Poniższy materiał edukacyjny został stworzony w ramach projektu Unii Europejskiej o akronimie PANS (Public Awarness of Nuclear Science). Materiały NUPEX'u (NUclear Physics EXperience), w dwunastu językach można znaleźć w witrynie http://www.ncbj.edu.pl/nupex

Czym zajmuje się fizyka i technika jądrowa?
J

Wykorzystanie energii jądrowej z rozszczepienia

Autor: Ludwik Dobrzyński, współpraca: Oleg Utyuzh, Ewa Droste, Wojciech Trojanowski
1

1. Swobodnie rozwijająca się reakcja łańcuchowa: bomby atomowe

Z całą pewnością słyszeliście o bomach atomowych (jądrowych) - przykładzie militarnego wykorzystania energii jądrowej. Bomba atomowa jest urządzeniem, w którym reakcja łańcuchowa rozwija się w sposób ciągły. W trakcie tego procesu gromadzi się coraz więcej energii, a temperatura (osiągająca dziesiątki milionów stopni) staje się tak wysoka, że ciśnienie wewnętrzne powoduje wybuch całości. Aby osiągnąć taką krytyczną wartość energii należy dysponować wystarczająco dużą ilością jąder rozszczepialnych, co oznacza konieczność posiadania w bombie pewnej
masy krytycznejMinimalna masa materiału rozszczepialnego (np. 235U), w której może rozwinąć się reakcja łańcuchowa aż do spowodowania wybuchu. 
(a nawet nadkrytycznej). Sam wybuch następuje jednak znacznie wcześniej niż mogą być wykorzystane wszystkie jądra 235U do reakcji łańcuchowej - w bombie zrzuconej na Hiroszimę w reakcji łańcuchowej wykorzystano zaledwie około 2% jąder uranu, co wystarczylo jednak do zabicia około 100 000 ludzi. Ta przeogromna siła niszczenia stawia istotne pytanie o etykę związaną z prowadzeniem badań i rozwijania tego typu broni.

Więcej o:

2

2. Reakcja łańcuchowa pod kontrolą: reaktory jądrowe

Reaktor jądrowy jest urządzeniem wykorzystującym tę samą reakcję co bomba atomowa, jednak w pokojowy sposób. Jądrowa reakcja łańcuchowa zachodzi zarówno w bombie, jak i w reaktorze jądrowym, ten ostatni jednak jest urządzeniem krytycznym, a więc tylko jeden neutron powstały w rozszczepieniu jest wykorzystywany do dalszych rozszczepień. Jest to możliwe dzięki działaniu tzw.
prętów sterującychPręty służące do regulowania tempa rozwijania się reakcji powielającej w reaktorze jądrowym. Pręty te, zbudowane z materiałów pochłaniających neutrony termiczne, zanurzane są do rdzenia reaktora głębiej, gdy chcemy spowolnić reakcje i wysuwane do góry, gdy chcemy podwyższyć moc reaktora.
, które pochłaniają neutrony i rozdzielają elementy paliwowe w rdzeniu reaktora. Gdy, średnio, mniej niż jeden neutron wykorzystywany jest do kolejnego rozszczepienia, mówi się, że reaktor jest podkrytyczny.
3

3. Reaktory jądrowe jako silne źródła energii

Ponieważ w wydajnych reakcjach, jak
reakcja rozszczepieniaReakcja jądrowa, w wyniku której ciężkie jądro ulega podziałowi na dwa inne jądra o masach bliskich połowie masy jądra wyjściowego. Typowymi jądrami rozszczepialnymi są 235U i 239Pu. Niektóre ciężkie jądra ulegają rozszczepieniu w sposób spontaniczny.
, wyzwala się ogromna ilość energii, można przekształcić ją w energię użyteczną dla odbiorców zewnętrznych. To właśnie dzieje się w elektrowniach jądrowych, których zadaniem jest właściwie nic więcej niż gotowanie wody i wytwarzanie odpowiedniej ilości pary do poruszania turbin parowych.

Elektrownia jądrowa w Sizewell, Anglia
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]
4

4. Podstawowe składniki reaktora

W każdym stacjonarnym reaktorze jądrowym mamy kilka podstawowych elementów:

  • paliwo reaktorowe zawierające materiał rozszczepialny
  • pręty sterujące
  • moderator neutronów (może być ich kilka)
  • reflektor neutronów
  • układ chłodzenia, składający się na ogół z pierwotnego i wtórnego obiegu wody, przy czym ten ostatni używany jest do chłodzenia wymiennika ciepła w obiegu pierwotnym 
  • wymienniki ciepła (w reaktorach energetycznych nazywamy je wytwornicami pary)
  • osłona biologiczna

Pierwsze cztery elementy usytuowane są w tzw.
rdzeniu reaktoraPrzestrzeń w reaktorze zajęta przez paliwo, pręty sterujące, pręty bezpieczeństwa i moderator.

Promieniowanie Czerenkowa w rdzeniu reaktora w Instytucie Laue-Langevina, Grenoble, Francja
5

5. Paliwo jądrowe

Większość reaktorów jądrowych działających na neutronach termicznych wykorzystuje
rozszczepialneReakcja jądrowa, w wyniku której ciężkie jądro ulega podziałowi na dwa inne jądra o masach bliskich połowie masy jądra wyjściowego. Typowymi jądrami rozszczepialnymi są 235U i 239Pu. Niektóre ciężkie jądra ulegają rozszczepieniu w sposób spontaniczny.
jądra 235U. Niska (zaledwie 0,72%) zawartość tego izotopu w uranie naturalnym (składającym się głównie z 238U) powoduje jednak, że zachodzenie
reakcji łańcuchowej Samopodtrzymująca się reakcja chemiczna lub jądrowa, której produkty inicjują kolejne reakcje. W jądrowej reakcji łańcuchowej w wyniku rozszczepienia 235 U , otrzymujemy średnio 2,5 neutronów, które mogą zainicjować kolejne reakcje rozszczepień jąder 235U. Jeśli taka samopodtrzymująca się reakcja przebiega bez ograniczeń, po osiągnięciu lub przekroczeniu tzw. masy krytycznej materiału rozszczepialnego następuje wybuch jądrowy. 
nie jest w naturalnych warunkach możliwe. Z tego względu paliwo jądrowe musi być na ogół wzbogacane w izotop 235U. Stopień wzbogacenia w energetycznych i badawczych reaktorach jądrowych wynosi od około 2% do około 40%. W reaktorach starszego typu, szczególnie używanych do napędu łodzi podwodnych, korzystano z paliwa o wzbogaceniu przekraczającym nawet 90%.

Paliwo można przygotować w postaci pastylek z dwutlenku uranu (UO2), składających się na pręty paliwowe. Można także wykorzystać w tym celu stopy uranu z innymi metalami, np. z aluminium. We współczesnych konstrukcjach używa się także specjalnie skonstruowanych kul o średnicy 60 mm, pokrytych warstwą grafitu i zawierających dużą ilość elementów, wewnątrz których znajdują się kuleczki UO2 o średnicy 0,5 mm.

