Promieniotwórczość

Promieniowanie towarzyszy człowiekowi w codziennym życiu. Odkrycie naturalnej promieniotwórczości wywołało prawdziwą rewolucję w nauce oraz przełom w pojmowaniu Wszechświata i ewolucji wiedzy. Ze względu na swe liczne zastosowania, to niezwykłe od¬krycie wywarło duży wpływ na historię i życie ludzkości.
Promieniotwórczość, inaczej radioaktywność, to zjawisko samoistnej przemiany jed¬nych jąder atomowych w inne. Głównymi procesami odpowiedzialnymi za promie¬niotwór¬czość są: rozpad β, rozpad α, wychwyt elektronu, spontaniczne rozszcze¬pienie. Intensywność procesu promieniotwórczości opisuje się podając aktywność da¬nej substancji (aktywność źró¬dła promieniotwórczego). Zmiany czasowe aktywności charakteryzuje, właściwy danemu izotopowi promieniotwórczemu, czas połowicznego zaniku.
8 listopada 1895 Wilhelm Conrad Roentgen, profesor fizyki na Uni¬wersytecie w Wür¬zburgu, od¬kry¬wa spokrewnione ze światłem, ale niewidoczne, elektroma¬gnetyczne promie¬niowanie posiadające zdol¬ność przenikania przez ciała stałe. Ze względu na jego tajemniczość, nazywa je promieniami X.
Roentgen zajmuje się promienia¬mi katodowymi, które odkrył fi¬zyk Julius Plücker i które dają się obserwować w rurach Geisslera. Rurki promieni ka¬todowych zostały znacznie ule¬pszone od czasów Plückera i Johanna Heinri¬cha Wilhelma Geisslera.
Z katod wychodzą względ¬nie zwarte wiązki promieni elek¬tronowych. Prze¬biegają one przez rurę w linii prostej z dużą prędkoś¬cią. Prędkość ta uzależ¬niona jest od na¬pięcia przyłożonego do ru¬rki. Przy 1000 wolt wynosi 16700 km/s, przy 100000 wolt -165000 km/s, a przy milionie wolt wynosi 285 000 km/s i bliska jest prędko¬ści światła.

Z takiego rodzaju gorącymi rura¬mi katodowymi eksperymentuje Roentgen. Kon¬centruje on prąd elektronowy za pomocą katody w formie zwierciadła wklęsłego na możliwie małej powierzchni leżą¬cej naprzeciwko ścianki szklanej rurki, owija całą rurkę czarnym papierem i zaciemnia laborato¬rium. Zauważa przy tym coś osob¬li¬wego: stojący w pobliżu pociąg¬nięty specjalną masą (cyjanur barowoplatynowy) parawan za¬czyna świecić zielonkawo. Po¬nie¬waż promienie katodowe nie prze¬nikają przez ściany rurki, a pro¬mienie światła widzialnego nie mogą przenikać przez czarną pa¬pierową tulejkę, rurka musi emito¬wać jakieś nieznane dotychczas promie¬niowanie.
Zaskoczony Roentgen bierze świe¬cący parawan do ręki i przysuwa go bliżej rurki. Światło jest moc¬niejsze i nagle badacz widzi na ekranie kości swoich palców, któ¬rymi trzyma parawan. Niewidzialne promienie przenikają zatem nie tylko przez czarny papier, lecz również przez jego rękę.
Roentgen eksperymentuje dalej z 1000 - stronicową książką, z kar¬tami do gry także z sosnową deską grubości 2-3 cm. Te nowe promie¬nie wychodzące z rurki przeni¬kają wszystko. Wychodzą one dokład¬nie z tego miejsca, gdzie promienie katodowe trafiają od wewnątrz na szklaną ściankę rury.
Przez następne dni Roentgen bada systematycznie właściwości pro¬mieni X, jak je nazywa. Są one wytwarzane, gdy promienie kato¬dowe padają na szklaną ściankę lub na inną przeszkodę np. meta¬lową płytkę wewnątrz rurki. Pro¬mienie rozprzestrze¬niają się po li¬niach prostych na wszystkie stro¬ny, jo¬nizują powietrze i w odróż¬nieniu od promieni katodowych nie dają się ma¬gnetycznie odchy¬lać. Przenikają wszystkie materia¬ły, lepiej lżejsze niż cięż¬kie. Prawie nieprzenikalna jest dla nich płytka oło¬wiowa o grubości 1,5 mm.
Promienie działają nie tylko na świecący ekran, lecz również na błony foto¬gra¬ficzne, nawet jeśli te są zamknięte w kasetach. Roentgen wskazał sposób wyko¬rzy¬stania promieni X (zwanych powszechnie promieniami rentge¬now¬skimi) w medy¬cynie. Skon¬struował także pierwszą lampę re¬ntgenowską.

