Energia jądrowa… czym właściwie jest i dlaczego jest uważana za przyszłość?
Postaram się przybliżyć ten temat w sposób możliwie jak najprostszy. Z pewnością
pojawi się odrobina historii oraz elementów naukowych, ale obiecuję, że nic, co
będzie zbyt skomplikowane.
Czym jest energia jądrowa i skąd się wzięła?
Pionierem, dzięki któremu zaczęto rozumieć procesy jądrowe, był Ernest
Rutherford, Nowozelandczyk, który w 1919 roku przeprowadził pierwszy
eksperyment polegający na bombardowaniu cząstkami alfa azotu. W jego wyniku
azot przemienił się w tlen. To było pierwsze w historii sztuczne przekształcenie
jednego pierwiastka w inny. Choć badania Rutherforda pozwoliły zrozumieć naturę
reakcji jądrowych, ich znaczenie nie było jeszcze tak przełomowe jak to, co miało
nadejść dziewiętnaście lat później.
Zanim jednak do tego dojdziemy, cofnijmy się do roku 1932. Wtedy to fizyk, niemal
z przypadku, James Chadwick przeprowadził eksperyment polegający na
bombardowaniu berylu cząstkami alfa. W jego wyniku odkrył cząstkę pozbawioną
ładunku elektrycznego, zdolną „wejść” do jądra niemal każdego pierwiastka,
neutron. To właśnie neutrony miały zrewolucjonizować dalsze badania.
Dwa lata później, w 1934 roku, kolejny noblista, genialny fizyk Enrico Fermi,
rozpoczął bombardowanie różnych pierwiastków neutronami, w tym uranu.
Początkowo sądził, że odkrył pierwiastki cięższe od uranu, tzw. transuranowce.
Jednak cztery lata później okazało się, że wyniki jego eksperymentów były źle
zinterpretowane. Nie powstały pierwiastki cięższe, lecz…
Nadszedł czas przełomu. W 1938 roku Otto Hahn i Fritz Strassmann odkryli, że
podczas bombardowania uranu-235 neutronami dochodzi do jego rozszczepienia, a
w procesie uwalniana jest ogromna ilość energii oraz kolejne neutrony, które mogą
rozszczepiać kolejne jądra, czyli powstaje reakcja łańcuchowa. Hahn był jednak
chemikiem, nie do końca więc rozumiał, co tak naprawdę zaobserwował. Zwrócił
się więc o pomoc do Lise Meitner,genialnej fizyczki, która wspólnie z Otto Frishem
zinterpretowała dane i jako pierwsza wyjaśniła, czym naprawdę jest rozszczepienie
jądra atomowego.
Mimo ogromnego wkładu Meitner w to odkrycie, została całkowicie pominięta przy
przyznaniu Nagrody Nobla, co do dziś uważa się za jedną z największych
niesprawiedliwości w historii nauki.Wieść o tym przełomowym odkryciu szybko
obiegła świat. Istniała realna obawa, że Niemcy jako pierwsi zbudują bombe
atomową. Ostatecznie jednak nie udało im się stworzyć działającego reaktora
jądrowego.
Dlaczego energia jądrowa jest tak istotna?
Po odkryciu rozszczepienia jądra w 1938 roku, zaczęto dostrzegać wielki potencjał
energii uwalnianej podczas tego procesu. Ale dlaczego właśnie Uran-235, a nie np.
Uran-238, który występuje naturalnie w rudy Uranu w 99,03%? Odpowiedź jest dość
prosta: U-235 jest materiałem rozszczepialnym, co oznacza, że neutron może
„podzielić” jego jądro na dwa mniejsze kawałki, uwalniając przy tym ogromną ilość
energii. Problemem jest to, że U-235 w rudzie uranu występuje jedynie w zaledwie
0,7%, więc konieczne jest jego oddzielenie od U-238. Jest to proces energochłonny,
ale w skrócie polega na stosowaniu specjalnych wirówek oraz różnych reakcji
chemicznych.
