Energia jądrowa
WSTĘP
Energia jest obecnie bardzo potrzebna ludzkości. Przez wieki zastanawiano się jakie sposoby i środki byłyby najlepsze do jej uzyskiwania.
Pierwszym podstawowym źródłem energii był ogień. Niestety w dobie rozwoju i postępu nie był on już wystarczający. Pojawiły się nowe sposoby otrzymywania coraz to większych pokładów energetycznych. Zaczęto wykorzystywać węgiel oraz ropę naftową. Niestety są to zasoby nieodnawialne i na pewno kiedyś się skończą, dlatego też należy je oszczędzać i szukać coraz to lepszych środków do wytwarzania energii. Poza tym spalanie paliw kopalnych powoduje efekt cieplarniany oraz zanieczyszczenia związkami siarki, azotu i pyłami.
Odkrycie w 1896 roku przez Henryka Becquerela promieniotwórczości było pierwszym krokiem w rozwoju energetyki jądrowej.
Energia jądrowa ma ogromne znaczenie dla ludzkości. Na dużym statku zużycie paliwa podczas podróży międzykontynentalnej wynosi 5000 ton. Przy wykorzystaniu paliwa atomowego wystarczy tylko 10 ton uranu, czyli 500 razy mniej. Ten przykład wyraźnie ilustruje jak ogromną energię można wytwarzać dzięki promieniotwórczości. Energię jądrową, która powstaje w wyniku naturalnego rozpadu promieniotwórczego pierwiastka można wykorzystać również do celów medycznych. Obecnie wiele koniecznych i nieodzownych badań nie mogło by się bez niej odbyć.
Każdy wynalazek może być wykorzystany w sposób ułatwiający życie człowieka, ale i jako czynnik to życie unicestwiający. Ludzi potrafią prawie każde dobrodziejstwo przemienić w czynnik bardzo niekorzystny, a nawet śmiertelny. Tak właśnie stało się z energią jądrową, którą to wykorzystano do produkcji bomby atomowej. Po wybuchu w Hiroszimie i Nagasaki przyniosła śmierć wielu tysiącom ludzi jak również przysporzyła ogromne straty materialne.
Energia jądrowa to nie tylko same korzyści. W wyniku jej powstawania wysyłane jest promieniowanie jonizujące, szkodliwe dla organizmów żywych a szczególnie dla ludzi. Pochłaniana przez ciało ludzkie energia promieniowania powoduje zakłócenie procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w organizmie, uszkodzenie komórek lub zmiany genetyczne i nowotworowe.
Czy zatem promieniotwórczość jest dobrodziejstwem czy też może zagrożeniem? Czy można się bez niej obyć? Czy potrafimy nad nią zapanować? Na pewno jest potrzebna. I stosuje się coraz to większe środki bezpieczeństwa, aby była mniej szkodliwa.
ELEKTROWNIE JĄDROWE
Energia jądrowa odgrywa duże znaczenie na świecie. W elektrowni jądrowej energię uzyskujemy nie ze spalania paliw kopalnych, lecz z rozszczepiania jąder atomowych. Kocioł zostaje tu zastąpiony reaktorem jądrowym, czyli urządzeniem, w którym wytwarzana jest energia jądrowa. W reaktorze przebiega kontrolowana reakcja łańcuchowa, podczas której rozszczepiane jest tyle jąder, ile potrzeba do wytworzenia energii elektrycznej. Obecnie elektrownie jądrowe produkują ponad 20% całkowitej światowej energii elektrycznej.
Rys.1 Udział energetyki jądrowej w poszczególnych krajach w 1992 roku.
OPIS DZIAŁANIA ELEKTROWNI JĄDROWEJ
1. Obudowa bezpieczeństwa jest podstawowym elementem konstrukcyjnym zapobiegającym uwolnieniu radioaktywnych gazów do atmosfery. Stanowi ona szczelną powłokę, zawierającą w sobie reaktor i jego układ chłodzenia, obliczoną na maksymalne ciśnienie awaryjne.