Niektóre reaktory pracują także na neutronach prędkich. W takich reaktorach pochłanianie neutronów przez jądra 238U prowadzi do powstania rozszczepialnego 239Pu. Odzyskanie go z wypalonego paliwa pozwala na wykonanie tzw. paliwa MOX, w którym pierwiastkami rozszczepialnymi są pluton i 235U.


Kompletowanie układu prętów paliwowych
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]
6

6. Typowe jądrowe reaktory energetyczne

Zdecydowanie najpopularniejszymi reaktorami są reaktory z basenami wodnymi, w których woda wykorzystywana jest jako moderator neutronów i jako chłodziwo. Do tej klasy reaktorów zaliczamy reaktor wodny ciśnieniowy (PWR - Pressurized Water Reactor lub jego radziecki odpowiednik WWER - Wodno-Wodiannyj Energieticzeskij Reaktor). Ciśnienie wody w obiegu pierwotnym wynosi w tych reaktorach około 15 MPa, co powoduje, że biegnąca w obiegu chłodzenia woda o temperaturze około 600 K nie wrze. Dopiero dzięki ciepłu dostarczanemu przez wodę z obiegu pierwotnego, woda w obiegu wtórnym doprowadzana jest w wytwornicy pary do wrzenia. W innym typie podobnego reaktora, PHWR (Pressurized Heavy Water Moderated Reactor), do spowalniania neutronów wykorzystuje się
ciężką wodęWoda, w której miejsce wodoru zajmują atomy deuteru.
. W użyciu są także reaktory z wodą wrzącą - BWR ( Boiling Water Reactors), w których woda doprowadzana jest do wrzenia bezpośrednio wewnątrz reaktora.

Schemat reaktora typu PWR
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]


Schemat reaktora typu BWR
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]

Większą ilość szczegółów można znaleźć np. pod adresem
http:\\reactor.engr.wisc.edu\power.html lub
http:\\www.nucleartourist.com

7

7. Bezpieczeństwo przede wszystkim

Układy zabezpieczeń reaktora są niejednokrotnie potrajane, co redukuje niemal do zera prawdopodobieństwo jednoczesnego zawiedzenia wszystkich urządzeń. Właśnie dlatego w całej historii energetyki jądrowej było tak niewiele awarii. Te najbardziej znane, w Three Mile Island w USA oraz w Czarnobylu, miały charakter szczególny i omawiamy je niezależnie.

Należy wreszcie wspomnieć, że szczególną uwagę poświęca się materiałowi rozszczepialnemu, przechowywanemu w pobliżu reaktora, który to materiał należy chronić przed ewentualną kradzieżą i niewłaściwym wykorzystaniem do produkcji broni jądrowej.

Więcej o:


Mnogość powłok bezpieczeństwa w elektrowniach jądrowych
[dzięki uprzejmości Nuclear Energy Institute: www.nei.org]
8

8. Wybuch reaktora jądrowego

Pomiędzy wybuchem bomby atomowej a wybuchem reaktora jądrowego jest istotna różnica. Wybuch jądrowy reaktora jest po prostu niemożliwy: może być on albo termiczny albo chemiczny. Nie towarzyszą mu więc ani silny błysk światła, ani ponaddźwiękowa fala uderzeniowa. Podstawowym skutkiem wybuchu reaktora jądrowego jest uwolnienie do atmosfery dużej ilości materiału promieniotwórczego. Materiał ten tworzy następnie opad promieniotwórczy, zależny od warunków pogodowych (szczególnie wiatru i deszczu). Wypadek w Czarnobylu pokazał, że w wyniku awarii powstaje skażenie znacznego obszaru, jednakże z czasem aktywność tego skażenia szybko maleje do poziomu wynoszącego ułamek poziomu promieniowania naturalnego (środowiska) i nie może powodować poważnych skutków. Inaczej jest w wypadku wybuchu bomby atomowej, kiedy to może zostać skażony duży teren, a poziom jego aktywności może przekraczać poziom śmiertelny. Nota bene, większość ofiar bombardowania Hiroszimy i Nagasaki była spowodowana falą uderzeniową i cieplną, a nie promieniowaniem jądrowym, w tym pochodzącym ze skażenia terenu.

Dla porównania więcej o:

9

9. … a w wypadku ataku terrorystycznego?

Nie należy się szczególnie bać konsekwencji ataku na elektrownię jądrową przy użyciu samolotu. Cylindryczna obudowa bezpieczeństwa, zwieńczona kopułą, nie zostanie zniszczona w znaczący sposób, a już z całą pewnością nie ucierpi rdzeń reaktora. Niemniej jednak, układy chłodzenia i zasilania w energię elektryczną mogą ucierpieć przy odpowiednim uderzeniu. Nawet przy obecnych systemach zabezpieczeń tego rodzaju zniszczenie może - w najgorszym scenariuszu - doprowadzić do przegrzania i stopienia się rdzenia, materiał promieniotwórczy pozostanie jednakże wewnątrz zbiornika reaktora. Znacznie groźniejszym mógłby się okazać skuteczny atak na przechowalnik wysokoaktywnego wypalonego paliwa. Choć taki atak byłby trudny ze względu na małe rozmiary przechowalników, nie jest on jednak niemożliwy. Można przewidywać, że materiały promieniotwórcze uległyby wówczas rozproszeniu, problem jednak miałby tylko charakter lokalny.

10

10. Mniej typowe reaktory na neutronach termicznych

Prócz już omówionych, na świecie działa wiele innych typów reaktorów, wykorzystujących neutrony termiczne:
  • Reaktory chłodzone gazem, w których do chłodzenia używa się dwutlenku węgla (CO2) lub helu. Gaz chłodzący pompowany jest przez kanały w moderatorze grafitowym.
  • Kanadyjski reaktor CANDU (Canadian Deuterium-Uranium Reactor), w którym moderatorem i chłodziwem jest
    ciężka wodaWoda, w której miejsce wodoru zajmują atomy deuteru.
    (D2O). Ze względu na nieznaczne tylko pochłanianie neutronów w D2O, reaktor może w swej pracy korzystać z naturalnego uranu jako paliwa.
  • Reaktory kanałowe RBMK z moderatorem grafitowym. Ze względu na możliwość produkcji plutonu (239Pu) dla celów wojskowych, reaktory te były często budowane w b. Związku Radzieckim. Właśnie ten typ reaktora działał w Czarnobylu.

