Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski

Ilustracje na okładce: wlad074/Adobe Stock

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Izabela Mika

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Bystrzycka (magdalena.lewocka@pwn.pl)
Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Recenzent: dr inż. Krzysztof Rzymkowski
Stowarzyszenie Ekologów na Rzecz Energii Nuklearnej

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2024

ISBN 978-83-01-23353-2
https://doi.org/10.53271/2023.165

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288; infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl, reklama@pwn.pl
www.pwn.pl

Słowo wstępne

Konieczna w długim horyzoncie czasowym transformacja energetyczna źródeł wytwórczych w Polsce, wynikająca między innymi z zobowiązań międzynarodowych w dążeniu świata do neutralności klimatycznej, musi opierać się na zasadzie zrównoważonego rozwoju. Do najważniejszych kryteriów zrównoważonego rozwoju źródeł wytwórczych w Polsce należy: zapewnienie bezpieczeństwa pracy Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE), koniecznego dla bezpieczeństwa dostawy energii elektrycznej odbiorcom, relatywnie po umiarkowanej cenie, sprzyjającej ekonomicznemu rozwojowi Polski, oraz zapewnienie ochrony środowiska i przeciwdziałanie zmianom klimatycznym. Długoterminowa strategia zrównoważonego rozwoju źródeł wytwórczych w KSE oznacza konieczność budowy bezpiecznego, niskoemisyjnego i efektywnego ekonomicznie systemu elektroenergetycznego. Strategia ta w kraju, który nie posiada dużych zasobów energii wodnej (pozwalających na budowę w systemie elektroenergetycznym elektrowni wodnych dużej mocy i zapewniających bezpieczną i stabilną jego pracę), musi opierać się na łączeniu rozwoju energetyki wykorzystującej OZE oraz energetyki jądrowej. Obie technologie zostały uznane za technologie „zielone”, co otwiera możliwość ich finansowania ze środków Unii Europejskiej.

Szczególnego potraktowania w aspekcie transformacji energetycznej wymaga energetyka jądrowa, której efektywny rozwój zależy głównie od właściwego przygotowania/wykształcenia kadr dla sektora jądrowego. W literaturze specjalistycznej istnieje wiele znakomitych pozycji poświęconych elektrowniom jądrowym. Oczywiście w skali światowej powstało dotychczas wiele monografii, podręczników, raportów, artykułów dotyczących energetyki jądrowej. Brak jednak na rynku księgarskim pozycji ujmującej – w miarę syntetycznie – problematykę technologii, ekonomiki i bezpieczeństwa elektrowni jądrowych w nowoczesnej gospodarce. Proponowana czytelnikom książka ma formę nie tylko podręcznika, ale także monografii, a więc stanowi solidne kompendium aktualnej wiedzy na temat energetyki jądrowej. Powinna ona zatem przyczynić się do zwiększenia udziału polskich naukowców i inżynierów w procesach badań oraz rozwoju nowych elektrowni jądrowych należących do różnych generacji, a może w przyszłości także systemów termojądrowych.

Cenną zaletą tej książki jest jej aktualność i fakt, że została przygotowana przez naukowców reprezentujących różnorodne specjalności i dziedziny naukowe. Jest to wspólne dzieło pracowników naukowych dwóch instytucji naukowych, a mianowicie: Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie oraz Politechniki Gdańskiej, od dawna zaangażowanych w badania i dydaktykę związaną z energetyką jądrową. Są to wybitni specjaliści, znawcy tematyki jądrowej, w kolejności alfabetycznej: prof. dr hab. inż. Andrzej G. Chmielewski, wieloletni dyrektor Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie i profesor Politechniki Warszawskiej; dr inż. Marcin Jaskólski, adiunkt na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, zastępca Dyrektora Centrum Energetyki Jądrowej Politechniki Gdańskiej; dr inż. Beata Majkowska-Marzec, adiunkt na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej; dr inż. Tomasz Minkiewicz, adiunkt na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, oraz prof. dr hab. inż. Andrzej S. Zieliński, profesor na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej, który oprócz autorstwa rozdziału podjął się trudnego zadania redaktora naukowego książki. Wreszcie na szczególne wyróżnienie zasługuje wysoki poziom merytoryczny, znakomita kompozycja książki oraz nowoczesny sposób podejścia do zagadnień rozwojowych energetyki jądrowej podkreślający priorytet inżynierii materiałowej w nowoczesnej gospodarce.

Waldemar Kamrat

Dyrektor Centrum Energetyki Jądrowej

Politechniki Gdańskiej

Gdańsk, sierpień 2023 r.

Przedmowa

Celem niniejszej książki jest przedstawienie czytelnikom zagadnień z zakresu energetyki jądrowej w tym technologii, ekonomiki i bezpieczeństwa elektrowni jądrowych w nowoczesnej gospodarce. Proponowana książka jest przeznaczona nie tylko dla studentów wydziałów elektrotechniki/energetyki technicznych szkół wyższych czy słuchaczy studiów podyplomowych energetyki jądrowej, ale także dla inżynierów zajmujących się problematyką energetyczną w gospodarce krajowej. Przystąpiliśmy do pracy nad tą monografią dzięki inspiracji, sugestiom i namowom profesora Waldemara Kamrata, Dyrektora Centrum Energetyki Jądrowej Politechniki Gdańskiej (PG), który także zaproponował zakres i formę niniejszej książki oraz napisał Słowo wstępne do naszej pracy. Zapewne jednak nikt z nas, autorów, nie zdecydowałby się na podjęcie tej żmudnej pracy, gdyby nie wspólne (po wielu dyskusjach) przekonanie, iż ta książka jest potrzebna właśnie dzisiaj jako źródło najnowszej wiedzy dla kadr zajmujących się teraz i w przyszłości rozwojem energetyki jądrowej, a ściślej planowaniem, projektowaniem, budową i eksploatacją elektrowni jądrowych.

