Energia atomowa w przemyśle
Dla spowodowania reakcji wybuchowej nieodzowne jest użycie w charakterze materiału atomowego czystego izotopu uranu U – 235 (który stanowi zaledwie 0,7% naturalnego uranu) albo też otrzymywanego sztucznie z uranu nowego pierwiastka – plutonu. Natomiast do budowy stosu uranowego używa się uranu naturalnego, niekiedy tylko wzbogaconego w izotop U-235 lub zawierającego domieszkę plutonu. Ten ostatni bowiem wytwarza się w stosie w czasie normalnego przebiegu reakcji łańcuchowej drogą pochłaniania neutronów szybkich przez główny izotop uranu U-238. Stos o mocy 1.500.000 kW daje kilogram plutonu dziennie.
Z każdego stosu uranowego otrzymać możemy trzy główne rodzaje produktów reakcji rozszczepienia: energię w postaci ciepła, nowe materiały atomowe (pluton) oraz znaczną ilość substancji promieniotwórczych. Zależnie od sposobu prowadzenia procesu łańcuchowego w stosie można wykorzystywać wszystkie trzy drogi równocześnie albo też przystosować warunki do szczególnego wyzyskania tylko jednej z nich. W artykule niniejszym zajmiemy się wyłącznie zastosowaniem stosu uranowego dla celów przemysłowych wyzyskania energii atomowej.
W chwili obecnej nie znamy innego sposobu wydzielenia tej energii, niż w postaci ciepła. Być może w przyszłości uda się przekształcić energię atomową na elektryczną bez przejścia przez stadium energii cieplnej, ale na razie leży to jeszcze poza obrębem naszej wiedzy technologicznej. Usuwanie wytworzonego w stosie ciepła odbywa się za pomocą czynnika chłodzącego. Tam gdzie głównym celem funkcjonowania stosu jest produkcja czystego plutonu, czynnikiem chłodzącym jest zwykła woda. Ponieważ woda silnie pochłania neutrony, musi więc przepływać niezwykle cienką warstwą, co z kolei decyduje o szalonych prędkościach strumienia chłodzącego. W tych warunkach woda, wypływającą ze stosu, ma stosunkowo niską temperaturę, praktycznie wyklucza przemysłowe wyzyskanie odprowadzanego ciepła. Aby ciepło to mogło znaleźć zastosowanie, musi być odprowadzane w temperaturze co najmniej kilkuset stopni. Odpowiednim czynnikiem chłodzącym mogłaby być ewentualnie para wodna, jednak znacznie racjonalniejszym wydaje się stosowanie silnie sprężonych gazów jak hel lub dwutlenek węgla albo też stopionych metali jak bizmut lub ołów o małej zdolności pochłaniania neutronów. Istotnym ograniczeniem temperatury funkcjonowania stosu jest tylko wytrzymałość materiałów konstrukcyjnych. Jeżeli bowiem chodzi o sam materiał atomowy, to, jak wiadomo, w przypadku reakcji wybuchowej temperatura sięga tam rzędu milionów stopni.
Ponieważ produkty rozszczepienia uranu są silnie promieniotwórcze, a na każdy kilogram zużytego materiału przypada okrągło kilogram produktów rozpadu, każdy stos uranowy musi być otoczony osłoną cementową grubości co najmniej półtora metra. Ponadto zaś czynnik chłodzący oddaje zwykle zawarte w sobie ciepło nie bezpośrednio do obiegu zewnętrznego, lecz za pomocą specjalnych wymienników, które izolują wnętrze stosu od otoczenia. Jak groźny jest problem przedostania się produktów promieniotwórczych ze stosu na zewnątrz najlepiej ilustruje fakt, że natężenie promieniowania, wysyłanego przez stos o mocy 15.000 kW, (tj. zużywający zaledwie 20 kg czystego U-235 na rok) równoważne jest 100 tonom czystego radu.
W chwili obecnej węgiel oraz spadki wodne stanowią dwa główne źródła energii elektrycznej w krajach wielko – przemysłowych. Liczne obliczenia orientacyjne wskazują na to, że energia atomowa mogła by już dziś w szeregu krajów stosunkowo łatwo konkurować z węglem, natomiast nie wytrzymałaby jeszcze rywalizacji energii wodnej.
Plan wyzyskania energii atomowej w przyszłości będzie prawdopodobnie polegał na istnieniu nielicznych wielkich central, produkujących obok taniej mocy znaczne ilości plutonu oraz dużej liczby małych elektrowni, korzystających z wytworzonego w centralach materiału atomowego. Ponieważ kilogram plutonu (stanowiący bryłkę o objętości ok. 15 cm3) zawiera zasób energii równoważny stu wagonom węgla, łatwo stąd wyliczyć, że, zużywając zaledwie pół kilograma plutonu dziennie, można utrzymać w pełnym biegu elektrownię o mocy 100.000 kW, wystarczającą na zaopatrzenie w prąd elektryczny wcale niemałego miasta.
Nie należy zapominać, że siłownie atomowe czy węglowe mają tę przewagę nad wodnymi, że oprócz mocy dają również parę o dużej wartości przemysłowej. Energia atomowa ma więc już obecnie olbrzymie możliwości przemysłowe. Bardzo symptomatyczny jest przykład Anglii, gdzie cena węgla podnosi się tak szybko, iż kilowatogodzina prądu, która przed wojną kosztowała 0,7 centa, kosztuje dziś prawie całego centa. Jeżeli Anglia nie zmodernizuje swego przemysłu węglowego, energia atomowa będzie tam groźną konkurencją dla wagonów czarnych diamentów.