Więcej o:


Schemat reaktora AGR (Advanced Gas-Cooled Reactor) chłodzonego gazem
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]


Schemat reaktora CANDU
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]
11

11. Reaktory jądrowe na neutronach prędkich

Reaktory jądrowe mogą do swej pracy wykorzystywać prędkie neutrony o energiach 50-100 keV. Reaktory te nie mają na ogół moderatora i mogą łatwo wytwarzać rozszczepialny izotop 239Pu. Ich rozwiązania techniczne powodują, że chłodzone są helem lub ciekłym sodem. Są one także niewielkich rozmiarów, co pozwala na wykorzystywanie ich np. w łodziach podwodnych. Przykładem reaktora na neutronach prędkich w elektrowni jądrowej był reaktor SUPERPHENIX pracujący we Francji w latach 1985-1997. Podobny, choć nie identyczny, reaktor
powielającyReaktor jądrowy, który produkuje dla siebie paliwo jądrowe w wyniku reakcji rozszczepienia. Na przykład, 238U można przekształcić w 239Pu, który to izotop jest też materiałem rozszczepialnym w paliwie jądrowym będącym mieszaniną 238U i 239Pu.
(ang. breeder - reaktor produkujący dla samego siebie paliwo) pracuje w Swierdłowsku w Rosji od 1981 roku.
12

12. Bezpieczne reaktory

Powszechny strach przed promieniowaniem jonizującym, ale przede wszystkim wysoka odpowiedzialność konstruktorów reaktorów jądrowych, doprowadziły do zaprojektowania nowych reaktorów o bardzo wysokim stopniu bezpieczeństwa. Oparte są one na istniejących i dobrze sprawdzonych układach, które zapewniają ograniczenie konsekwencji radiologicznych do małego terenu wokół reaktora, jeśli jednocześnie zawiodłyby urządzenia, a obsługa popełniła błędy. W szczególności nie byłoby potrzeby ewakuowania ludności, ani też wprowadzania ograniczeń w korzystaniu z terenu. Reaktory takie zostały już zbudowane w Japonii, a także uzyskały licencję na budowę w USA oraz Unii Europejskiej.

Następnym krokiem będzie tzw. IV generacja wewnętrznie bezpiecznych reaktorów, w których sterowanie reaktorem nie będzie zależne od decyzji operatora, ale będzie raczej wykorzystywało proste zasady fizyczne. Reaktory takie można będzie budować w wielkich aglomeracjach miejskich. Należy jednak pamiętać, że reaktory, to urządzenia budowane na czas pokoju, a więc nieprzygotowane na wytrzymanie skutków wojny. Żaden reaktor nie powinien być instalowany na terytoriach, na których byłby łatwo narażony na działania wojenne.

Ponieważ niektóre z krajów rozwijających się posiadają znaczne złoża rudy torowej, zaczęto prace nad nowym typem reaktora, w którym wykorzystuje się reakcję
spalacjiGdy szybki proton (lub inna cząstka) o energii kilku lub więcej GeV uderza w ciężkie jądro, np. ołowiu lub wolframu, zostaje ono rozbite (rozkruszone) na wiele lżejszych jąder, przy czym liczba powstających neutronów może przekroczyć czasem sto. Taka reakcja jądrowa nosi nazwę reakcji spalacji (kruszenia).
(kruszenia) oraz
cykl torowo-uranowyW skorupie ziemskiej jest czterokrotnie więcej toru niż uranu. Jedyny izotop toru, 232Th, znajdujący się w Ziemi jest jądrem, które po pochłonięciu neutronu i dwóch kolejnych rozpadach beta przekształca się w jądro rozszczepialne, a mianowicie 233U. Proces ten nazywamy cyklem torowo-uranowym. W odróżnieniu od cyklu uranowo-plutonowego, w którym liczba rozszczepialnych jąder  239Pu podwaja się w ciągu czterech lat i wymaga korzystania z neutronów prędkich, w cyklu torowo-uranowym można wykorzystać neutrony termiczne, a podwajanie się ilości 233U wymaga około 20 lat. Okres ten można skrócić jeśli wykorzysta się neutrony prędkie, niemniej jednak jest on i tak krótszy dla cyklu uranowo-plutonowego, co powoduje, że ten ostatni jest popularniejszy. Sytuacja ta może zmienić się w miarę wyczerpywania się zasobów uranu.
. Reaktor ten nie tylko jest zasadniczo bezpieczny, ale także pozwala na transmutację i spalanie wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych.

Przykład reaktora o bardzo wysokim stopniu bezpieczeństwa: wysokotemperaturowy reaktor HTTR (High Temperature Engineering Test Reactor ), usytuowany pod ziemią, zbudowany w Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI) w Japonii.
[dzięki uprzejmości JAERI, Japonia www.jaeri.go.jp]
13

13. W jaki sposób zapewnić bezpieczeństwo reaktora?

Aby bezpiecznie użytkować reaktor należy móc:
  • Zatrzymać go, jeśli trzeba
  • Zapewnić pokrycie
    rdzeniaPrzestrzeń w reaktorze zajęta przez paliwo, pręty sterujące, pręty bezpieczeństwa i moderator.
    wodą
  • Zapewnić nienaruszalność
    obudowy bezpieczeństwaZewnętrzny budynek reaktora o konstrukcji wytrzymującej uderzenie fali ciśnieniowej w wypadku awarii reaktora i zapewniającej, że materiały promieniotwórcze nie rozprzestrzenią się poza tym budynkiem.
    .

Aby te ogólne wskazania realizować, próbujemy korzystać z naturalnych praw fizycznych. Jeśli korzystamy z urządzeń mechanicznych, staramy się mieć przynajmniej dwa urządzenia, których działanie opiera się na innych zasadach, by ten sam błąd nie mógł powstać jednocześnie w ich obu.

14

14. Generacje reaktorów jądrowych

Po pierwszych, prototypowych reaktorach (generacja I), obecnie pracują reaktory II generacji. Ostatnio zaprojektowano bardzo bezpieczne reaktory III generacji, reaktory IV generacji są właśnie planowane. Wśród tych ostatnich należy spodziewać się zarówno reaktorów chłodzonych gazem, jak i wodą, a także różnych reaktorów na neutronach prędkich. Szczególnie interesującym jest projekt wysokotemperaturowego reaktora chłodzonego gazem, z rdzeniem złożonym z 330 000 kulowych elementów paliwowych o średnicy 60 mm i zawierających około 15 000 ziaren UO2. Każde takie ziarno pokryte jest kilkoma warstwami o dużej gęstości, włączając ceramikę krzemowo-grafitową, która zatrzymuje produkty
rozszczepieniaReakcja jądrowa, w wyniku której ciężkie jądro ulega podziałowi na dwa inne jądra o masach bliskich połowie masy jądra wyjściowego. Typowymi jądrami rozszczepialnymi są 235U i 239Pu. Niektóre ciężkie jądra ulegają rozszczepieniu w sposób spontaniczny.
Strumień neutronów, rozkład mocy i temperatura w rdzeniu takiego reaktora jest zdeterminowana obecnością około 100 000 kul grafitowych przemieszanych z elementami paliwowymi. O ile współczesne reaktory pracują w temperaturze około 300 stopni Celsjusza, materiały w opisywanym typie reaktora pozwolą na pracę w wyższej temperaturze. Chłodziwem w tym wypadku byłby gazowy hel. Przy temperaturze około 900 stopni Celsjusza, przepływający hel będzie mógł obracać turbinę i generator prądu elektrycznego z wydajnością około 40%. Cała konstrukcja reaktora jest znacznie prostsza niż konstrukcja reaktorów pracujących obecnie. Ponadto, wysoka temperatura pracy pozwoli na produkcję wodoru z wody lub innych materiałów, nie powodującą zanieczyszczeń atmosfery. Planowane do użycia materiały będą wytrzymywać temperaturę nawet do 1600 stopni Celsjusza, co jest niezmiernie istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa reaktora. W dodatku reaktory IV generacji chłodzone wodą oferują nowe cechy bezpieczeństwa.

