Fizyka w grach okiem inżyniera #10. Energia jądrowa

Wśród ikonicznych postaci lub tak zwanych “twarzy” naszego kochanego medium znaleźć można wiele postaci, które od razu, nawet nie-graczom, skojarzą się z grami wideo - wiedźmin Geralt, archeolog Lara Croft czy wąsaty hydraulik Mario. A co z Vault Boyem? No, też jest znany - w końcu wiąże się z jedną z bardziej kultowych serii w historii, która ostatnio jednak złapała lekką zadyszkę. Wiecznie uśmiechnięty blondyn w swojej najbardziej rozpoznawalnej pozie - tej z podniesionym kciukiem do góry - ponoć nie pokazuje “git gud”, jak twierdzi większość, a sprawdza, czy znajduje się w zasięgu radioaktywnej fali powstałej tuż po nuklearnym wybuchu. Zgodnie z “regułą kciuka”, jeśli atomowy grzybek jest większy niż wyciągnięty kciuk, to znaczy, że znajdujemy się w strefie promieniowania i należy zacząć uciekać. Brzmi całkiem prawdopodobnie, prawda?Motyw broni jądrowej jest bardzo popularny w grach, o czym mogliście przeczytać w artykule Piotra Konopnickiego. Jak jednak “reguła kciuka” i inne rzeczy związane z efektem prac nad Projektem Manhattan, do których przyzwyczaiło nas nasze kochane medium, mają się do nauki?

Gdy mówimy o broni atomowej (lub bardziej ogólnie - o energii pochodzącej z atomu) to należy wyróżnić dwie podstawowe metody jej powstania - rozszczepienie i fuzję jądrową. Pierwsza reakcja polega na rozpadzie jądra atomowego na dwie części o zbliżonej masie, a każdej takiej akcji towarzyszy emisja neutronów i promieniowania typu gamma, które może przenosić energię rzędu kilku megaelektronowoltów. Każdy wyemitowany w ten sposób neutron może wejść w interakcję z sąsiadującym jądrem, wywołując tym samym reakcję łańcuchową. Rozpadowi najczęściej ulegają jądra ciężkie, posiadające nadmiar protonów, stąd często dochodzi również do rozpadów samoistnych. W przypadku broni atomowej to nie wystarczy, dlatego staramy się wymusić kolejne reakcje poprzez oddziaływanie na materiale radioaktywnym (na przykład uranie-235), emitując tym samym bardzo dużo energii, co w konsekwencji doprowadzi do wybuchu.

Inaczej wygląda to w przypadku syntezy jądrowej, w której dochodzi do zderzenia i połączenia się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe. Należy jednak pamiętać, że każde jądro posiada ładunek dodatni, a jak wiadomo ładunki posiadające ten sam “znak” odpychają się. Stąd niezbędne jest nadanie prędkości takim jądrom, by przezwyciężyć siłę odpychania elektrostatycznego, co w konsekwencji doprowadzi do ich zbliżenia i ostatecznie, połączenia. Chcąc nadać cząstkom energię kinetyczną można zwiększyć ich temperaturę. Efekt jest jednak ten sam, jak w przypadku rozszczepienia - dochodzi do powstania wolnych neutronów i innych cząstek elementarnych.Zarówno rozszczepienie, jak i synteza jądrowa są głównymi źródłami energii gwiazd, dlatego używa się akceleratora cząstek, dzięki któremu można lepiej poznać procesy zachodzące wewnątrz ciał niebieskich. Zresztą to nie jedyne, co czerpiemy z procesów zachodzących wewnątrz atomów jeśli chodzi o przestrzeń kosmiczną - w końcu czym byłaby ta seria bez wycieczek w bezkresną pustkę?Seria Fallout to pierwsze, co przychodzi na myśl, jeśli chodzi o wszelkiego rodzaju “zabawki” związane z energią jądrową. Jedna z nich to oczywiście Grubas (w oryginale Fat Man), który pozwalał na strzelanie miniatomówkami. Broń była dostępna już w trzeciej części gry i od tamtego momentu jej działanie czy ogólna koncepcja nie zmieniła się zanadto. Konstrukcja jest duża i nieporęczna, a sam pocisk nie leci po linii prostej, tylko