2. Budynek maszynowni znajduje się tam turbina, generator i transformator.
3. Chłodnia kominowa pozostała ilość ciepła niewykorzystana przy produkcji energii jądrowej zostają odprowadzana W tym celu para, po oddaniu użytecznej energii i wykonaniu pracy w turbinie, jest kierowana do skraplacza. Tam jest ona przy pomocy wody chodzącej kondensowana i ponownie jako woda zasilająca kierowana do obiegu.
4. Basen wypalonego paliwa
5. Reaktor urządzenie służące do wytwarzania kontrolowanej reakcji łańcuchowej, tj. ciągłego pozyskiwania energii z rozszczepiania jąder atomowych.
6. Turbina służy to przetwarzania energii jądrowej w mechaniczną.
7. Zbiornik wody zasilającej
8. Rurociągi wody chłodzącej
9. Generator - wytworzona w turbinie energia mechaniczna jest przez ten wał przenoszona do generatora. Poprzez szybki obrót przymocowanego na wale elektromagnesu wytwarzany jest w uzwojeniu generatora prąd i tym samym energia mechaniczna turbiny jest przemieniana w energię elektryczną.
10. Transformator - wytworzona w generatorze energia elektryczna musi zostać przetworzona, tak aby była możliwość jej transportu. Musi ona jako prąd elektryczny dotrzeć do użytkownika. Staje się to poprzez podwyższenie napięcia w transformatorze przy elektrownii.
DZIAŁANIE PROMIENIOTÓWRCZOŚCI NA LUDZI MIESZKAJĄCYCH W POBLIŻU ELEKTROWNI
Ludzie mieszkający bardzo bliską reaktorów jądrowych są narażeni bardziej na szkodliwe działanie promieniowania niż te osoby które mieszkają w bezpieczniejszej odległości. Mimo to, owe promieniowanie nie jest aż tak silne. Jego dawki nie przekraczają kilku procent naturalnego tła promieniowania. Reaktory są bezpieczne jedynie wtedy, gdy działają bez żadnych zakłóceń i awarii. W innym przypadku ludzie mieszkający blisko reaktora mogą być narażeni na niekorzystne działanie promieniowania.
STOPIENIE REAKTORA JĄDROWEGO W CZARNOBYLU
Opis zdarzeń w dniach 25 i 26 kwietnia:
25 kwietnia, godzina 13.00 inżynierowie elektrycy w związku z zaplanowanymi próbami polecili wpuścić pręty regulacyjne w rdzeń reaktora wodnego - ciśnieniowego o moderatorze grafitowym, chłodzonego wodą zwykłą. Termiczna moc spadła przy tym z prawidłowych 3 200 MW na 1 600 MW. Zapotrzebowanie mocy zmalało i dla wygody o 14:00 został wyłączony system chłodzenia zagrożeniowego, który zużywał moc. Tym samym powstało pierwsze z licznych zagrożeń bezpieczeństwa.
O godzinie 23.10 systemy monitorów przestawiono na małe stopnie mocy, ale operator zapomniał przeprogramować komputer, aby utrzymać 700 do 1 000 termicznych MW. Moc spadała na niebezpiecznie niski poziom 30 MW. Większość prętów regulacyjnych została wysunięta, aby podnieść moc. Ale w prętach regulacyjnych wytworzył się już produkt rozszczepienia - ksenon. "Zatruł" on reakcję. Wbrew przepisom bezpieczeństwa w panicznym działaniu wysunięto wszystkie pręty. Moc wzrosła. 26 kwietnia o 1.03 niezwykła kombinacja małej mocy i wysokiego strumienia elektronów uczyniła niezbędnym liczne ręczne ingerencje w regulację reaktora. Operatorzy wyłączyli sygnały wyłącznika bezpieczeństwa. O godzinie 1.22 komputer wskazał nadmierne promieniowanie, ale operatorzy postanowili ukończyć próby. W tym momencie ostatni sygnał ostrzegawczy nie został nadany, gdy chcieli wyłączyć przyrząd bezpieczeństwa reaktora.