Westinghouse Electric zaproponował budowę "inowacyjnego i bezpiecznego reaktora międzynarodowego" (skrót ang. IRIS od "international reactor innovative and secure”). W takim reaktorze cały chłodzący obieg pierwotny mieściłby się wewnątrz reaktora, a więc utrata chłodziwa nie mogłaby nastąpić. Można tez myśleć o reaktorze, który by pracował w temperaturze i przy ciśnieniu przewyższających punkt krytyczny dla wody, tj. w warunkach, w których nie ma różnicy pomiędzy fazą gazową i ciekłą. Znakomite przewodnictwo cieplne wody w tym stanie pozwoliłoby osiągnąć wydajność 45%, a dzięki wysokiej temperaturze możliwa byłaby także wydajna produkcja wodoru. Należy na końcu wspomnieć o możliwości budowy
reaktorów powielających Reaktor jądrowy, który produkuje dla siebie paliwo jądrowe w wyniku reakcji rozszczepienia. Na przykład, 238U można przekształcić w 239Pu, który to izotop jest też materiałem rozszczepialnym w paliwie jądrowym będącym mieszaniną 238U i 239Pu.
chłodzonych ciekłym metalem, zapewniającym dobre przewodnictwo ciepła. Chłodziwo byłoby w tych warunkach utrzymywane pod ciśnieniem atmosferycznym, a więc w wypadku pęknięcia układu obiegu pierwotnego nie mogłaby nastąpić gwałtowna ucieczka chłodziwa. Trudności techniczne w pracy z ciekłymi metalami spowodowały zatrzymanie rozwoju tego typu reaktorów. Nie zmienia to jednak faktu, że wciąż są one mocnymi kandydatami na przyszłe reaktory odtwarzające paliwo.
15

15. Reaktor jądrowy jako gigantyczna fabryka neutronów

Neutrony jako takie, to fascynujące i bardzo użyteczne cząstki. Nie mają ładunku elektrycznego, ale mają
moment magnetycznyCharakterystyczna cecha cząstek, jąder atomowych, atomów i cząsteczek, pozwalająca traktować je jako elementarne magnesy. Im większy moment magnetyczny, tym jego energia oddziaływania z przyłożonym polem magnetycznym będzie większa. Oddziaływania pomiędzy momentami magnetycznymi w materii mogą doprowadzić do tworzenia się uporządkowanych wzorów przestrzennych tych momentów. Wzory te nazywamy strukturami magnetycznymi. Najprostsza z nich - struktura ferromagnetyczna - polega na równoległym ustawieniu się wszystkich momentów magnetycznych.
i można je rozpatrywać w kategoriach maleńkich magnesów. Na swobodzie rozpadają się na proton, elektron i antyneutrino, a połówkowy okres ich zaniku, to 10,25 min. Neutrony tworzone w reakcjach jądrowych na Słońcu nie mają więc szans na dotarcie do Ziemi.

Fizycy wciąż mierzą ładunek elektryczny i tzw. elektryczny moment dipolowy neutronu, podejrzewając, że wewnątrz neutronu ładunki dodatni i ujemny mogą być nieco rozseparowane. Jak dotąd, pokazano doświadczalnie, że takie rozseparowanie musi być mniejsze niż na odległość 10-26 cm, ładunek musi zaś być mniejszy od 10-21 ładunku elementarnego! Te niezmiernie małe liczby wskazują dokładność technik pomiarowych. Reaktory jądrowe są tu nadzwyczaj przydatne: są one gigantycznymi fabrykami neutronów. Ze względu na specyfikę zadań są to tzw. reaktory badawcze. Mają one rozliczne zastosowania w nauce, medycynie i technice.

Więcej o:

16

16. Neutrony można wytwarzać w sposób ciągły i impulsowy

Najpopularnieszymi reaktorami są reaktory stacjonarne, produkujące neutrony w sposób ciągły. W większości z nich
rdzeńPrzestrzeń w reaktorze zajęta przez paliwo, pręty sterujące, pręty bezpieczeństwa i moderator.
zanurzony jest w basenie wodnym. Woda w tym basenie tworzy część układu chłodzącego, działa jako osłona biologiczna i stanowi też część moderatora neutronów. Jednakże nie wszystkie reaktory badawcze są stacjonarne - istnieją także takie, które nazywamy impulsowymi źródłami neutronów. Niektóre z nich korzystają z
reakcji spalacji Gdy szybki proton (lub inna cząstka) o energii kilku lub więcej GeV uderza w ciężkie jądro, np. ołowiu lub wolframu, zostaje ono rozbite (rozkruszone) na wiele lżejszych jąder, przy czym liczba powstających neutronów może przekroczyć czasem sto. Taka reakcja jądrowa nosi nazwę reakcji spalacji (kruszenia).
zamiast
rozszczepieniaReakcja jądrowa, w wyniku której ciężkie jądro ulega podziałowi na dwa inne jądra o masach bliskich połowie masy jądra wyjściowego. Typowymi jądrami rozszczepialnymi są 235U i 239Pu. Niektóre ciężkie jądra ulegają rozszczepieniu w sposób spontaniczny.
Impulsowe źródła neutronów wytwarzają periodyczne impulsy neutronów.

Więcej o:

17

17. Czy Natura może sama stworzyć reaktory jądrowe?

Ku naszemu zdumieniu (choć może i nie!) proces, który wymaga dziś niebagatelnych umiejętności, został całkiem prosto zrealizowany przez przyrodę około dwóch miliardów lat temu.

