Kell-e félnünk a nukleáris energiától?

A hétköznapi beszéd gyakran említi az energia szót valamilyen kapcsolatban. A fiatalok energikusak, valaki nagy energiával lát neki a munkának, vagy telve van energiával. Az energiának számos ismert fajtája van: mozgási, helyzeti vagy éppen hőenergia, de közismert a kémiai, az elektromos és mágneses energia, valamint legújabban a nukleáris energia.

Ezt atomenergiaként szokás magyarra fordítani, valójában azonban az atom magjában rejlő energiára gondolunk. A természetben jelenlegi ismereteink szerint négy alapvető kölcsönhatás létezik, erősségük sorrendjében a gravitációs kölcsönhatás, az elektromágneses kölcsönhatás, a gyenge kölcsönhatás, valamint az erős – vagy nukleáris – kölcsönhatás.

Az atomok és molekulák szerkezetét, amiben a kémiai energia forrása rejlik, alapvetően az elektromágneses kölcsönhatás szabja meg, ennek megnyilvánulásai az emberi testben lezajló biokémiai folyamatok, de a terroristák bombáit működtető folyamatok is.

A nukleáris energia felszabadítása minden eddiginél látványosabb és pusztítóbb hatásokat képes elérni. Az atomi és nukleáris kölcsönhatás között 5–6 nagyságrend különbség van. Az atomok mérete átlagosan 8–10 cm, a centiméter százmilliomod része, míg az atommag sugara ennél százezerszer, egymilliószor kisebb. Az atommagfizikában használatos energiaegység az elektronvolt egymilliószorosa (MeV); ez akkora energiának felel meg, amelyet egymillió voltos feszültségkülönbség befutásakor nyer az elektron. Az atomokban a külső elektronok kötési energiája néhány, esetleg 10 elektronvolt (eV), míg az atommagoknál ez az érték millió elektronvoltokban (MeV) mérhető. Ez az 5–6 nagyságrend a hatást tekintve alapos különbséget jelent. Például 1kg uránium-235 hasadásakor 18,7 millió kilowattóra energia szabadul fel hő alakjában, ami a hagyományos energiaforrásokhoz képest ijesztően sok.

Az atommagok pozitív töltésű protonokból és semleges neutronokból állnak, amelyeket egységesen nukleonoknak nevezünk. A nukleonok között erősen vonzó magerők hatnak – ezek az erős kölcsönhatások. A neutron tömege, így energiája is nagyobb a protonénál. Mivel a fizikai rendszerek mindig a legalacsonyabb energiájú állapot elérésére törekednek, a gyenge kölcsönhatás hatására a szabad neutron elbomlik protonra, elektronra és antineutrinóra. Ezt a magreakciót nevezzük béta-bomlásnak. E bomlási folyamattal szemben legstabilabbak a 60 körüli tömegszámú atommagok, például a vas, míg a kötési energia csökken mind az alacsonyabb, mind a magasabb tömegek tartományában. Ebből azonnal kiolvasható, hogy mind a nehéz magok hasadása, mind pedig a könnyű magok fúziója (nukleáris) energiát szabadíthat fel.

A magreakciók mesterségesen előidézett atommag átalakulások, amelyek két atommag vagy nukleáris részecske ütközésének során jönnek létre. A maghasadás annyiban speciális, hogy esetében az atommag két nehéz fragmentumra hasad szét, amelyek radioaktívak – ezért tovább bomlanak –, valamint további neutronok is keletkeznek. A folyamat során jelentős energia szabadul fel, közel két nagyságrenddel nagyobb, mint az átlagos magreakciókban. A hasadási termékek aztán béta-bomlással további magokká alakulnak, azok esetleg magasan gerjesztett állapotban képződnek, és egy neutron kibocsátásával szabadulnak meg fölös energiájuktól.

A folyamat tartósságát meghatározza a hasadóanyag mennyisége és geometriai formája. Ha az anyag mennyisége kicsi, a keletkezett neutronok nagy része elvész, és nem indul be a láncreakció. Azt a legkisebb anyagmennyiséget, amelynél már megvalósul a láncreakció, kritikus tömegnek nevezik.

Reaktorfizika: fejlesztések az atomerőművek szerkezetében

A maghasadás fizikájában drámaian új fejleményre nem számítunk. A reaktorok fizikája és a berendezések konstrukciója terén azonban még nyitottak a lehetőségek.

A reaktorfizikának meg kell határoznia a reaktor adott összetétele mellett a rendszerben a neutronok térbeli, időbeli, valamint sebességeloszlását. Nyomon kell követnie a reaktorban lejátszódó magreakciókat, vagyis megadni a reaktor összetételének a változását: a hasadóanyag fogyását, a plutónium és a hasadási termékek felhalmozódását: ellenőriznie kell a reaktor-üzemanyag „kiégését”. Valamint módszereket kell kidolgoznia a reaktor üzemvitele szempontjából fontos mennyiségek mérésére.

