wspólny cel... Energia jądrowa Juliusz Domański

Transkrypt

1 Energia jądrowa Juliusz Domański strona 1/5 Historia energii jądrowej zaczyna się od odkrycia Henriego Becquerela z 1868 roku, który zbadał, że związki uranu wysyłają niewidoczne promieniowanie zaczerniające kliszę fotografi czną i jonizujące powietrze. Odkrycie to otworzyło nowe, rozległe pole badań, które zostały podjęte przez bardzo wielu fi zyków. Na przykład Maria Skłodowska wraz z Piotrem Curie zbadali wszystkie znane pierwiastki, czy niektóre z nich nie przejawiają podobnych własności. Zauwa żyli je u toru. Wyodrębnili także z rudy uranowej dwa nowe, nieznane dotąd pierwiastki rad i polon. Ich promieniowanie było wielokrotnie silniejsze od promieniowania uranu. Maria i Piotr Curie wprowadzili też nowy termin radioaktywność. Już rok później Ernest Rutherford wyróżnił dwie składowe tego promieniowania, łatwo absorbowalne promienie i bardziej przenikliwe promienie. W 1900 roku Paul Villard zidentyfi kował trzecią składową promieniowania promieniowanie. Wkrótce okazało się, że promienie to strumień elektronów, a w 1903 roku Rutherford stwierdził, że promienie to jony helu. Rok później Wiliam Ramsay i Frederick Soddy ustalili, że hel występuje w związkach radu. Stało się prawdopodobne, że hel w jakiś sposób powstaje z radu. Również w tym roku Piotr Curie i Antoine Laborde zauważyli, że sole radowe mają zawsze wyższą temperaturę od otoczenia. Udało się też ustalić, że gram radu wydziela około 580 J/godz. Przez długi czas nie można było określić, skąd się bierze ta energia. Pominiemy teraz wiele odkryć z lat następnych. Zauważymy tylko, że coraz mocniejsze było przekonanie, iż w czasie rozpadów promieniotwórczych zachodzi przemiana jednych pierwiastków w inne. Coraz słabsze zaś było przeświadczenie, że atomy są niezniszczalne i nie można ich produkować. W pewnym sensie odżyły marzenia alchemików o znalezieniu sposobu wytwarzania nowych pierwiastków (w przypadku alchemików chodziło wyłącznie o wytwarzanie złota). Pierwsza taka przemiana udała się Ernestowi Rutherfordowi w 1919 roku. Przy naświetlaniu azotu cząstkami zauważył on wyzwalanie się protonów o dużym zasięgu. Zdjęcia wykonane w komorze Wilsona wykazały, że z punktu, w którym kończył się ślad cząstki (zderzenie cząstki z atomem azotu), wychodzą dwa nowe ślady długi ślad protonu i krótki ślad, który zidentyfi kowano jako ślad powstałego atomu tlenu o liczbie masowej 17. W 1967 roku po raz pierwszy uruchomiłem na lekcji komorę Wilsona. Dwaj uczniowie pozostali po zajęciach i jeszcze przez dwie godziny wypatrywali podobnej reakcji. Nie udało się. Dziś obaj mają tytuły profesorskie i pracują w instytucie fi zyki. Kolejne odkrycie, które przyczyniło się do dalszego, szybszego postępu badań to odkrycie w 1932 roku przez Jamesa Chadwicka nowej cząstki neutronu. Neutron okazał się drugim, po protonie, składnikiem jąder atomowych. Ma w przybliżeniu tę samą masę co proton, jednak nie ma ładunku elektrycznego. W 1934 roku Enrico Fermi zapoczątkował wykorzystanie neutronów do bombardowania innych jader. Okazały się bardzo skutecznymi pociskami mają wystarczająco dużą masę i nie mają ładunku elektrycznego, dzięki czemu nie są odpychane przez dodatni ładunek jąder. Liczba wytwarzanych w ten sposób jąder atomowych wzrosła do wielu setek i wszystkie miejsca układu okresowego zapełniły się izotopami (trwałymi lub promieniotwórczymi). W 1938 roku Otto Hahn i Fritz Strassman zauważyli nowy proces uran bombardowany neutronami rozpada się na dwa pierwiastki położone mniej więcej w połowie układu okresowego. Rok później Lise Meitner i Otto Frisch zmierzyli wyzwalającą się w tym procesie energię.