W kopalni uranu w Oklo w Gabonie (Afryka Zachodnia) dokonano w 1972 roku sensacyjnego odkrycia. Uczeni stwierdzili, że 2 miliardy lat temu względna zawartość 235U/238U musiała być na poziomie 3-4%. Wzbogacenie 3-4-oprocentowe uranu jest charakterystyczne dla obecnych reaktorów energetycznych. Tak więc w warunkach hydrogeologicznych wokół wzbogaconej rudy uranowej (woda jest dobrym moderatorem a także reflektorem neutronów!) raz rozpoczęta
reakcja łańcuchowa Samopodtrzymująca się reakcja chemiczna lub jądrowa, której produkty inicjują kolejne reakcje. W jądrowej reakcji łańcuchowej w wyniku rozszczepienia 235 U , otrzymujemy średnio 2,5 neutronów, które mogą zainicjować kolejne reakcje rozszczepień jąder 235U. Jeśli taka samopodtrzymująca się reakcja przebiega bez ograniczeń, po osiągnięciu lub przekroczeniu tzw. masy krytycznej materiału rozszczepialnego następuje wybuch jądrowy. 
mogła być kontynuowana bez ograniczeń. Wypalane paliwo stawało się stopniowo coraz uboższe w 235U.
W rzeczy samej, to, co odkryto w roku 1971, to znacznie mniejsza niż normalnie (0,72%) zawartość 235U w rudzie uranowej: izotop 235U został wypalony podczas normalnej pracy naturalnego reaktora. Ocenia się, że reaktory (jak dotąd odkryto ich w Oklo siedemnaście) pracowały przez okres około miliona lat. Badania pokazały również, że reaktory w Oklo produkowały też 239Pu, który rozpadał się (przez rozpad alfa) do 235U. Reaktory te były więc
reaktorami powielającymiReaktor jądrowy, który produkuje dla siebie paliwo jądrowe w wyniku reakcji rozszczepienia. Na przykład, 238U można przekształcić w 239Pu, który to izotop jest też materiałem rozszczepialnym w paliwie jądrowym będącym mieszaniną 238U i 239Pu.
! Jest rzeczą interesującą, że badania dyfuzji długożyciowych fragmentów rozszczepienia w złożach Oklo pozwalają na ocenę efektywności budowanych obecnie przechowalników odpadów jądrowych.

Fotografia reaktora w tzw. strefie 15; pozostałości jedynego reaktora, który można oglądać pod ziemią, widoczne są jako szaro-zielona skała zawierająca głównie tlenek uranu
[dzięki uprzejmości Dr. Robert Lossa, www.curtin.edu.au ]

Uzupełnienie 1: Trochę na temat etyki

Problem moralnej odpowiedzialności uczonych zaangażowanych w konstruowanie bomb jądrowych jest problemem etycznym, który może spotkać niemal każdego uczonego. Pomimo olbrzymiej siły destrukcyjnej i jej oczywistej roli jako broni masowego rażenia, kierujący Projektem Manhattan Robert Oppenheimer uznał prace nad bombą za "organiczną konieczność". W roku 1945 pisał On: "Nie jest rzeczą możliwą być uczonym, jeśli nie wierzy się, że wiedza Świata i moc, jaką ona daje, są dla ludzkości zasadniczą wartością, którą wykorzystujesz dla propagowania wiedzy, z gotowością poniesienia konsekwencji" (Richard Rhodes, "Jak powstawała bomba atomowa", Wyd. Prószynski i S-ka, 2000). Co można myśleć o takim rozumieniu tej kwestii?

Uzupełnienie 2: Co dzieje się w wyniku wybuchu bomby atomowej?

Wybuch bomby jądrowej charakteryzuje się kilkoma charakterystycznymi cechami. W wyniku wybuchu pojawia się

  • Błysk światła "jaśniejszy niż tysiące Słońc" (tytuł znanej książki Roberta Jungka: “Jaśniej niż tysiąc słońc”; PIW, 1967)
  • Fala gorąca, która w atmosferze tworzy "kulę ognistą" 
  • Fala uderzeniowa (podmuch)
  • Chmura o kształcie grzyba, zawierająca odłamki, popioły, aerozole i parę wodną
  • Promieniowanie jądrowe, głównie gamma i neutronowe.

Jeśli bomby atomowe zostają zdetonowane wysoko w powietrzu (jak w wypadku bombardowań Hiroszimy i Nagasaki), teren pod miejscem wybuchu (strefa zero) nie zostaje skażony materiałami promieniotwórczymi. Materiały te opadają na grunt wraz z deszczem jako tzw. "suchy opad", na ogół daleko od miejsca wybuchu. Jeśli wybuch następuje na Ziemi, sytuacja oczywiście jest inna.

Wybuch jądrowy nad Nagasaki, 1945
[dzięki uprzejmości www.atomicarchive.com]

Uzupełnienie 3: Podstawowa konstrukcja bomb uranowych i plutonowych

W pierwszych bombach uranowych
masa krytycznaMinimalna masa materiału rozszczepialnego (np. 235U), w której może rozwinąć się reakcja łańcuchowa aż do spowodowania wybuchu. 
była rozłożona pomiędzy dwie masy podkrytyczne. Jedna z nich była otoczona reflektorem neutronów. Druga była oddalona od pierwszej i wstrzeliwana do pierwszej przy pomocy detonatora chemicznego, patrz rysunek.

Bomba atomowa o nazwie Little Boy (chłopczyk), ktorą zrzucona na Hiroszimę
[dzięki uprzejmości www.atomicarchive.com]

Przypadek plutonu jest nieco bardziej złożony ponieważ podczas
reakcji łańcuchowej Samopodtrzymująca się reakcja chemiczna lub jądrowa, której produkty inicjują kolejne reakcje. W jądrowej reakcji łańcuchowej w wyniku rozszczepienia 235 U , otrzymujemy średnio 2,5 neutronów, które mogą zainicjować kolejne reakcje rozszczepień jąder 235U. Jeśli taka samopodtrzymująca się reakcja przebiega bez ograniczeń, po osiągnięciu lub przekroczeniu tzw. masy krytycznej materiału rozszczepialnego następuje wybuch jądrowy. 
239Pu tworzy się inny izotop
rozszczepialnyReakcja jądrowa, w wyniku której ciężkie jądro ulega podziałowi na dwa inne jądra o masach bliskich połowie masy jądra wyjściowego. Typowymi jądrami rozszczepialnymi są 235U i 239Pu. Niektóre ciężkie jądra ulegają rozszczepieniu w sposób spontaniczny.
, a mianowicie 240Pu, ktorego gwałtowne rozszczepienie może wywoływać reakcję łańcuchową zanim jeszcze utworzy się masa krytyczna plutonu. W takiej sytuacji można oczekiwać znacznych strat materiału rozszczepialnego. Implozja powoduje wzrost gęstości plutonu i ostatecznie powstaje stan krytyczny, w którym następuje wybuch.

Zapalnik plutonowo-berylowy działa w następujący sposób: polon jest emiterem cząstek alfa. W reakcji tych cząstek z jądrami berylu (9Be) tworzy się stabilny 12C i neutron. Neutrony tak powstałe inicjują reakcje rozszczepienia plutonu. Energia powstała w rozszczepieniu około 5kg 239Pu jest równoważna eksplozji 30 000 ton konwencjonalnego materiału wybuchowego, jakim jest
TNTZwiązek chemiczny C 6 H 2 (NO 2 ) 3 CH 3 (trójnitrotoluen), znany pod nazwą trotylu i oznaczany symbolem TNT, jest materiałem silnie wybuchowym. Energia wyzwalana podczas eksplozji podawana jest często w kilotonach TNT.  1 kilotona TNT odpowiada energii około 4,19·10 12 J.
.

Schemat bomby atomowej o nazwie Fat Man (grubas), zrzuconej na Nagasaki
[dzięki uprzejmości www.atomicarchive.com]

Uzupełnienie 4: Masy podkrytyczne, krytyczne i nadkrytyczne

O masie uranu mówimy, że jest krytyczna, jeśli, średnio jeden i tylko jeden neutron powstały w procesie rozszczepienia 235U jest absorbowany przez kolejne jądro 235U i powoduje rozszczepienie tego jądra. Masa krytyczna uranu zależy od jego masy, zawartości w nim izotopu rozszczepialnego (np. 235U lub 239Pu), jego kształtu (inna będzie masa krytyczna kuli, a inna walca), obecności reflektora itp.