Książka składa się z siedmiu rozdziałów merytorycznych i podsumowania całości pracy. Choć zarówno ich liczba, jak i tematyka mogłyby być inne, ale naszym zdaniem odpowiadają one i potrzebom czytelników, i kompetencjom autorów.

Pierwszy rozdział stanowi w swej początkowej części kompendium wiedzy na temat rozwoju teorii atomu i reakcji jądrowych, będących podstawą energetyki jądrowej. Następnie są pokrótce omówione zasady działania energetycznych reaktorów jądrowych i bezpośrednio związane z ich eksploatacją podstawy bezpieczeństwa jądrowego oraz ochrony radiologicznej.

W drugim rozdziale są przedstawione możliwości wykorzystania reaktorów jądrowych ze szczególnym uwzględnieniem reaktorów energetycznych oraz reaktorów badawczych. Opisano w nim początki rozwoju energetyki jądrowej oraz poszczególne generacje reaktorów energetycznych. Przedstawiono budowę, zasadę działania oraz wybrane parametry nowoczesnych reaktorów energetycznych na przykładzie konstrukcji lekkowodnych (reaktory wodne ciśnieniowe oraz reaktory wodne wrzące). W przypadku reaktorów badawczych opisano ich zastosowanie oraz konstrukcję wybranych rozwiązań (z uwzględnieniem jedynego działającego w Polsce reaktora badawczego MARIA), a także przedstawiono ich liczbę i lokalizacje.

Trzeci rozdział zawiera omówienie gospodarki paliwowej odnoszące się do zasobów uranu, jego przerobu oraz wzbogacania, produkcji paliwa jądrowego oraz jego przeróbki po wykorzystaniu w reaktorze, a także zagadnienia związane ze składowaniem odpadów promieniotwórczych oraz wypalonego paliwa.

W czwartym rozdziale opisano budowę i przestrzenne rozmieszczenie budynków oraz układów elektrowni jądrowej wraz z cechami zapewniającymi jej bezpieczną pracę. Szczegółowo przedstawiono ważniejsze elementy układów obiegu pierwotnego i wtórnego elektrowni z reaktorem wodnym ciśnieniowym. Omówiono także rolę i aktualny stan wiedzy w zakresie eksploatacji i budowy nowych elektrowni w systemach energetycznych w Europie i na świecie. Zaprezentowano też potencjał wykorzystania elektrowni jądrowych do produkcji ciepła zarówno z przykładami uciepłownionych bloków jądrowych, pracujących głównie w Europie Środkowo-Wschodniej, jak i pracami studyjnymi w zakresie wprowadzenia kogeneracji jądrowej w planowanych elektrowniach w Polsce. Scharakteryzowano przyszłościowe rozwiązania reaktorów jądrowych dla sektora elektroenergetycznego i przemysłu, koncentrując uwagę zarówno na reaktorach generacji IV, jak i reaktorach małej i średniej mocy (SMR).

Piąty rozdział jest poświęcony materiałom konstrukcyjnym wykorzystywanym w energetyce jądrowej. Przedstawiono wymagania, które muszą one spełniać, oraz scharakteryzowano poszczególne grupy materiałów używanych w tej gałęzi przemysłu. Opisane zostały zarówno niskostopowe stale różnego rodzaju, jak i stopy metali nieżelaznych, w tym stopy niklu i stopy wieloskładnikowe. Omówiono właściwości ceramiki, betonów, polimerów oraz materiałów na powłoki. Przywołano najnowsze badania dotyczące ich zastosowania, nie zapominając o wskazaniu ryzyka i obaw związanych z ich użyciem w energetyce jądrowej.

W szóstym rozdziale poruszono zagadnienia związane z aspektami ekonomicznymi i prawnymi budowy, eksploatacji i likwidacji elektrowni jądrowych. Omówiono w nim strukturę nakładów inwestycyjnych i metody ich szacowania. Uporządkowano informacje dotyczące aktualnych nakładów inwestycyjnych ponoszonych przez inwestora. Przedstawiono metodę określania kosztów rocznych oraz jednostkowego kosztu energii wytwarzanej w elektrowni jądrowej. Zestawiono wartości kosztu jednostkowego w różnych krajach świata. Stosując narzędzie obliczeniowe oferowane przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej, przedstawiono wpływ wybranych czynników na koszty wytwarzania energii i opłacalność elektrowni jądrowych.

Siódmy rozdział obejmuje ważne zagadnienia bezpieczeństwa w elektrowniach jądrowych, w tym zwłaszcza dotychczasowe doświadczenia w aspekcie lokalizacji i eksploatacji oraz likwidacji obiektu elektrowni jądrowej, jak też wyciągane stąd wnioski odnoszące się do bezpieczeństwa ludzi i do równowagi środowiska naturalnego. Ważnym elementem stają się systemy bezpieczeństwa oparte w coraz większym stopniu nie tylko na obiektach fizycznych, ale także na różnego rodzaju modelowaniu matematycznym i sztucznej inteligencji. Rozważono awarie mniejszego i większego rozmiaru, aż do katastrof nuklearnych w aspekcie zapobiegania im i sposobu opanowania ich skutków. Nieco uwagi poświęcono materiałowym aspektom bezpieczeństwa, ponieważ w istocie na niezawodności materiałów opiera się niezawodność wszystkich obiektów technicznych.

Ósmy rozdział to podsumowanie całości pracy rozumianej z jednej strony jako cenny podręcznik, a drugiej jako współczesna monografia. Szczególną uwagę poświęcono w nim projekcji przyszłych celowych lub niezbędnych prac koncepcyjnych i badawczych, opartych na najczęściej krytykowanych niedostatkach energetyki jądrowej.

