Reaktor jądrowy MARIA – 1. Historia i konstrukcja

Polska powoli przymierza się do budowy pierwszej elektrowni jądrowej. Jak na razie wszystko jest w fazie bardzo wstępnej i nie wiadomo, kiedy budowa ruszy. Tymczasem historia polskich reaktorów jądrowych sięga lat 50. XX w. Pierwszym z nich była EWA. Nazwa ta jest akronimem pochodzącym od „eksperymentalny – wodny – atomowy”. Oczywiście nie była to oryginalna polska konstrukcja. Tego typu reaktory doświadczalne sprzedawał wtedy krajom socjalistycznym ZSRR. EWA działała z przerwami do 1995, kiedy to została planowo wyłączona.

Obecnie jedynym działającym na terenie Polski reaktorem jest znajdująca się w Otwocku-Świerku koło Warszawy MARIA (ta nazwa pochodzi oczywiście od imienia Marii Skłodowskiej-Curie). Budowę rozpoczęto w 1970 r., stan krytyczny został osiągnięty w 1974. Reaktor pracował do 1985, kiedy to rozpoczęto jego modernizację. Ponownie uruchomiony w 1992 r. pracuje do dziś. Nie jest to oczywiście reaktor produkujący energię elektryczną. Służy do badań, ale też doskonale na siebie zarabia.

Wnętrze reaktora MARIA
Widoczny niebieski kolor to promieniowanie Czerenkowa (*)

Źródło: Wikimedia, licencja: GNU FDL

Konstrukcja reaktora

Nie da się ukryć, że reaktor MARIA jest bardzo starą konstrukcją, jedną z pierwszych, jakie powstały w Związku Radzieckim na samym początku programu atomowego. Na szczęście okazuje się, że reaktory, w których funkcję moderatora i chłodziwa pełni woda, okazały się być w zasadzie bezawaryjne. Rdzeń reaktora umieszczono w zbiorniku z wodą destylowaną, a całość otoczona jest ścianami z betonu o grubości 2,2 m. Jako paliwo pierwotnie stosowano uran wzbogacony w izotop U-235 w 80%, dziś stosuje się paliwo niskowzbogacone, w którym zawartość U-235 wynosi mniej niż 20%. Stosowanie takiego paliwa nie wpływa na efektywność pracy samego reaktora, natomiast zdecydowanie poprawia bezpieczeństwo. Maria nie ma znaczenia energetycznego, ponieważ jest reaktorem badawczo-produkcyjnym. Całość wytwarzanego ciepła odprowadzana jest do atmosfery.

Obok rdzenia znajdują się dwie komory izotopowe (tzw. gorące). Tam właśnie przeprowadza się prace z materiałami, które wcześniej były napromieniowane w rdzeniu reaktora. Wszelkie działania z nimi wykonuje się zdalnie, przy użyciu specjalnych manipulatorów, aby zminimalizować możliwość napromieniowania naukowców wykonujących eksperymenty. Oczywiście we wnętrzu komory gorącej nie może przebywać człowiek. Jego miejsce znajduje się na zewnątrz, jest oddzielony od niebezpiecznej przestrzeni grubą warstwą tłumiącego promieniowanie szkła ołowianego.

Dodatkowo z reaktora wyprowadzonych jest sześć poziomych kanałów, które są źródłem wiązek neutronów wykorzystywanych do celów badawczych.

O tym, co produkuje MARIA – w kolejnym odcinku.

(*) Promieniowanie Czerenkowa – promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez naładowane cząstki poruszające się w danym środowisku z prędkością większą od prędkości fazowej światła w tym ośrodku. Analogią może być fala uderzeniowa generowana przez samolot przekraczający prędkość dźwięku.

(c) by Mirosław Dworniczak
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem. Linkować oczywiście można.

Czy rozcieńczać whisky? Oto jest pytanie!

Rozcieńczamy?

