I Ogólne wiadomości

Czym jest promieniotwórczość? Najprościej mówiąc promieniotwórczość to przemiana jąder atomów jednego pierwiastka w jądra atomów innego pierwiastka.

Promieniotwórczość możemy podzielić na:

- naturalną (szeregi promieniotwórcze), która występuje w przyrodzie;

- sztuczną, którą można uzyskać w wyniku zaplanowanej reakcji jądrowej.

Przemiana jąder zachodzi samorzutnie i towarzysze jej wysyłanie promieniowania jądrowego alfa, beta lub gamma.

W skład cząstki alfa wchodzą 2 protony oraz 2 neutrony. Przed promieniowaniem alfa można się ochronić cienka kartką papieru.

W skład cząstki beta wchodzi elektron. Gruba deska ochroni nas przed promieniowaniem beta.

Cząstka gamma nie ma jak w przypadku cząstek alfa i beta charakteru masowego, ma charakter tylko falowy. Promieniowanie gamma jest bardzo niebezpieczne dla wszystkich żywych organizmów. Ze względu na falowy charakter jest w stanie przeniknąć przez wiele przedmiotów. Jedynie gruba ściana z ołowiu jest w stanie zatrzymać to promieniowanie.

Warunkiem promieniowania naturalnego jest jądro dużych rozmiarów, gdyż tylko wówczas siły wzajemnego odpychania nukleonów w jądrze są silniejsze od sił przyciągania.

Pierwiastki o liczbie atomowej większej niż 83 i liczbie masowej większej niż 209 określane są mianem pierwiastków promieniotwórczych lub radioaktywnych.

Negatywne skutki promieniowania na organizm ludzki zależą od dawki i rodzaju promieniowania.

II  Zastosowanie promieniotwórczości

- militaria (bomby atomowe).

- medycyna (radioterapia schorzeń skóry, bomba kobaltowa)

- energetyka (energia jądrowa);

III  Szeregi promieniotwórcze

Szeregi promieniotwórcze to rodziny promieniotwórczych nuklidów, które ulegają wzajemnemu przekształceniu, w wyniku rozpadów alfa i beta.

Nuklid jest to atom, którego opisuje liczba masowa, liczba atomowa oraz poziom energetyczny.

Każdy z szeregów zaczyna inny izotop promieniotwórczy. Wyróżniamy następujące cztery szeregi promieniotwórcze:

- szereg uranowo-radowy. Rozpoczyna go rozpad alfa izotopu uranu (238U), a kończy się na stabilnym izotopie ołowiu (206Pb). W jego skład wchodzi 18 nuklidów, m.in. 210Pb,  238U, 226Ra, 210Po, 234U, 222Rn.

- szereg torowy. Rozpoczyna go rozpad alfa izotopu toru (232Th), a kończy się na stabilnym izotopie ołowiu (208Pb). W jego skład wchodzi 12 nuklidów, m.in. 232Th, 228Ra, 220Rn,228Th.

- szereg uranowo-aktynowy. Rozpoczyna go rozpad alfa izotopu uranu (235U), a kończy się na stabilnym izotopie ołowiu (207Pb). W jego skład wchodzi 15 nuklidów, m.in. 223Ra;235U, 231Pa.

- szereg neptunowy. Rozpoczyna go rozpad alfa izotopu neptunu (237Np), a kończy się na stabilnym izotopie bizmutu (209Bi). W jego skład wchodzi 13 nuklidów, m.in. 229Th. 237Np, 233U.

Szeregi promieniotwórcze: uranowy, uranowo-aktynowy i torowy spotkamy w naturalnym środowisku. Nuklidy z szeregu uranowo-aktynowego obecne są w ilościach śladowych, ze względu na bardzo krótki czas połowicznego rozpadu 235U, który trwa 713 milionów lat. Czas połowicznego rozpadu dla 238U wynosi 4,49 milionów lat, zaś dla 232Th 13,9 milionów lat. Izotop 237Np rozpoczynający szereg neptunowy i charakteryzuje się czasem połowicznego rozpadu trwającym 2,2 milionów lat. Szereg ten występował we wczesnym okresie formowania Ziemi. Na skutek skażenia promieniotwórczego izotopem 241Pu szereg neptunowy pojawił się ponownie w niewielkich ilościach.

Pierwiastki promieniotwórcze należące do danego szeregu promieniotwórczego, jeżeli znajdują się w układzie izolowanym w określonym długim czasie, to osiągają stan równowagi promieniotwórczej (wiekowej). W przyrodzie nie udaje się uzyskać takiego stanu.

IVReakcje jądrowe

1.Wiadomości ogólne

Każda materia (atom, jądro atomowe) składa się z cząstek elementarnych.