Masę nazywamy podkrytyczną, gdy mniej niż jeden neutron z rozszczepienia znajduje i rozszczepia kolejne jądro 235U. Wewnątrz takiej masy nie może zajść reakcja łańcuchowa.

Jeśli liczba neutronów rozszczepiających jądra 235U jest większa niż jeden, mówimy, że mamy do czynienia z masą nadkrytyczną. W produkcji bomb atomowych używa się właśnie mas nadkrytycznych.

Dla metalicznego uranu lub tlenku uranu (np. UO2), masa krytyczna zmniejsza się w miarę wzrostu koncentracji   235U. Masa krytyczna kuli z metalicznego 235U wynosi 50 kg. Jeśli taką kulę otoczymy reflektorem grafitowym o grubości 10 cm, masa krytyczna spadnie do około 10 kg. Choć 10 kg wydaje się niewielką masą należy pamiętać, że zawartość 235U w uranie naturalnym wynosi zaledwie 0,72%, a proces rozdzielania izotopów uranu jest trudny i kosztowny. Innym materiałem rozszczepialnym wykorzystywanym w bombach atomowych jest 239Pu. Masa krytyczna plutonu, to kilka do kilkunastu kilogramów.

Uzupełnienie 5: Katastrofa w Czarnobylu

Reaktor w Czarnobylu był typu RBMK. Ten typ reaktora jest chłodzony wodą i posiada moderator grafitowy. Oznacza to, że jeśli rdzeń reaktora ulegnie przegrzaniu i woda odparuje, akcja moderatora bynajmniej nie zostanie zatrzymana. Wykorzystanie grafitu jako moderatora jest zasadniczo niebezpieczną rzeczą: pozbawiony chłodzenia grafit będzie kontynuował spowalnianie neutronów, natomiast gdy jego temperatura osiągnie około 1000 K - zacznie się palić! W reaktorze typu RBMK moc reaktora wzrasta ze wzrostem temperatury - proces, który może doprowadzić do stopienia się rdzenia reaktora. Wysokie ciśnienie powstających gazów może w konsekwencji doprowadzić do wybuchu. Tak się rzeczywiście stało w dniu 26 kwietnia 1986 roku w Czarnobylu na Ukrainie.


Elektrownia jądrowa w Czarnobylu: zaznaczono cztery bloki energetyczne
[dzięki uprzejmości http:\\whyfiles.org]

Zauważmy jednak, że sytuacja taka nie miałaby miejsca, gdyby nie błąd obsługi reaktora, popełniony podczas eksperymentu prowadzonego w tym fatalnym dniu. Aby sprawdzić zachowanie się systemu chłodzenia reaktora przy niepełnej dostawie mocy elektrycznej, operatorzy obniżyli moc reaktora i wprowadzili go w obszar mocy, w którym reaktor nie powinien przebywać ze względów bezpieczeństwa. Temperatura w rdzeniu reaktora gwałtownie wzrosła, przegrzane pręty sterujące zdeformowały się i nie mogły zostać wykorzystane do zatrzymania pracy reaktora. Rdzeń reaktora uległ stopieniu, a roztopiony stop w kontakcie z wodą spowodował eksplozję reaktora. Wybuch zniszczył struktury reaktora, a do atmosfery zostały uwolnione duże ilości materiału rozszczepialnego.

W wyniku napromienienia bardzo wysokimi dawkami promieniowania (2-16
GyJednostka dawki pochłoniętej oznaczana Gy. Odpowiada ono pochłonięciu energii promieniowania jonizującego 1J przez 1 kg substancji. Tak więc 1 Gy = 1 J/kg.
na szpik kostny) zmarło 28 osób (operatorów i ratowników). Trzy osoby zmarły z innych powodów. Około 134 osób miało objawy ostrej choroby popromiennej. Spośród nich do 1998 roku zmarło 11 osób. Do dziś (2000r) znaczna część mieszkańców Ukrainy, Białorusi i Rosji (w okolicy Czarnobyla żyje około 5 milionów ludzi) cierpi na choroby o podłożu psychosomatycznym, które nie zostały wywołane napromienieniem lecz stresem związanym z awarią reaktora i radiofobią, spotęgowaną jeszcze przez niewłaściwe decyzje władz byłego Związku Radzieckiego.

Jest rzeczą interesującą zauważenie, że od zakończenia II Wojny Światowej aż do grudnia 2001 roku zanotowano 134 przypadki śmierci z powodu napromienienia, jednak we wszystkich tych wypadkach bezpośrednio zawinił czynnik ludzki.

Uzupełnienie 6: O reaktorze typu RBMK

Konstrukcja tego typu reaktora była wynikiem potrzeb wojskowych - chodziło o możliwość produkowania plutonu, który dałby się użyć do produkcji broni jądrowej (nie wynika z tego, że reaktor w Czarnobylu był wykorzystany do takich celów). Opisany wymóg wymusił konieczność stworzenia możliwości wymiany paliwa reaktora w trakcie normalnej pracy reaktora. To z kolei uczyniło całość konstrukcji na tyle potężną, że jej pełne zamknięcie okazało się bardzo trudnym zadaniem. W istocie rzeczy zarówno
rdzeńPrzestrzeń w reaktorze zajęta przez paliwo, pręty sterujące, pręty bezpieczeństwa i moderator.
, jak i duża część układu chłodzenia znalazły się poza obudową bezpieczeństwa. Ponadto, reaktor RBMK był w samej swej istocie niestabilny. Aby to zrozumieć musimy przypomnieć, że moc reaktora zależy od gęstości procesów rozszczepienia jąder uranu, reakcje te zaś powodowane są przez powolne (termiczne) neutrony. Ponieważ neutrony powstałe w wyniku rozszczepienia są neutronami prędkimi, należy je spowalniać do bardzo małych energii.

Porównanie procesu spowalniania neutronów w reaktorach typu PWR i WWER oraz w reaktorze typu RBMK
[autor: A.Strupczewski, Instytut Energii Atomowej, Świerk]

W reaktorach, w których zarówno chłodzenie, jak i spowalnianie neutronów odbywa się przy pomocy wody, ze wzrostem temperatury jej gęstość maleje, spowalnianie neutronów staje się słabsze i moc reaktora zaczyna maleć - takie reaktory są zatem z natury bezpieczne. Cechy tej nie miał reaktor w Czarnobylu, gdyż sam moderator grafitowy wystarczał do spowalniania neutronów, obecność chłodzenia wodnego zaś nie była potrzebna do podtrzymania
reakcji łańcuchowej Samopodtrzymująca się reakcja chemiczna lub jądrowa, której produkty inicjują kolejne reakcje. W jądrowej reakcji łańcuchowej w wyniku rozszczepienia 235 U , otrzymujemy średnio 2,5 neutronów, które mogą zainicjować kolejne reakcje rozszczepień jąder 235U. Jeśli taka samopodtrzymująca się reakcja przebiega bez ograniczeń, po osiągnięciu lub przekroczeniu tzw. masy krytycznej materiału rozszczepialnego następuje wybuch jądrowy. 
(patrz część A na rysunku wyżej). Ze wzrostem mocy reaktora wzrastała też temperatura wody chłodzącej, a część z niej odparowywała. Proces ten powodował zmniejszanie się pochłaniania neutronów w wodzie, podczas gdy moderator grafitowy pracował stabilnie, gdyż ilość grafitu pozostawała na stałym poziomie (część B na rysunku wyżej).