Książka jest pracą zbiorową będącą zwieńczeniem wieloletniej współpracy autorów: Andrzeja G. Chmielewskiego, Marcina Jaskólskiego, Beaty Majkowskiej-Marzec, Tomasza Minkiewicza oraz Andrzeja S. Zielińskiego.

Autorami poszczególnych rozdziałów są:

• prof. dr hab. inż. Andrzej G. Chmielewski – rozdział 1 i rozdział 3;

• dr inż. Marcin Jaskólski – rozdział 4 (współautorstwo) i rozdział 6;

• dr inż. Beata Majkowska-Marzec – rozdział 5;

• dr inż. Tomasz Minkiewicz – rozdział 2 i rozdział 4 (współautorstwo);

• prof. dr hab. inż. Andrzej S. Zieliński – rozdział 7, rozdział 8 i redakcja monografii.

Autorzy wyrażają głęboką wdzięczność za cenne uwagi opiniodawcy monografii, dr inż. Krzysztofowi F. Rzymkowskiemu reprezentującemu Stowarzyszenie Ekologów Na Rzecz Energii Nuklearnej. Opracowanie nie narodziłoby się, a na pewno nie w tym kształcie, gdyby nie ogromna pomoc Redakcji Wydawnictwa Naukowego PWN, wydawcy monografii, zwłaszcza zaś redaktora Adama Filutowskiego i redaktora Izabeli Mika. Ponadto autorzy uważają za miły obowiązek podziękować tym wszystkim, którzy swoimi radami, opiniami i czynną współpracą w trakcie przygotowywania i pisania pracy pośrednio przyczynili się do powstania niniejszego podręcznika.

W imieniu Autorów

Andrzej S. Zieliński

Gdańsk–Warszawa, sierpień 2023 r.

Streszczenie

Książka o cechach podręcznika i zarazem monografii naukowej dotyczy zagadnień z zakresu energetyki jądrowej w tym technologii, ekonomiki i bezpieczeństwa elektrowni jądrowych w nowoczesnej gospodarce. Przeznaczona jest dla studentów elektrotechniki lub energetyki, słuchaczy studiów podyplomowych energetyki jądrowej, inżynierów zajmujących się problematyką energetyczną i wreszcie naukowców z tej dziedziny. Omówiono w niej historię rozwoju teorii atomu, reakcje jądrowe, zasady działania energetycznych reaktorów jądrowych, podstawy bezpieczeństwa jądrowego oraz ochrony radiologicznej. Zaprezentowano poszczególne generacje reaktorów energetycznych, przedstawiając szczegółowo budowę, zasadę działania oraz wybrane parametry nowoczesnych reaktorów energetycznych lekkowodnych. Omówiono gospodarkę paliwową dotyczącą zasobów uranu, jego przerobu oraz wzbogacania, produkcji paliwa jądrowego, jego przeróbki po wykorzystaniu w reaktorze oraz składowania odpadów promieniotwórczych i wypalonego paliwa. Opisano budowę i przestrzenne rozmieszczenie budynków oraz układów wraz z cechami zapewniającymi bezpieczną pracę elektrowni jądrowej, elementy układów obiegu pierwotnego i wtórnego w elektrowni z reaktorem wodnym ciśnieniowym, potencjał wykorzystania elektrowni jądrowych do produkcji ciepła, jak też najnowsze rozwiązania reaktorów jądrowych generacji IV oraz reaktory małej i średniej mocy. Przedstawiono materiały konstrukcyjne wykorzystywane w energetyce jądrowej, stawiane im wymagania, charakteryzując poszczególne grupy materiałowe, jak stale niskostopowe, stopy metali nieżelaznych, stopy niklu, stopy wieloskładnikowe, ceramiki, betony, polimery i powłoki. Poruszono zagadnienia ekonomiczne w zakresie budowy, eksploatacji i likwidacji elektrowni jądrowych, w tym strukturę i metody szacowania nakładów inwestycyjnych, metodę określania kosztów rocznych oraz jednostkowego kosztu energii, wreszcie wpływ wybranych czynników na koszty wytwarzania energii i opłacalność elektrowni jądrowych. Omówiono dotychczasowe doświadczenia w aspekcie bezpieczeństwa przy lokalizacji i eksploatacji oraz likwidacji obiektu elektrowni jądrowej, systemy bezpieczeństwa oparte na obiektach fizycznych, modelowaniu matematycznym, algorytmach i sztucznej inteligencji, sposoby postępowania w przypadku katastrof nuklearnych, a także materiałowe aspekty bezpieczeństwa. Całość opracowania kończy projekcja przyszłych celowych lub niezbędnych prac koncepcyjnych i badawczych.

Summary

The book with the features of a textbook and at the same time a scientific monograph discusses issues in the field of nuclear energy regarding technology, economics, and safety of nuclear power plants in a modern economy. It is intended for students of electrical engineering or power engineering, post-graduate students of nuclear power engineering, engineers dealing with energy issues, and, finally, scientists in this field. It discusses the knowledge and development of the theory of the atom and nuclear reactions, the principles of operation of nuclear power reactors, the basics of nuclear safety, and radiological protection. Individual generations of power reactors were presented, detailing the structure, principle of operation, and selected parameters of modern light water power reactors. Fuel management concerning uranium resources, its processing and enrichment, production of nuclear fuel, its processing after use in the reactor, and storage of radioactive waste and spent fuel are discussed. The construction and spatial arrangement of buildings and systems with features ensuring the safe operation of a nuclear power plant, elements of primary and secondary circuit systems in a power plant with a pressurized water reactor, the potential of using nuclear power plants for heat production, as well as the latest solutions of generation IV nuclear reactors and small and medium reactors are described. Structural materials used in nuclear power engineering and the requirements for them are presented, characterizing individual material groups, such as low-alloy steels, non-ferrous metal alloys, nickel alloys, multi-component alloys, ceramics, concretes, polymers, and coatings. Economic issues in the field of construction, operation, and decommissioning of nuclear power plants are discussed, including the structure and methods of estimating investment outlays, the method of determining annual costs and the unit cost of energy, and finally the impact of selected factors on energy generation costs and profitability of nuclear power plants. The experience in the aspect of safety in the location, operation, and decommissioning of a nuclear power plant facility, safety systems based on physical objects, mathematical modeling, algorithms and artificial intelligence, procedures in the event of nuclear disasters, as well as material aspects of safety were discussed. The entire study ends with a projection of future purposeful or necessary conceptual and research work.