po paraboli, co utrudnia celowanie i skuteczne prowadzenie ognia na dalszych dystansach. Mimo tych wszystkich niedogodności i tak jest jedną z wizytówek serii, a eksplozja oglądana w systemie VATS stała się bohaterem niejednej kompilacji w serwisie Youtube.Fat Man użyty pod koniec Drugiej Wojny Światowej mierzył ponad trzy metry, jego wagę szacuje się na około 4,67 tony, zaś siła ładunku takiej bomby wynosi 21 kiloton, z czego większość jej masy (bo aż trzy tony) stanowi materiał wybuchowy, który inicjował reakcję łańcuchową. Stąd pomysł na zmniejszenie ładunku pierwotnego i dodaniu znacznie lżejszej sekcji z mieszanką gazową zawierającą deuter i tryt - mamy wtedy do czynienia z bombą termojądrową. Budowa takiej bomby nie różni się znacznie od tej tradycyjnej - dalej potrzebny jest materiał wybuchowy, który stanowi jeden z “płaszczy” jej rdzenia, zaś jego kolejna część to oczywiście materiał rozszczepialny. Oprócz tego wszystkiego, w samym centrum bomby, znajduje się gaz umożliwiający syntezą jądrową.Wspominałem wcześniej, że do przeprowadzenia syntezy jądrowej potrzebujemy bardzo wysokiej temperatury, którą można uzyskać poprzez eksplozję - dokładnie do tego celu potrzebne są nam pierwsze dwie części takiej bomby. Zdetonowanie materiału wybuchowego wywoła reakcję rozszczepienia jąder, co wyemituje bardzo dużo dodatkowych, wolnych neutronów, które uderzą w zbiornik z gazem. To z kolei wywoła bardzo potężną syntezę jądrową, zwielokrotniając jej siłę. Dzięki połączeniu reakcji rozszczepienia i fuzji jądrowej cała bomba jest znacznie bardziej efektywniejsza i jednocześnie mniejsza - nie potrzebujemy tyle materiału wybuchowego, ani tego rozszczepialnego.

Efektem prac nad zminiaturyzowaniem bomby jądrowej był opracowany w latach 50. ubiegłego wieku pocisk M388 Davy Crockett, wystrzeliwany z małej wyrzutni obsługiwanej przez raptem trzy osoby. No dobra, nie jest to Falloutowy “Grubas”, z którym beztrosko biegaliśmy po pustkowiach, ale i tak nie zmienia to faktu, że sam pocisk waży raptem 35 kilogramów, czyli mógł być przenoszony przez jedną osobę. Poza tym wyrzutnię mogliśmy zamontować na pojeździe opancerzonym, ale i tak używano jej głównie w formie stacjonarnej, montowanej na trójnogu. Moc rażenia takiego pocisku można było wybrać między 10 a 20 ton, co jest minimalną wartością dla głowicy z ładunkiem rozszczepialnym. Broń była na wyposażeniu armii Stanów Zjednoczonych w latach 1961-1971, ale nigdy niewykorzystano jej w warunkach bojowych. Obecnie nie prowadzi się oficjalnych badań nad miniatomówkami pokroju M-92 Kain z Mass Effect 2, bo zwyczajnie taki rodzaj broni nie jest potrzebny na współczesnym polu walki. Być może kiedyś pojawi się zagrożenie, wymagające od konstruktorów dania pojedynczemu piechurowi siły rażenia podobnej do tej, które posiadały głowice M388 Davy Crockett, ale teraz wystarczą nam zwykłe, ołowiane pociski.W Falloucie 76, zwieńczeniem misji “Stałem się Śmiercią” jest możliwość odpalenia bomby atomowej, której wybuch podniesie poziom doświadczenia okolicznych istot, co ostatecznie pozwoli graczom na walkę z ich silniejszymi odpowiednikami. W listopadzie zeszłego roku Asia pisała o grupie osób, której udało się skoordynować detonację trzech atomówek na raz, przez co serwery gry nie wytrzymały i odmówiły posłuszeństwa. Zanim jednak do tego doszło, gracze stoczyli walkę z Scorchedbeast Queen - ostateczną formą tego gatunku w grze.Wybuch zwykłego ładunku generuje bardzo silną falę uderzeniową, która jednak ma ograniczony zasięg i bardzo szybko traci energię. Ma to