Energia jądrowa nazywamy energię powstającą z rozszczepienia ciężkich jąder atomowych (uran oraz pluton) lub ewentualnie z syntezy lekkich pierwiastków (hel, lit). Energia wiązania jądrowego uzyskuje największą wartość dla jąder o średnich masach. 1 gram uranu, ulegający rozszczepieniu, wydziela tyle energii, co spalanie 2 ton węgla.

Reakcje jądrowe to procesy polegające na oddziaływaniu określonych jąder atomowych z jądrami innych atomów lub z ich cząstkami elementarnymi. W czasie reakcji jądrowej, jądro, a wraz z nim oddziałująca cząstka elementarna, przekazują sobie energię, ładunek elektryczny oraz pęd, zgodnie z obowiązującymi zasadami zachowania pędu, energii i ładunku.

Wyróżniamy następujące oddziaływania:

- wzbudzanie;

- rozpraszanie elastyczne, nieelastyczne, głęboko nieelastyczne;

- fragmentacja;

- rozszczepianie.

Rezultatem reakcji jądrowej są cząstki elementarne. Przekrój czynny decyduje o prawdopodobieństwie zajścia reakcji.

Reakcje jądrowe można zapisywać na dwa sposoby:

1)a + A = B + c1 +… cn + E,

 a i A to substraty reakcji, może to być jądro atomowe i padająca cząstka elementarna;

B to powstałe pod wpływem reakcji jądro atomowe;

c1,...,cn to powstałe w wyniku reakcji cząstki elementarne;

E to energia wydzielana w czasie reakcji. Gdy E<0 to energia jest pochłaniana w czasie reakcji, gdy E>0, to energia jest wydzielana w czasie reakcji.

2)A(a, c1, …cn)- wersja skrócona.

Naturalne reakcje jądrowe zachodzą głównie w gwiazdach. Panuje tam temperatura powyżej 100K i energia ruchu cieplnego jest wystarczająca do pokonania oddziaływania ładunków elektrycznych jąder.

Masa krytyczna to najmniejsza ilość materiału, który uległ rozszczepieniu, i który ulega spontanicznej reakcji łańcuchowej. Masa krytyczna w istotnym stopniu zależy od m.in. czystości i geometrii materiału.

2.Podział reakcji jądrowych

Typy reakcji jądrowych:

- reakcja łańcuchowa;

- reakcja fotojądrowa;

- reakcja rozszczepienia jądra atomowego.

W reakcji łańcuchowej cząstka obojętna elektrycznie (neutron- posiadający znikomą energię kinetyczną) wchodzi do jądra i wywołuje rozszczepienie. Pierwotne rozszczepienia jądra atomowego może w określonych warunkach powodować następne rozszczepienia, co prowadzi do reakcji łańcuchowej. Ten typ reakcji jądrowej stosuje się w reaktorach jądrowych oraz broni jądrowej. Przy zastosowaniu akceleratorów zwiększających energię kinetyczną, konieczna do pokonania wzajemnego odpychania elektromagnetycznego jąder, możliwe staje się zajście reakcji jądrowej z udziałem dwóch jąder.

Reakcję fotojądrową (fotorozpad jądrowy) wywołuje pochłonięcie przez jądro kwantu promieniowania elektromagnetycznego o znacznej energii (do 1000 MeV).

Reakcja rozszczepienia to rozpad promieniotwórczy wzbudzonych jąder atomowych bardzo ciężkich pierwiastków. Reakcja ta powoduje rozpad na dwa lub więcej jadra atomowe. Towarzyszy jej wydzielanie energii oraz emitowanie neutronów i promieni gamma. W powstałych jądrach atomowych występuje nadmiar neutronów. Następuje wkrótce ich emisja po rozszczepieniu jadra atomowego. Część jest emitowana w formie tzw. neutronów opóźnionych. Zjawisko rozszczepienia jądra atomowego zostało odkryte przez Otto Hahna i Fritza Strassmana w 1938 roku.

Rozszczepienie jądra atomowego możemy podzielić na:

- spontaniczne- zachodzące samorzutne wówczas, gdy jądro ulega rozszczepieniu po spontanicznym wzbudzeniu;

- fluktuacyjne- zachodzące w przypadku bardzo ciężkich jąder atomowych, o charakterystycznym czasie połowicznego rozpadu;

- wymuszone- zachodzące w przypadku wzbudzenia jądra atomowego w wynika absorpcji protonu lub neutronu.