Źródło: Wikimedia
Autor: Pjt56
Licencja: CC BY-SA 4.0

Miłośnicy whisky toczą często przyjacielskie spory. Single malt, a może blended? Torfowa czy klasyczna? Ale najczęściej przedmiotem sporów jest to, jak się ją pije. Bez żadnych dodatków (neat), z lodem (whisky on the rocks), z wodą sodową (whisky and soda), czy np. z colą (whisky and cola). Ta ostatnia wersja jest często uznawana za bezczeszczenie szlachetnego trunku. Ale odłóżmy te rozważania na bok. Czy jest sens dodawania wody (ciekłej czy stałej) i rozcieńczanie whisky, a jeśli tak, to jaki? Okazuje się, że jest! I są na to bardzo solidne dowody naukowe. Co ciekawe, tematem tym nie zajęli się uczeni ze Szkocji, Irlandii czy USA, lecz niekoniecznie kojarzeni z tym trunkiem Szwedzi. Dwaj naukowcy z Uniwersytetu Linneusza postanowili zbadać procesy fizykochemiczne, które zachodzą, gdy do whisky dodawane są inne składniki. Żaden z nich nie jest specjalnym smakoszem szlachetnego trunku. Może dlatego nie prowadzili eksperymentów z samą whisky, ale opracowali specjalny model teoretyczny, w którym metodami komputerowymi analizowali mieszaninę trzech składników: etanolu, wody oraz gwajakolu.

Struktura cząsteczki gwajakolu
Czarne – atomy węgla, szare – wodoru, czerwone – tlenu

Źródło: Wikimedia
Licencja: domena publiczna

Etanol i woda to oczywiste składniki – czym jednak jest gwajakol? Jest to niezbyt skomplikowany związek organiczny, będący metoksylową pochodną fenolu. Co ma wspólnego z whisky? Pewne ilości tego związku znajdują się na wewnętrznej powierzchni beczek, w których dojrzewa whisky. Właśnie stamtąd trafia on do whisky i nadaje jej charakterystyczny aromat.

Wszystkie trzy składniki tej mieszaniny mogą tworzyć między sobą wiązania wodorowe. Cząsteczki etanolu są otoczone cząsteczkami wody, tworząc swoiste klastry. Podobny efekt będzie dla mieszanin woda-gwajakol i etanol-gwajakol. Badaniami zajęli się oczywiście Szkoci... nie, jednak, o dziwo, Szwedzi. Z ich badań wynika, że jeśli w trójskładnikowej mieszaninie etanol-woda-gwajakol stężenie alkoholu zmniejszy się (np. przez dodanie wody) z 45% do 27%, stężenie gwajakolu tuż przy powierzchni wzrasta o 1/3. Inne związki dające aromat whisky zachowują się w podobny sposób jak gwajakol. A dlaczego gwajakol wędruje ku powierzchni? Tu mamy efekt podobny do tego, który opisał Lucas w tekście o mydle. Część cząsteczki gwajakolu (ta „sześciokątna”) nie może tworzyć wiązań wodorowych (jak ogon w mydle Lucasa), druga część (z atomami tlenu, tymi czerwonymi) bez problemu takie wiązania tworzy. Dlatego też w chwili, gdy gwajakol przemieszczając się w roztworze trafi na powierzchnię, właśnie ta sześciokątna część umieszcza się na styku ciecz-powietrze i tam zostaje. Stąd lokalny wzrost stężenia. A dlaczego się przemieszcza? Ponieważ wszystko w roztworze jest w ciągłym ruchu. Cząsteczki wędrują w całej objętości roztworu, wiązania wodorowe się zrywają (bo są słabe), ale za chwilę tworzą się nowe.

Dlatego też – chociaż wygląda to na paradoks – rozcieńczenie whisky podbija aromat. Jak na razie badania są prowadzone tylko metodą symulacji komputerowych, ale, jak mówi jeden z badaczy: kończę niebawem 40 lat, mam kolekcję szkockich i japońskich whisky, więc będę niejako zmuszony do przejścia do nowego etapu badań, tym razem organoleptycznych.