Jak wielka jest energia jednego rozszczepienia?
Załóżmy, że mamy jeden neutron, który uderza w jądro U-235, rozszczepiając je na
dwa mniejsze fragmenty i uwalniając energię. Zgodnie z obliczeniami, jedno
rozszczepienie uwalnia około 200 MeV (Megaelektronowoltów) energii. Dla
porównania: 1 MeV to 1 milion elektronowoltów, a całość tej energii po
rozszczepieniu jądra to około 3,2 × 10^11 J (dżula), co na skalę makro wydaje się
bardzo mało. Jednak warto wziąć pod uwagę, że tych rozszczepień na sekundę w
reaktorze są miliardy, wręcz triliony! I to już daje potężną moc.
Energia z 1 g U-235 – co to oznacza w praktyce?
Przykład: 1 g U-235 to około 2,7 tony węgla kamiennego, który dostarcza 24 kWh
energii elektrycznej. To wystarczyłoby, by zasilić przeciętny dom przez około 10 lat!
Warto dodać, że laboratoria produkują znacznie więcej tego izotopu, aby zasilić
reaktory jądrowe, a tym samym produkować energię na masową skalę.
Dlaczego energia jądrowa jest tak potężna?
Energetyka jądrowa ma ogromny potencjał, który pozwala wyeliminować wiele
problemów energetycznych, takich jak zanieczyszczenie powietrza, emisja gazów
cieplarnianych czy uzależnienie od paliw kopalnych.
Co z bezpieczeństwem? Obawy związane z energią jądrową
Zdaję sobie sprawę, że pojawiają się obawy związane z bezpieczeństwem,
zwłaszcza po tragediach takich jak Fukushima czy Czarnobyl. Jakie mamy więc
zabezpieczenia?
1. System chłodzenia rdzenia – kluczowy element, który zapewnia, że
temperatura rdzenia nie wzrośnie do niebezpiecznego poziomu.
2. Odpowiednia konstrukcja rdzenia – zapobiega wydostawaniu się materiałów
radioaktywnych w przypadku awarii.
3. Systemy kontrolowania reakcji jądrowej – automatycznie zmieniają tempo
reakcji, zapewniając stabilność.
4. Osłony reaktora – wykonane z grubego betonu, ołowiu i innych materiałów
pochłaniających promieniowanie.
Nowoczesne reaktory jądrowe, w tym np. reaktory SMR (Small Modular Reactors),
są projektowane z myślą o mniejszych ryzykach i łatwiejszym zarządzaniu w
przypadku awarii. Dzięki 39-letniemu postępowi technologicznemu, nasze obecne
technologie są o wiele bardziej bezpieczne niż te stosowane w przeszłości.
Czy Polska potrzebuje elektrowni jądrowych?
Oczywiście, że tak. Z perspektywy rosnących potrzeb energetycznych,
ograniczonego dostępu do paliw kopalnych i ochrony środowiska, inwestycja w
energetykę jądrową jest koniecznością. Za kilka lat bedziemy zmuszeni “zgasic
światło”. Polska potrzebuje stabilnych i czystych źródeł energii, a energia jądrowa
to jedno z najpotężniejszych rozwiązań.
Nie bójmy się postawić na naszych niewidocznych bohaterów – atomy i ich jądra.
Autor felietonu:
Nazywam się Jakub Orłowski. Kilka słów o mnie — od momentu obejrzenia filmu Oppenheimer zakochałem się w fizyce jądrowej. Zacząłem intensywnie czytać na ten temat, oglądać filmy popularnonaukowe oraz rozwiązywać różne ciekawe zadania. Patrząc na wszystkie te liczby i zjawiska, zacząłem porównywać je do codziennego życia. Tak narodziły się przemyślenia, które przedstawiłem w powyższym felietonie.
Bibliografia i źródła:
Materiały dydaktyczne Oxford University;
grafiki Rafał Zakrzewski;