O godzinie 1.23 rozpoczęła się zaplanowana próba. Moc rosłą. Przy niebezpiecznie niskim poziomie mocy, każdy nawet tak mały wzrost mocy, wyzwalał natychmiastowy dalszy - ogromny wzrost. Operatorzy reagowali błędnymi działaniami, a moc osiągnęła niezrównoważoną 100 - krotna zdolność wytwórczą reaktora. Paliwo uranowe uległo rozpadowi, przedarło się przez powłokę rur i weszło w kontakt z wodą chłodzącą. Potężna eksplozja pary wysadziła zbiornik reaktora oraz betonowe ściany hali i wyrzuciła w powietrze palące się bloki: grafitowy i paliwowy. Pył promieniotwórczy uniósł się wysoko do atmosfery.
Z uwolnionych radioaktywnych izotopów szczególnie niebezpieczne są jod 131 (okres połowicznego rozpadu 8 dni) oraz cez 137 (okres połowicznego rozpadu 30 lat), których połowa ilości znajdujących się w reaktorze dostała się w powietrze.
Budowa sarkofagu zamykającego stopiony reaktor RBMK-1000 w Czarnobylu (foto)
SKUTKI:
Na miejscu wypadku w wyniku eksplozji i pożaru 187 osób zapadło na ostrą chorobę popromienną, a 31 z nich zmarło. Zniszczony reaktor wyzwolił setki razy więcej promieniowania jonizującego niż zbombardowanie Hiroszimy i Nagasaki. Intensywność promieni gamma na terenie elektrowni przewyższała 100 R/h (rentgenów na godzinę), a to oznacza, że dawka, którą Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej uznaje za maksymalną roczną, została tam przekroczona kilkaset razy w ciągu zaledwie godziny. Natomiast na dachu zniszczonego bloku energetycznego promieniowanie osiągnęło przerażający poziom 100 000 R/h. Zachorowało około 30 tys. ludzi spośród 400 tys. robotników zatrudnionych przy zakopywaniu najbardziej niebezpiecznych odpadów i budowie specjalnego budynku wokół zniszczonego reaktora ochrzczonego "sarkofagiem". Liczbę zmarłych w wyniku tragedii oszacowano na około 32 tysiące. Wśród chorych notuje się nie tylko więcej przypadków białaczki i złośliwych guzów, lecz także większą podatność na choroby układu krążenia oraz zwykłe infekcje: bronchit, zapalenie migdałków lub zapalenie płuc. Wdychanie rozproszonego w powietrzu jodu 131 spowodowało bezpośrednio po katastrofie napromieniowanie tarczycy dawkami równoważnymi ponad 200 R u 13 tys. dzieci. (Dopuszczalna dawka roczna dla pracowników przemysłu atomowego jest dwukrotnie mniejsza.) 4 tys. dzieci otrzymało dawki odpowiadające aż 2000 R i zapadło na chroniczne zapalenie tarczycy (jod gromadzi się selektywnie w tym gruczole). Zapalenie tarczycy przebiega wprawdzie bezobjawowo, można już jednak mówić o początku fali zachorowań na nowotwory.
W latach 1981-1985 na skażonych później obszarach Ukrainy notowano około pięciu przypadków raka tarczycy rocznie. W ciągu 5 lat po katastrofie liczba ta wzrosła do 22, a w latach 1992-1993 notowano już średnio 43 przypadki rocznie. Oficjalne dane statystyczne mówią o 589 dzieciach z najdotkliwiej skażonych regionów, u których po 1986 roku stwierdzono nowotwór tarczycy. (Na Białorusi liczba zachorowań jest jeszcze większa.) Wśród dzieci ewakuowanych z bliskich okolic reaktora zachorowalność na raka tarczycy wzrosła dziesięciokrotnie w porównaniu z poziomem sprzed awarii i przekraczało 5 lat temu 4 przypadki na milion. Są to nowotwory łatwo dające przerzuty. Warunkiem wyleczenia jest szybkie wykrycie guza i usunięcie całego gruczołu. Pacjent musi później już do końca życia uzupełniać niedobór hormonów tarczycy. Ludzie masowo zaczęli opuszczać skażone tereny. Miejsce katastrofy opustoszało.
WPŁYW PROMIENIOWANIA NA CZŁOWIEKA
Promieniowanie ma niekorzystny wpływ na organizm człowieka, gdyż prowadzi do jonizacji cząsteczek organizmu. W wyniku tego w tkankach tworzą się pary jonów stanowiące wysoko aktywne chemiczne rodniki oraz prowadzą do uszkodzenia struktury dużych cząstek przez ich rozrywanie lub zlepianie. Prowadzi to do zmian biochemicznych i zmian strukturalnych komórek.