A szabályozott láncreakció legfontosabb tulajdonsága ugyanis, hogy nem gyorsan megy végbe, hanem az általunk megszabott ütemben és energiatermelési feltételek mellett.

láncreakcióhoz hasadóanyagra van szükség, amely rudak alakjában helyezkedik el a reaktorban. A hasadásnál keletkező neutronok lassítására szolgál a moderátor, az üzemanyagban felszabaduló hőt pedig a hűtőközeggel vezetik el és villamos energiává alakítják.

Az atomerőművek tervezésénél figyelembe kell venni a gazdaságosság, a viszonylag egyszerű konstrukció és a biztonság szempontját. Az egyes típusok így az üzemanyag tulajdonságaiban, a moderátor anyagban és a hűtés módjában különböznek egymástól.

A világon a legelterjedtebb az ún. nyomott vizes reaktor, amelynek moderátora és hűtőközege egyaránt a könnyű víz (H2O), amely nagy nyomás alatt még több száz fokon sem forr fel. Ez a legelterjedtebb reaktortípus: a világon jelenleg üzemelő atomreaktorok összteljesítményének mintegy 63,8 %-át adják. Ilyen a Pakson működő reaktor mindegyik blokkja.

Az erőművi reaktorok egy része nehézvizet (D2O) használ moderátornak és hűtőközegnek egyaránt. A nehézvíz igen drága, de ez a legjobb moderátor anyag, alig nyeli el a neutronokat, s így nem akadályozza a láncreakciót. Ezért itt az üzemanyag csak alig (1–2 %-ra) dúsított, vagy akár természetes urán is lehet. A nehézvizes reaktorok a világ mai atomerőmű-összteljesítményének 5,3 %-át adják, az építés alatt levőknek pedig 13,2 %-át, tehát erősen elterjedőben vannak.

Még számos más reaktortípus létezik, egyet azonban feltétlenül meg kell említeni, mert ez okozta a csernobili reaktorbalesetet. Az RBMK egyedi reaktor: moderátora grafit, hűtőközege elgőzölgő nagynyomású könnyűvíz. Az RBMK típus őse a világ legelső erőművi reaktora volt, amelynek első példánya 1954-ben Obnyinszkban állt üzembe. Ebből fejlesztették ki az 1986. április 26-án szerencsétlenül járt csernobili blokkot is. RBMK reaktorok ma már csak a volt Szovjetunió néhány utódállamában működnek. A típus részesedése a világ atomerőművi összkapacitásából 4 %. Előnye, hogy nagy teljesítményre képes, a biztonság szempontjából azonban sok kívánnivalót hagy maga után.

A biztonsági gátak és az emberi tényező

Az atomerőművek biztonságosságára a tervezők nagy figyelmet fordítanak. Egy működő reaktorban az üzemanyag-rudak jelentik a legnagyobb sugárveszélyt. Éppen ezért többszörös védelmi rendszert építenek ki, hogy normális működés közben a radioaktív hasadási termékek ne juthassanak ki a szabad levegőre. A hasadóanyag korróziónak ellenálló csövekben (fűtőelem burkolatban) helyezkedik el. A nyomott vizes reaktoroknál a primer hűtőkört vastag acélfal veszi körül. A hűtővíz maga is elnyeli a biológiailag olyan hatásos radioaktív izotópokat, mint a jód. A harmadik biztonsági gát pedig az acélból és betonból készült épület (containment).

A reaktorrendszerek állapotát bonyolult műszerek sokasága figyeli működés közben, készen arra, hogy abnormális körülmények között azonnal leállítsák a reaktort. A reaktormag hűtésének leállása esetén vészhűtő-rendszer lép működésbe, amely automatikusan bekapcsol a primer kör nyomásának csökkenése esetén. Abban az esetben, ha gőz jut a zárt reaktorépületbe, azonnal locsoló-berendezések indulnak be, amelyek hatására a gőz lecsapódik, és csökken a nyomás az épület belsejében.

A reaktorokkal kapcsolatban a fő baleseti ok az, hogy a fűtőelem megsérül, vagy a biztonsági berendezések felmondják a szolgálatot, és radioaktív anyag kerül ki a rendszerből. Ha a hűtőrendszer meghibásodik, akkor a reaktor magja be is olvadhat. Ekkor hasadási termékek juthatnak a hűtővízbe, onnan pedig csőtörés esetén a reaktor épületébe.

A világon működő több mint 400 atomerőmű között a paksi blokkok az üzembiztonság szempontjából a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség illetékes szervétől igen jó bizonyítványt kaptak.