Rozdział 1

Energetyczne wykorzystanie reakcji jądrowych

Andrzej G. Chmielewski

Spis treści

1.1. Podstawy teorii reaktorów jądrowych

1.1.1. Atom

1.1.2. Rozszczepienie jądra atomowego

1.1.3. Pierwsze reaktory jądrowe

1.1.4. Podstawy działania reaktorów jądrowych

1.2. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna

1.2.1. Przepisy

1.2.2. Ogólna charakterystyka zagrożeń związanych z bezpieczeństwem reaktorów jądrowych

1.2.3. Dekalog zasad bezpieczeństwa

1.2.4. Cel bezpieczeństwa jądrowego

1.2.5. Wymagania dotyczące projektowania i eksploatacji

1.2.6. Zasada obrony w głąb

Literatura do rozdziału 1

1.1. Podstawy teorii reaktorów jądrowych

1.1.1. Atom

Historia atomu rozpoczęła się ponad 2400 lat temu. Wtedy to grecki filozof Demokryt, który rozpoczął poszukiwania opisu materii, zadał pytanie, czy materia może być podzielona na coraz mniejsze kawałki w sposób nieskończony, czy też istnieje granica liczby podziałów. Zgodnie z teorią atomizmu materia nie może być dzielona na coraz mniejsze kawałki bez końca. Najmniejszy, już dalej niepodzielny element materii nazwano „atomos”, co oznacza „nie do pocięcia”. Dla Demokryta atomy były małymi, twardymi cząstkami, które były wykonane z tego samego materiału, ale miały różne kształty i rozmiary. Liczba atomów była nieskończona, były cząstkami w ciągłym ruchu i zdolnymi do łączenia się ze sobą. Jednakże ta teoria była ignorowana i zapomniana przez ponad 2000 lat! A to dlatego, że wybitni filozofowie tamtych czasów, Arystoteles i Platon, stworzyli bardziej szanowaną (i ostatecznie błędną) teorię. Arystoteles i Platon faworyzowali inne podejście opisu istniejącej materii. Dla nich składowymi materii były: ziemia, ogień, powietrze i woda. Ich idee dominowały ze względu na wybitność ich twórców, cenionych jako wielkich filozofów przez następne epoki. Przez to idea „atomos” została pogrzebana na około 2000 lat. Pewne odrodzenie nauk Demokryta nastąpiło w wieku XVI i XVII, kiedy Galileusz, który intuicyjnie był atomistą, swoje teorie o budowie materii zawarł w dwóch opublikowanych księgach. Ostatnia książka badacza, zdaniem niektórych współczesnych historyków nauki, zawiera jego ostateczne poglądy na temat natury najmniejszych cząstek. Galileusz redukuje w niej pojęcie atomu do matematycznych, abstrakcyjnych punktów, które nie mają żadnych wymiarów, są niepodzielne i pozbawione jakichkolwiek kształtów. Jednak później, w XVII wieku powszechnie uznawanym w nauce było twierdzenie Arystotelesa o tym, że każda materia zbudowana jest ze wszystkich istniejących pierwiastków (ciał prostych), w charakterystycznych dla siebie proporcjach. Od czasów tego filozofa liczba składowych materii uległa jednak zwiększeniu i tak do grona już istniejących – ziemi, wody, powietrza i ognia – zaliczone zostały rtęć, siarka i sól.

Dopiero w roku 1800 John Dalton zaproponował nowoczesny model atomu oparty na wynikach eksperymentu, a nie na czystym rozumie. Zgodnie z tą teorią:

• wszelka materia składa się z atomów;

• atomy pierwiastka są identyczne;

• atomy różnych pierwiastków są różne;

• atomy różnych pierwiastków łączą się w stałych proporcjach, tworząc związki chemiczne;

• związki powstają przez połączenie atomów dwóch lub więcej pierwiastków;

• atomy są przegrupowywane w trakcie reakcji chemicznych.

Jego koncepcje były podstawą sformułowania prawa zachowania masy (atomy nie mogą być ani stworzone, ani zniszczone) oraz prawa stałego składu (pierwiastki łączą się ze sobą w ustalonych proporcjach). A zatem według jego założeń wszystkie pierwiastki składają się z atomów, które są niepodzielnymi i niezniszczalnymi cząstkami. Teoria ta stała się jednym z fundamentów współczesnej chemii.

