Źródła energii jądrowej
Autor:
Ludwik Dobrzyński,
współpraca:
Oleg Utyuzh,
Ewa Droste,
Wojciech Trojanowski
Energia jądrowa jest energią wyzwalaną w jednym z trzech procesów jądrowych:
- spontanicznym rozpadzie jądra (włączając spontaniczne rozszczepienie)
- reakcji rozszczepienia
- reakcji syntezy jądrowej (termojądrowej)
Emisja energii jest sposobem pozbycia się przez jądro posiadanego nadmiaru energii. Na przykład, izotop promieniotwórczy może spontanicznie zmniejszyć swą energię w wyniku rozpadu (promieniotwórczego). Czasem jednak jądro wymaga pewnego pobudzenia, otrzymania energii z zewnątrz. Tak dzieje się w wypadku reakcji rozszczepienia (w niektórych jądrach rozszczepienie następuje także spontanicznie). Czasem konieczną rzeczą dla wywołania emisji energii jest zajście reakcji jądrowej, np. syntezy.
Dżul (1 J) jest zbyt wielką energią, aby nią opisywać energie jądrowe. W opisie energii jądrowych używamy megaelektronowoltów ( MeV), przy czym 1 MeV = 106 eV; 1 eV = 1.6606×10-19J
Największa energia, wyzwalana w pojedynczym procesie jądrowym, jest obserwowana w procesie rozszczepienia jądra. W wypadku rozszczepienia 235U energia ta wynosi około 200 MeV. W skali energii typowych dla jąder atomowych jest to duża energia. Porównajmy dla przykładu kilka innych energii:
- energia wyzwalana podczas spalania jednego atomu węgla, to około 4 eV, a więc około 50 milionów razy mniejsza!
- typowe energie cząstek alfa i beta pochodzących z naturalnych źródeł promieniotwórczych, to kilka MeV
- typowa energia wyzwalana w reakcji termojądrowej jest rzędu 20 MeV.
Wyzwalaną energię jądrową można obliczyć ze zmiany masy układu: masa produktów reakcji jest bowiem mniejsza niż wyjściowa masa jądra lub cząstek reagujących ze sobą. Energia związana ze znikającą masą jest zamieniana (zgodnie ze słynną relacją Einsteina masa-energia) na energię kinetyczną produktów reakcji. Jeśli jądro tworzone jest w wyniku "sklejania" nukleonów ze sobą, jego masa jest mniejsza niż suma mas tych nukleonów na swobodzie. Efekt ten znany jest pod nazwą defektu masy
Jeśli reakcję jądrową zapiszemy w postaci:
a+A → b+B,
Δm=(mA + ma)-(mb + mB)
Defekt masy jest na ogół małym ułamkiem masy jądra wyjściowego (tzw. jądra-tarczy) A. Niemniej jednak ze względu na dużą wartość członu c2 (gdzie c = 3 × 108 m/s jest prędkością światła) w relacji Einsteina energia-masa, E = mc2 , ta maleńka różnica mas odpowiada w typowej reakcji jądrowej energiom rzędu kilkudziesięciu MeV i wzrasta do około 200 MeV w reakcji rozszczepienia 235U przez neutron. Dla porównania: 1 jednostka masy atomowej (1/12 masy atomowej 12C) jest równoważna energii 931,5 MeV.
Defekt masy jest całkiem ogólną własnością układów związanych. Pierwiastki chemiczne łączą się ze sobą, gdyż to pozwala im obniżyć całkowitą energię. Tak więc masa układu związanego jest mniejsza niż suma mas jego składowych, np. masa jądra jest mniejsza od sumy mas nukleonów tworzących to jądro. Obserwowany defekt masy związany jest z przemianą masy na tzw. energię wiązania, tj. energię, którą należy dostarczyć do jądra, aby rozszczepić je na poszczególne nukleony. Zgodnie z tym mechanizmem, gdy jądro tworzy się z indywidualnych nukleonów, zostaje wyzwolona energia wiązania. Energia ta jest równoważna defektowi masy.
Energia jądrowa jest wyzwalana w formie energii kinetycznej emitowanych cząstek i energii promieniowania elektromagnetycznego (promieni gamma). Cząstki spowalniane są w materii wskutek zderzeń. Ich energie są przekazywane atomom materii, co powoduje wzrost energii wewnętrznej ośrodka i jego temperatury. Właśnie z tego powodu bryłka materiału promieniotwórczego ma z reguły temperaturę wyższą od temperatury otoczenia.
Ludwik Dobrzyński jest profesorem fizyki, specjalistą z zakresu fizyki ciała stałego badanej metodami jądrowymi. Kieruje Zakładem Fizyki Ciała Stałego w Instytucie Fizyki Doświadczalnej na Uniwersytecie w Białymstoku, gdzie jest zatrudniony na stanowisku profesora zwyczajnego. W Instytucie Problemów Jądrowych im. A.Sołtana w Świerku kieruje Działem Szkolenia i Doradztwa.
Oleg Utyuzh jest doktorem fizyki, specjalistą z zakresu fizyki wysokich energii, zatrudnionym w Instytucie Problemów Jądrowych im. A.Sołtana w Warszawie.