Bomba atomowa i reaktor jądrowy jako przykłady wykorzystania energii atomowej

Początek badań nad wcieleniem w życie pomysłu skonstruowania broni, której siła rażenia byłaby daleko większa od każdej znanej dotychczas broni sięga lat trzydziestych ubiegłego wieku. Szczególne starania podjęto dopiero w roku wybuchu drugiej wojny światowej. Wtedy to wielu znanych uczonych z całego świata dostało propozycję od prezydenta Stanów Zjednoczonych dotyczącą uczestnictwa w projekcie zmierzającym do budowy bomby atomowej. Wśród tych uczonych znaleźli się m.in. Albert Einstein, Enrico Fermi, Franck James, Niels Bohr, Arthur Compton, Robert Oppenheimer. Ten tajny projekt pod kryptonimem Manhattan rozpoczął się w roku 1942 . Całym przedsięwzięciem kierował Robert Oppenheimer. Główny ośrodek badawczy znajdował się w Los Alamos w stanie Nowy Meksyk. Natomiast początkowe badania przeprowadzano na Uniwersytecie w Chicago. Tam pracami nad rozszczepieniem jąder atomowych kierował Enrico Fermi. Wraz z pozytywnym rezultatem tych badań zaczęto poszukiwać najlepszego materiału rozszczepialnego, który mógłby stać się paliwem dla planowanej bomby atomowej. Początkowo pracowano z dwoma izotopami uranu: 235 i 239, a potem odkryto, że również wydajnym materiałem jest izotop plutonu. Kolejny etap badań obejmował prace nad siłami rażenia bomb zawierających poszczególne materiały rozszczepialne.

Nad projektem Manhattan oprócz rzeszy uczonych pracowało tysiące inżynierów. W konsekwencji w ciągu trzech lat skonstruowano pierwsza bombę atomową , którą zdetonowano po raz pierwszy na pustyni w stanie Nowy Meksyk. Było to dokładnie 16 lipca 1945 roku.

Niecały miesiąc po przeprowadzeniu pierwszych prób bomby atomowe zostały zrzucone na dwa miasta w Japonii, Hiroszimę i Nagasaki. Na Hiroszimę zrzucono bombę "Little Boy" zawierającą uran jako materiał rozszczepialny . Miało to miejsce 6 sierpnia 1945 roku. Natomiast na Nagasaki bomba spadła 9 sierpnia 1945 roku. Nosiła nazwę "Fatman".

W bezpośrednim wyniku wybuchu zginęło 120 tysięcy ludzi, natomiast wielu zmarło później w wyniku chorób wywołanych wybuchem. Miejsca eksplozji zamieniły się w tereny nie nadające się do jakiegokolwiek użytkowania. Ta tragedia pokazała jak wielką siłę niesie ze sobą broń jądrowa.

Z eksplozją każdej bomby atomowej związane są charakterystyczne zjawiska. Na początku w momencie wybuchu bomby emitowana jest duża ilość promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widzialnego. Widziane jest ono jako charakterystyczny błysk wybuchu. Olbrzymia energia , która w tym czasie się wydziela doprowadza do gwałtownego wzrosty temperatury całej materii, która znajduje się w zasięgu eksplozji. Temperatura panująca wtedy w miejscu wybuchu może sięgać milionów stopni C i dzięki temu powstaje plazma. Przyjmuje ona postać ognistej kuli, w której stopniowo plazma ulega wytopieniu. W wyniku tego w jej wnętrzu dochodzi do wytworzenia się próżni. Kula zaczyna wznosić się ku górze pociągając za sobą duże ilości pyłów i ziemi. Stopniowo dochodzi do uformowania charakterystycznej struktury zwanej grzybem atomowym. Kula przekształca się w obłok radioaktywny tworząc "kapelusz" grzyba natomiast słup pyłów tworzy "nóżkę".