Izotopy uranu i plutonu (233U, 235U i  239Pu) mogą ulec rozszczepieniu przy reakcji z neutronami o małej energii. Jest to bardzo duża zaleta, gdyż większość izotopów ciężkich pierwiastków może ulec rozszczepieniu tylko w wyniku pewnej progowej energii bombardującej cząstki.

V Reaktory jądrowe

1.Wiadomości ogólne

Energię jądrową jest uzyskiwana w sposób:

- kontrolowany (reaktory jądrowe);

- niekontrolowany (broń jądrowa).

W 1938 roku po rozszczepieniu jądra atomowego rozpoczęto badania (Manhattan Project) nad uzyskiwaniem energii jądrowej. W okresie zimnej wojny projekt cieszył się szczególnym zainteresowaniem.

Reaktor jądrowy nazywany także stosem atomowym, to nic innego jak urządzenie uzyskujące kontrolowaną reakcję łańcuchową. Ma miejsce nieustanne pobieranie energii powstającej w wyniku rozszczepiania jądra atomowego.

Mówimy, że reaktor jest bezpieczny, gdy ma nieznaczną i dodatnią reaktywność związaną z neutronami opóźnionymi.

2.Budowa reaktora jądrowego

W skład klasycznego reaktora jądrowego wchodzi:

- rdzeń;

- osłony biologiczne;

- reflektor neutronów..

Rdzeń reaktora składa się z: prętów paliwowych, regulacyjnych, bezpieczeństwa, ale także z moderatora, kanału chłodzenia i kanału badawczego.

Pręt paliwowy jest podstawową częścią reaktora. Zawiera paliwo jądrowe w formie fizykochemicznej w odpowiedni sposób wzbogacone, w zależności od konstrukcji reaktora jądrowego.

Moderator, nazywany także materiałem spowalniającym, to substancja, która zawiera jądra atomowe o małej masie i małej liczbie porządkowej (woda, grafit, ciężka woda). Moderator służy do spowalniania neutronów zmniejszając ich prędkości. Efekt ten jest uzyskiwany w wyniku częstych zderzeń neutronów z jądrami o niewielkiej masie.

Zarówno pręty regulujące jak i pręty bezpieczeństwa składają się z substancji, które mają zdolność pochłaniania neutronów (bor oraz kadm). Pręty zostają wsuwane i wysuwane do rdzenia reaktora, gdy są potrzebne.

Zadaniem prętów regulacyjnych jest zmiana strumienia neutronów. Pręty bezpieczeństwa służą do całkowitego, nagłego przerwania reakcji łańcuchowej w sytuacji zagrożenia.

Kanał badawczy w reaktorze pełni funkcję „strażnika” odpowiedzialnego za poziom strumienia neutronów. Służy także do wykonywania naświetleń.

Kanał chłodniczy służy do przepompowywania chłodziwa pierwszego obiegu (ciekły sód, powietrze oraz woda).

3.Zarys historyczny

Pierwszy reaktor jądrowy został zbudowany, jak już wcześniej wspominano, w ramach Manhattan Project. W Polsce w Świerku mamy jeden badawczy reaktor jądrowy "Maria". We wcześniejszych latach oprócz „Marii” była także "Ewa" i "Agata". Oba reaktory zostały zlikwidowane.

Aktualnie na świecie działa około kilka tysięcy reaktorów jądrowych, w przeważającej ilości są to reaktory badawcze

4.Podział reaktorów

Reaktory jądrowe ze względu na rodzaj zastosowanego moderatora i chłodziwa dzielimy na:

 - wodno-wodne;

- ciężkowodno-wodne;

- grafitowo-sodowe;

- grafitowo-wodne;

- grafitowo-powietrzne;

Reaktory jądrowe ze względu na wielkość strumienia neutronów i wykorzystywaną energię dzielimy na:

- termiczne;

- epitermiczne;

- wysokostrumieniowe;

- prędkie;

- pośrednie.

Reaktory jądrowe ze względu na zastosowanie dzielimy na:

- produkcyjne, które służą m.in. do uzyskiwania plutonu za pomocą aktywacji. Ogólnie mówiąc można wytworzyć większość pierwiastków radioaktywnych;

- powielające, które charakteryzuje się tym, że paliwo jądrowe w trakcie zużycia jest przekształcane w inny rodzaj paliwa jądrowego;

 - doświadczalne, które są jak na razie prototypami nowych technologii stosowanych w reaktorach jądrowych;

- badawcze, które charakteryzują się małą mocą i są chętnie wykorzystywane w różnorakich badaniach naukowych, ze względu na swoje silne źródła neutronów;

- energetyczne, które są zdolne przekształcić energię cieplną w energię mechaniczną lub elektryczną. Stosowane w napędach nuklearnych okrętów lub w elektrowniach jądrowych.