W 1914r. w Instytucie Fizyki Uniwersytetu we Freiburgu wykonano zdjęcie kości
ręki przy pomocy promieni Roentgena

4 lutego 1896 Antoine Henri Becquerel odkrywa radioaktywność. Odkrycia dokonane w 1895 roku przez Roentgena stało się wkrótce dla wielu uczonych bodźcem do poszukiwań innych sposobów otrzymywania tych promieni. Becquerel był jednym z nich. Postanowił zbadać, czy w procesie fosforescencji obok światła widzialnego są wysyłane pro¬mienie rentgenowskie. W swoim do¬świadczeniu do ich wykrywania użył klisz fotograficznych owiniętych w czarny, nieprzenikliwy dla światła pa¬pier. Już Roentgen pokazał, ze klisze takie ulegają zaczernieniu pod wpły¬wem promieni X. Na tak przygotowa¬nych kliszach Becquerel umieścił próbki naświetlonych słońcem soli uranu. Pierwsza seria doświadczeń zakończyła się sukcesem – otrzymał wyraźne zdjęcia próbek. 29 lutego 1896 roku zawiadomił członków Fran¬cuskiej Aka¬demii Nauk o swym odkry¬ciu. Już w dwa dni później musiał jed¬nak zmienić treść swojego komunikatu. Okazało się bowiem całkiem przypadkowo, że nie naświetlone próbki uranu wywołują ten sam efekt. Przebadał wiele związków uranu, wszystkie wyka¬zywały tę samą właściwość – emitowały spontanicznie i nieprzerwanie pro¬mieniowanie. Największą aktywność wy¬kazywał sam uran. Becquerel uznał go za źródło promieniowania o naturze równie tajemniczej jak zjawisko wy¬kryte przez Roentgena. Nazwano je wkrótce promieniowaniem Becquerela. Uczony poszukiwał innych jego źró¬deł, ale mimo długotrwałych doświad¬czeń nie odniósł sukcesu.
Odkrycie Becquerela zapoczątkowało rozwój nowej dziedziny – nauki o promieniotwórczości. Zasługą uczonego było nie tylko wykrycie nowego zjawiska, ale i zbadanie jego podstawowych właściwości. Nie potrafił jednak wniknąć w naturę tego zjawiska i wyjaśnić rządzących nim mechanizmów.

