każda z nich przejmuje pewną część składników jądra uranu, staje się więc atomem zupełnie innego pierwiastka. Nie doczytałem się informacji dlaczego nie mogą powstać trzy jądra pochodne, ale to pewnie tajniki chemii jądrowej. Niezbyt wiadomo dlaczego ale jedno jądro pochodne ma masę atomową około 95, a drugie około 135. Suma jest mniejsza niż masa atomowa uranu 235U, bo wyrzucane są też wolne neutrony. W grupie atomów pochodnych znajduje się kilkadziesiąt pierwiastków i ich izotopów, najczęściej także bardzo radioaktywnych o różnych półokresach rozpadu. Mamy tu np. lekki stosunkowo krypton (85Kr), jest stront (90Sr i in.), ale też ciężkie lantanowce jak lantan (139La), samar (154Sm i in.). W tej grupie znajduje się też radioaktywny jod 131I. W normalnych warunkach neutrony szybko się rozpraszają, pozostają tylko produkty rozszczepienia i uwolniona energia. Kiedy jednak stworzymy takie warunki, że uwalniane neutrony natrafiają na inne atomy 235U, powodują w ich jądrach zachwiane neutronowej równowagi i następuje następny, wymuszony rozpad jądra uranu z wydzieleniem neutronów i produktów rozszczepienia jak wyżej. 
Jeśli i te neutrony napotkają na inne atomy uranu rozszczepialnego, następuje łańcuchowa reakcja jądrowa. Musi jednak być pewna masa uranu by reakcja łańcuchowa nastąpiła, by neutrony nie uciekły z systemu. Mówimy tu o masie krytycznej i w bombie atomowej to właśnie następuje. Dwie oddzielne porcje uranu, które same są za małe dla zainicjowania reakcji łańcuchowej, zbijane są razem dając masę krytyczną, i buch, mamy wybuch jądrowy. W wyniku potężnej eksplozji wyrzucone zostają wszystkie produkty rozpadu i resztki uranu wysoko w atmosferę a niszczące skutki wybuchu związane są z niewyobrażalnie wysoką temperaturą rzędu 100 milionów stopni! Dla porównania - temperatura powierzchni słońca wynosi 5.800 stopni, a wnętrza zaledwie 13 milionów stopni. Imponująca jest także wydajność energetyczna reakcji jądrowej. Pojedynczy akt rozpadu generuje około 200 MeV energii, podczas gdy pojedynczy akt utlenienia np węgla daje zaledwie kilka eV. To wskazuje jak wielka jest różnica w objętości paliwa jądrowego w stosunku do np. węgla czy benzyny.
I ten proces uwalniania energii ujarzmia się w stosach elektrowni jądrowych. Należy stworzyć takie warunki, by reakcja jądrowa zachodziła, a równocześnie tak ją pilnować, by wszystko odbywało się ciut, ale tylko ciut, ponad masą krytyczną. Trzeba przede wszystkim wyłapywać wszystkie neutrony nadmiarowe, pozostawiać w systemie tylko taką liczbę neutronów, żeby reakcja przebiegała efektywnie, ale na bezpiecznym poziomie. Robi to woda, wszystko odbywa się pod wodą, i specjalne wyłapywacze neutronów, których stopień zaangażowania w wyłapywanie reguluje się mechanicznie. Kiedy rzecz wychodzi spod kontroli, pręty wyłapywaczy (często są to pręty węglowo-borowe) opadają i blokują reakcję łańcuchową. Oczywiście nie mogą zablokować rozpadu jąder uranu oraz radioaktywnych pierwiastków pochodnych. To powoduje, że nawet w martwym reaktorze wyzwala się wiele energii termicznej. Po utracie kontroli może dojść do wybuchu z przegrzania. Nie jest to jednak wybuch w rodzaju bomby atomowej. Niemniej powoduje nieobliczalne skażenia bliższego i dalszego otoczenia. Mieliśmy to w Czernobylu, mamy w Fukushima. 

Nie będę się rozpisywał o elektrowniach jądrowych. Wiele jest dostępnych materiałów na ten temat w publikacjach i w sieci. Odsyłam do klarownego schematu animowanego typowej elektrowni jądrowej. 
Trzeba jeszcze wspomnieć o wypalonych stosach atomowych, gdzie reakcja jądrowa staje się nieopłacalna, ale pręty paliwowe o olbrzymiej radioaktywności pozostają i nie wiadomo co z nimi zrobić. Tymczasem opycha się je gdzie się da. Przyjmują je po cichu kraje trzeciego świata, wszyscy protestują, ale z samych protestów nic nie wynika. Jeszcze bardziej kłopotliwa sprawa to elektrownie uszkodzone, z przeciekami i skażeniem takim, że żadne działanie z nimi i w nich jest niemożliwe. Mówi się o kokonach, gigantycznych grobowcach, ale dobrego rozwiązania nie ma.
Wszystko sprowadza się do tego, że zostawimy następcom olbrzymi kłopot. Setki atomowych grobowców z którymi teraz nie możemy sobie poradzić. Podałem kiedyś pomysł na jakiejś liście dyskusyjnej, żeby niepotrzebny materiał radioaktywny wysyłać na słońce. Dla słońca byłoby to mnie niż kropla wody w oceanie, a dla ziemi wielka ulga. Ugaszono mnie, że koszta byłyby horrendalne, choć technicznie rzecz jest możliwa. Pewnie i tak, Nas na to nie stać. Co tam, niech płacą potomni. Stać ich będzie na to. A jak nie - nie nasza sprawa!
Inna możliwość, to ulokowanie materiałów we wnętrzu piramid. Niegroźne im trzęsienia ziemi a promieniowanie radioaktywne nie przedostanie się przez kamienne bloki. Ale wolę tego nie proponować.

następna notka o radioaktywnym jodzie.

il. z Wikipedii, nieco zmienione
[QZE08::029];[QEP93::019]35,36
w sieci 23.3.2011; Nr 2678

 

 


 

witrynę prowadzi
© R. Antoszewski
Titirangi, Auckland, 
Nowa Zelandia

(wybrane z publ. R. Antoszewskiego)

  Site Meter