Schemat reaktora typu RBMK
[dzięki uprzejmości World Nuclear Association, www.uic.com.au]

Zmniejszenie pochłaniania neutronów w wodzie powodowało zwiększenie liczby neutronów biorących udział w
rozszczepieniu,Reakcja jądrowa, w wyniku której ciężkie jądro ulega podziałowi na dwa inne jądra o masach bliskich połowie masy jądra wyjściowego. Typowymi jądrami rozszczepialnymi są 235U i 239Pu. Niektóre ciężkie jądra ulegają rozszczepieniu w sposób spontaniczny.
a więc dalszy wzrost mocy reaktora, silniejsze parowanie wody i jeszcze dalszy wzrost mocy. Ten zaklęty krąg spowodował ponad 1000-krotny wzrost mocy reaktora ponad dopuszczalną moc maksymalną, co musiało doprowadzić do stopienia się paliwa, deformacji kanałów i w końcu wybuchu. Nie był to wybuch takiego rodzaju jak wybuch bomby atomowej. Była to po prostu gwałtowna reakcja chemiczna - efekty jednak były straszliwe.
Rdzeń reaktora Przestrzeń w reaktorze zajęta przez paliwo, pręty sterujące, pręty bezpieczeństwa i moderator.
został całkowicie zniszczony, a ponieważ reaktor nie miał obudowy bezpieczeństwa, materiały promieniotwórcze łatwo przeniknęły do atmosfery i spowodowały skażenie terenu wokół reaktora. Reaktorów typu RBMK nigdy nie budowano poza obszarem byłego Związku Radzieckiego.

Uzupełnienie 7: Wypadek w elektrowni jądrowej w Three Mile Island

Wypadek, o którym mowa, wydarzył się w Harrisburgu (USA) 28 marca roku 1979. Niewielka niesprawność w układzie wtórnego obiegu chłodzenia spowodowała wzrost temperatury w obiegu pierwotnym, co spowodowało z kolei automatyczne wyłączenie reaktora. Pomimo tego, zawór bezpieczeństwa, który powinien się wtedy zamknąć, pozostał otwarty. Niesprawność ta nie została wychwycona przez przyrządy pomiarowe, w wyniku czego utracono znaczną część chłodziwa. Rdzeń reaktora uległ przegrzaniu, a z powodu wysokiej temperatury powstałej w wyniku reakcji wody z koszulkami paliwa jądrowego ze stopu o nazwie zircalloy, nad reaktorem zaczął gromadzić się wodór. Na szczęście w układzie nie było wystarczająco dużo tlenu i wodór nie eksplodował. Wysoka temperatura spowodowała niemniej jednak zniszczenie układu paliwowego w reaktorze. Rdzeń pokryto ponownie wodą po 6,5 godzinach. Ostatecznie straty finansowe były znaczne, ale nikt z obsługi nie ucierpiał. Chociaż do atmosfery przedostało się trochę gazów promieniotwórczych, wypadek ten miał bez porównania mniejsze konsekwencje niż wypadek w Czarnobylu.

Uzupełnienie 8: Reaktory powielające

Reaktory te korzystają z następującej reakcji jądrowej:
n + 238U → 239U

Niestabilny uran-239 zostaje przekształcony w wyniku
rozpadu beta Proces jądrowy rządzony przez tzw. oddziaływania słabe, dzięki którym proton w jądrze może przekształcić się w neutron i odwrotnie. W pierwszym wypadku w reakcji pojawia się neutrino, w drugim zaś antyneutrino.
wpierw do neptunu-239, a następnie, po kolejnym rozpadzie beta, do plutonu-239. Ten ostatni jest
izotopem rozszczepialnymIzotop, którego jądro daje się rozszczepić w wyniku absorpcji cząstki (np. neutronu). Choć istnieją jądra, które ulegają samorzutnym rozszczepieniom, na ogół nie myśłimy o nich, gdy mówimy o izotopach rozszczepialnych.
, a więc w wyniku wszystkich powyższych reakcji otrzymuje się więcej paliwa jądrowego niż było go na początku: paliwo powiela się w reaktorze.

Uzupełnienie 9: Reakcja spalacji oraz systemy reaktorowe sterowane akceleratorem

Gdy proton o energii kilku
GeVEnergia jaką uzyskuje elektron w polu elektrycznym o różnicy potencjałów 1 V.

1 meV = 10 -3 eV

1 keV  = 10 3 eV

1 MeV = 10 6 eV

1 GeV = 10 9 eV

lub większej uderza w ciężkie jądro, jak np. jądro ołowiu lub wolframu, ulega ono rozbiciu na wiele mniejszych jąder, a w reakcji powstaje czasem nawet ponad sto neutronów. Taką reakcję nazywamy reakcją spalacji (kruszenia). Silny strumień powstałych neutronów może następnie bombardować
podkrytyczny Reaktor jądrowy, w którym mniej niż jeden neutron powstały w wyniku reakcji rozszczepienia wywołuje dalsze reakcje rozszczepienia jąder uranu.
płaszcz metalowy. Właśnie w tym płaszczu można spowodować transmutację długożyciowych izotopów znajdujących się w odpadach promieniotwórczych w izotopy o krótszym czasie rozpadu lub nawet izotopy stabilne. Jak widać, podkrytyczny reaktor będzie działał tylko wtedy, gdy zostaną doń wstrzyknięte neutrony z reakcji spalacji. Te powstają wtedy, gdy wiązka protonów uderza w ciężki metal - ołów w naszym przykładzie. Z tego względu takie hybrydowe układy nazywamy systemami (instalacjami) jądrowymi, sterowanymi przez akcelerator. Podkrytyczność, tj. sytuacja, w której średnio mniej niż jeden neutron trafia w jądro 235U , jest wielką zaletą takiego układu w stosunku do klasycznego reaktora jądrowego, gdyż czyni go wewnętrznie bezpiecznym, choć bezpieczeństwo osiągnięte jest jednak kosztem zwiększonej komplikacji technicznej układu.