Następnym krokiem w rozwoju modelu atomu było wprowadzenie do niego elektronu. Po raz pierwszy elektron zaobserwowano i opisano pod koniec wieku XIX jako cząstkę mniejszą niż niepodzielny dotychczas atom. William Thomson (Lord Kelvin) wykorzystał nowo odkrytą cząstkę – elektron – do stworzenia modelu budowy atomu. Według Kelvina centralną część atomu polonu, którego promieniotwórczość badał, stanowiły cztery elementarne ładunki ujemne, a funkcję spoiwa łączącego atomy tego samego pierwiastka pełnił ładunek dodatni, położony w równej odległości od ładunków ujemnych. Na teorii Lorda Kelwina oparł swe prace Joseph John Thomson. Opisał on atom jako równomiernie naładowaną dodatnio kulę, wewnątrz której po orbitach poruszają się elektrony. Model Kelvina–Thomsona tłumaczył wiele zjawisk chemicznych i fizycznych, w tym jonizację, jako wytrącanie poza obręb atomu jednego lub kilku elektronów, oraz emisję światła – jako skutek drgań elektronów. Pomimo tych początkowych sukcesów model „ciasta z rodzynkami”, jak jest dziś nazwany, dość szybko został podważony przez wyniki dalszych badań.

I nagle, po swym sławnym doświadczeniu, wykonanym w roku 1909, Ernest Rutherford zadziwił innych. Okazało się, że atomy są w większości pustą przestrzenią, ujemnie naładowane elektrony znajdują się wokół dodatnio naładowanego jądra. Rutherford doszedł do wniosku, że atom ma mały, gęsty, dodatnio naładowany środek, który odpycha jego dodatnio naładowane „pociski”, którymi w jego doświadczeniu były dodatnio naładowane cząstki alfa. Centralne skupisko materii nazwał „jądrem”. Stwierdził też, że jądro jest maleńkie w porównaniu z atomem jako całością. Rutherford doszedł do wniosku, że wszystkie dodatnio naładowane cząstki atomu są zawarte w jądrze. Ujemnie naładowane cząstki zostały rozproszone poza jądrem wokół krawędzi atomu. W 1913 roku duński naukowiec Niels Bohr zaproponował ulepszenie tej struktury przestrzennej. W swoim modelu umieścił każdy elektron na określonym poziomie energii. Zgodnie z modelem atomowym Bohra elektrony poruszają się po określonych orbitach wokół jądra, podobnie jak planety okrążają Słońce. Te orbity lub poziomy energii znajdują się w pewnych odległościach od jądra. A zatem istnieją trzy rodzaje cząstek subatomowych. Wiemy już o elektronach (e– ) i protonach (p⁺ ). W latach trzydziestych ubiegłego wieku wykazano również, że istnieją neutrony (n⁰ ). Te ostatnie charakteryzuje brak ładunku, mają masę podobną do protonów.

A zatem pierwiastki składają się z atomów o różnych jądrach, w skład których wchodzą powyższe cząstki elementarne. Pierwiastki są często symbolizowane przez podanie ich liczby masowej i liczby atomowej. Wartości te są podane w układzie okresowym pierwiastków i mówią wiele o atomach. Liczba protonów równa liczbie elektronów daje nam liczbę atomową. Liczba neutronów to liczba masowa minus liczba atomowa. Znając te liczby i zasadę zapełniania kolejnych powłok elektronowych, można utworzyć diagramy Bohra–Rutherforda. Przykładowe diagramy atomów helu i litu są pokazane na rysunku 1.1.

Rysunek 1.1. Przykłady diagramów Bohra–Rutherforda przedstawiających uproszczone modele atomów helu i litu

Dla czytelnika dalszej części rozdziału interesująca będzie zapewne struktura atomów uranu i plutonu (rys. 1.2), a co ważne, tylko pierwszy z tych pierwiastków powszechnie występuje w przyrodzie.

Rysunek 1.2. Diagramy Bohra–Rutherforda atomów uranu i plutonu

Współczesny model atomu jest zwieńczeniem eksperymentów i badań przeprowadzonych przez wielu naukowców. Obecnie uznawanym modelem budowy atomu jest tzw. model korpuskularno-falowy, który uwzględnia falowe właściwości elektronów i umożliwia zarówno dokładniejsze, jak i zgodne z danymi doświadczalnymi opisanie struktury elektronowej atomu. Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej elektrony nie poruszają się wokół atomu po określonej ścieżce, jak planety wokół Słońca. Werner Heisenberg i Erwin Schrödinger są uznanymi odkrywcami probabilistycznej natury opisu położenia elektronu i zastosowania go do modelu atomu. Opisali atom jako jądro z protonami i neutronami otoczone chmurą elektronów. Zgodnie ze współczesnym modelem atomowym atom ma małe, dodatnio naładowane jądro otoczone dużym obszarem, w którym jest wystarczająco dużo elektronów, aby atom miał neutralny ładunek. W rzeczywistości niemożliwe jest określenie dokładnej lokalizacji elektronu, zależy ona od tego, jaką energię ma dany elektron. Elektrony o najmniejszej energii znajdują się na poziomie energetycznym najbliższym jądru. Elektrony o największej energii znajdują się na najbardziej zewnętrznych poziomach energetycznych, dalej od jądra. Elektrony wirują wokół jądra miliardy razy w ciągu jednej sekundy.