Ułożenie tkanek od tych najmniej odpornych na promieniowanie do tych, które są najbardziej odporne: tkanka limfatyczna- nabłonek jąder, szpik kostny, nabłonek żołądkowo- jelitowy, jajniki, skóra, tkanka łączna, kości, wątroba, trzustka, nerki, nerwy, mózg i mięśnie.
Uszkodzenia popromienne, ze względu na rodzaj ich następstw dzielimy na uszkodzenia somatyczne tj. wpływające na procesy odpowiedzialne za utrzymanie organizmu przy życiu oraz genetyczne tj. naruszające zdolność organizmu do prawidłowego przekazywania cech swemu potomstwu. Skutkiem uszkodzeń somatycznych jest ostra choroba popromienna. Jej objawami są bóle głowy, mdłości, osłabienie, zmiany we krwi, biegunka, niedokrwistość, wrzodziejące zapalenie gardła, obniżenie odporności organizmu i wypadanie włosów. Choroba popromienna może zakończyć się śmiercią lub przejść w fazę przewlekłą ze stopniowym wyniszczeniem organizmu zakończonym najczęściej białaczką lub anemią aplastyczną i ostatecznie spóźnioną śmiercią. Mimo, że skutki choroby popromiennej były słabe i pacjent wyzdrowiał, mogą wystąpić jej późniejsze, groźniejsze skutki: przedwczesna starzenie, krótsze życie, nowotwory, niedokrwistość, białaczka i zaćma.
Uszkodzenia genetyczne polegają na zmianie struktury chromosomów wchodzących w skład komórek rozrodczych. Ich następstwem są mutację przejawiające się w zmianie dziedziczonych przez potomstwo cech ustroju. Uszkodzenia chromosomów, a właściwie zmiany w składających się na nie genach, są kopiowane przez następne generację komórek. Zmieniony nieprawidłowy kod genetyczny może być tak samo stabilny i czynny jak jego poprawny odpowiednik. Powoduje to różnego rodzaju wady dziedziczne potomstwa w kolejnych pokoleniach.
Dawka (w Sv) Efekty
0,05-0,2 Możliwe efekty opóźnione i zaburzenia chromosomalne
0,25-1,0 Zmiany we krwi
Ponad 0,5 Możliwa chwilowa niepłodność u mężczyzn
1-2 Wymioty, biegunka, mniejsza odporność, zahamowanie rozrostu kości
2-3 Silna choroba popromienna, 25% zejścia śmiertelnego
Ponad 3 Całkowita niepłodność u kobiet
3-4 Zniszczenie szpiku i miąższu kostnego, 50% szansa na przeżycie
4-10 Ostra choroba i śmierć u 80% napromieniowanych
Małe dawki promieniowania nie są bardzo groźne dla organizmu. Dawki powyżej 2 Sv powodują poważne konsekwencje zdrowotne, które mogą prowadzić nawet do śmierci.
PODSTAWOWE ZASADY OCHRONY RADIOLOGICZNEJ:
- im dalej od źródła szkodliwego promieniowania tym bezpieczniej
- im krótszy czas narażenia tym mniejsza dawka promieniowania
- stosuj osłony! Osłona pochłania promieniowanie
BOMBA ATOMOWA
Bomba atomowa została skonstruowana podczas II Wojny Światowej w USA. Schemat działania owej bomby wygląda tak: jądro uranu bombardowane neutronami dzieli się na 2 mniejsze; różnica między masą początkową a końcową przekształca się w ogromną energię. Ładunek uranu otoczono tradycyjnym materiałem wybuchowym, który eksplodując kilkadziesiąt metrów nad ziemią, miał spowodować zgniecenie materiału rozszczepialnego i doprowadzić do reakcji łańcuchowej.
Celem ataku bomby atomowej 6 sierpnia 1945 roku była Hiroszima. W promieniu około 1,5 km od miejsca wybuchu nikt nie przeżył. Temperatura w epicentrum był tak wysoka, że wszystko wyparowało. Dziesiątki tysięcy ludzi zmarło od razu, podobna liczba do końca 1945 roku. W ciągu 45 sekund miasto przestało istnieć. Choroba popromienna, kalectwo i zmiany chorobowe w organizmach ludzkich występują w następnych pokoleniach, wiele lat po tym strasznym wydarzeniu.
