Związek Kolektywistycznych Republik Rad

Prowadzący: @Robert Drenin

Szanowni Towarzysze i Goście,
tematem jakim zdecydowałem się wybrać na wykład przez Komisariat Ludowy Nauki i Oświaty jest właśnie tematyka produkcji paliwa jądrowego i broni atomowej. Tylko nie skupimy się na aspekcie technicznym, tylko oczywiście chemiczno-fizycznym. Dlatego też w centrum naszego zainteresowania będzie dlaczego paliwo musimy wzbogacać, jak otrzymać konkretny izotop uranu i dlaczego w ogóle on. Jak również dowiemy się, dlaczego broń atomowa wydziela tyle energii i dlaczego w ogóle wyzwalana jest ta energia. Postaram się to wszystko w jak najprostszy sposób przedstawić.

Zacznijmy od tego, że w celu stworzenia broni atomowej, czy też poprawnego funkcjonowania reaktora jądrowego, potrzebujemy wzbogaconego paliwa jądrowego o konkretny izotop uranu, którym jest uran 235. Tylko ten izotop umożliwia szybkie wyzwolenie dużej ilości energii w ciągu krótkiego czasu. Dodatkowo, tak na marginesie, w broni atomowej zamiast uranu, można wykorzystać izotop plutonu 239, czyli tak zwanego plutonu zbrojeniowego i właściwie to głównie go stosowano w produkcji broni atomowych, gdyż wzbogacony uran trudniej jest uzyskać niż pluton. Tylko dlaczego uran 235? A czemu nie uran 238?

Przede wszystkim dlatego, że uran 235 ulega tzw. reakcji łańcuchowej. Reakcja taka charakteryzuje się tym, że przy odpowiedniej ilości izotopu (tzw. masa krytyczna), gdy zainicjujemy rozpad promieniotwórczy za pomocą neutronu, to w jej wyniku powstają kolejne neutrony, które te uderzają w inne jądra atomowe, które te z kolei rozpadają się momentalnie na kolejne i jeszcze kolejne, wywołując pewnego rodzaju efekt domino. W ten sposób wydziela nam się mnóstwo energii, co w wielkim skrócie w skali makroskopowej przypomina dosłownie eksplozję.
No dobrze, wiemy dlaczego należy stosować uran 235, ale dlaczego nadal nie może być uran 238? Może się domyślacie już, ale właśnie izotop ten już nie ulega reakcji łańcuchowej. To co się z nim dzieje w takim razie? Otóż, gdy w niego wystrzelimy neutron, to ten wchłonie ten neutron, zamieniając się na izotop uranu 239, który z kolei w wyniku innego rozpadu promieniotwórczego, mianowicie rozpadowi beta-, wyrzuca z jądra elektron i antyneutrino, zamieniając się na izotop neptuna 239, który ten z kolei ulega takiemu samemu rozpadowi, zamieniając się - i tutaj niespodzianka - w izotop plutonu 239.
W ten sposób niejako otrzymujemy odpowiedź na pytanie: Dlaczego stosujemy bardziej izotop plutonu 239, a nie izotop uranu 235? Otóż naturalna ruda uranu w przynajmniej 99% składa się z izotopu uranu 238, a pozostała część to właśnie izotop uranu 235. A z uwagi na fakt, że oba izotopy mają w praktyce te same właściwości chemiczne, to nie możliwym jest wyizolować jeden od drugiego. A fizyczne wzbogacanie rudy uranu w uran 235 jest bardzo trudnym zabiegiem, głównie chociażby z uwagi na czasochłonny proces otrzymywania, ponieważ wykorzystuje on dosłownie tą niewielką różnicę w masie pomiędzy cięższym jądrem uranu 238, a lżejszym jądrem uranu 235. Dlatego też prościej jest zamienić uran 238 w pluton 239. A tutaj sprawa ma się już prościej, ponieważ pomimo otrzymania próbki stałej będącej mieszaniną uranu i plutonu, to dzięki temu, że mamy totalnie różne pierwiastki, możemy wprowadzić je do roztworu kwasu azotowego V i wyizolować pluton za pomocą odpowiednich reakcji chemicznych, ponieważ z uwagi na fakt, że obie substancje mają już różne właściwości chemiczne, to możemy wykorzystać ten fakt, by otrzymać docelowy nasz produkt.

No dobra, to teraz tylko pytanie, dlaczego w ogóle broń atomowa wyzwala tyle energii i w ogóle jakąkolwiek energię. Otóż to pytanie możemy zadać troszkę inaczej i dostosować je do konkretnego atomu, dlaczego w ogóle po rozpadzie, atom wyzwala energię?
Bardziej wtajemniczone osoby z pewnością już wiedzą, że jest to ściśle związane z słynnym wzorem E = mc^2. Właśnie ważną informacją jest to, że masa atomu, który się rozpada (czyli substratu), nie jest równa masie otrzymanych produktów. A z uwagi na to, że masa jest ściśle związana z energią, a w przyrodzie żadna energia nie może zniknąć z uwagi na fundamentalne prawo zachowania energii, to masa zamieniona jest dosłownie w energię. W ten sposób broń atomowa wybucha, a reaktor jądrowy się nagrzewa.
W ten sposób mogę jeszcze poruszyć jeden temat, mianowicie dlaczego reaktor jądrowy nie wybucha jak broń atomowa, a zachodzi w nim dosłownie to samo? Na przykładzie paliwa jądrowego z uranu 235 mogę powiedzieć, że to bardzo zależne jest od zawartości naszego docelowego izotopu, w tym przypadku uranu 235. W broni atomowej potrzeba nam uranu wzbogaconego tak do około 90%. Natomiast w reaktorach jądrowych takich komercyjnych potrzebujemy paliwa jądrowego wzbogaconego tak w około 5%. Stąd ciężko dokonać reakcji łańcuchowej dla tak zubożałego paliwa jądrowego. Dlatego reaktory nagrzewają się co najwyżej, a nie eksplodują jak bomby atomowe.

To właściwie już koniec wykładu, mam nadzieję, że udało mi się rzucić tajemnice produkcji paliwa jądrowego i broni atomowej w sposób jak najprostszy i nawet zrozumiały dla osób, które na codzień nie interesują się tematyką naukową. A przede wszystkim, że w ogóle udało mi się zaprezentować go w sposób ciekawy. Oczywiście jeżeli jakieś pytania się zrodziły, to z uwagi, że jest to wykład, to postaram się udzielić odpowiedzi, o ile również znam na nią odpowiedź.