Nowoczesna fizyka jądrowa nie zadawala się również prostym opisem cząstek elementarnych, z których zbudowane jest jądro atomowe. Fizycy nieustannie poszukują nowych cząstek. Kiedy je znajdą, kategoryzują je i próbują znaleźć wzorce, które mówią o tym, jak podstawowe elementy składowe wszechświata oddziałują na siebie. Odkryto już około dwustu cząstek (z których większość nie jest fundamentalna). Są one nazywane literami alfabetu greckiego i łacińskiego. W Modelu Standardowym istnieją dwie szerokie kategorie cząstek: leptony i kwarki. Leptony obejmują elektrony, miony oraz neutrina, i oprócz grawitacji oddziałują między sobą tylko poprzez oddziaływania słabe. Oddziaływania słabe są około 10¹⁰ słabsze od oddziaływania elektromagnetycznego, a ich zasięg jest bardzo mały, rzędu 10–18 m. Są one jednym z czterech podstawowych (grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe), fundamentalnych oddziaływań, które występuje pomiędzy leptonami i hadronami. Cząstkami przenoszącymi oddziaływania słabe są bozony pośredniczące. Zastanawiające jest to, że jądra atomów są trwałe, choć składają się jedynie z neutronów o zerowym ładunku oraz protonów, które są opatrzone jednoimiennym ładunkiem, dodatnim. Jest tak, ponieważ neutrony wiążą się z protonami i ze sobą nawzajem w jądrze poprzez oddziaływanie silne, skutecznie moderując siły odpychające między protonami i stabilizując jądro. Oddziaływanie silne przyciąga nukleony w odległości ok. 0,8 ∙ 10⁻¹⁵ m, ale jego wielkość szybko staje się nieistotna – już w odległości powyżej ok. 2,5 ∙ 10–15 m. W odległościach mniejszych niż 0,7 ∙ 10–15 m siła jądrowa staje się odpychająca. To zjawisko jest odpowiedzialne za wielkość jąder (~10–15 m), ponieważ nukleony nie mogą zbliżyć się bardziej, niż pozwala na to oddziaływanie silne. Siły jądrowe odgrywają zasadniczą rolę w magazynowaniu energii wyzwalanej w reaktorach lub broni jądrowej. Zmagazynowana w jądrze energia związana jest z pracą, którą należy wykonać, tworząc jądro, tak aby połączyć ze sobą naładowane protony, pokonując siły odpychania elektrycznego. Znajduje ona odbicie w postaci energii wiążącej nukleony w jądrze (rys. 1.3).

Rysunek 1.3. Energia sił wiążących nukleony w jądrze w funkcji liczby masowej pierwiastków

Masa jądra jest mniejsza niż suma mas protonów i neutronów. Różnica mas jest znana jako defekt masy, który można wyrazić jako ekwiwalent energii. Energia ta jest elektromagnetyczną energią potencjalną, która jest uwalniana, gdy siły jądrowe nie utrzymują już razem naładowanych fragmentów, a ciężkie jądro atomowe rozpada się na dwa lub więcej lżejszych jąder.

Atomy tego samego pierwiastka, które mają różną liczbę neutronów, nazywane są izotopami. Ze względu na izotopy liczby masowe nie są okrągłymi wartościami. Na przykład, występujący w przyrodzie lit zawiera izotopy: ⁶Li oraz ⁷Li, i dlatego jego liczba masowa wynosi 6,9. Znane są częste przykłady, że co najmniej jeden izotop pierwiastka jest niestabilny. Emituje on fotony lub cząstki elementarne, co jest nazywane radioaktywnością. Takie odmiany izotopów nazywane są izotopami promieniotwórczymi. Frederick Soddy zasugerował, że produkty końcowe szeregu uranowego „rad G”, „tor D” i „aktyn D” nie były trzema nowymi pierwiastkami, jak pierwotnie sądzono, ale trzema różnymi stabilnymi izotopami ołowiu: ²⁰⁶₈₂Pb, ²⁰⁷₈₂Pb i ²⁰⁸₈₂Pb, różniącymi się jedynie masą. Do takiego wniosku doszli jednocześnie w 1913 roku Kasimir Fajans (urodzony w 1867 roku w Warszawie, gdzie ukończył szkołę średnią) i Frederick Soddy. Fajans nazwał chemicznie identyczne atomy o różnych masach izotopowych plejadami, a Soddy – izotopami, nazwą, której obecnie używamy. Było to ciekawe odkrycie, ponieważ w tym czasie neutrony były nieznane, a atomy uważano za pary cząstek dodatnio i ujemnie naładowanych.

Początkowe 80 pierwiastków w układzie okresowym ma stabilne izotopy. Istnieje ponad 3000 znanych radioizotopów, są one niestabilną postacią pierwiastka i zazwyczaj są wytwarzane sztucznie z wykorzystaniem reaktorów jądrowych lub akceleratorów cząstek, głównie naładowanych, lub neutronów. Jednak również w przyrodzie wszechobecne są izotopy promieniotwórcze.

Ważnym parametrem charakteryzującym izotop promieniotwórczy jest czas połowicznego rozpadu (lub zaniku). Jest to czas, w którym jego aktywność promieniotwórcza zmniejsza się do połowy. Wartość ta nie zależy od czynników zewnętrznych. Dla naturalnych pierwiastków promieniotwórczych czas połowicznego rozpadu mieści się w bardzo szerokim przedziale, od 10–17 s do 10¹⁷ lat. Przykładem jest betapromieniotwórczy izotop węgla ¹⁴C. W przyrodzie występują trzy naturalne izotopy węgla: dwa stabilne: ¹²C, który stanowi 99% całego węgla na Ziemi, i ¹³C, który stanowi 1%, oraz promieniotwórczy ¹⁴C, który występuje w śladowych ilościach i ma czas połowicznego rozpadu 5700 ±30 lat. Izotop ¹⁴C powstaje w górnych warstwach troposfery i w stratosferze jako wynik oddziaływania promieniowania kosmicznego na azot (pochłonięcie neutronu przez jądro atomu azotu ¹⁴N). Jego stężenie utrzymywało się na stałym poziomie do czasu powierzchniowych testów broni nuklearnej, ale wzrost jego aktywności nie był wielki. Innym źródłem izotopów promieniotwórczych w środowisku są kopalnie węgla. Węgiel jak większość minerałów zawiera w niewielkim stężeniu uran i tor, zazwyczaj od 1 do 4 mg/kg, a w niektórych przypadkach odnotowano nawet wartość sięgającą 20 mg/kg.