Przykład spalacji jąder Pb bombardowanych protonami o energii 1 GeV

Uzupełnienie 10: Reaktory badawcze a reaktory energetyczne

Pomiędzy tymi dwoma typami reaktorów istnieją dwie zasadnicze różnice:

  • Masa materiału rozszczepialnego w reaktorach badawczych, to typowo około kilku kilogramów, podczas gdy w reaktorach energetycznych - tona lub kilka ton 
  • W reaktorach badawczych wytwarzana ostatecznie energia w postaci ciepła jest tak niewielka, że nie opłaca się dostarczanie jej do odbiorców zewnętrznych. W reaktorach tych występują dwa układy chłodzenia: pierwotny, w którym woda krąży w obwodzie zamkniętym, oraz obieg wtórny, w którym woda chłodzi obieg pierwotny. W reaktorach energetycznych para wytwarzana w wytwornicy pary ma na tyle wysoką temperaturę i ciśnienie, że opłaca się skierowanie jej na łopatki turbiny parowej, która z kolei porusza wirnik generatora prądu.

Uzupełnienie 11: Do czego potrzebujemy reaktorów badawczych?: badania materii oraz wytwarzanie izotopów

Neutrony, które są cząstkami pozbawionymi ładunku elektrycznego, mogą łatwo wnikać w materię. Sposób, w jaki się rozpraszają na niej przynosi informację o wewnętrznej organizacji badanego materiału, tj. jego strukturze i dynamice w skali atomowej. Ponieważ neutrony mają także
moment magnetycznyCharakterystyczna cecha cząstek, jąder atomowych, atomów i cząsteczek, pozwalająca traktować je jako elementarne magnesy. Im większy moment magnetyczny, tym jego energia oddziaływania z przyłożonym polem magnetycznym będzie większa. Oddziaływania pomiędzy momentami magnetycznymi w materii mogą doprowadzić do tworzenia się uporządkowanych wzorów przestrzennych tych momentów. Wzory te nazywamy strukturami magnetycznymi. Najprostsza z nich - struktura ferromagnetyczna - polega na równoległym ustawieniu się wszystkich momentów magnetycznych.
, mogą nam coś powiedzieć o rozkładzie namagnesowania wewnątrz badanej substancji (rysunek poniżej pokazuje rozmaitość struktur magnetycznych obserwowanych dla łańcuchów atomowych. W szczególności dwie struktury w środku rysunku ukazują możliwość istnienia składowych namagnesowania w płaszczyźnie i poza płaszczyzną, w której znajdują się atomy). Aby badać takie efekty należy dysponować ogromną liczbą neutronów (można to porównać z chęcią obejrzenia szczegółów obrazu w świetle latarki: przy słabym świetle niewiele zobaczymy). Reaktor jądrowy jest takim silnym źródłem neutronów.

W reakcjach jądrowych z neutronami mogą powstawać rozliczne izotopy, w tym promieniotwórcze. Te mogą być wykorzystane w medycynie, biologii, badaniach podstawowych, jak również w zastosowaniach technicznych i przemysłowych. Aby jednak produkować izotopy w możliwie efektywny sposób potrzebujemy silnego źródła neutronów - takiego, jak reaktor jądrowy.


Droga od wytworzenia izotopu promieniotwórczego poprzez produkcję radiofarmaceutyku do pacjenta i efektu diagnostycznego

Istnieje jeszcze szereg innych zastosowań, których nie omówimy w tym kursie. Przykładami są radiografia neutronowa, neutronowa analiza aktywacyjna, badania reakcji jądrowych z neutronami, a nawet terapia neutronowo-borowa (BNCT) raków mózgu.

Uzupełnienie 12: Impulsowe źródła neutronów

Mamy dwa rodzaje impulsowych źródeł neutronów: reaktory impulsowe (np. IBR-2 w Dubnej pod Moskwą) oraz źródła
spalacyjneGdy szybki proton (lub inna cząstka) o energii kilku lub więcej GeV uderza w ciężkie jądro, np. ołowiu lub wolframu, zostaje ono rozbite (rozkruszone) na wiele lżejszych jąder, przy czym liczba powstających neutronów może przekroczyć czasem sto. Taka reakcja jądrowa nosi nazwę reakcji spalacji (kruszenia).
(jak np. w Rutherford Appleton Laboratory w Anglii). W pierwszym, blok reflektorów neutronów wchodzi okresowo pomiędzy dwa inne bloki reflektora, co pozwala na rozwinięcie się przez krótką chwilę
reakcji łańcuchowejSamopodtrzymująca się reakcja chemiczna lub jądrowa, której produkty inicjują kolejne reakcje. W jądrowej reakcji łańcuchowej w wyniku rozszczepienia 235 U , otrzymujemy średnio 2,5 neutronów, które mogą zainicjować kolejne reakcje rozszczepień jąder 235U. Jeśli taka samopodtrzymująca się reakcja przebiega bez ograniczeń, po osiągnięciu lub przekroczeniu tzw. masy krytycznej materiału rozszczepialnego następuje wybuch jądrowy. 
i powstanie impulsu neutronów. W źródłach spalacyjnych przyspieszane protony uderzają w tarczę z ciężkiego metalu. Jądra tego metalu ulegają rozkruszeniu (spalacji), w wyniku czego powstaje chwilowo duża liczba neutronów.
Gdy jądro uderzone jest przeza cząstkę o wysokiej energii, powstaje cały szereg złożonych procesów jądrowych

Schemat układu reaktora IBR-2 z obracającym się reflektorem w Zjednoczonym Instytucie Energii Jądrowej w Dubnej, Rosja
[źródło: L.Dobrzynski, K.Blinowski, Neutrons and Solid State Physics, M.J.Cooper, Ed., Ellis Horwood (1994)]

Nisko- i wysokoczęstotliwościowe źródła spalacyjne neutronów umieszczone przy w Rutherford Appleton Laboratory (Anglia)
[źródło: L.Dobrzynski, K.Blinowski, Neutrons and Solid State Physics, M.J.Cooper, Ed., Ellis Horwood (1994)]

Hala eksperymentalna przy spalacyjnym źródle neutronów w Rutherford Appleton Laboratory, Anglia
 
Notki biograficzne (z roku 2000)
Ludwik Dobrzyński jest profesorem fizyki, specjalistą z zakresu fizyki ciała stałego badanej metodami jądrowymi. Kieruje Zakładem Fizyki Ciała Stałego w Instytucie Fizyki Doświadczalnej na Uniwersytecie w Białymstoku, gdzie jest zatrudniony na stanowisku profesora zwyczajnego. W Instytucie Problemów Jądrowych im. A.Sołtana w Świerku kieruje Działem Szkolenia i Doradztwa.
Oleg Utyuzh jest doktorem fizyki, specjalistą z zakresu fizyki wysokich energii, zatrudnionym w Instytucie Problemów Jądrowych im. A.Sołtana w Warszawie.
Ewa Droste jest magistrem fizyki, specjalistką z fizyki jądrowej, zatrudnioną na stanowisku fizyka w Dziale Szkolenia i Doradztwa w Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku.
Wojciech Trojanowski jest magistrem pedagogiki i specjalistą z zakresu elektroradiologii, zatrudnionym w Dziale Szkolenia i Doradztwa w Instytucie Problemów Jądrowych w Świerku oraz w Akademii Medycznej w Warszawie