2 strona 2/5 Po uzyskaniu doktoratu z fi zyki w 1905 roku wspólnie z młodszym o rok chemikiem, Otto Hahnem, Lise Meitner zaczęła badać promieniotwórczość w małym laboratorium, które urządzono w piwnicy instytutu chemii. Dyrektor instytutu, łamiąc ówczesne kanony, zezwolił Lise prze bywać w tej piwnicy, pod warunkiem że będzie używała osobnego wejścia i nigdy nie wejdzie na wyższe piętra, gdzie jedynymi tolerowanymi kobietami były sprzątaczki. Nawet do toalety musiała wychodzić do hotelu po drugiej stronie ulicy. Jest to bardzo duża energia. Wynosi ona około 3, J. To mniej, niż wydatkuje komar na jedno machnięcie skrzy dełkami. Ale 1 g uranu 235 (U235) to około 2, atomów. Zatem rozszczepienie wszystkich atomów w 1 g uranu dostarczy energię: E = 2, , = J = kwh To tyle, ile uzyskamy, spalając 2,5 tony dobrego węgla. Rok 1939 możemy uważać za początek ery energii atomowej. Wiedziano również, że reakcja rozszczepienia przebiega następująco: U n U 236 X z + Y w + 2n X i Y to różne pierwiastki z około połowy układu okresowego, często promienio twórcze. Jest więc możliwa samopodtrzymująca się reakcja lawinowa. Jednak w tym samym roku sytuacja na świecie zaczęła się dramatycznie zmieniać. 1 września Niemcy atakiem na Polskę zaczynają II wojnę światową. Ostatnie oddziały polskie zostają rozbite 5 października. 17 września Rosjanie zaatakowali Polskę i w porozumieniu z Niemcami okupowali znaczną część kraju. 9 kwietnia 1940 roku Niemcy atakują Danię, opanowują ją po krótkim oporze i przerzucają wojska do Norwegii. Do 10 czerwca podbijają całą Norwegię. 10 maja tego roku atakują Belgię i Holandię, a następnie wkraczają do Francji. Do wojny po stronie Niemiec włączają się Włosi. Już 17 czerwca Francja kapituluje. W sierpniu rozpoczyna się bitwa o Anglię. W kwietniu 1941 roku Niemcy wkraczają na Bałkany i zajmują Jugosławię i Grecję. Do wojny po stronie Niemiec włączają się Węgry, Rumunia, Bułgaria i Finlandia. 22 czerwca rozpoczyna się atak na Związek Radziecki dotychczas współpracujący z Niemcami. 7 grudnia 1941 roku Japonia atakuje stany Zjednoczone Ameryki i w początkowej fazie odnosi znaczne sukcesy. 11 grudnia 1941 roku Niemcy wypowiadają wojnę Stanom Zjednoczonym. Wróćmy jednak do fi zyki. Opisane dotąd odkrycia nie były utajniane i fi zycy wszystkich krajów dysponowali podobną wiedzą. Fizyka niemiecka stała na bardzo wysokim poziomie i można się było obawiać, że Niemcy będą usilnie pracować nad wykorzystaniem energii jądrowej do zbudowania bardzo groźnej broni. Z grona państw biorących udział w wojnie zdecydowanie największym potencjałem dysponowały Stany Zjednoczone, jednak ich armia nie była przygotowana do działań na większą skalę. Ponadto musiała dzielić siły między dwa fronty, w Azji i w Europie. Fizyka amerykańska nie reprezentowała zbyt wysokiego poziomu. Amerykanie mieli jednak kilku świetnych fi zyków, m.in. Ernesta Lawrance a, Roberta Oppenheimera i Louisa Alvareza. Na szczęście w Stanach, z różnych powodów, znalazło się wielu wybitnych fi zyków europejskich, nawet z krajów będących w stanie wojny po stronie Niemiec, ale obawiających się zwycięstwa Hitlera. Byli to m.in. Hans Bethe, Albert Einstein, Klaus Fuchs, Otto Stern, Maria Geppert (Niemcy), Enrico Fermi, Emilio Segre (Włosi), Stanisław Ulam, Józef Rotblad, Stanisław Mrozowski (Polacy), Leo Szilard, Eugene Wigner, John von Neumann (Węgrzy), Erwin Schrödinger, Otto Frisch (Austriacy). Ponadto do dyspozycji mieli wielu wybitnych fi zyków angielskich.

