Energia z gwiazd

dr Tomasz Rożek

Energia, którą uzyskuje się w reaktorach, pochodzi z wnętrza jądra atomowego. Jak się tam znalazła? Jak udaje nam się ją wydostać?

Czarne grudki węgla kamiennego wydobywane spod ziemi są zbiorem różnych pierwiastków, różnych związków chemicznych. Węgiel minerał (ten wydobywany) wcale nie składa się z samego węgla pierwiastka. Czysty węgiel – pierwiastek – to diament. Z czego zatem składa się węgiel kamienny? Najwięcej jest w nim pierwiastkowego węgla, ale całkiem sporo wodoru i tlenu. Może w nim być kilka procent wody, trochę azotu, siarki i wiele innych składników mineralnych. To wszystko połączone jest ze sobą wiązaniami chemicznymi, które pękając, uwalniają energię. Ta energia podgrzewa wodę w czajniku stojącym na piecu. Ta energia ogrzewa też wodę, która wprawia w ruch turbiny elektrowni węglowych. Samo spalanie węgla nie powoduje jednak zmiany na poziomie atomowym. Tlen zostaje tlenem, siarka siarką, a pierwiastkowy węgiel pozostaje węglem. Jedyne, co się zmienia, to to, że pierwiastki połączone w związki chemiczne w ogniu te połączenia tracą.

Zupełnie inaczej ma się sprawa z energią z atomu. Tutaj energia pochodzi nie z połączeń pomiędzy atomami, ale z połączeń, z wiązań we wnętrzu jądra atomowego. Jądro każdego atomu (z wyjątkiem wodoru) składa się z protonów i neutronów. Nie rozpada się, bo jego elementy są ze sobą powiązane. Energia wiązania uwalnia się jednak, gdy jądro ciężkiego pierwiastka zostaje rozłupane. Jak tego dokonać? Na przykład uderzając w nie neutronem. W zasadzie to gotowa recepta na czerpanie energii z jądra atomowego. Oczywiście nie wszystkie pierwiastki nadają się do tego tak samo dobrze. Pierwiastkami, na których ewidentnie można (energetycznie) zarobić, jest uran-235 i pluton-239. Tego ostatniego nie sposób znaleźć w naturze, powstaje we wnętrzu reaktora, jest pierwiastkiem syntetycznym. Uran-235 jest jak najbardziej naturalny. Jest go co prawda niewiele, ale też bardzo niewiele go trzeba, by elektrownię jądrową „rozpalić”.

Idąc dalej. Skąd biorą się takie pierwiastki jak uran? W jakim procesie powstają, albo jeszcze inaczej, w jaki sposób „nabywają” energię w całość scalającą aż 235 neutronów i protonów w jądrze? Bardzo lekkie pierwiastki powstały w ciągu kilku pierwszych minut po Wielkim Wybuchu. Ogromna eksplozja, która dała początek światu fizycznemu, zespoliła ze sobą najpierw kwarki – tworząc neutrony i protony – a później neutrony i protony w lekkie pierwiastki. Energia uśpiona pomiędzy neutronami i protonami w jądrach tych pierwiastków wzięła się z impetu Wielkiego Wybuchu. Cięższe pierwiastki (do żelaza włącznie) powstawały i dalej powstają we wnętrzach gwiazd. Te najcięższe (czyli także uran) powstają w czasie wybuchu starej i dużej gwiazdy, tzw. supernowej. Siła eksplozji jest tak ogromna, że w ułamku sekundy jedna gwiazda swoją jasnością może przyćmić miliardy gwiazd, całą galaktykę. Sklejanie lżejszych pierwiastków, by powstały te najcięższe, wymaga bardzo dużej ilości energii. Tej energii dostarcza właśnie wybuch supernowej. Innymi słowy, to, co odbieramy naturze we wnętrzu reaktora atomowego w procesie rozszczepienia, zostało tam zdeponowane kilka miliardów lat temu w czasie wybuchu gwiazdy supernowej.

Teoretycznie wszystko jest więc jasne, ale jak na skalę przemysłową korzystać z energii zmagazynowanej w pierwiastkach rozszczepialnych? Uformowane w pastylki i umieszczane w cienkich rurkach paliwo jądrowe wkładane jest do reaktora. Wokół prętów paliwowych cały czas przepływa woda z pierwotnego układu chłodzenia. Raz rozpoczęta reakcja może się utrzymywać, bo rozerwanie jednego jądra uranu powoduje m.in. emisję dwóch lub trzech neutronów, które mogą rozszczepić kolejne atomy. Każda taka reakcja powoduje podgrzewanie wszechobecnego we wnętrzu reaktora chłodziwa. Rozgrzana do kilkuset stopni woda (nie gotuje się, bo ma wysokie ciśnienie), w wymienniku ciepła ogrzewa wodę w obiegu wtórnym. Ta paruje, a para wprawia w ruch turbiny. Te z kolei podłączone są do alternatora, który obrót „zamienia” w prąd elektryczny. I cała tajemnica rozwiązana.

Artykuł opublikowany pierwotnie w Gościu Niedzielnym nr 29/2209.

Tekst zamieszczony za zgodą autora, dr. Tomasza Rożka, kierownika Działu Nauka i Gospodarka w czasopiśmie "Gość Niedzielny".

Oryginalny tekst z grafiką znajduje się na stronie Gościa Niedzielnego: http://goscniedzielny.wiara.pl/?grupa=6&art=1248095861&dzi=1104764436&idnumeru=1247817489