Strona głównaPytania → Jak aktywować paliwo jądrowe?

Jak aktywować paliwo jądrowe?

Pytanie

Pyta Jakub

Paliwo jądrowe (w postaci prętów) w czasie produkcji jest względnie bezpieczne dla ludzi (źródło: https://youtu.be/n2f7kEeSXYg?t=4m52s). Jaki proces jest zatem wykonywany w reaktorze aby takie pręty zostały „aktywowane” i zaczęły wytwarzać energię?

Odpowiedź

Odpowiada Krzysztof Miernik

Uran rzeczywiście nie jest bardzo radioaktywną substancją. Okres połowicznego zaniku izotopu U-238 to 4.5 miliarda lat, a izotopu 235 – 700 milionów lat. To oznacza, że rozpada się on bardzo powoli i emituje mało promieniowania. Co więcej w obydwu przypadkach główny sposób rozpadu to promieniowanie alfa, które ma bardzo krótki zasięg, w powietrzu jest to ledwie kilka centymetrów. To oznacza, że promieniowanie z paliwa jest emitowane tylko z jego powierzchni, bo cząstki alfa emitowane z atomów znajdujących się wewnątrz pastylki paliwa nie wydostaną się na zewnątrz. Jedynie bardzo niewielki ułamek rozpadów to spontaniczne rozszczepienie podczas którego powstają neutrony, które mogą uciec z materiału. W przypadku U-238 zdarza się to raz na 50 milionów rozpadów, a U-235, raz na 700 miliardów rozpadów.

Energia która zasila reaktor nie pochodzi jednak ze spontanicznych rozpadów jąder atomowych. Sztuczka polega na tym, że uran rozbijamy neutronami, czyli wymuszamy jego rozszczepienie. Dzięki temu uzyskujemy olbrzymią energię (słynne E = mc2) ponad 80 miliardów dżuli na gram paliwa (z węgla jesteśmy w stanie uzyskać  30 tysięcy dżuli na gram). Ponadto powstające w rozszczepieniu neutrony mogą rozbijać kolejne jądra w samopodtrzymującej sie reakcji łańcuchowej.

Paliwo do reaktora samo z siebie nie rozpocznie reakcji łańcuchowej. Gdyby tak było można by z niego zrobić bombę jądrową, ale tak nie jest. Powstające w rozszczepieniu neutrony mają dużą energię i szybko się poruszają. A uran niechętnie wyłapuje takie neutrony (pytanie o ameryk). Dopiero powolne neutrony są skuteczne w inicjowaniu rozszczepienia, ale tylko w przypadku izotopu 235. Dlatego paliwo jądrowe większości reaktorów jest lekko wzbogacone w ten izotop (zwykle 3-5%, bomba potrzebuje 90%). Aby spowolnić neutrony potrzebny jest moderator, zwykle jest to woda, w której neutrony odbijają się jak bile od protonów (wodoru) i szybko tracą energię. Dopiero kiedy paliwo otoczymy moderatorem, może ono osiągnąć krytyczność i rozpocząć ciągłą produkcję energii. Zwykle na samym początku ilość neutronów samorzutnie emitowanych z uranu jest zbyt mała i potrzebne jest startowe źródło neutronów w postaci nuklidu, który chętnie spontanicznie ulega rozszczepieniu. Takim źródłem może być na przykład kaliforn-252. Jego czas połowicznego zaniku to 2.6 roku, a około 3% rozpadów to spontaniczne rozszczepienie. W odróżnieniu od paliwa uranowego, nawet niewielka tej substancji jest niebezpieczna dla ludzi i potrzeba specjalnych urządzeń i procedur, aby bezpiecznie go używać.