Uran, elektrownie i bomba – o co tu chodzi?

Kontakt z autorem: redakcja@fizykon.org

Wstęp

Ten artykulik piszę specjalnie dla osób, które przeczytały mnóstwo doniesień związanych z niebezpieczeństwami energii atomowej, ale ciągle nie rozumieją wielu spraw z tym problemem związanych, w tym np. podstawowego problemu: jak to jest, że państwa mogą mieć energetykę jądrową, a jednocześnie nie posiadają bomby atomowej? Jednocześnie będzie tu trochę o promieniowaniu radioaktywnym i jego działaniu na ludzi i zwierzęta.

Zacznijmy więc od początku.

Skąd się bierze energia jądrowa?

Cała otaczająca nas materia składa się z cząsteczek, cząsteczki - z atomów, atomy z jąder – teoretycznie więc mamy bardzo dużo energii jądrowej. Dlaczego więc całe to nasze otoczenie nie wybucha?

Odpowiedź jest dość prosta – Bo nie może!

Większość atomów jest bardzo trudno zmusić do wyzwolenia energii jądrowej (a niektórych prawdopodobnie nie uda się zmusić do tego nigdy). Tylko niektóre pierwiastki (dokładniej jądra tych pierwiastków) posiadają nadmiar energii, który może wydzielić się samorzutnie. Są to głównie jądra pierwiastków promieniotwórczych - należą do nich m.in.: uran, pluton, rad oraz promieniotwórcze odmiany (izotopy) pospolitych pierwiastków – takich jak węgiel, czy tlen.

Owa nadwyżka energii w jądrach powoduje, że w dużej ilości atomów, raz na jakiś czas, co któreś z nich nagle „wybucha” wystrzeliwując ze swojego wnętrza cząstkę (cząstkę alfa, beta, gamma, lub neutron). Po wyrzuceniu cząstki, jądro ulega przemianie w inne jądro (jądro innego pierwiastka). Opisane zjawisko nazywane jest „rozpadem promieniotwórczym”, i jest ono miniaturowym, wyzwoleniem energii nuklearnej. W takiej sytuacji mamy do czynienia z tzw. promieniotwórczością naturalną.

Promieniowanie

Z jednego jądra najczęściej nie wylatuje więcej niż jedna malutka cząstka (w rzadszych przypadkach jest ich dwie – trzy, ale nigdy więcej niż kilka), co nie spowoduje większych zmian w otoczeniu. Takich cząstek wyzwolonych z różnych źródeł jest wokół nas niemało, choć zupełnie nie zdajemy sobie z nich sprawy. Rośliny, zwierzęta i ludzie od milionów lat są bombardowani tego typu miniaturowymi pociskami. Powstające w ten sposób promieniowanie w normalnych warunkach pochodzi przede wszystkim z domieszek pierwiastków promieniotwórczych zawartych w „zwykłej materii” – mamy promieniotwórczy węgiel C14 (służący do datowania znalezisk archeologicznych) promieniotwórczy fosfor, tlen, azot i inne. Dużo pierwiastków promieniotwórczych znajduje się w zwykłym popiele pozostałym po spaleniu węgla kamiennego. Jeszcze innym źródłem naturalnego promieniowania jest kosmos – docierają z niego najrozmaitsze „kawałki” promieniowania, a choć większość z nich jest przechwytywana przez atmosferę, to jakaś część dociera na ziemię.

Każda cząstka promieniowania może potencjalnie zniszczyć jakąś komórkę organizmu, co wydaje się być dość groźne, choć zazwyczaj takim nie jest. Jest na to kilka powodów – po pierwsze duża część cząstek promieniowania jest zatrzymywana już przez powietrze, kolejne przez naskórek (który i tak jest martwy), inna część przenika przez ciało nie czyniąc mu żadnej szkody, wreszcie nawet te radioaktywne „pociski”, które trafią w komórkę nie zawsze muszą ją zniszczyć, a nawet jeśli do tego zniszczenia dojdzie, to zazwyczaj wpisuje się ono w normalny proces obumierania części komórek każdego organizmu. Bo przecież faktem jest, że nawet przy całkowitym braku promieniowania duża część komórek obumiera – czy to z powodu ich „starości”, czy też w związku z atakami wirusów bądź planowymi procesami zachodzącymi w ciele (np. obumierają komórki naskórka, rogowacieją paznokcie, w sposób zaprogramowany przez organizm giną komórki krwi itp.). Dlatego również do kontaktu z niewielkimi dawkami promieniowania organizmy zwierząt i roślin dobrze się dostosowały.

