Bit naukowy: Wprowadzenie do budowy atomu i reakcji jądrowych
Atom składa się z jądra i elektronów na orbitach otaczających jądro. Maleńkie elektrony są pakietami energii o ujemnym ładunku, natomiast jądro składa się z dwóch cząstek (protonów i neutronów) o jednakowej masie. Masa jądra stanowi 99,975% masy atomu, a masa elektronu to zaledwie 0,025%.
Proton ma ładunek dodatni, a atomy każdego pierwiastka mają taką samą liczbę protonów, ale mogą mieć różną liczbę neutronów, co daje początek pojęciu izotopów. Liczba elektronów zależy od liczby protonów, tak że ujemny ładunek elektronu równoważy dodatni ładunek protonów. Masa atomowa atomu (A) jest określona przez liczbę protonów (Z) i neutronów. I tak stabilny izotop węgla (C-12) ma 6 protonów i 6 neutronów, natomiast izotop promieniotwórczy (C-14) ma 6 protonów i 8 neutronów, a tlen (O-16), 8 protonów i 8 neutronów.
Energia uwolniona w wyniku rearanżacji protonu lub neutronu wewnątrz jądra jest duża - około milion razy większa niż energia związana ze zmianą liczby elektronów (czyli energia chemiczna, taka jak uwalniana podczas przemian chemicznych związanych ze spalaniem paliw kopalnych) wewnątrz atomu.
Z powyższego należy wyciągnąć wniosek, że istnieją różne izotopy atomów i że wszystkie one mają taką samą liczbę protonów, ale różnią się liczbą neutronów w jądrze atomowym. Liczba protonów jest określana jako liczba atomowa (Z). Wraz ze wzrostem Z wzrasta zapotrzebowanie na większą ilość neutronów w stosunku do protonów. Jest to ważne, aby zwiększona energia wiązania neutronów mogła zrównoważyć zwiększone odpychanie spowodowane wzrostem dodatnio naładowanych protonów przy wyższych liczbach atomowych. Na przykład, największym naturalnie występującym atomem jest uran, który zawiera 92 protony. Dwa powszechnie występujące izotopy mają masę atomową 235 lub 238 i zawierają odpowiednio 143 lub 146 neutronów. Najbardziej stabilne atomy mają mniej więcej równą liczbę protonów i neutronów, czego przykładem jest żelazo (A=56), które ma 26 protonów i 30 neutronów. Wzajemne odpychanie się protonów sprawia, że atomy o większej masie atomowej są mniej stabilne. Stabilność zapewnia jedynie siła jądrowa, która przyciąga neutrony i protony. Ta siła jądrowa przezwycięża odpychanie elektryczne spowodowane ładunkiem dodatnim. Jednak siła jądrowa pokonuje siłę elektryczną tylko na bardzo małych odległościach (około 10 ujemnych sił 15 metrów, 10-15). Oznacza to, że małe jądra są bardziej stabilne niż duże, ponieważ mogą "skulić się" blisko siebie.
Zasadniczo jądra o dużym A (masa atomowa) mogą uwalniać energię poprzez rozszczepianie się w celu utworzenia bardziej stabilnych jąder i uwalniania energii w tym procesie. Jest to rozszczepienie jądra atomowego i stanowi podstawę działania wszystkich jądrowych reaktorów energetycznych. Istotne jest to, że podczas tego procesu emitowany jest nadmiar wolnych neutronów, które mają kluczowe znaczenie dla przebiegu jądrowej reakcji łańcuchowej.
Rozszczepienie jest bardzo rzadkie w warunkach naturalnych (ale nie niespotykane: patrz poniżej), bardziej powszechny jest rozpad alfa, w którym ciężkie jądro rozpada się na hel i mniejsze jądro.
Jest to podstawa dużej części naturalnej energii radioaktywnej w powierzchni ziemi. Jest to źródło energii naturalnej energii geotermalnej. Przykładami są polon i rad odkryte przez Curies z pitchblendy, rudy uranu zwanej obecnie uranitem, gdyż zawiera tlenek uranu.
Tylko uran-238 i uran-235, spośród naturalnie występujących atomów, ulegają spontanicznemu rozszczepieniu. W rzeczywistości naturalne (spontaniczne) rozszczepienie zostało odkryte dopiero w 1940 roku dwa lata po tym jak Hahn, Strassman i Meitner zaobserwowali w Berlinie rozszczepienie wywołane neutronami.
Powodem, dla którego naturalne rozszczepienie jądra jest tak rzadkie, jest stabilność spowodowana ścisłym wiązaniem protonów i neutronów.
W latach 40. XX wieku odkryto, że jeśli uran-235 zaabsorbuje neutron, który dostarczy wystarczającej energii, aby uczynić jądro niestabilnym, nastąpi rozszczepienie. Stwierdzono również, że w wyniku tego rozszczepienia powstają dodatkowe neutrony, które mogą wywołać reakcję łańcuchową.
Odkrycie to doprowadziło do powstania serii nowych radioizotopów, ponieważ początkowe fragmenty rozszczepienia ulegają dalszemu rozpadowi pod wpływem promieniowania alfa i beta, tworząc stabilne atomy. Na przykład, rozpad uranu-235 prowadzi do powstania stabilnego ołowiu-207.
