Reakcje jądrowe,
masa krytyczna, reaktory jądrowe

Reakcja łańcuchowa

 Uran 235 rozpadając się emituje średnio 2,6 neutrona. Neutrony mogą po zmniejszeniu swojej prędkości mogą być pochłaniane przez następne jądra prowadząc do powstania uranu 236, który w krótkim czasie rozpada się i również wyrzuca neutrony. W taki sposób ilość neutronów i ilość rozpadających jąder rośnie lawinowo. Reakcję tego typu nazywamy reakcją łańcuchową.

Obecnie potrafimy inicjować reakcje łańcuchowe dla ²³³U ²³⁵U i ²³⁹Pu. Trwają prace nad wykorzystaniem toru Th.

Budowa bomby atomowej

Broń atomową produkuje się z uranu 235 lub plutonu 239. Podstawowym warunkiem zapoczątkowania reakcji łańcuchowej prowadzącej do wybuchu jest uzyskanie tzw. masy krytycznej materiału rozszczepianego. Po przekroczeniu tej masy materiał rozszczepialny ulega gwałtownej reakcji łańcuchowej obserwowanej jako wybuch. Części uranu lub plutonu łączone są za pomocą wybuchu tradycyjnego materiału wybuchowego.

Siła i koszty broni jądrowej

Siłę broni jądrowej określa się za pomocą równoważnika trotylu czyli ilości trotylu, który dałby identyczny efekt co bomba atomowa. Pierwsza bomba miała około 15kt TNT, a druga 20kt. Obecnie konwencjonalne bomby atomowe mogą mieć różną moc w zależności od ilości materiału rozszczepialnego użytego do jej konstrukcji i mogą osiągać kilkaset kt (kilo ton). Jednak podstawą obecnego arsenału są bomby termojądrowe.

Pierwsza zrzucona bomba atomowa 'Little Boy' zrzucona na Hiroszimę kosztowała około 120 mln $, na obecne czasy byłoby to około 2 mld $. Obecnie koszt ten jest znacznie niższy, ale liczony w setkach mln $, dlatego tylko niektóre kraje mogą sobie pozwolić na ich wytwarzanie.

Skutki użycia broni jądrowej

Największa broń termojądrowa oceniana jest na 150 Mt TNT, co prawdopodobnie wystarczyłoby na zniszczenie aglomeracji Londynu. Ilość arsenału jakie mają wszystkie państwa wystarczyłoby do zniszczenia całej Ziemi.

Broń jądrowa w czasie wybuchu jest wstanie zabić miliony ludzi poprzez ciepło i promieniowanie. W Hiroszimie i Nagasaki zginęło po około 70000 osób. Współczesne bomby są jednak znacznie bardziej niebezpieczne. Po wybuchu działanie bomby nie kończy się. Rozrzucone materiały rozszczepiane powodują skażenie terenu na wiele lat, powodując choroby popromienne i różne odmiany raka.

Budowa reaktora atomowego

Reaktor jądrowy składa się z komory ciśnieniowej otoczonej moderatorem (najczęściej ciężka woda lub grafit). Do środka wkłada się pręty paliwowe z kapsułkami uranu oraz pręty wykonane z kadmu. Regulacja szybkości reakcji jądrowej odbywa sił poprzez regulacji głębokości zanurzenia prętów paliwowych i kadmowych. Pręty kadmowe pochłaniają neutrony i hamują szybkość rozszczepień. Moderator odbija neutrony do środka i spowalnia je dzięki czemu jądra uranu mogą je wychwycić i rozszczepić się.

Elektrownia jądrowa

Elektrownia jądrowa działa podobnie do konwencjonalnej elektrowni węglowej. Jednak zamiast energii węgla wykorzystuje się ciepło powstające w reaktorze z reakcji rozszczepienia. Dla bezpieczeństwa używa się też dwóch obiegów wody i uszkodzenie jednego z nich nie powoduje wycieku substancji radioaktywnych.

Deficyt masy paliwa jądrowego

Zgodnie z Teorią Względności energia każdego ciała opisana jest wzorem: E = m·c² gdzie m - masa relatywistyczna ciała, a c - prędkość światła w próżni. Dla spoczywającego ciała jego energia wynosi: E_s = m₀·c² gdzie m₀ - masa spoczynkowa ciała. W reakcjach rozszczepienia masa zmniejsza się zamieniając w energię. Produkty rozszczepienia są w sumie lżejsze niż jądro które się rozszczepiło. Energię wydzieloną w przy rozszczepieniu obliczymy ze wzoru: ΔE = Δm·c² , gdzie Δm - ubytek masy ciała. Jeden rozpad jądra uranu daje około 207MeV energii. Dla bomby atomowej o energii 50kt TNT (1 t TNT to ok. 4 GJ), 50·1000·4GJ = 200 TJ (T [tera] - 10¹²)

Przeliczając to ze wzoru:  ${\displaystyle \Delta m=\frac{\Delta E}{c^2}=\frac{200\cdot {10}^{12}J}{9\cdot {10}^{16}\frac{m^2}{s^2}}\approx 2g}$ Tyle masy uranu znika po wybuchu.

Wykorzystanie reaktorów w Polsce i okolicach

Po prawej: Polska posiada obecnie jeden czynny reaktor jądrowy nazywany "Maria" w Świerku. Służy do produkcji radioizotopów dla medycyny i techniki oraz jako reaktor badawczy. Wcześniej mieliśmy też inne reaktory, a obecnie planuje się budowę elektrowni atomowej.

Po lewej: Elektrownie atomowe w pobliżu Polski

Produkcja energii jądrowej na świecie

Bogate kraje posiadają sporo elektrowni atomowych i zaspakajają one dużą część ich zapotrzebowania energetycznego.

Koszt wytworzenia energii w elektrowni jądrowej jest jednym z najniższych w energetyce. Minusem jednak jest obawa o bezpieczeństwo. W razie katastrofy skutki jej mogą być bardzo tragiczne.

Udział państw w światowej produkcji energii jądrowej