Energia jądrowa — zastosowania

Wstęp — energia zamknięta w jądrze

W jądrze atomu, na maleńkiej przestrzeni, ściśnięte są protony i neutrony. Utrzymuje je razem ogromna siła. Gdy jądro zmienia swój skład podczas reakcji jądrowej, część tej „upakowanej" energii może się uwolnić — i to w ilościach nieporównywalnie większych niż przy spalaniu węgla czy benzyny.

Z jednego kilograma uranu można uzyskać tyle energii, co ze spalenia kilku ton węgla. Ta sama energia potrafi zasilić miasto w elektrowni jądrowej — albo, źle użyta, stać się groźną bronią. Ta sama zasada rozgrzewa też wnętrze Słońca.

W tej lekcji poznasz:

• reakcję rozszczepienia jądra uranu-235 i reakcję łańcuchową,
• zasadę działania elektrowni jądrowej oraz jej korzyści i zagrożenia,
• reakcję termojądrową (fuzję), dzięki której świecą Słońce i gwiazdy.

Rozszczepienie jądra uranu

Rozszczepienie to rozpad ciężkiego jądra na dwa lżejsze. Najważniejszym „paliwem" jest izotop uranu uran-235 ($^{235}_{92}\text{U}$).

Wygląda to tak: w jądro uranu uderza powolny neutron. Jądro pochłania go, staje się niestabilne i pęka na dwa mniejsze jądra (tzw. fragmenty rozszczepienia). Przy okazji wylatują 2–3 nowe neutrony oraz uwalnia się duża energia.

$$^{235}_{92}\text{U} + n \rightarrow \text{dwa lżejsze jądra} + 2{-}3\,n + \text{energia}$$

gdzie:

• $^{235}_{92}\text{U}$ — jądro uranu-235 (paliwo),
• $n$ — neutron (z lewej: ten, który wywołuje reakcję; z prawej: nowe neutrony),
• energia — uwolniona głównie jako energia ruchu fragmentów (czyli ciepło).

Skąd bierze się ta energia? Suma mas produktów jest odrobinę mniejsza niż masa jądra przed rozszczepieniem. Ten „ubytek masy" zamienia się w energię zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina $E = mc^2$ — nawet mikroskopijna masa daje ogromną energię, bo mnożymy ją przez kwadrat prędkości światła.

Rys. 1. Neutron trafia w jądro uranu-235; jądro pęka na dwa lżejsze, wyrzucając 2–3 nowe neutrony i dużą energię.

Reakcja łańcuchowa

Zauważ najważniejszą rzecz: jedno rozszczepienie wyzwala 2–3 neutrony. Każdy z nich może trafić w kolejne jądro uranu i wywołać następne rozszczepienie, które znów uwolni neutrony… i tak dalej. Powstaje reakcja łańcuchowa — lawina rozszczepień rozmnażających się jak efekt domina.

• Jeśli reakcja jest niekontrolowana (liczba rozszczepień rośnie gwałtownie), następuje wybuch — tak działa bomba atomowa.
• Jeśli reakcję kontrolujemy (część neutronów pochłaniamy, tak by średnio tylko jeden wywoływał następne rozszczepienie), energia uwalnia się powoli i równomiernie — tak działa elektrownia jądrowa.

Do kontroli służą pręty regulacyjne (np. z boru lub kadmu), które pochłaniają nadmiarowe neutrony. Wsuwając je głębiej, spowalniamy reakcję; wysuwając — przyspieszamy.

Rys. 2. W reakcji łańcuchowej neutrony z jednego rozszczepienia wywołują kolejne — liczba reakcji lawinowo rośnie.

Elektrownia jądrowa

Elektrownia jądrowa zamienia energię rozszczepienia na prąd elektryczny. Kluczowa idea jest zaskakująco prosta: rozszczepienia wytwarzają ciepło, którym podgrzewamy wodę, a para napędza turbinę połączoną z generatorem prądu.

Kolejne kroki:

1. W reaktorze zachodzi kontrolowana reakcja łańcuchowa rozszczepienia uranu — wydziela się ciepło.
2. Ciepło podgrzewa wodę, która zamienia się w parę wodną.
3. Para napędza turbinę.
4. Turbina obraca generator, który wytwarza prąd (to zjawisko indukcji elektromagnetycznej — jak w każdej elektrowni).

Zauważ: sama zamiana ciepła na prąd wygląda tak samo jak w elektrowni węglowej — różnica jest tylko w źródle ciepła (rozszczepienie zamiast spalania węgla).

Rys. 3. W elektrowni jądrowej ciepło z rozszczepienia wytwarza parę, ta napędza turbinę, a turbina — generator prądu.