Oczywiście do czasu...
Bo silne dawki promieniowania powodują na tyle duże szkody, że mogą być one trudne do naprawienia. Dzieje się tak wtedy, gdy organizm przestaje sobie „radzić” z nawałem atakujących go cząstek. Może wtedy dojść do zniszczenia tkanki i zmian chorobowych.

Skąd bierze się energia jądrowa w reaktorach i bombach?

W większości reaktorów źródłem energii jest uran wydobywany w kopalniach. Pewne niewielkie domieszki tego pierwiastka można znaleźć wszędzie – np. w wodzie morskiej Jednak ich zawartość jest na tyle mała, że nie opłaca się wydobywać ich z takich źródeł. Dlatego standardowym sposobem uzyskiwania uranu jest jego ekstrakcja (wydobywanie) z rudy uranowej pozyskiwanej w kopalniach uranu.

Reakcja łańcuchowa

Zamiana energii jąder na inne jej postacie odbywa się na zasadzie reakcji łańcuchowej. Polega ona na tym, że neutron wyzwolony w rozpadzie jednego jądra uranu uderza w kolejne jądro wywołując kolejną reakcję rozpadu (zwanego rozszczepieniem jądra). Ponieważ podczas rozpadu z jąder wylatują 2 lub 3 neutrony, to (w sprzyjających warunkach, tzn. jeśli powstające neutrony nie uciekają zbyt szybko z obszaru w którym jest uran) ilość rozpadów jądrowych gwałtownie narasta. Wynika to z faktu, że pojedynczy rozpad trwa bardzo krótko (mikroskopijny ułamek sekundy), a przez niecałą sekundę ilość rozpadów może zwiększyć się od jednego do liczby rzędu bilion bilionów.

Dwa najważniejsze izotopy uranu

 Ważnym dla sprawy faktem, jest to że uran występuje w dwóch odmianach (izotopach) lżejszej U²³⁵ (czyli uran o liczbie masowej równej 235) i cięższej U²³⁸. Jądra uranu U²³⁵ stosunkowo łatwo daje się zmusić do rozszczepienia, dzięki czemu nadaje się on do produkcji bomby atomowej. Wynika to z faktu, że neutrony wylatujące z rozszczepionego jądra są zdolne od razu do rozszczepiania kolejnych jąder.

Inaczej przedstawia się sprawa w przypadku Uranu U²³⁸. Jego jądra mają tę właściwość, że „nie chcą” się rozszczepiać neutronami które poruszają się zbyt szybko (a takie właśnie neutrony są produkowane w rozszczepieniach). Dlatego ten izotop uranu do bomby atomowej się nie nadaje. Do podtrzymywania reakcji łańcuchowej wymaga on moderatora, czyli „spowalniacza” neutronów. Używanymi moderatorami są najczęściej woda, rzadziej grafit, albo beryl.

Podsumowując – z dwóch dostępnych izotopów uranu tylko jeden nadaje się do produkcji bomb – jest nim U²³⁵. Drugi U²³⁸, choćbyśmy się bardzo starali - nie wybuchnie - i może być użyty jedynie w reaktorze do wytworzenia prądu. Na szczęście (szczęście dla pokoju światowego) w wydobywanej w kopalniach rudzie uranowej zdecydowaną większość stanowi właśnie ten „bezpieczniejszy” uran. Wydzielanie z rzadszej odmiany tego pierwiastka nazywane jest wzbogacaniem uranu. Powstaje z tego uran wzbogacony, czyli zawierający ów "bombowy" U²³⁵. 
Technologia wzbogacania uranu jest bardzo skomplikowana – w końcu ciekaw jest kto z czytelników wymyśli metodę rozdzielania wymieszanych chaotycznie mikroskopijnych kuleczek (atomy mają rozmiary poniżej milionowej części milimetra), których jedna odmiana różni się od drugiej o ok. 1% (różnią się wyłącznie wagą, bo właściwości chemiczne są identyczne)...

Uran do elektrowni jądrowych

Elektrownie jądrowe nie koniecznie potrzebują do swojego działania uranu wzbogaconego – teoretycznie wystarczyłby tu, najłatwiej dostępny, tańszy i bezpieczniejszy U²³⁸. Problem w tym, że jednak ten izotop jest jednak mało wydajny w zastosowaniach do produkcji energii, reakcja w jego przypadku zachodzi zbyt wolno. Tak więc w elektrowniach jądrowych też stosuje się powszechnie uran wzbogacony. 