3 strona 3/5 Zaczęto się zastanawiać nad możliwością zbudowania bomby atomowej. W tym czasie w Niemczech pracami nad jej budową kierował uczeń Nielsa Bohra Werner Heisenberg. Werner Heisenberg był przeciwny używaniu przy opisie przyrody zbyt abstrakcyjnych pojęć. W pewnej rozmowie, gdy Felix Bloch stwierdził: Przestrzeń jest po prostu polem operacji liniowych, Heisenberg odpowiedział: To absurd. Przestrzeń jest niebieska i fruwają w niej ptaki. W 1941 roku, kiedy Dania była okupowana przez Niemcy, Heisenberg odwiedził Bohra w Kopenhadze, dzięki czemu ten miał pewną wiedzę na temat hitlerowskich planów. W 1943 roku Bohr uciekł do Szwecji, skąd przedostał się do Londynu, a następnie do Stanów Zjednoczonych. Nie wiemy, kiedy przekazał swoje informacje aliantom. Niezależnie od tego Szilard i Wigner, zdając sobie sprawę z możliwości Niemiec, przekonali Einsteina do napisania do prezydenta Roosvelta: Szanowny Panie! Najnowsze prace Enrica Fermiego i Leo Szilarda, które przedstawiono mi w postaci rękopisu, pozwalają oczekiwać, że w najbliższej przyszłości pierwiastek uran może stać się nowym ważnym źródłem energii. Pewne aspekty zaistniałej sytuacji wymagają czujności i jeśli okaże się to konieczne, szybkiego działania ze strony rządu. Dlatego zamierzam zwrócić Pana uwagę na następujące fakty i zalecenia. W ciągu ostatnich czterech miesięcy stało się prawdopodobne, że dzięki pracom Joliota we Francji oraz Fermiego i Szilarda w Ameryce uda się doprowadzić do jądrowej reakcji łańcuchowej w dużej masie uranu, w której wyniku powstaną olbrzymie ilości energii i znaczna obfi tość nowych pierwiastków przypominających rad. Wydaje się niemal pewne, że dojdzie do tego w najbliższej przyszłości. Nowe zjawisko umożliwi konstruowanie bomb i nie jest wykluczone choć mniej pewne że mogą w ten sposób powstać niezwykle potężne bomby nowego typu. Jedna taka bomba, przewieziona na statku i zdetonowana w porcie, zniszczyłaby cały port wraz z częścią otaczającego go obszaru. Prezydent odpisał: Drogi Profesorze! Chciałbym podziękować za Pana list z niezwykle ważnymi i interesującymi informacjami. Uznałem je za tak istotne, że powołałem radę, złożoną z szefa Biura Standardów oraz wybitnych przedstawicieli sił zbrojnych, których zadaniem będzie wszechstronne zbadanie wszystkich aspektów pańskich sugestii do tyczą cych uranu. Proszę przyjąć moje najszczersze wyrazy podziękowania. Rzeczywiście podjęto pracę nad wykorzystaniem energii jądrowej do celów wojennych, jednak wyasygnowano na to bardzo małą kwotę i prace posuwały się niemrawo. Dopiero w 1942 roku powołano tzw. projekt Manhattan i badania nabrały tempa. Projekt realizowanego na zlecenie rządu USA w ośrodkach badawczych uniwersytetów w Nowym Jorku (Columbia University), w Chicago i stanowego uniwersytetu kalifornijskiego. W projekcie brało udział około 125 tys. osób, koszty jego przeprowadzenia wyniosły 2 mld dolarów. Rozpoczęcie projektu Manhattan było możliwe dzięki