Radioaktywność – obalamy popularne mity

W tym wpisie zamiast jednego dużego tematu poruszę kilka mniejszych – zamierzam obalić kilka popularnych mitów związanych z tematem promieniotwórczości.

Materiały radioaktywne są zielone. MIT.

Choć jest w nim, jak to często bywa, ziarno prawdy. Otóż istnieje coś takiego, jak szkło uranowe, czyli szkło domieszkowane związkami uranu (na przykład tlenkiem) – i rzeczywiście, jest ono zielone. Choć pierwsze wyroby ze szkła uranowego datowane są na okolice roku 100 n.e., to „świadomie” zaczęto wykorzystywać tlenki uranu do barwienia szkła na przełomie wieku XVIII i XIX. Dziś, jeśli już produkuje się szkło uranowe, wykorzystuje się uran zubożony (produkt uboczny wzbogacania uranu w izotop U-235). Dzięki temu radioaktywność wykonanych ze szkła uranowego, choć wykrywalna bez problemu, jest właściwie pomijalna. Warto tu jednak zauważyć, że słynna blenda smolista, z którą pracowała Maria Curie-Skłodowska, jest czarna. Natomiast „yellowcake” (dosł. żółte ciasto), składający się głównie z tlenku uranu półprodukt przetwarzania rudy uranu, jest żółty.

Inne możliwe źródło tego mitu to słynne zegarki świecące na zielono, przy których produkcji wiele Amerykanek dostało choroby popromiennej. Fakt, stosowana do ich produkcji farba zawierała rad. Ale sam rad jest, jak to zwykle metale, koloru srebrno-metalicznego. Więc dlaczego farba świeciła na zielono? Otóż: oprócz radu w farbie znajdował się między innymi luminofor, czyli substancja, która po wzbudzeniu emituje światło. W tym przypadku luminofor był wytwarzany ze srebra i siarczku cynku i emitował zielone światło. Źródłem wzbudzenia były zaś cząstki alfa, emitowany przy rozpadzie radu. Sam pierwiastek promieniotwórczy był więc czymś w rodzaju „baterii” dla luminoforowej „lampki”.

I na koniec: większość pierwiastków promieniotwórczych to metale, więc mają zbliżone barwy. Te, które metalami nie są (np. jod-135) nie różnią się szczególnie kolorem od niepromieniotwórczych izotopów tego samego pierwiastka. Z kolei w wypadku jąder, które uzyskano sztucznie i w zatrważającej liczbie rzędu trzech sztuk, ciężko w ogóle mówić o kolorze.

Materiały radioaktywne świecą w ciemności. MIT.

Promieniowanie to, jak pisałem czas jakiś temu, cząstki alfa i beta, neutrony, neutrina, wreszcie fala elektromagnetyczna o wysokiej częstotliwości. Nasze oczy nie są w stanie wykryć żadnego z nich. Wykrywamy nimi tylko fale elektromagnetyczne o długości od 400 do 700 nm (w przybliżeniu), podczas gdy promieniowanie gamma ma długość fali poniżej 10 pm (dziesięć tysięcy razy mniej niż to, co widzimy). Innymi słowy: promieniowanie na nas oddziałuje, jest w stanie nas nawet skrzywdzić. My jednak nie jesteśmy w stanie go w żaden sposób wyczuć, i to prawdopodobnie jest jedna z głównych przyczyn lęku ludzi przed promieniowaniem.

Ale znów – poszukajmy tutaj ziaren prawdy. Jest ich kilka. Przede wszystkim, to o czym pisałem, omawiając poprzedni mit, a w szczególności farba z radem. Jednak przyczyn świecenia materiałów radioaktywnych może być więcej.

Weźmy na przykład taki pluton, konkretniej – izotop 238. Nie nadaje się on na paliwo do elektrowni jądrowych, bomby też się z niego nie zrobi. Natomiast z okresem połowicznego rozpadu około 87 lat oraz bardzo niską emisją neutronów i promieniowania gamma znalazł zastosowanie w produkcji energii na potrzeby programu kosmicznego. Dlaczego? Otóż sam jego rozpad (α) generuje stosunkowo dużo energii cieplnej – stosunkowo jak na potrzeby sond kosmicznych. Innymi słowy, większy kawałek tego izotopu, a nawet jego tlenku, zaczyna świecić w ciemności. Jednak przyczyną nie jest wprost promieniowanie, tylko to, że na skutek rozpadów rozgrzewa się do czerwoności.

Kolejny sposób będzie znany tym z Was, którzy widzieli serial Czarnobyl na HBO. Pamiętacie zapewne niebieskawą poświatę nad otwartym rdzeniem reaktora. Jeśli chodzi o to, czy ta poświata faktycznie tam była – zeznania świadków są niejednoznaczne; ale jeśli była, to wiemy, co ją wywołało. Pamiętacie pełną nazwę – promieniowanie jonizujące? No właśnie: promieniowanie nad rdzeniem w Czarnobylu było tak intensywne, że jonizowało cząsteczki powietrza. Jonizowało, czyli odrywało od nich elektrony, nadając im ładunek elektryczny. A zjonizowane powietrze świeci, czego najlepszym przykładem są błyskawice.