Następną bombę zrzucono na Nagasaki 9 sierpnia 1945 roku. Zginęło 50 tysięcy ludzi, a straty były podobne do tych w Hiroszimie.
Little boy, bomba atomowa zrzucona na Hiroszimę, A – statecznik, B – zapalnik ciśnieniowy, C – ładunek konwencjonalnego materiału wybuchowego, D – uran (masa podkrytyczna), E – ekran neutronów, F – kadłub bomby, G – uran (masa podkrytyczna), H – pojemnik ochronny z ołowiu.
PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ A MEDYCYNA
Wprawdzie promieniowanie może być szkodliwe i niebezpieczne, gdyż może powodować uszkodzenie komórek, ale nawet niszczące działanie promieniowania na żywy organizm umiemy wykorzystać dla ratowania zdrowia i życia ludzi, napromieniając w sposób zaplanowany i kontrolowany osoby, u których stwierdzono chorobę nowotworową. Już wkrótce po odkryciu promieni X (1895 r.) i wyizolowaniu czystego radu przez Marię i Piotra Curie (1902 r.) zaczęto je wykorzystywać w medycynie do celów diagnostycznych i terapeutycznych. Medyczny aparat rentgenowski powstał w 1898 r., pierwszy ośrodek leczenia radem nowotworów założono w 1906 roku.
Źródła promieniowania stosowane w medycynie możemy podzielić na urządzenia wytwarzające promieniowanie jonizujące i źródła izotopowe. Do pierwszej grupy zalicza się wszystkie rodzaje aparatów rentgenowskich, stanowiących najliczniejszą grupę urządzeń radiacyjnych w medycynie oraz tzw. akceleratory, czyli urządzenia do przyspieszania cząstek naładowanych tak, aby nadać im dużą energię. Wyprowadzoną z akceleratora wąską wiązkę promieniowania wykorzystuje się do niszczenia komórek nowotworowych.
Izotopy promieniotwórcze są obecnie bardzo szeroko stosowane i to zarówno w postaci źródeł zamkniętych, jak i otwartych. Do celów leczniczych stosuje się przede wszystkim silne źródła promieniowania g, jak: rad, kobalt i cez. Zaczęło się oczywiście od radu. Wielką jego wadą była zawsze wysoka cena. W 1923 roku 1 g radu kosztował 175 tysięcy dolarów, więc tylko nieliczne szpitale stać było na kupno dostatecznej ilości tego pierwiastka. Od czasu pierwszego praktycznego zastosowania radu aż do lat pięćdziesiątych w całym świecie wyprodukowano go zaledwie około 3 kilogramów.
Aktywność radu spada z upływem czasu bardzo powoli. Można to obliczyć dokładnie, korzystając z podstawowego prawa rozpadu, ale nawet bez tego możemy śmiało powiedzieć, że obecna aktywność źródła radowego, o którym mówimy, jest niewiele mniejsza od aktywności początkowej, gdyż czas, jaki upłynął od zainstalowania źródła (ok. 60 lat), jest bardzo mały w stosunku do okresu półrozpadu radu (1600 lat).
Przetwarzając energię jądrową w elektryczną można zbudować miniaturową baterię (zwaną baterią jądrową), wprawdzie o małej mocy, ale za to o długim czasie pracy. Stosuje się je w stymulatorach serca, dzięki którym już setki tysięcy ludzi na całym świecie, cierpiących na zaburzenia rytmu serca mogą normalnie żyć i pracować. Najczęściej wykorzystuje się w nich izotop plutonu 238Pu, wytwarzany w reaktorach jądrowych.
Wśród badań, jakim bywamy poddawani, jednym z podstawowych jest rentgenowskie zdjęcie płuc. Opiera się ono na podobnej zasadzie jak omawiana wcześniej radiografia przemysłowa. Badany obiekt (pacjent) znajduje się pomiędzy Źródłem promieniowania (aparatem rentgenowskim) a detektorem (kliszą fotograficzną). Po włączeniu do sieci aparat wysyła promieniowanie X, które przechodząc przez ciało ludzkie pochłaniają w różny sposób kości i tkanki miękkie, stąd różny stopień zaczernienia kliszy fotograficznej w różnych miejscach. W ten sposób można na niej otrzymać obraz badanego narządu.