Az atomreaktorok közel fél évszázados működése alatt három nagy reaktorbaleset történt. 1957-ben az északnyugat angliai Windscale erőműben, 1979-ben az Egyesült Államokban a Harrisburg melletti Three Mile Island atomerőműnél, valamint 1986-ban Ukrajnában a csernobili erőműnél. Csernobilban egy kísérlet miatt kikapcsolták az automatikus védőrendszer, nem véve tudomást arról, hogy a kezelőszemélyzet instabil működést jelzett a reaktorblokknál. Az első két esetben csak anyagi kár keletkezett, míg 1986-ban súlyos katasztrófa történt, amelyről részletesen beszámolt a média. Mindhárom esetben súlyos emberi mulasztás vagy gondatlanság okozta a balesetet.

Magyarországon sem nélkülözhetők az atomerőművek

Az országok fejlettségének egyik jellemzője a felhasznált energia mennyisége; ha úgy tetszik, ez is a civilizáltság mértéke. Minél fejlettebb egy társadalom, annál energiaigényesebb az ipara, annál több műszaki berendezést használ. Vannak szerencsés országok, amelyekben bőven található fosszilis energiaforrás, vízierő, szélerő vagy geotermikus energiaforrás. A kicsi, természetes energiaforrásokban szegény és főként a gyorsan fejlődő országoknak azonban jelenleg nincs más alternatívájuk, mint a nukleáris energia, annak számos előnyével és hátrányával együtt. Paks négy atomreaktora a magyar villamosenergia-termelés 42 %-át állítja elő, s ez azt mutatja, hogy Magyarország sem nélkülözheti a nukleáris energiát, hacsak nem sikerül azt más, biztonságosabb energiaforrással rövid határidőn belül kiváltani.

Hosszabb távon ilyen megoldást jelenthet a deutérium és trícium atommagok egyesítésén alapuló fúziós energiatermelés. Ebben minden radioaktív anyag az erőművön belül marad, és a leállítás után 30–40 évvel a berendezés anyagai újrafelhasználhatóvá válnak. Sajnos a szükséges magas (100 millió fok) hőmérséklet miatt a mai kísérletekben még csak a befektetett energiát tudják visszanyerni. Ha a jelenleg előkészítés alatt álló kísérletek sikerre vezetnek, akkor az első áramtermelő fúziós reaktor 2040 körül állhatna üzembe.

Készítette az M&H Communications szabad felhasználásra, a szerzői jogok korlátozása nélkül.

BENCZE GYULA fizikus

1936. május 2-án született Budapesten. Az ELTE TTK fizikus szakán szerzett oklevelet. 1975-ben lett a fizikai tudomány doktora.

Szakterülete a magreakciók elmélete és a sokrészecske szóráselmélet. Új egzakt integrálegyenleteket vezetett le az N-részecske tranzitoperátorokra minimális csatolás mellett (Bencze-egyenletek, 1973), valamint két amerikai munkatársával kidolgozta az azonos részecskék szórásának egzakt algebrai elméletét (1979–1982) mind a stacionárius, mind pedig az időfüggő formalizmus keretében.

Számtalan díj, kitüntetés tulajdonosa, neves külföldi egyetemek vendégprofesszora.

A maghasadásnál felszabaduló energia megoszlása 235U termikus neutronokkal történő hasadásakor

A hasadási termékek kinetikus energiája 168 MeV

Hasadási neutronok energiája 5 MeV

Prompt gamma-kvantumok energiája 7 MeV

Hasadási termékek béta részecskéinek energiája 8 MeV

Hasadási termékek gammasugárzásának energiája 7 MeV

Hasadási termékek által kibocsátott antineutrínók energiája 10 MeV

ÖSSZESEN 205 MeV

Adatok a világ nukleárisenergia-termeléséről

ORSZÁG REAKTOROK ÖSSZKAPACITÁS RÉSZESEDÉS A VILLAMOS-

SZÁMA MEGAWATT ENERGIA-TERMELÉSBŐL

Franciaország 57 60 313 76,4 %

Litvánia 2 2370 73,7 %

Belgium 7 5713 56,8 %

Szlovákia 6 2488 53,4 %

Ukrajna 13 4884 47,3 %

Bulgária 6 3538 45,0 %

Magyarország 4 1729 42,2 %

Dél-Korea 16 12 949 40,7 %

Svédország 11 9440 39,0 %

Svájc 5 3077 38,2 %

Japán 52 43 650 33,8 %

Örményország 1 376 33,0 %

Németország 19 21 107 30,6 %

Finnország 4 2656 32,1 %

Spanyolország 9 7289 27,6 %

Tajvan 6 4884 23,6 %

Egyesült Királyság 33 12 400 21,9 %

Csehország 4 1680 20,1 %

USA 103 10 799 572 19,8 %

Reaktorok száma földrészenként

FÖLDRÉSZ REAKTOROK SZÁMA

Európa 212

Ázsia 94

Észak-Amerika 119

Dél-Amerika 3

Afrika 1