dostarczeniu w 1940 roku z Kongo do USA 1250 ton bogatej rudy uranowej. Należało wykonać gigantyczną pracę, często nieznanymi dotychczas meto dami, które trzeba było dopiero opracować. Jedno z zadań polegało na opracowaniu metody wzbogacania uranu i to na wielką skalę. Jak już wspomnieliśmy, materiałem rozszczepialnym jest U235. Niestety w rudzie uranowej jest go zaledwie 0,7%; reszta to U 238 i zanieczyszczenia. W 1942 roku zbudowano całe miasto Oak Ridge i zakłady wzbogacania uranu w oddaleniu od innych ośrodków. Do 1947 roku obszar miasta

4 strona 4/5 zamieszkałego przez 75 tys. ludzi był ogrodzony wysokimi płotami. Oczywiście wszystkie działania otoczono ścisłą tajemnicą. Do prac badawczych był też niezbędny grafi t o niezwykłej, niespotykanej dotąd czystości, a także ciężka woda, której produkcję opanowano już przed wojną. Dowodem na to, że Niemcy także prowadzą pracę nad konstrukcją bomby atomowej, było wykrycie w 1942 roku wybudowanej przez Niemców w Norwegii fabryki ciężkiej wody. Chcąc opóźnić pracę, postanowiono tę fabrykę zniszczyć, ale akcja norweskich komandosów w 1942 roku się nie udała. Ponowiono ją w lutym 1943 roku: dziesięciu komandosów przedostało się do fabryki i zniszczyło urządzenia do produkcji i półtorej tony ciężkiej wody. Jednak już w kwietniu Niemcy odbudowali fabrykę i wznowili produkcję. 16 listopada Amerykanie zbombardowali fabrykę, lecz zniszczenia były niewielkie. W styczniu 1944 roku Niemcy zdemontowali fabrykę i postanowili wraz z zapasem wyprodukowanej ciężkiej wody (16 ton) przewieźć ją do Niemiec. Tym razem norweskim komandosom się powiodło i zatopili prom przewożący ciężką wodę. Jednym z koniecznych działań było przebadanie reakcji rozszczepienia. W tym celu w Chicago zbudowano pierwszy doświadczalny reaktor atomowy (rys. 1). Budową kierował Enrico Fermi. Jego sytuacja w Stanach stała się bardzo niety powa. Po wypowiedzeniu wojny Stanom Zjednoczonym przez Niemcy (i sprzymierzone Rys. 1 z nimi Włochy) Fermi stał się wrogim cudzoziemcem i obowiązywały go dość restrykcyjne przepisy, mocno ograniczające jego swobodę. Jednak ceniono jego wiedzę i zaan gażowanie, dlatego powierzono mu wykonanie bardzo ważnych i supertajnych prac. Były na tyle tajne, że nawet nie istnieje żadne zdjęcie reaktora (tylko wykonane później rysunki). Reaktor pracował z mocą 200 W i potwierdził przewidywania teoretyczne. Główne prace konstrukcyjne nad bombą atomową odbywały się pod kierownictwem Oppenheimera w Los Alamos (około 6 tys. naukowców). Pierwszą kontrolowaną reakcję łańcuchową przeprowadzono 16 lipca 1945 roku w Trinity, obok bazy lotnictwa w Alamogordo. Bomby były gotowe już po kapitulacji Niemiec. Wykorzystano je podczas nalotów lotniczych na Hiroszimę i Nagasaki (6 i 9 sierpnia 1945 r.). Japonia natychmiast skapitulowała. Badania nad bombą atomową rozpoczęto również w Związku Radzieckim. W 1941 roku Stalin otrzymał dokładniejsze informacje o zainteresowaniach Amerykanów rozszczepieniem