Technika rentgenowska wciąż rozwija się. Udoskonalenie aparatury oraz stosowanie coraz lepszych materiałów fotograficznych pozwoliło skutecznie skrócić czas napromieniania, a więc i zmniejszyć dawki promieniowania.
Wielkim osiągnięciem techniki rentgenowskiej jest tomografia komputerowa, w której komputer steruje wykonywaniem kolejnych zdjęć badanego narządu pod różnymi kątami i w różnych płaszczyznach. Uzyskuje się dzięki temu obraz warstwowy, co pozwala lekarzowi wykryć nawet niewielkie zmiany chorobowe.
Diagnostyka przy użyciu promieni X
Ta metoda diagnostyki ma 90% udział w kolektywnej dawce efektywnej wywołanej medycznymi zastosowaniami promieniowania jonizującego. Rocznie przeprowadza się za pomocą aparatów rentgenowskich 1910 mln badań medycznych i 520 mln dentystycznych. średnia indywidualna roczna dawka efektywna jest szacowana na 0,4 mSv, a roczna dawka kolektywna na 2,3x106 osoboSv, przy czym dawki wywołane diagnostyką dentystyczną są o dwa rzędy wielkości mniejsze od dawek wywołanych diagnostyką medyczną.
Diagnostyka przy użyciu radiofarmaceutyków
Liczba nuklidów stosowanych w badaniach diagnostycznych doszła do sześćdziesięciu. Najszersze zastosowanie mają: 99Tc, 201Tl, 67Ga, 131I. Ponad 80% badań diagnostycznych z zastosowaniem farmaceutów stanowią zabiegi przy użyciu 99Tc o
PODSUMOWANIE KORZYŚCI PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
1) Energia jądrowa jest jedynym źródłem, jakie może zaspokoić zasadniczą część zapotrzebowania na energię wolną od CO2.
2) Koszty zewnętrzne dla energii jądrowej są znacznie mniejsze niż dla wszystkich paliw organicznych
3) Likwidacja energetyki jądrowej jest nonsensem ekonomicznym i zbrodnią ekologiczną.
4) Istnieją naukowe i techniczne rozwiązania przechowywania odpadów radioaktywnych, ale brak jest woli politycznej.
5) Dobrze działające elektrownie jądrowe nie wyrządzają większej krzywdy środowisku i człowiekowi.
6) Promieniotwórczość jest bardzo potrzebna w medycynie.
Wypadki związane z promieniotwórczością były bardzo nagłaśniane, gdyż pochłonęły bardzo dużą liczbę ofiar. Z terminem promieniotwórczość kojarzy się wypadek w Czarnobylu i wybuch bomby atomowej. Mimo to energia jądrowa jest obecnie najlepszym źródłem energii. Ocena następstw awarii możliwych w różnych systemach energetycznych, wykazała że liczba ofiar śmiertelnych na jednostkę wytworzonej energii jest największa w przypadku gazu, a ryzyko związane z cyklem węglowym znajduje się na drugim miejscu. Zagrożenia związane z awarią nowoczesnych elektrowni jądrowych są znikome.
Z perspektywy zdrowia i dobrobytu społeczeństwa, energia jądrowa obok energii odnawialnych wydaje się tą najbardziej pożądaną.
w ZAŁĄCZNIKU SĄ RYSUNKI
BIBLIOGRAFIA
„Podstawy ekologów i ekologii jako nauki wobec energetyki jądrowej”
Zbigniew Jaworowski "Dobroczynne promieniowanie" Wiedza i Życie, 3/97.
Zbigniew Jaworowski "Radioaktywność a zdrowie ludzkie" Wiedza Powszechna Warszawa 1971
Eugelbert Booda "Energia jądrowa - groza czy nadzieja?", Wiedza Powszechna, Warszawa 1956
Internet:
www.atomowe.kei.pl
www.atominfo.org
www.nuclear.pl