Nieco więcej informacji o szwedzkich badaniach możecie znaleźć tutaj.

Pompy ssące i „horror vacui” Autor – Luděk Vašta

Autorem poniższego tekstu jest mój znamienity kolega, Luděk Vašta. Czech (kochający Polskę), tłumacz, miłośnik fizyki i astronomii. Z wykształcenia informatyk. Możliwe, że dołączy na stałe do grona autorów. Dziś gościnnie u mnie.

W rozmowie z górnikami padło ciekawe spostrzeżenie, mianowicie takie, że pompy ssące nie potrafią zassać wody zbyt wysoko, tylko jakieś 4–5 metrów, może czasami chyba nawet 7 metrów. Ale dlaczego nie więcej?

Intrygujące pytanie, ale wcale nie nowe. Z tym problemem się zmagano już w XVII wieku, a nawet jeszcze wcześniej. W czasach starożytnych Arystoteles i inni byli zdania, że w pompach ssących powstaje między tłokiem i wodą pusta przestrzeń, ale że przyroda nie znosi pustki, więc w to miejsce wchodzi woda (żeby nie było tej pustki) – i tak działają pompy. Tę cechę nazwano „horror vacui“, czyli „lęk przed pustką“.

Kiedy w 1640 r. budowano nawadnianie tarasu czy ogrodu dla arcyksięcia toskańskiego, zauważono, że nie da się zassać wody wyżej niż na 18 łokci (ok. 10 m). Toskański uczony Galileusz (Galileo Galilei) wtedy doradził, żeby zrobić pomocniczy zbiornik i kolejną pompę, więc problem został rozwiązany. Galileusz jednak zaczął się zastanawiać, że może jak wody jest powyżej 18 łokci, to słup wody się przerwie z powodu własnego ciężaru. To z kolei wzbudzało podejrzenia, czy na pewno jest poprawna teoria „horror vacui”.

Włoski fizyk i matematyk Evangelista Torricelli zaczął w 1643 r. ze swoim uczniem Vivianem eksperymentować, czy inne płyny będą się zachowywać tak samo. Eksperyment polegał na tym, że napełnili rurkę (która na jednym końcu była zamknięta) rtęcią, potem wstawili ją do miski z rtęcią, zamkniętym końcem rurki do góry. Rtęć opadła, ale zatrzymała się na wysokości 76 cm (zob. rys.). Z tego wynikało, że w rurce nad rtęcią nie było powietrza, czyli tam była pustka – próżnia, vacuum. Teoria „horror vacui“ została więc obalona – przyroda pustki się nie boi.

Z eksperymentu również wynikało, że powietrze też coś waży. Torricelli napisał, że żyjemy zanurzeni na dnie oceanu powietrza. Zauważono, że wysokość rtęci w rurce czasami się waha. Francuski fizyk Blaise Pascal w kolejnych eksperymentach ustalił, że to wahanie się jest spowodowane przez ciśnienie atmosferyczne. I tak powstał barometr.

Eksperyment Torricelliego

Źródło: Wikipedia
Licencja: domena publiczna

Teraz możemy wrócić do pomp górniczych. Jeżeli mamy pompę ssącą, to tak naprawdę nie zasysamy wody do rury, tylko stwarzamy nad wodą podciśnienie, a wodę do rury tłoczy ciśnienie naszej atmosfery. Ale to jest możliwe tylko do pewnego momentu (ok. 10 m), potem ciśnienie atmosferyczne jest zbyt słabe, żeby wypchnąć wodę w rurze wyżej.

Źródła, z których korzystałem:

https://www.svetenergie.cz/data/web/vzdelavaci-program-cez/tiskoviny/hratky-s-plyny-2014.pdf

https://cs.wikisource.org/wiki/Ott%C5%AFv_slovn%C3%ADk_nau%C4%8Dn%C3%BD/Horror_vacui

https://pl.wikipedia.org/wiki/Do%C5%9Bwiadczenie_Torricellego