1898 Maria Skłodowska-Curie, po odkryciu promieni rent¬genowskich i pro¬mieni Becquerela, wraz z mężem Piotrem Curie rozpoczęła sys¬tematyczne bada¬nia promienio¬wania, wychodząc od uranitu, który zawiera uran. Jednakże przy pomiarach aktywności niektórych rud uranu spotkała ją wielka niespo¬dzianka. Wykazywały one aktywność zna¬cznie wyższą niż sam metaliczny uran. Co więcej, sztucz¬nie przygoto¬wane próbki o tym samym składzie che¬mi¬cznym nie wykazywały nadmier¬nej aktywności, co zga¬dzało się z wcze¬śniejszymi obserwacjami. W rudach powinien więc znajdować się nieznany, silnie promie¬niotwórczy pierwiastek. Należało go wyodrębnić i zba¬dać jego właściwości. W tym momencie do prac nad promieniotwórczością przystąpił zafascynowany odkry¬ciem Marii Piotr. Od tej pory badania prowadzili wspól¬nie. Spodziewali się, że związki nieznanego pierwiastka stanowią co najwyżej 1 procent masy rudy. Prace nad wydzieleniem go polegały na ko¬lejnym usuwaniu z rudy znanych związ¬ków i mierzenia aktywności pozo¬stałości. W ten sposób wyodrębnili od razu dwa nowe pierwiastki. Istnienie ich ogłosili w 1898 roku, nadając im nazwy polonu i radu.
Dowodem istnienia nowych pierwiastków była jedynie aktywność promie¬niotwór¬cza próbek zawierających biz¬mut i bar, gdyż pier¬wiastki radioak¬tywne wy¬stępowały w zni¬komych ilościach i nie da¬wały się wyodrębnić meto¬dami che¬micznymi. Aby przedstawić czyste związki, trzeba było dys¬ponować znacznie więk¬szą ilością mate¬riału wyj¬ścio¬wego. Dzięki pomocy Aka¬demii Nauk w Wiedniu uczeni otrzymali kilka ton odpa¬dów powsta¬łych przy prze¬robie smółki uranowej, w których powinny znajdo¬wać się poszuki¬wane pier¬wiastki. Ogromna praca została w rok później uwieńczona otrzy¬maniem przez krystalizację czystego chlorku radu. Zawartość radu w ru¬dzie nie prze¬kraczała jednej milionowej, a więc była przeszło dzie¬sięć tysięcy razy mniej¬sza, niż się tego początkowo spodziewano. Trudną i wyczerpującą pracę związaną z przerobem tak wielkich ilości materiału mał¬żonkowie wy¬konali praktycznie sami.
Zjawisko promieni

Elektrownia jądrowa w porównaniu z węglową zużywa mniej ton paliwa i wytwarza przy tym stosunkowo mało odpadów. Świadczy to o mniejszym zanieczyszczeniu naszego środowiska, jak i o mniejszej jego degradacji podczas pozyskania potrzebnego paliwa.