uranu. Powołano specjalny zespół partyjno-rządowy do przeprowadzenia konsultacji z najlepszymi rosyjskimi fi zykami. Jednak w czerwcu 1941 roku Rosja została zaatakowana przez Niemcy i prace zostały przerwane. W 1943 roku Stalin nakazał ich wznowienie. Główne zadania otrzymał wywiad, który miał zdobyć jak najwięcej informacji o bardziej zaawansowanych pracach amerykańskich. Podobno Klaus Fuchs przekazał im dość dokładne plany bomby amerykańskiej (po wojnie Fuchs został osądzony i skazany na 14 lat więzienia). Prace znacznie przyspieszyły, tym bardziej że włączono do nich wielu specjalistów z pokonanych Niemiec. W 1949 roku bomba była gotowa i 29 sierpnia dokonano próbnej eksplozji. Mimo że do eksplozji doszło w pełnej tajemnicy wykryły ją amerykańskie samoloty szpiegowskie. Już 23 września prezydent Harry Truman powiadomił o niej cały świat. Dziś broń jądrową, poza USA i Rosją, mają Anglia, Francja, Chiny, Indie, Pakistan i Korea Północna. A możliwość jej wyprodukowania jest w zasięgu wielu krajów.

5 strona 5/5 Na tym nie koniec. Wiadomo było, że energię jądrową można uzyskać nie tylko w reakcjach rozszczepienia, lecz także w reakcjach syntezy: H 2 + H 2 H 3 + p H 2 + H 2 He 3 + n H 2 + He 3 He 4 + p H 2 + H 3 He 4 + n Przy czym wyzwalana energia przypadająca na jeden nukleon jest tu około trzykro tne więk sza od energii wyzwalanej w reakcji rozszczepienia. W 1946 roku sytuacja na świecie znowu się skomplikowała. Zaczęła się tzw. zimna wojna, trwająca do rozpadu ZSRR w 1991 roku. Intensywne zbrojenia nadal trwały. Edward Teller przeforsował plan budowy znacznie silniejszej bomby wodorowej, opartej na reakcji syntezy. 1 listopada 1952 roku amerykańscy fi zycy pod kierunkiem Edward Tellera i Stanisława Ulama doprowadzili na atolu Eniwetok do pierwszego wybuchu bomby termojądrowej. Siłę wybuchu oszacowano na około 700 bomb zrzuconych na Hiroszimę. Rok później podobnego wybuchu dokonali Rosjanie. Konstrukcja tej bomby jest określana jako Teller-Ulam design. Już w 1954 roku w Obnińsku w Związku Radzieckim powstała elektrownia o mocy 5 MW zasilana reaktorem wykorzystującym reakcje rozszczepienia. Co prawda energia elektryczna była tu tylko produktem ubocznym, zasadniczą rolą reaktora była produkcja plutonu do budowy bomb. Niemniej rozpoczęła się wówczas era energetyki jądrowej. Wkrótce powstało wiele elektrowni w wielu krajach. Jej rozwój mocno zahamowała awaria elektrowni w Czarnobylu w 1986 roku. Również Polska zrezygnowała wówczas z budowy elektrowni atomowej w Żarnowcu. Kolejne zahamowanie nastąpiło w 2011 roku po zniszczeniu przez tsunami elektrowni w Fukushimie w Japonii. Jednak obawy są w dużym stopniu irracjonalne, ponieważ takich elektrowni jak w Czarnobylu od dawna się nie buduje. Współczesne są w pełni bezpieczne. Jedynym problemem są niebezpieczne odpady promieniotwórcze, dlatego rozwiązaniem byłyby reaktory oparte na reakcji syntezy, ale tego problemu od lat nie udaje się przezwyciężyć.