Pierwszy reaktor jądrowy zbudowany przez człowieka musiał być oparty na uranie-235, ponieważ żaden inny materiał rozszczepialny nie występuje w przyrodzie. Stężenie uranu-235 wynosi zaledwie 0,7% w stosunku do naturalnej rudy. Takie stężenie uranu-235 nie podtrzymuje reakcji łańcuchowej, ponieważ zbyt wiele emitowanych neutronów jest pochłanianych przez większość również obecnego izotopu uranu-238. Dlatego, aby zainicjować reakcję łańcuchową, a tym samym wytworzyć energię, należy albo zwiększyć stężenie uranu-235 w stosunku do uranu-238 do 5%, albo zastosować moderator. W reaktorze pręty paliwowe są otoczone moderatorem, który składa się z atomów o małej masie, takich jak wodór w wodzie. Moderator ma dwie główne funkcje. Jedną z nich jest przekształcenie energii uwolnionej w wyniku bombardowania neutronami w ciepło, które ostatecznie zasila turbiny generujące. Drugą funkcją moderatora jest zwiększenie szybkości rozszczepienia uranu-235 wywołanego neutronami. Dzieje się tak dlatego, że szansa na rozszczepienie zwiększa się, jeśli energia neutronów jest niska. Tak więc obniżenie energii neutronów poprawia szybkość rozszczepienia i zmniejsza absorpcję neutronów przez uran-238 przy energiach pośrednich. Tak więc idealny moderator pochłania niewiele neutronów, dzięki czemu reakcja łańcuchowa może być podtrzymywana bez konieczności stosowania wzbogaconego paliwa. Woda zawierająca wodór-1 o małej masie jest dobrym moderatorem i tanim, jednak ze względu na pochłanianie neutronów wymaga wzbogacenia uranu-235 do 5%.
To krótkie podsumowanie działania moderatora w reaktorze jądrowym pomoże wyjaśnić różnice między kontrolowanym uwalnianiem energii wymaganym w jądrowym reaktorze energetycznym a wybuchowym uwalnianiem energii w broni jądrowej. Aby osiągnąć ten drugi cel, wymagane jest wyższe stężenie uranu-235 niż 5% stosowane w reaktorach cywilnych. Aby uzyskać paliwo jądrowe klasy wojskowej, konieczne jest skoncentrowanie U-235 do 80%. Byłoby to trudne i bardzo kosztowne do wykonania z odpadów z elektrowni jądrowej, ponieważ mają one stężenie uranu 235 (1%) niższe niż w oryginalnym paliwie klasy reaktorowej, a także są zanieczyszczone innymi izotopami promieniotwórczymi. Preferowaną metodą, stosowaną przez nieuczciwe państwa, takie jak Iran i Korea Północna, w celu uzyskania uranu przeznaczonego do produkcji broni, jest zagęszczenie zawartości U-235 do 80% za pomocą serii szybkich wirówek.
Alternatywą dla uranu-235 jako paliwa jądrowego jest pluton-239, również w dość czystej postaci. Może on powstać w cywilnym reaktorze jądrowym w wyniku pochłaniania neutronów przez uran-238.
Jednak prawdopodobieństwo jest dość wysokie, że wytworzony w reaktorze pluton-239 przechwytuje kolejny neutron, tworząc pluton-240. Pluton-240 jest najbardziej niepożądany jako zanieczyszczenie plutonu przeznaczonego do broni, ponieważ powoduje "skwierczenie". W konsekwencji, jeśli reaktor jądrowy jest używany do wytwarzania plutonu-239 do celów militarnych (tak jak były skonfigurowane niektóre z wczesnych reaktorów), to paliwo uranowe z plutonem-239 musi być często usuwane z reaktora, zanim zdąży zaabsorbować dodatkowy neutron. Jest to najbardziej nieefektywny sposób wykorzystania paliwa reaktorowego do produkcji energii elektrycznej, gdyż do wytworzenia masy krytycznej plutonu-239 potrzeba około 10 ton uranu. Terrorysta musiałby więc wyłączyć reaktor jądrowy po kilku miesiącach, a następnie wydobyć pluton-239 z częściowo zużytego paliwa.
Gabon przez Flo Lorenz.
Naturalny reaktor Oklo w Gabonie, w Afryce Zachodniej, był złożem geologicznym składającym się z 16 pokładów naturalnego uranu, który 2 miliardy lat temu spontanicznie zaczął ulegać rozszczepieniu jądrowemu.
W tym celu konieczne było spełnienie pewnych warunków, takich jak wystarczające stężenie uranu - zwłaszcza wysoce rozszczepialnego U235 - oraz przepuszczalny piaskowiec otaczający pokłady, który umożliwiał przenikanie wody przez skałę, gdzie działała ona jako moderator, spowalniając neutrony i umożliwiając osiągnięcie krytyczności reaktora. Reaktory pracowały w trybie "impulsowym", włączając się i wyłączając, gdy woda w skale cyklicznie gotowała się od ciepła, co powodowało zatrzymanie reakcji, aż do momentu, gdy więcej wody przesączało się wokół pokładów i reakcja rozpoczynała się ponownie.
Trwało to w ten sposób - w zasadzie nieprzerwanie - przez około milion lat, kiedy to uran 235 w końcu się wyczerpał i reakcje ustały. Badania reaktorów Oklo i względnego braku mobilności produktów rozszczepienia w ciągu eonów były nieocenione dla zrozumienia, jak budować efektywne głębokie geologiczne składowiska odpadów jądrowych.
Współtwórcy
1. Duncan Roy, Lewes Green Party
2. Peter Vaughan, Partia Zielonych Wschodniego Devonu
3. Mark Yelland, Partia Zielonych Brighton & Hove