Normalnie pracująca elektrownia jądrowa nie produkuje popiołów ani pyłów i nie wydala gazów spalinowych. Wprowadza do środowiska mniejsze ilości substancji radioaktywnych niż elektrownia węglowa i to głównie w postaci nie reagujących chemicznie gazów szlachetnych 85Kr i 133Xe. Oprócz energii elektrycznej produkuje, jak każda elektrownia, ciepło odpadowe. Jest to czysta energetyka, prawie zupełnie nieszkodliwa dla środowiska. Elektrownia jądrowa o mocy 1000MW(e) zużywa dziennie około 80 kg uranu, a rocznie produkuje około 10 t wysoko radioaktywnych odpadów w postaci zużytego paliwa, którego zabezpieczenie i przechowywanie wzbudza wiele emocji nie tylko wśród laików. Zagrożenie radiologiczne, spowodowane emisją do atmosfery substancji radioaktywnych, jest mocno przesadzone. W reaktorach typu PWR (z wodą pod ciśnieniem) istnieją 4 bariery zabezpieczające przed uwalnianiem się substancji radioaktywnych.
Jeżeli wydobycie poszczególnych surowców energetycznych będzie się utrzymywać na obecnym poziomie, to udokumentowane zasoby węgla wystarczyłyby na 270 lat, ropy naftowej na 50 lat, gazu ziemnego na 60 lat, a rozszczepialnego uranu 235 na 85 lat. Oszczędzać energię mogą te kraje, które mają jej dużo i które stać na wprowadzenie drogich, energooszczędnych technologii. Jeżeli energii się nie ma, to nie ma czego oszczędzać! Akcje poszanowania energii doprowadziły w krajach rozwiniętych do stabilizacji, a nawet zmniejszenia całkowitego jej zużycia. Nie dotyczy to jednak zapotrzebowania na energię elektryczną, które na całym Świecie rośnie w tempie ok. 2% rocznie. Jest to spowodowane słusznym przekonaniem, że energia elektryczna jest najbardziej wartościową postacią energii finalnej, a więc energii wykorzystywanej bezpośrednio przez konsumentów. Energię elektryczną można łatwo przesyłać i z dużą wydajnością przetwarzać na formy użytkowe: ciepło, światło i ruch mechaniczny. Najważniejszą jednak jej zaletą jest brak szkodliwego wpływu na środowisko naturalne. Jest to najbardziej proekologiczna postać energii. Tymczasem jedna trzecia mieszkańców Ziemi nie ma do niej dostępu. Żeby zaopatrzyć ludność świata w energię elektryczną musimy budować nowe elektrownie. Zasoby węgla są największe, a więc węgiel będzie tańszy od innych paliw węglowodorowych (od ropy i gazu ziemnego) i uranu używanego w elektrowniach jądrowych. Będzie więc spalany i to bez ograniczania emisji substancji dewastujących środowisko. Trujący dwutlenek siarki, tlenki azotu tworzące rakotwórcze związki i pyły będą niszczyły biosferę, a nieunikniona emisja dwutlenku węgla doprowadzi do trudno przewidywalnych, ale katastrofalnych dla wielkich obszarów Kuli Ziemskiej, skutków efektu cieplarnianego.
Realną alternatywą dla ponurej perspektywy dewastacji biosfery przez spalanie węgla są różne formy wykorzystania energii jądrowej. Najbardziej korzystnym a zarazem bezpiecznym źródłem pozyskania energii jest energia jądrowa. Najistotniejszym argumentem przemawiającym za energetyką jądrową jest jej czystość ekologiczna, zwłaszcza, gdy porównamy ją z elektrowniami węglowymi nie posiadającymi instalacji oczyszczających. Kraje, które rozwijają energetykę jądrową znacznie zmniejszyły emisję SO2, NOX i CO2 do atmosfery. Jest to rozwiązanie dalekosiężne, gdyż zasoby paliwa jądrowego wystarczą na setki tysięcy lat, jeżeli będą we właściwy sposób wykorzystywane. Co prawda stosowanego obecnie, rozszczepialnego uranu 235 wystarczyłoby na kilkadziesiąt lat, ale kolejnym etapem energetyki jądrowej będą tzw. reaktory powielające lub skojarzone z akceleratorami cząstek wzmacniacze energii. W tych urządzeniach może być wykorzystywany głównie izotop uranu 238, którego jest 140 razy więcej niż uranu 235, lub tor 232, którego zawartość w skorupie ziemskiej jest 3,5 razy większa od zawartości uranu.
Największym problemem energetyki jądrowej jest uzyskanie dla niej społecznej akceptacji. W dzisiejszym Świecie, w którym decyzje o kierunkach rozwoju powinny opierać się na naukowych podstawach, rozsądek nakazuje obranie drogi wskazanej przez ekspertów, a tymczasem presja ze strony niezorientowanego lub wprowadzonego w błąd społeczeństwa zmusza do rezygnacji z właściwej drogi. Energetyka jądrowa jest dziedziną, w której demagogiczne wystąpienia łatwo wzbudzają emocje i prowadzą do różnych form protestu podejmowanych przez ludzi odczuwających lęk przed nieznanym i obawiających się wmawianych im zagrożeń. Na szczególną uwagę zasługuje rola goniących za sensacją środków masowego przekazu, których nieodpowiedzialne informacje i komentarze pogłębiają bezradność społeczeństwa i uniemożliwiają wyrobienie sobie rozsądnej opinii oraz rozbudzają opór przeciwko decyzjom podejmowanym przez władzę.
Lęk przed energetyką jądrową występuje niemal na całym swiecie. Cyarnobzl
Jest to zjawisko irracjonalne, o charakterze zbiorowej psychozy i dlatego tak trudno je wyeliminować. Jedną z przyczyn tego lęku jest fałszywie pojmowany związek między dobroczynną cywilną energetyką jądrową i groźnym militarnym wykorzystaniem energii jądrowej, którego należy się obawiać i przeciw któremu należy występować. Trzeba zdawać sobie sprawę z tego, że wyniki badań naukowych nie podlegają ocenie etycznej. Kryterium ich wartości jest prawda.
Elektrownie jądrowe w małym stopniu degradują środowisko naturalne, wydzielają małą ilość szkodliwych pyłów i CO2. Znikoma emisja CO2 nie powoduje efektu cieplarnianego, co jest szczególnie ważne dla środowiska naturalnego i będącego jego częścią człowieka. I choć w wyniku działalności elektrowni jądrowej powstają odpady radioaktywne to na obecnym poziomie rozwoju cywilizacji człowiek potrafi sobie z nimi doskonale radzić. Budowane są specjalne składowiska odpadów radioaktywnych, które zabezpieczają je prawie w 100% przed przedostaniem się do otoczenia. W porównaniu jednak z elektrowniami węglowymi ilość wytwarzanych odpadów jest znikoma. Ponadto elektrownie jądrowe wyposażone są w rozbudowane systemy zabezpieczeń eliminujące prawdopodobieństwo awarii. Wszyscy powinniśmy zdawać sobie sprawę z tego, iż tylko energetyka jądrowa może zaspokoić narastający głód energetyczny świata. Produkuje ona stosunkowo duże ilości energii w porównaniu z niewielkimi kosztami. Nawet podwyższone promieniowanie, jakie obserwuje się w pobliżu elektrowni jądrowych może dodatnio wpływać na zdrowie człowieka np. poprzez zmniejszenie wskaźnika zachorowalności na raka i białaczkę.