Warto teraz zastanowić się co jest przyczyną tak ogromnej siły rażenia bomby atomowej. Okazuje się, że tych przyczyn jest kilka. Po pierwsze duże znaczenie odgrywa fala uderzeniowa. Jest to rozchodzące się kuliście od miejsca eksplozji zaburzenie akustyczne. Prędkość rozchodzenia się tego zaburzenia przewyższa prędkość dźwięku. Taka fala uderzeniowa niesie ze sobą dużą siłę powodująca olbrzymie zniszczenia.

Podczas wybuchu emitowane jest także promieniowanie świetlne oraz promieniowanie przenikliwe. W jego skład wchodzi promieniowanie elektromagnetyczne obejmujące promieniowanie gamma oraz rentgenowskie , a także cząstki naładowane czyli cząstki beta, alfa oraz jony. Promieniowanie to ma bardzo niekorzystny wpływ na organizmy żywe.

Izotopy promieniotwórcze i produkty ich rozpadów unoszone są w obłoku radioaktywnym na duże odległości zanim osiądą na powierzchni ziemi. Przez to mogą powodować skażenie promieniotwórcze terenów nawet bardzo odległych od miejsca wybuchu bomby atomowej.

Do czynników rażenia bomby atomowej należą także impulsy elektromagnetyczne, które są przyczyną zakłóceń pracy wielu urządzeń zasilanych energią elektryczną.

Jak już zostało wspomniane w bombie atomowej zostało wykorzystane zjawisko rozczepienia jąder atomowych. Wiadomo, że jądro atomowe składa się z nukleonów, które wzajemnie się przyciągają. Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon wzrasta wraz ze wzrostem liczby masowej. Ale tylko do wartości 50. Dzieje się tak ponieważ siły jądrowe są siłami krótkiego zasięgu i wraz ze wzrostem liczby nukleonów oddziaływania między odległymi cząstkami stają się coraz słabsze. Tak więc jeśli jądro ciężkie zostanie podzielone na dwa mniejsze jądra to w tych jądrach siły działające na nukleony są dużo większe. Jednocześnie masa tych dwóch jąder jest mniejsza od masy jądra wyjściowego. Ta różnica masy zostaje wydzielona w postaci energii rozszczepienia jądrowego. W celu zwiększenia prawdopodobieństwa rozszczepienia dokonuje się bombardowania jąder ciężkich neutronami o odpowiedniej energii. W reakcji rozszczepienia powstaje przeważnie kilka neutronów . Mogą one wywołać zatem kolejne reakcje rozszczepienia. Może zatem dojść do zapoczątkowania samopodtrzymującego się procesu zwanego reakcją łańcuchową. Do tego jednak konieczna jest odpowiednia ilość materiału rozszczepialnego zwana masą krytyczną. I teraz jeśli taki proces udaje się utrzymywać na stałym poziomie czyli jeśli liczba rozszczepień w jednostce czasu jest w miarę stała to wtedy ma miejsce kontrolowana reakcja łańcuchowa. Po raz pierwszy taką reakcję udało się przeprowadzić w roku 1942. dokonał tego Enrico Fermi. Jeśli masa materiału rozszczepialnego jest nadkrytyczna to wtedy wszystkie neutrony powstałe w wyniku pojedynczej reakcji rozszczepienia są źródłem więcej niż jednej reakcji wtórnej. Dochodzi do zapoczątkowania lawinowej reakcji łańcuchowej. Jest to reakcja przebiegająca błyskawicznie tak, że cały materiał może ulec rozszczepieniu w czasie krótszym od 0.001 sekundy. Ma to miejsce właśnie podczas eksplozji bomby atomowej.

Reakcje rozszczepienia wykorzystywane są także w reaktorach atomowych. Jednakże tam oczywiście zachodzi potrzeba kontrolowania reakcji jądrowych. Do tego celu wykorzystuje się specjalne elementy.