jednak swoje zalety, bo dzięki temu na znaczeniu zyskały granaty zaczepne, które generują małą ilość odłamków i ich celem nie jest unieszkodliwienie lub zranienie celu, a jego ogłuszenie. Największą siłą bomby atomowej, oprócz niszczycielskiej fali uderzeniowej, jest to, co przez długi czas zostaje po jej wybuchu - mowa oczywiście o skażeniu materiałami promieniotwórczymi. Pamiętacie pewnie z lekcji fizyki, że promieniowanie to strumień cząstek wysyłanych przez ciało, i w przypadku promieniowania jądrowego - którego źródłem są promieniotwórcze jądra atomów - wyróżniamy promieniowanie alfa, beta i gamma. Nas szczególnie interesuje to ostatnie, które jest wysoce energetyczne (ponad 50 kilo elektronowoltów) i z nim właśnie mamy do czynienia, gdy mówimy o bombie atomowej.Różnie. Wszystko zależy od mocy ładunku i odległości, w jakiej znajdujemy się od miejsca eksplozji. Weźmy coś niewielkiego, na przykład pocisk Crocketta omawiany w poprzednim punkcie. Mimo że moc jego wybuchu była niewielka, to właśnie dzięki chmurze radioaktywnych zanieczyszczeń miał naprawdę niszczycielski potencjał. Wyrzutnie z tymi pociskami miały być rozstawione na terenie Niemiec Zachodnich i oddalone od siebie o kilka kilometrów, co umożliwiłoby Amerykanom spowolnienie przemarszu wojsk radzieckich i wykonanie szybkiego kontrataku. Wracając do tematu, w odległości około trzystu metrów od wybuchu takiego ładunku człowiek nie poczułby w zasadzie nic. Oczywiście wystąpiłoby lekkie otępienie czy nudności, ale nic poza tym - dalej można by normalnie funkcjonować. Jednocześnie w ciele nastąpiły już pewne nieodwracalne zmiany, takie jak uszkodzenie szpiku kostnego czy śmierć komórek układu pokarmowego, czego końcową fazą będzie krwawa biegunka i ostatecznie sepsa. Im dalej znajdziemy się od miejsca wybuchu, tym szansę na przeżycie rosną, ale warto pamiętać, że narażenie na promieniowanie zwiększa możliwość wystąpienia nowotworu w przyszłości.

Niestety skuteczność reguły kciuka, o której pisałem na początku, nie została w żaden sposób potwierdzona. Zdaniem naukowców nie byłoby to nawet możliwe, właśnie ze względu na radioaktywną chmurę, której prędkość zależy od prędkości i kierunku wiatru. Dodatkowym czynnikiem utrudniającym ocenę zagrożenia stanowi też widoczność podczas zachmurzenia. Zatem jak inaczej ocenić, czy znajdujemy się w zasięgu radioaktywnego zagrożenia?Grając w Fallouta na pewno trafiliście na przedmioty z przedrostkiem “Rad”, które niwelowały lub całkowicie likwidowały negatywne skutki promieniowania. Jednostką promieniowania są właśnie rad-y, gdzie jeden rad to odpowiednik jednej setnej dżula energii przypadającej na jeden kilogram ciała.Człowiek pod względem możliwości wchłonięcia zabójczej dawki promieniowania jest dość wrażliwy - wystarczy jedynie 400 radów, by dojść do progu LD50. Oznacza to, że połowa populacji, która zostanie poddana takiej dawce promieniowania, umrze w ciągu trzydziestu dni. Co ciekawe, dawka LD50 dla karaluchów to aż 6500 radów.Napromieniowanie i choroby popromienne są znacznie groźniejsze niż sugerują to opisy w serii Fallout - tak naprawdę nie ma bezpiecznej dawki promieniowania. Uszkodzonych komórek nie da się naprawić, a zmiany czy wszelkie mutacje często bywają recesywne, czyli takie, które objawiają się dopiero po latach lub nawet w następnych pokoleniach. I tylko szkoda, że nie istnieją Rad-X-y i RadAwaye.W finałowej scenie animacji “Wschodząca gwiazda”, która przybliża historię Hany Song - lepiej znanej jako D.Va - widzimy jak bohaterka niszczy reaktor jądrowy, napędzający jej