Odpady promieniotwórcze, to niewykorzystywane substancje promieniotwórcze. Powstają przy wydobywaniu i oczyszczaniu rud uranowych, wytwarzaniu ładunków jądrowych i paliwa jądrowego oraz jego późniejszej przeróbce, przy wytwarzaniu i oczyszczaniu preparatów zawierających izotopy promieniotwórcze (do różnych zastosowań) itp.
Odpady promieniotwórcze dzieli się na klasy ze względu na stan skupienia i formę chemiczną, aktywność (aktywność źródła promieniotwórczego) i radiotoksyczność zawartych w nich izotopów promieniotwórczych. Podstawowym rozróżnieniem odpadów promieniotwórczych jest podział na nisko- lub wysokoaktywne.
Odpady wysokoaktywne zazwyczaj przechowuje się w miejscu wytworzenia przez okres rzędu lat (potrzebny do rozpadu większości względnie krótkożyciowych izotopów promieniotwórcych zawartych w odpadach promieniotwórczych) w szczelnych opakowaniach zanurzonych w basenach wodnych (woda odbiera ciepło pochodzące z rozpadów promieniotwórczych), po czym poddawane są przetworzeniu, w wyniku którego zazwyczaj dąży się do zmniejszenia objętości odpadów promieniotwórczych zawierającego bardzo długożyciowe izotopy.
Jedną z metod postępowania z niskoaktywnymi odpadami promieniotwórczymi jest zaś zwiększanie ich objętości poprzez rozcieńczenie nieaktywnymi substancjami, przez co powstaje mieszanina o aktywności właściwej porównywalnej z aktywnością elementów naturalnego środowiska, którą można wprowadzić do środowiska.
Zazwyczaj jednak odpady promieniotwórcze, niskoaktywne, umieszczone w szczelnych pojemnikach, składuje się na zamkniętych składowiskach odpadów (w Polsce składowisko takie znajduje sie w Różanie). Ostatecznym miejscem przechowywania najbardziej długożyciowych odpadów promieniotwórczych są tzw. składowiska docelowe, lokalizowane na terenach asejsmicznych, na dużych głębokościach w skałach, przez które nie penetruje woda.
Obliczany czas nienaruszonego przechowywania odpadów promieniotwórczych w takich składowiskach sięga milonów lat, składowiska takie są bardzo drogie. Problemy związane z gospodarką odpadami promieniotwórczymi są głównym ograniczeniem rozwoju energetyki jądrowej.

Ponadto elektrownie jądrowe wyposażone są w rozbudowane systemy zabezpieczeń eliminujące prawdopodobieństwo awarii. Wszyscy powinniśmy zdawać sobie sprawę z tego, iż tylko energetyka jądrowa może zaspokoić narastający głód energetyczny świata. Produkuje ona stosunkowo duże ilości energii w porównaniu z niewielkimi kosztami. Nawet podwyższone promieniowanie, jakie obserwuje się w pobliżu elektrowni jądrowych może dodatnio wpływać na zdrowie człowieka np. poprzez zmniejszenie wskaźnika zachorowalności na raka i białaczkę.