Z uwagi na długi czas rozpadu izotopów promieniotwórczych mają one niewielką aktywność właściwą, ale niestety izotopy powstające w trakcie ich rozpadu nie są już bezpieczne. Szereg, który rozpoczyna izotop uranu 238U o czasie połowicznego rozpadu wynoszącym 4,5 miliarda lat, kończy się na stabilnym ołowiu ²⁰⁶Pb, a należy do niego 16 nuklidów, między innymi: ²³⁴U, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ²¹⁰Po. Szereg, który rozpoczyna się izotopem uranu ²³⁵U o czasie połowicznego rozpadu wynoszącym 700 milionów lat, kończy się na stabilnym ołowiu ²⁰⁷Pb; należy do niego 14 nuklidów, między innymi: ²³¹Pa, ²²³Ra. Dla toru ²³²Th o czasie połowicznego rozpadu wynoszącym 14 miliardów lat, szereg kończy się stabilnym ołowiem ²⁰⁸Pb; należy do niego 12 nuklidów, między innymi: ²²⁸Th, ²²⁸Ra, ²²⁰Rn. Spośród nich ²²⁸Ra, o czasie połowicznego rozpadu 5,75 lat, emituje promieniowanie beta. Spośród wymienionych izotopów radonu, który jest gazem, izotop ²²²Rn ma zdecydowanie najdłuższy czas połowicznego rozpadu wynoszący 3,82 dni. Stanowi on praktycznie 100% radonu spotykanego naturalnie i ma możliwość migracji oraz gromadzenia się w przestrzeniach zamkniętych.

W trakcie spalania węgla powstaje lotny pył, w którym stężenie tych pierwiastków rośnie dziesięciokrotnie. Jest on wychwytywany z dużą efektywnością w elektrofiltrach, ale część małych pylinek jest emitowana do atmosfery. Zebrany pył po pomiarze jego aktywności jest wykorzystywany jako wypełniacz betonów budowlanych stosowanych w konstrukcjach drogowych. Izotopy promieniotwórcze krótko i długo żyjące są m.in. składnikami zużytego paliwa oraz odpadów promieniotwórczych.

Promieniowanie jonizujące jest rodzajem promieniowania o wysokiej energii, tak że może odrywać elektrony od atomów lub cząsteczek, co powoduje zmiany na poziomie atomowym podczas interakcji z materią, w tym z żywymi organizmami. Prowadzi do powstawania w materii jonów lub wolnych rodników, bardzo reaktywnych cząsteczek, które nie są jonami, ale mają niesparowane elektrony (np. wiemy, że tlen występuje w postaci stabilnej cząsteczki O₂, a pod wpływem promieniowania może tworzyć silnie utleniające cząsteczki O lub O₃). Typowe promieniowanie jonizujące obejmuje subatomowe cząstki alfa (zjonizowane atomy helu ⁴He²⁺) i cząstki beta (e–), a także wysokoenergetyczne promieniowanie gamma (fotony). W przypadku tego ostatniego typu promieniowania zjawisko polega na wytwarzaniu w materiale elektronów, które oddziałują z atomami ośrodka. Radioaktywność materiału zależy od stężenia izotopu promieniotwórczego, ale podaje się je w postaci aktywności właściwej lub aktywności próbki. Jednostką aktywności właściwej jest Bq/g, gdzie 1 Bq = 1 rozpad /s. Skażenie powierzchni podaje się w jednostkach Bq/m².

Nawet nasze ciało zawiera izotopy promieniotwórcze, głównie węgla (¹⁴C) i potasu (⁴⁰K), co przekłada się na ok. 100 Bq/kg. Warto może wiedzieć, że popularną i historyczną jednostką pozaukładową jest kiur, 1 Ci = 3,7 · 10¹⁰ Bq. 1 Ci został zdefiniowany jako aktywność jednego grama radu-226. Przy leczeniu nowotworów tarczycy pacjentowi podaje się od 30÷200 mCi izotopu jodu ¹³¹I.

1.1.2. Rozszczepienie jądra atomowego

Kolejnymi krokami do odkrycia zjawiska rozszczepienia jądra atomowego były: odkrycie neutronu przez Jamesa Chadwicka (1932 r.), stwierdzenie przez Hahna i Strassmana obecności atomów baru w bombardowanym neutronami uranie (1937 r.), oraz opracowanie przez Frischa i Meitner modelu rozszczepienia kropli cieczy (rys. 1.4) w celu wyjaśnienia rezultatów doświadczenia Hahna i Strassmana (styczeń 1939 r.).

Rysunek 1.4. Model „kroplowy” Frischa i Meitner

Dawniej myślano, że „materia i energia nie mogą być stworzone ani zniszczone”. Teraz wiemy, że materia i energia są dwiema formami tej samej rzeczy,

E = mc².

(1.1)

Energia E jest równa masie (m) pomnożonej przez kwadrat prędkości światła (c). To mówi nam, że niewielka ilość masy może zostać przekształcona w bardzo dużą ilość energii, ponieważ prędkość światła jest bardzo dużą wartością.

Rozszczepienie jądra atomowego polega na jego rozpadzie (podziale), inicjowanym przez neutrony, na co najmniej dwa fragmenty, które mają w przybliżeniu równe masy. Jednocześnie w akcie rozpadu są emitowane następne neutrony i kwanty gamma. W procesie rozszczepienia są wytwarzane duże ilości energii, zgodnie z podanym wyżej mechanizmem. Jądra rozszczepialne są na ogół ciężkimi atomami z dużą liczbą nukleonów. Rozróżnia się dwa typy procesu rozszczepienia: spontaniczny i indukowany. Rozszczepienie następuje w wyniku odpychania elektrostatycznego wytwarzanego przez dużą liczbę protonów w jądrach ciężkich atomów. Niektóre z nich, będące radioizotopami, zawierają bardzo niestabilne jądro i rozpadają się samorzutnie. Pierwiastkami najbardziej podatnymi na ten rodzaj rozpadu są ciężkie aktynowce, na przykład mendelew lub lorens, i transaktynowce, na przykład rutherford. Takim spontanicznym rozpadom towarzyszy uwalnianie neutronów. W uranie lub torze (ostatnimi pierwiastkami praktycznie występującymi w przyrodzie) spontaniczne rozszczepienie zachodzi, jednak z tak małym prawdopodobieństwem, że zazwyczaj jest pomijane przy podawaniu sposobów rozpadu danego izotopu pierwiastka (z wyjątkiem bardzo dokładnych obliczeń aktywności próbek zawierających te nuklidy). Rozszczepienie jądrowe można również wywołać, bombardując atomy neutronami. W tym przypadku również poza rozpadem na dwa fragmenty o podobnej masie, następuje także emisja neutronów i kwantów gamma.