mecha. Sam reaktor był na tyle mały, że nie przeciążał całej maszyny (pamiętajmy o tym, że mech musi latać), a wytwarzał wystarczająco dużo energii elektrycznej, by zasilić jej wszystkie podzespoły. Co gdyby jednak do zasilania wykorzystać coś bardziej stabilnego i mniej awaryjnego jak baterie? Po części mamy z tym do czynienia właśnie w Falloucie, w którym pancerze zasilają ogniwa fuzyjne. Nie starczają one jednak na długo i szybko się wyczerpują, ale ostatecznie spełniają swoje zadanie. Dodatkowo mogą służyć jako amunicja do niektórych broni energetycznych.Sam pomysł atomowej baterii nie jest niczym nowym, bo już w latach 50. ubiegłego wieku pojawiły się pierwsze prototypy wykorzystywane do zasilania aparatów słuchowych czy małych odbiorników radiowych. Zasada działania takiej baterii nie różni się zanadto od tego, z czym mamy do czynienia w reaktorach jądrowych - dalej do wytworzenia energii elektrycznej potrzebujemy energii powstałej w wyniku rozpadu promieniotwórczego izotopu. Jedyną różnicą jest to, że baterie nie wykorzystują reakcji łańcuchowej, o której pisałem wyżej. Taka bateria, podobnie jak termopara, składa się z dwóch elektrod, z których jedna musi być wykonana z promieniotwórczego izotopu (na przykład Niklu-63). W wyniku rozpadu promieniotwórczego dochodzi do emisji cząstki beta, którą z kolei wychwytuje druga z elektrod, przez co pierwsza ładuje się dodatnio, zaś druga ujemnie. Dzięki temu w urządzeniu zaczyna wytwarzać się napięcie, wywołujące przepływ prądu elektrycznego. Oczywiście istnieją różne modyfikacje mające na celu zwiększenie skuteczności, jak choćby ta polegająca na połączeniu kilku takich “termopar” - szeregowo albo równolegle - co pozwala na uzyskanie wyższego napięcia lub prądu (zależy od potrzeb).Główną zaletą takich baterii jest znacznie wyższa żywotność (od dziesięciu do nawet dwudziestu lat), ale niestety uzyskuje się to kosztem sprawności - ledwie kilka procent - dlatego ich rozmiary są często znacznie większe niż tych standardowych, chemicznych. Napięcie generowane przez taką baterię liczone jest w miliwoltach, dlatego obecnie wykorzystuje się je głównie do zasilania urządzeń, które nie wymagają ciągłego nadzoru człowieka - rozruszników serca czy stacji kosmicznych. Ktoś z Was może zapytać: “Skoro wykorzystujemy izotopy emitujące cząstki beta, to czemu nie używać tych generujących promieniowanie gamma, które jest znacznie bardziej efektywne?”. Cząstki beta można w łatwy sposób ekranować, przez co nie są szkodliwe dla użytkownika, jak i środowiska - nie generują wysoce szkodliwego promieniowania Bremsa.Baterie atomowe są wykorzystywane na co dzień, ale przez bardzo wysoką cenę produkcji i niską skuteczność muszą jeszcze poczekać na swoją kolej. Być może znajdą zastosowanie na statkach kosmicznych albo innych pojazdach, gdzie masa nie będzie istotna, ale na razie można je traktować jako zwykłą technologiczną ciekawostkę.W No Man’s Sky mamy do czynienia z kilkoma rodzajami silników - ułatwiającymi start z powierzchni planety i umożliwiającymi osiągnięcie Pierwszej i Drugiej Prędkości Kosmicznej, jak i tymi zwykłymi, wykorzystywanymi do powolnego sunięcia przez pustkę. Silniki pulsacyjne zaliczają się do tej pierwszej kategorii i zapewniają chwilowy, ale i gwałtowny wzrost prędkości, co pozwala na szybszą podróż między systemami gwiezdnymi czy właśnie na opuszczenie planety.Standardowe silniki wykorzystujące ciąg (rakietowe, odrzutowe czy w końcu turboodrzutowe) muszą pracować przez cały czas - podczas lotu płomień wewnątrz komory spalania nie może