Energia atomowa w przemyśle

Gdy w pierwszej połowie ubiegłego stulecia Michał Faraday tłumaczył zebranej w sali Towarzystwa Królewskiego elicie towarzyskiej Londynu zasady wykrytego przez siebie zjawiska elektromagnetycznej indukcji, niejeden ze słuchaczy uśmiechał się sceptycznie lub pobłażliwie potakiwał. A kiedy prelegent skończył swe piękne doświadczenia, obecny na sali minister finansów Gladstone sarkastycznie zapytał, co komu z tego wszystkiego przyjdzie. „Tego jeszcze dziś nie wiem — odpowiedział śmiało pełen młodzieńczego entuzjazmu Faraday — ale mogę pana zapewnić, Sir, że jeszcze za swego życia będzie Pan ściągał z tego podatki“. Nie będzie na pewno przesadą, jeżeli przyrównamy wagę i znaczenie największego odkrycia współczesnej nam epoki, jakim jest bezsprzecznie wyzwolenie energii atomowej, do znaczenia odkrycia Faradaya. W rzeczywistości niejedno przemawia za tym, że oddanie na użytek człowieka potężnych zasobów energii, uwięzionej we wnętrzu jąder atomowych, spowoduje znacznie większe zmiany w gospodarce i w życiu kulturalnym narodów niż to, które w ubiegłym stuleciu spowodowało wprowadzenie elektryczności do przemysłu i handlu. Niemniej jednak nie sposób jeszcze w tej chwili ocenić całą doniosłość tego epokowego osiągnięcia i na pewno szereg lat jeszcze upłynie, zanim technika zdoła wykorzystać wszystkie możliwości, które ta nowa gałąź wiedzy odsłoni przed oczyma uczonego czy technologa.

Tak się tragicznie złożyło, że pierwszym zastosowaniem energii atomowej było użycie jej do niszczycielskich celów wojennych. Fakt ten zaćmił początkowo wspaniałe perspektywy pokojowych zastosowań energii atomowej. Tym bardziej, że w krajach o gospodarce kapitalistycznej sfery wielko-przemysłowe patrzyły od pierwszej chwili z ukosa na pojawienie się tego nowego źródła energii, którego wyzyskanie na dużą skalę mogłoby w stosunkowo krótkim czasie podważyć wpływy wielkiego kapitału na arenie międzynarodowej. Lecz nawet pobieżny rzut oka na osiągnięcia nauki i techniki na tym odcinku w ciągu niespełna sześciu lat od chwili uzyskania pierwszego w dziejach stosu atomowego o mocy zaledwie pół wata do istniejących już dziś zakładów atomowych, rozporządzających mocą rzędu milionów kilowatów, może bez trudu przekonać nawet najbardziej konserwatywnego technologa, że świat wszedł na drogę rozporządzania niespotykanymi dotąd zasobami taniej energii.

Jeżeli pragniemy się zorientować, jakie są perspektywy wyzyskania energii atomowej dla celów przemysłowych, to musimy znaleźć odpowiedź na dwa najważniejsze pytania: czy wyzwolenie na wielką skalę energii z wnętrza atomów jest ekonomicznie racjonalne, oraz czy istnieje w przyrodzie dostateczna ilość materiału, z którego potrafimy energię tę wyzwalać dla zaspokojenia w przyszłości przynajmniej znacznej części zapotrzebowania energetycznego mieszkańców kuli ziemskiej. Aby jednak móc na pytania te odpowiedzieć, nieodzowne jest naszkicowanie choćby w najogólniejszym schemacie mechanizmu rozpadu atomowego ciężkich pierwiastków chemicznych, któremu towarzyszy wyzwalanie uwięzionych w ich wnętrzu olbrzymich zasobów energii.

Jądro atomowe każdego pierwiastka chemicznego składa się z pewnej liczby protonów, i neutronów. Wobec czego każdy pierwiastek może być wyzyskany jako źródło tych dwu rodzajów pocisków atomowych. W przypadku bombardowania neutronami jąder atomowych pierwiastków ciężkich, jak np. uranu lub toru, rozpad atomowy prowadzi często do rozszczepienia jądra wyjściowego na dwie prawie równe części, którym towarzyszy jeden lub kilka pojedynczych neutronów. Ponadto okazuje się, że suma mas wszystkich, uzyskanych podczas rozszczepienia odłamków jądrowych, jest o jedną dziesiątą procentu mniejsza od masy bombardowanego jądra uranu. Zgodnie z wypowiedzianą jeszcze w roku 1905 przez Einsteina zasadą równoważności masy i energii, rezultatem obserwowanej zatraty masy jest wywiązanie olbrzymiej ilości energii. Prosty rachunek prowadzi do wniosku, że skutek energetyczny rozszczepienia jąder atomowych jednego kilograma uranu wyraża się liczbą 25.000.000 kilowatogodzin. Jednak prawdopodobieństwo zderzenia się pojedynczego neutronu z jądrem atomowym uranu jest tak małe, że dla uzyskania nawet bardzo skromnych wydajności trzeba by użyć tak silnych strumieni neutronów (otrzymywanych z dużym nakładem energii), że nie można by w ogóle myśleć o wyzyskaniu uranu jako źródła mocy dla zastosowań przemysłowych. O tym, że wyzyskanie energii atomowej na skalę przemysłową stało się możliwe, zadecydowała nie tylko wielka ilość energii, wywiązywana podczas rozszczepiania każdego jądra atomowego, lecz przede wszystkim to, że rozszczepieniu temu towarzyszy wydzielanie pewnej liczby dodatkowych neutronów.

Jeżeli założymy, że każdemu rozszczepieniu atomu uranu towarzyszy wydzielenie dwu szybkich neutronów, które są z kolei zdolne do natychmiastowego spowodowania dalszych dwu rozszczepień, nie trudno wywnioskować, że liczba rozszczepień będzie szybko wzrastała, dopóki proces nie osiągnie stanu gwałtownej reakcji wybuchowej. W tych warunkach mielibyśmy do czynienia z eksplozją atomową, nie nadającą się bynajmniej do celów przemysłowych. Jeżeli jednak układ zbuduje się w ten sposób, aby przeciętnie przypadło niewiele więcej niż jeden czynny neutron na rozszczepienie i przy tym zapewnić warunki, aby neutron ten szybko tracił znaczną część swej energii, wówczas można zrealizować proces łańcuchowy, któremu towarzyszy równomierne wywiązywanie praktycznie stałej ilości ciepła, nadającej się do zużytkowania w przemyśle. Układ taki nosi nazwę stosu lub reaktora uranowego.