Jako paliwo w reaktorach jądrowych wykorzystuje się naturalne substancje promieniotwórcze czyli np. izotopy uranu 235,233 oraz izotop plutonu 239. Kontrola reakcji jądrowej zapewniona jest przez zastosowanie materiału, który absorbuje część wytworzonych w procesach rozszczepienia neutronów. Mogą to być np. pręty kadmowe. W reaktorach ilość tego moderatora jest regulowana w taki sposób, aby w trakcie samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej wytwarzany był stały strumień energii cieplnej, służący jako napęd turbin, które wytwarzają prąd elektryczny.

Ponieważ przekrój czynny na rozszczepienie dla neutronów prędkich jest mały dlatego zachodzi również konieczność ich spowalniania . Dlatego w reaktorach stosuje się również materiały zwane moderatorami. Może to być grafit lub bogata w deuter ciężka woda.

Jednym z typów reaktora atomowego jest reaktor wodny wrzący. W reaktorze tym dochodzi do zamiany wody w parę wodną, a proces ten spowodowany jest przez wytworzoną energię atomową. Miejscem procesu jest zbiornik ciśnieniowy. Ciśnienie powstałej pary to około 7MPa. Wykorzystywana jest ona do dostarczania energii do generatora. Energia ta jest niezbędna do generowania prądu elektrycznego. Wewnątrz zbiornika umieszcza się rdzeń, przez który przepuszczana jest woda. Woda ta ulega zamianie na parę wodną. Na każdy taki rdzeń składają się elementy paliwowe w ilości około 800 sztuk. Pojedyncze elementy obudowane są blaszanymi pojemnikami. Do wnętrza tych pojemników woda może się przedostać dzięki otworom wykonanym w dnie pojemnika. Woda , która przedostaje się do pojemnika ma kontakt z 64 prętami. Materiałem budulcowym tych prętów jest materiał rozszczepialny. Energia, która powstaje podczas procesu rozszczepiania jąder atomowych jest przekazywana wodzie.

Innym rodzajem reaktora jest reaktor wodny ciśnieniowy. W reaktorze tym nie dochodzi do wrzenia wody. Jest to możliwe dzięki ogromnemu ciśnieniu osiągającemu wartość około 15 MPa. W reaktorze tym wyróżnia się dwa obiegi wody: pierwotny i wtórny. Oba obiegi nie maja jednak kontaktu. Dzieje się tak dzięki specjalnemu elementowi zwanemu wytwornicą pary. W związku z przekazywaniem ciepła temperatura wody z obiegu pierwotnego spada z 330 do 290 stopni C. Po ochłodzeniu woda ta wraca do reaktora w celu ponownego nagrzania natomiast woda obiegu wtórnego, doprowadzona do wrzenia stanowi napęd turbiny w generatorze. W skład reaktora wodnego ciśnieniowego wchodzi w sumie 200 elementów paliwowych, z których każdy zawiera 300 prętów paliwowych z materiałem rozszczepialnym.

Oba reaktory należą do grupy reaktorów lekkich. Wynika to z faktu, iż jako moderator stosuje się nie wodę ciężką lecz zwykłą.

Innym typem reaktora jest reaktor powielający. Paliwem w takich reaktorach jest pluton 239. Jest on o tyle wygodny, że można go otrzymać bezpośrednio w reaktorach, z izotopu uranu.

Pierwszym na świecie reaktorem był reaktor zwany CP-1. Jego twórcą był Enrico Fermi. Reaktor ten rozpoczął pracę w grudniu 1942 roku w Chicago. Potem został przeniesiony do Argonne National Laboratory gdzie podjęto prace nad jego udoskonaleniem. Został ponownie uruchomiony już jako CP-2.

Natomiast w Polce w roku 1958 uruchomiono reaktor doświadczalny "Ewa". Mieści się on w Świerku na terenie Instytutu Badań Jądrowych.

Drugim reaktorem uruchomionym również w Świerku w roku 1974 jest reaktor "Maria".