zgasnąć choćby na chwilę, bo w przeciwnym razie może dojść do katastrofy. Jakiś czas temu pisałem o rakietowych silnikach jądrowych, w których zwykła komora spalania była zastąpiona przez mały reaktor jądrowy, jednak jego zasada działania pozostała niezmieniona - z dyszy wydobywał się strumień gazów, co pchało nasz statek ku górze. Projekt Orion zakładał coś innego, bo zamiast zwykłego silnika produkującego ciąg chciano wykorzystać pulsacyjny napęd jądrowy. Zasadę działania takiego napędu dobrze pokazuje filmik poniżej, gdzie graczowi Kerbal Space Program (jednej z ulubionych gier naczelnego) udało się stworzyć taki statek.Zamiast standardowej dyszy wylotowej na końcu rakiety mielibyśmy do czynienia z czymś w rodzaju płyty, która zbiera energię powstałą w wyniku wybuchu ładunku nuklearnego detonowanego w pewnej odległości od statku. Same bomby byłyby pokryte wodą lub woskiem, co w czasie eksplozji spowodowałoby wytworzenie się wysokoenergetycznej plazmy, która pchałaby naszą rakietę ku górze. W chwili uderzenia plazmy o płytę, rosłaby temperatura tej pierwszej i z początkowych czternastu szybko osiągnęła by aż czterdzieści tysięcy stopni celsjusza. Tak wysokotemperaturowa plazma wydziela promieniowanie ultrafioletowe, które nie przenika przez płytę, co zapobiega jej uszkodzeniu (choć bardziej adekwatne słowo to raczej wyparowanie). Mimo tego i tak po każdej eksplozji znikałby jeden milimetr tarczy; rozwiązaniem miały być natryskiwane na jej powierzchnię różne środki, między innymi woda, grafit albo różnego rodzaje smary. Dzięki wodorowi lub węglowi zawartymi w tych substancjach, promieniowanie ultrafioletowe byłoby pochłaniane, przez co tarcza nie byłaby narażona na jego szkodliwe działanie. Tylko tu pojawia się problem - jak natryskiwać coś w przestrzeni kosmicznej, skoro panują tam skrajnie nieprzyjazne warunki?

Mimo kilku innych problemów technicznych związanych z lokalizacją ładunku czy przeciążeniami, projekt miał szansę powodzenia. W planach było nawet stworzenie międzygwiezdnego Super Oriona o masie przekraczającej osiem milionów ton, który według wyliczeń mógłby osiągnąć dziesięć procent prędkości światła w próżni (to naprawdę bardzo dużo). Koszt takiego przedsięwzięcia nie byłby aż tak duży, bo przy uwzględnieniu wszystkich wydatków związanych z ładunkami jądrowymi, wyniesienie jednego kilograma na orbitę okołoziemską to raptem trzydzieści centów. Dla porównania, wysłanie tego samego ładunku przy użyciu rakiet z silnikami odrzutowymi to koszt rzędu kilkunastu tysięcy dolarów. Oczywiście mówimy tu o pieniądzach, bo warto pamiętać, że koszt jaki musiałby ponieść nasza planeta jest nieporównywalnie większy. Zdetonowanie ładunków nuklearnych w atmosferze ziemskiej byłoby szkodliwe dla całej planety, nie wspominając już o impulsie elektromagnetycznym, który mógłby zdezaktywować większość urządzeń elektrycznych. Ostatecznie z Projektu Orion nic nie wyszło, ale obecnie prowadzone są wstępne badania nad ponownym wykorzystaniem pulsacyjnego napędu jądrowego do projektowania przyszłych statków kosmicznych.Okazuje się, że Bethesda odrobiła lekcje, podobnie jak inni twórcy gier wideo wykorzystując w swoich grach urządzenia czy opierając się na zjawiskach (i do tego nie naginając ich za bardzo), z których korzystamy obecnie lub będziemy to robić w niedalekiej przyszłości. Energia jądrowa, mimo że budzi wiele obaw, odegra kluczową rolę jako alternatywne i niezwykle wydajne źródło energii. Mam tylko nadzieję, że ostatecznie nie skończy się to wszystko jak w Falloucie, czego sobie i Wam życzę.