Korzyści i zagrożenia

Reakcja termojądrowa — energia gwiazd

Istnieje też odwrotny sposób uwalniania energii jądrowej: łączenie (a nie rozbijanie) lekkich jąder. To reakcja termojądrowa, zwana też fuzją lub syntezą jądrową.

W Słońcu i innych gwiazdach jądra wodoru łączą się w hel, uwalniając gigantyczne ilości energii — to ona dociera do nas jako światło i ciepło Słońca. Fuzja wymaga jednak ogromnych temperatur (miliony stopni) i ciśnień, dlatego bardzo trudno ją odtworzyć na Ziemi. Naukowcy pracują nad reaktorami termojądrowymi, które mogłyby dać czystą i niemal niewyczerpaną energię w przyszłości.

$$\text{wodór} + \text{wodór} \rightarrow \text{hel} + \text{ogromna energia}$$

Rys. 4. W Słońcu jądra wodoru łączą się w hel (fuzja), uwalniając energię, która dociera do Ziemi jako światło i ciepło.

Zobacz to w symulacji

W symulacji zobaczysz reakcję łańcuchową. Wystrzel neutron w jądra uranu i obserwuj, jak rozszczepienia się rozmnażają. Suwakiem ustaw pręty regulacyjne: gdy pochłaniają dużo neutronów, reakcja wygasa (jak w bezpiecznym reaktorze); gdy mało — lawina rośnie gwałtownie.

Zadania krok po kroku

Zadanie 1 — po co neutrony?

Dlaczego reakcja rozszczepienia uranu może stać się reakcją łańcuchową?

Krok 1. W jednym rozszczepieniu, oprócz energii, uwalniają się 2–3 nowe neutrony.

Krok 2. Każdy taki neutron może trafić w kolejne jądro uranu i wywołać następne rozszczepienie.

Odpowiedź: Bo neutrony z jednego rozszczepienia wywołują kolejne rozszczepienia — reakcja sama się podtrzymuje i rozmnaża (łańcuchowo).

Zadanie 2 — reaktor kontra bomba

Czym różni się reakcja w elektrowni jądrowej od tej w bombie atomowej?

Krok 1. W bombie reakcja jest niekontrolowana — liczba rozszczepień lawinowo rośnie, energia uwalnia się w ułamku sekundy (wybuch).

Krok 2. W reaktorze reakcję kontrolujemy prętami regulacyjnymi, które pochłaniają nadmiar neutronów, tak by średnio tylko jeden wywoływał kolejne rozszczepienie.

Odpowiedź: W elektrowni reakcja jest kontrolowana i powolna, a w bombie — niekontrolowana i gwałtowna.

Typowe błędy — uważaj!

1. Mylenie rozszczepienia z fuzją. Rozszczepienie = rozbijanie ciężkiego jądra (uran); fuzja = łączenie lekkich jąder (wodór → hel, w gwiazdach).
2. „Elektrownia jądrowa działa zupełnie inaczej niż węglowa." Nie — obie zamieniają ciepło na prąd przez parę, turbinę i generator; różni je tylko źródło ciepła.
3. „Elektrownia jądrowa dymi jak węglowa." Nie — nie spala paliwa i nie emituje $\text{CO}_2$; „dym" z chłodni kominowych to para wodna. Problemem są odpady promieniotwórcze.
4. „Pręty regulacyjne to paliwo." Nie — pręty regulacyjne pochłaniają neutrony i sterują reakcją; paliwem jest uran.
5. „Fuzję łatwo wykorzystać na Ziemi." Nie — wymaga milionów stopni; jak dotąd nie mamy elektrowni termojądrowej, choć trwają nad nią prace.

Podsumowanie

• Rozszczepienie: neutron rozbija ciężkie jądro (uran-235) na dwa lżejsze, uwalniając 2–3 neutrony i dużą energię (kosztem niewielkiego ubytku masy, $E = mc^2$).
• Reakcja łańcuchowa: neutrony z jednego rozszczepienia wywołują kolejne. Niekontrolowana → wybuch; kontrolowana (pręty regulacyjne) → elektrownia.
• Elektrownia jądrowa: ciepło z rozszczepienia → para → turbina → generator → prąd. Nie emituje $\text{CO}_2$, ale tworzy odpady promieniotwórcze.
• Reakcja termojądrowa (fuzja): łączenie lekkich jąder (wodór → hel) zasila Słońce i gwiazdy; na Ziemi wymaga ekstremalnych warunków.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i sprawdź, ile zapamiętałeś: Quizy — fizyka jądrowa.

Dalsza lektura

• Budowa atomu — czym są jądro, nukleony i izotopy.
• Promieniotwórczość — rozpady jąder i promieniowanie jonizujące.