Niezwykle ważnym elementem w pracy elektrowni jądrowej jest moderator. Są to specjalne elementy wstawiane pomiędzy pręty paliwa jądrowego. Zadaniem moderatora jest spowalnianie neutronów, które tworzą się podczas reakcji rozszczepienia. Tylko spowolnione (właśnie moderatorem) neutrony są w stanie dokonywać rozszczepienia kolejnych jąder, bo zbyt szybkie neutrony uciekają z reaktora, nie powodując podtrzymania reakcji jądrowych. Jeśli moderator jest pomiędzy prętami - reakcja zachodzi odpowiednio szybko, jeśli go wysuniemy z obszaru paliwa jądrowego - wtedy reakcja zwolni. Specjalne zabezpieczenie w większości elektrowni wymusza w razie awarii natychmiastowe (wymuszane wybuchem ładunku chemicznego) wyrzucenie moderatora spomiędzy prętów paliwa jądrowego - wtedy reakcja jądrowa powinna ustać, bo szybkie neutrony, jakie w większości powstają w wyniku rozszczepiania jąder uranu w zdecydowanej większości uciekną z obszaru paliwa jądrowego, bez skutku rozszczepiania kolejnych jąder.
Stąd też wynika, że przy standardowym użytkowaniu elektrowni nuklearnej nie ma niebezpieczeństwa wybuchu jądrowego. To co wmawiają nam nieraz twórcy hollywodzkich produkcji filmowych - że reaktor wybuchnie jak bomba - po prostu jest wyssane z palca i świadczy o braku szacunku twórców owych filmów dla realiów i praw fizyki. 

Jest natomiast inne zagrożenie związane z użytkowaniem reaktora jądrowego – wydostania się (także kradzieży) materiałów radioaktywnych (czyli uranu i produktów jego rozpadu) na zewnątrz obudowy reaktora. Taka sytuacja zdarzyła się zarówno podczas katastrofy w Czarnobylu na Ukrainie w 1986 roku, jak i w Fukushimie w 2011 r. Doszło do uszkodzenia osłon reaktora i materiały promieniotwórcze dostały się do atmosfery i wód gruntowych. 

Możliwość jakiegokolwiek wybuchu podczas awarii reaktora (bo jak napisano wyżej wybuch jądrowy jest nie do zrealizowania) związana jest tutaj właściwie wyłącznie z eksplozją pary wodnej służącej do odbierania ciepła od rdzenia reaktora. Taki właśnie wybuch zdarzył się podczas słynnej katastrofy w Czernobylu. Wskutek błędu osób odpowiedzialnych za warunki pracy tej elektrowni ciśnienie pary stało się tak duże, że rozsadziła ona (a miała temperaturę ok. 2 tys. °C) całą instalację oraz dużą część budynku reaktora. W efekcie odsłonięty został rdzeń paliwa jądrowego i wiele pierwiastków promieniotwórczych dostało się do atmosfery, powodując skażenie promieniotwórcze na obszarze kilku krajów europejskich.

Najpoważniejszym typem zagrożenia związanego z użytkowaniem reaktora jądrowego jest możliwość stopienia rdzenia. Jeśliby moderator nie został odpowiednio sprawnie usunięty spomiędzy prętów paliwowych, może on zakleszczyć się w tych prętach, a po podwyższeniu temperatury dojdzie do stopienia całego paliwa jądrowego i resztek moderatora w ciężką bryłę bardzo twardego metalu (uran ma dużą gęstość - ok. 2,5 raza większą, niż żelazo). Taki ciężki i twardy, rozgrzany do temperatury ponad tysiąc stopni Celsjusza obiekt może zacząć topić pod sobą podłoże, schodząc coraz niżej pod swoim ciężarem. Po jakimś czasie taki stopiony rdzeń może przebić się przez wszystkie osłony reaktora od dołu i dotrzeć do wód gruntowych zatruwając je promieniotwórczo i chemicznie (uran jest silną trucizną). 

Michał Dyszyński zmieniono 1.04.2016

PS
Podziękowania dla Pani Katarzyny, która pomogła usunąć nieścisłość w niniejszym artykule, co zaowocowało poprawieniem tekstu.