Stabilność i niestabilność jądra można przewidzieć za pomocą kilku prostych reguł (rys. 1.5). Wszystkie izotopy cięższe od bizmutu, który ma liczbę atomową równą 83, mają niestabilne jądra. Izotopy z 2, 8, 20, 28, 50, 82 lub 126 protonami lub neutronami w jądrze występują w najbardziej stabilnych postaciach. Najbardziej stabilne są jądra z parami protonów i neutronów, więc te ze wszystkimi protonami i wszystkimi neutronami sparowanymi są najbardziej stabilne. Izotopy o liczbie atomowej mniejszej niż 83 są najbardziej stabilne, gdy stosunek protonów do neutronów wynosi 1:1.

Rysunek 1.5. Stabilność jąder atomowych wynikająca ze stosunku neutronów do protonów

Na rysunku 1.5 kropkami oznaczono stabilne jądra, które grupują się w paśmie stabilności zgodnie z ich stosunkiem neutronów do protonów. Wraz ze wzrostem wielkości jąder wzrasta stosunek neutronów do protonów, który reprezentuje stabilność. Jądra poza tym pasmem stabilności są radioaktywne.

Przykład reakcji rozszczepienia uranu ²³⁵U przedstawiają poniższe równania, a produkty reakcji są podane w tabeli 1.1

,

(1.2)

.

(1.3)

Tabela 1.1. Masa substratów i produktów powstających w reakcji rozszczepienia ²³⁵U wg równania (1.3)

Izotop | Masa atomowa, kg
²³⁵₉₂U | 3,9014 ∙ 10–25
¹³⁸₅₅Cs | 2,2895 ∙ 10–25
⁹⁶₃₇Rb | 1,5925 ∙ 10–25
¹₀n | 1,6750 ∙ 10–27

Zgodnie z zapisem równania (1.3) masa substratów biorących udział w reakcji wynosi: 3,9014 ∙ 10–25 + 1,6750 ∙ 10–27 = 3,91815 ∙ 10–25 kg, a masa produktów: 2,2895 ∙ 10–25 + 1,5925 ∙ 10–25 + (2 ∙ 1,6750 ∙ 10–27) = 3,9155 ∙ 10–25 kg, a zatem: Δm = 3,91815 ∙ 10–25 ÷ 3,91550 ∙ 10–25 kg = 2,65 ∙ 10–28 kg. Zgodnie z równaniem (1.1): 2,65 ∙ 10–28 ∙ (3 ∙ 10⁸)2 = 2,385 ∙ 10–11 J. Znając liczbę Avogadro, można wyliczyć liczbę atomów w 1 kg ²³⁵U. Wynosi ona 2,56 ∙ 10²⁴, a zatem energia, jaką można uzyskać z rozszczepienia 1 kg ²³⁵U wynosi 2,385 ∙ 10–11 ∙ 2,56 ∙ 10²⁴ = 6,1056 ∙ 10¹³ J. Ze spalenia 1 tony węgla uzyskuje się ok. 5 ∙ 10⁷ J.

Atom izotopu rozszczepialnego, na przykład ²³⁵U, absorbuje neutron, a następnie rozszczepia się na dwa atomy (fragmenty rozszczepienia), wyzwalając trzy nowe neutrony (średnia liczna uwolnionych neutronów wynosi 2,56) oraz obliczoną powyżej ilość energii. Powstałe w akcie rozszczepienia neutrony mogą zostać zaabsorbowane przez ²³⁸U (albo inny materiał), jeszcze inne bez zderzeń opuszczają ośrodek i nie biorą udziału w reakcjach jądrowych. Wreszcie część neutronów zderza się z rozszczepialnymi jądrami, w tym przypadku ²³⁵U, rozpoczynając reakcję łańcuchową.

Jeśli chodzi o pierwiastki i ich izotopy, które są interesujące z uwagi na omawiany proces, możemy je podzielić na rozszczepialne oraz nierozszczepialne, ale paliworodne. W przypadku tych pierwszych duże znaczenie ma energia neutronów oraz przekrój czynny na wychwyt neutronów prowadzących do rozszczepienia jądra (rys. 1.6).

Nuklidy ²³⁸U, ²³²Tr czy ²⁴⁰Pu, z których powstają nuklidy rozszczepialne, nazywane są paliworodnymi. Dwa pierwsze z nich ulegają rozszczepieniu w wyniku bombardowania neutronami o energii > 1 MeV i dlatego, pomimo małego przekroju czynnego na rozszczepienie, bywają zaliczane do nuklidów rozszczepialnych [1.1].

Rysunek 1.6. Przekrój czynny ²³⁵U i ²³⁹Pu na wychwyt neutronów prowadzący do ich rozszczepienia w funkcji energii neutronów. W przypadku ²³⁸U następuje wychwyt neutronów i w części wytwarzanie ²³⁹ Pu, jest to zjawisko będące podstawą działania reaktorów powielających