I jeszcze jedna, najbardziej chyba egzotyczna z omówionych, kwestia związana ze świeceniem od radioaktywności: efekt Czerenkowa. Kojarzycie, jak brzmi przelot samolotu naddźwiękowego? Rozlega się taki naprawdę głośny huk, jakby wystrzału. Nazywa się on „sonic boom”, czyli grom dźwiękowy. To efekt towarzyszący fali uderzeniowej, jaka przechodzi przez powietrze za obiektem poruszającym się szybciej niż fala mechaniczna. Na podobnej zasadzie działa promieniowanie Czerenkowa. Jest to efekt świetlny towarzyszący naładowanemu elektrycznie obiektowi poruszającemu się szybciej niż światło w danym ośrodku.

„Ale zaraz!” – zakrzykną pewnie niektórzy z Was – „przecież cała teoria Einsteina zakłada, że NIC nie może się poruszać szybciej niż światło!” No… Prawie. Dokładniej: Einstein postuluje¹I wszystkie nasze dotychczasowe próby obalenia jego też spaliły na panewce, że nic nie może się poruszać szybciej niż światło – w próżni. Natomiast prędkość światła w innych ośrodkach jest niższa niż w próżni. Przykładowo, w wodzie o jedną czwartą, a w diamencie o ponad połowę. A cząstki beta, uwalniane przy rozpadzie produktów rozszczepienia paliwa jądrowego, mogą mieć prędkość rzędu 90% prędkości światła i więcej… Dlatego też ten efekt jest dobrze widoczny w reaktorach zanurzonych w zbiornikach wody (jak na przykład reaktor MARIA w Świerku). Można go też wykorzystywać do oceny aktywności wypalonego paliwa jądrowego, które zostało już wyjęte z reaktora i chłodzi się w innym basenie.

Wszystko, co spotka się z materiałem radioaktywnym, staje się radioaktywne. MIT

Radioaktywność nie działa na zasadzie magicznej choroby – czego się dotknie, to się staje radioaktywne. No ale przecież niedawno jeszcze pisałem, że w reaktorze stosuje się dwa obiegi wody chłodzącej, bo ta, która płynie przez reaktor sama staje się radioaktywna. Więc o co chodzi?

Chodzi głównie o promieniowanie neutronowe. Faktycznie, wychwyt neutronu przez jądro może doprowadzić do aktywacji, czyli przekształcenia izotopu stabilnego w izotop promieniotwórczy. Z innymi rodzajami promieniowania też jest to możliwe, ale zdarza się dużo rzadziej, i w większości wypadków jest pomijalne. Do tego stopnia, że napromieniowywanie stosowane jest do ochrony żywności przed zepsuciem (zabija drobnoustroje). Ale jednym z miejsc, w których tego efektu pominąć nie można, jest właśnie rdzeń reaktora. Tam natężenie promieniowania neutronowego jest na tyle duże, że spokojnie może aktywować wodę i w ogóle wszystko, co znajdzie w okolicy.

Jako ciekawostkę mogę zaspoilować jeden z przyszłych wpisów. Promieniowanie neutronowe bywa celowo wykorzystywane do aktywacji różnych pierwiastków tak, żeby uzyskać cenne izotopy. Stosowane są one później w diagnostyce i różnego rodzaju terapiach. Ot, choćby nasza MARIA produkuje molibden-99 (źródło technetu-99m, stosowanego w diagnostyce) czy jod-131 (do leczenia schorzeń tarczycy).

I tu docieramy do drugiego prawdopodobnego źródła tego mitu. Otóż: osobom, którym podano radioizotopy (w ramach terapii bądź diagnostyki) często zakazuje się zbliżania, a szczególnie przytulania, innych osób, szczególnie dzieci, przez określony czas. Ale nie dzieje się tak dlatego, że radioizotop sprawił, że organizm tego człowieka sam w sobie stał się promieniotwórczy. Po prostu nawet po zakończonej procedurze medycznej radioizotop wciąż znajduje się wewnątrz pacjenta. To, jak długo będzie się tam znajdował, zależy od jego czasu półtrwania. Oraz od tego, jak jest (jeśli w ogóle) z organizmu wydalany.

Elektrownia jądrowa to potencjalna bomba jądrowa. MIT

Jak się zastanowić, to dość oczywisty mit. Przecież Alianci w czasie drugiej wojny światowej wydali ciężkie pieniądze i spędzili kilka lat nad przygotowywaniem broni jądrowej. Gdyby wystarczyło wziąć dużo uranu i zrzucić na kupkę, to byłoby im „ciut” łatwiej.

A teraz na poważnie. Żeby zrobić broń jądrową, trzeba mieć materiał rozszczepialny wzbogacony w stopniu dużo wyższym niż w jakimkolwiek chyba cywilnym reaktorze jądrowym. Potem trzeba ten materiał bardzo precyzyjnie podzielić na kawałki i uformować, a następnie ścisnąć szybko – i w dokładnie kontrolowany sposób. Elektrownie jądrowe nie spełniają żadnego z tych warunków. Więc skąd ten mit? Pewnie w dużej mierze ze strachu. A także pokłosie Czarnobyla, gdzie faktycznie nastąpiła eksplozja – ale to nie była eksplozja jądrowa. To była eksplozja pary, która doprowadziła do pożaru grafitu i ucieczki dużej ilości wysoce radioaktywnych produktów rozszczepienia paliwa.

Natomiast w żadnym zachodnim reaktorze nawet taka eksplozja nie jest możliwa, ponieważ nie pozwalają na nią zabezpieczenia pasywne. Pasywne, czyli polegające nie na działaniu człowieka, tylko na prawach natury. W skrócie: reaktor „normalny”, to miska, stojąca na lekko chwiejnej powierzchni, w której znajduje się niewielka kulka. Awaria nastąpi, jeśli kulka wypadnie z miski. W wypadku reaktorów takich, jak w Czarnobylu, jest podobnie – tylko że miska stoi do góry dnem, i na samej jej górze jest metalowa kulka.

Zginiemy przysypani odpadami radioaktywnymi z elektrowni jądrowych. MIT.

Faktem jest, że w elektrowniach powstają radioaktywne odpady. Faktem jest też, że trzeba je jakoś zagospodarować. Ale ani nie jest ich tak dużo, ani zagospodarowanie ich nie stanowi tak wielkiego problemu, jak to się powszechnie uważa. Przykładowo – reaktor o mocy elektrycznej 1 GW rocznie produkuje około 30 ton wysoce radioaktywnych odpadów. W tym samym czasie elektrownia węglowa może wyprodukować trzydziestokrotnie więcej popiołu. Co ciekawe, ten popiół też będzie radioaktywny (z powodu obecności w węglu niewielkich ilości radioaktywnych pierwiastków). Ostatecznie popiół uwalniany z elektrowni węglowych emituje do środowiska wielokrotnie więcej radioaktywności, niż poprawnie składowane paliwo z elektrowni jądrowych o tej samej mocy. Innymi słowy – jeśli mamy zginąć przysypani, to prędzej popiołem, niż odpadami z elektrowni jądrowej.

Ale co zrobić z tymi odpadami, skoro już je produkujemy? Na początku sprawa jest prosta: składujemy, na ogół w basenie chłodzącym. Takich odpadów nawet nie trzeba szczególnie pilnować – pilnują się same²Próba podejścia do nich zakończy się śmiercią z powodu ostrych skutków promieniowania.. Po pewnym czasie, gdy ich aktywność się zmniejszy, stajemy przed wyborem: można je przetwarzać bądź składować. Przetwarzanie pozwala odzyskać ze “zużytego” paliwa dużą część materiału nadającego się do produkcji “nowego” paliwa – czyli jego ponowne wykorzystanie. Tym samym do składowania zostaje dużo mniej materiału. Ale nawet samo składowanie nie jest takie problematyczne. Już po czterdziestu latach aktywność wypalonego paliwa spada do jednego promila aktywności początkowej. Tak jak kiedyś pisałem – jeśli coś jest wysoce radioaktywne, to jest szkodliwe przez krótki czas; jeśli promieniuje tak samo przez długi czas, to nie jest zbyt szkodliwe.

Nawiasem mówiąc, w Polsce mamy składowisko odpadów promieniotwórczych. Składujemy tam odpady niskiej aktywności, na przykład produkowane podczas korzystania z metod medycyny nuklearnej. Oczywiście, temat produkcji i przetwarzania odpadów jądrowych wart jest osobnego artykułu, w tych kilku akapitach wielu kwestii nawet nie poruszyliśmy. Mam jednak nadzieję, że udało mi się Was przynajmniej trochę uspokoić!

Źródła:

https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/coal-fired-power-plant

https://www.scientificamerican.com/article/coal-ash-is-more-radioactive-than-nuclear-waste/

https://www.britannica.com/story/radium-girls-the-women-who-fought-for-their-lives-in-a-killer-workplace

https://www.radioactivity.eu.com/site/pages/Cherenkov_Effect.htm

https://www.sciencedirect.com/topics/pharmacology-toxicology-and-pharmaceutical-science/neutron-radiation

https://www.gov.pl/web/aktywa-panstwowe/reaktor-jadrowy-maria

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!