Nuklearna energija

Nedugo posle otkrića prirodnih radioaktivnih elemenata: urana, polonijuma i torijuma fizičari su okrili još jednu tajnu koju je sakrivalo jezgro, a ta tajna omogućila je nastanak jednog novog sveta, omogućila je čovečanstvu da zagospodari ogromnom energijom, energijom koja je dovela do velikog napretka, ali ta ista tajna, na žalost, omogućila je i stvaranje najopasnijeg oružja na planeti.

Godine 1919. jedan fizičar sa Novog Zelanda, Ernest Raderford uspeo je da ostvari viševekovne snove alhemičara o prevođenju jednog hemijskog elementa u drugi. Raderford je bombardovao atome azota brzim alfa-česticama (koje je dobijao kao proizvod prirodnog radioaktivnog raspada). Pri sudaru atoma azota i alfa-čestica odigravale su se neke, do tada nepoznate promene. Bila je to prva nuklearna reakcija ikada dobijena. Nuklearne reakcije su slične hemijskim reakcijama, sa tom razlikom što u njima dolazi do promena u atomskim jezgarima. Već pomenuta, istorijski prva, nuklearna reakcija može se zapisati kao:

₂α⁴ + ₇N¹⁴ –> ₈O¹⁷ + ₁p¹

U ovoj reakciji jezgro azota pogođeno alfa-česticom prelazi u jezgro kiseonika i pri tome nastaje jedan slobodni proton. Osim istorijskog značaja kao prva nuklearna reakcija ova reakcija je bila potvrda postojanja protona. Po mnogim osobinama nuklearne reakcije nalikuju hemijskim reakcijama, ali one nemaju baš mnogo toga zajedničkog u načinu na koji se odigravaju. Kod hemijskih reakcija promene koje nastaju odigravaju se na nivou atoma, i ostvaruju se preraspodelom elektrona između učesnika u reakciji. Kod nuklearnih reakcija elektroni u atomima ne igraju nikakvu ulogu već ulogu “posrednika” preuzimaju protoni i neutroni. Slično hemijskim reakcijama i nuklearne mogu da budu egzotermne (oslobađaju energiju) i endotermne (vezuju energiju), ali za razliku od hemijskih, energija koja se oslobađa (vezuje) kod nuklearnih reakcija je veća za nekoliko redova veličine. Na primer, energija koja se oslobađa prilikom transformacije atoma jednog grama radijuma u olovo jednaka je energiji koja se dobija pri sagorevanju pola tone kamenog uglja. Jedini prepreka u korišćenju ove energije bila je činjenica da se ova reakcija odigrava vrlo sporo pa je snaga bila neznatna[1].

Fizičari su to rano shvatili. Bio je ovo još jedan niz otkrića sa početka XX veka koji je šokirao naučnike. Alfa-čestice profesora Raderforda uzdrmale su ne samo atome azota već i sigurnost ljudi i otvorile put davno zaboravljenim strahovima o propasti sveta. Ipak, i ako su znali moć koju poseduje jezgro atoma tada još niko nije očekivao neke praktične posledice od ovih otkrića. Sam Raderford je, do smrti 1937. godine, bio ubeđen da svet nikada neće doživeti da iskoristi energiju koja se nalazi u atomima. Valter Nernst, fizičar i nobelovac, napisao je 1921. godine: “Mi živimo, tako reći, na ostrvu baruta za koje mi, hvala bogu, još nismo našli upaljač”.

Nisu baš svi mislili kao Valter Nernst već su želeli da pronađu taj “upaljač”, a to se ubrzo i desilo. Iskustva u proučavanju nuklearnih reakcija ukazivala su na to da se za dobijanje energije mogu koristiti samo reakcije koje se odigravaju relativno brzo i koje jednom započete produžavaju da se odvijaju spontano (slično kao proces sagorevanja – kada se nešto jednom zapali teško ga je posle toga ugasiti). Realne mogućnosti za iskorišćenje energije nuklearnih reakcija pojavile su se posle otkrića jedne posebne vrste reakcija – nuklearne fisije[2].

Fisija je reakcija u kojoj dolazi do cepanja (deobe) jezgra atoma teških elemenata na dva, ređe tri, nova jezgra, pri čemu se emituju dva ili tri neutrona i gama-zraci. Do deobe jezgra najčešće dolazi zbog sudara sa neutronima, a nekada i do spontane fisije. Redni brojevi novonastalih elemenata pripadaju sredini periodnog sistema, a njihove mase stoje u odnosu 2:3. Prilikom fisije jednog jezgra urana oslobađa se relativno velika količina energije (oko 220 MeV), ali to je ipak mala energija da bi imala praktičnu primenu. Za praktično korišćenje potrebne su mnogo veće vrednosti energije. Ta energija može se dobiti ako u fisionom procesu istovremeno ili u kratkom intervalu vremena učestvuje veliki broj uranovih jezgara. Upravo u toj činjenici leži prednost fisije u odnosu na druge nuklearne reakcije.

Rečeno je da su najčešći pokretači fisije sudari sa neutronima, dok kao proizvodi fisije takođe nastaju dva ili više neutrona. Upravo ti novonastali neutroni igraju veliku ulogu za održavanje, intenzitet, kontrolu i iskorišćenje procesa fisije. Ti novonastali neutroni nastavljaju da interaguju sa okolnim jezgrima fisibilnih atoma i dovode do fisije drugih jezgara i tako povećavaju količinu dobijene energije. Ovakav proces fisije atomskih jezgara naziva se lančana reakcija. U procesu nuklearne lančane reakcije, zbog ogromnog broja fisionih procesa, oslobađa se, uglavnom kao toplota, ogromna količina energije. Na primer, pri deobi svih jezgara koje sadrži jedan gram urana oslobodi se energija ekvivalentna onoj koja nastaje pri sagorevanju 5 tona uglja ili 3.000 litara nafte.

Kao i mnogo toga u istoriji tako je i nuklearna lančana reakcija prvi put upotrebljena za dobijanje oružja, ovog puta nuklearnog, u II svetskom ratu. Tek 1950. godine u Ženevi održana je prva međunarodna konferencija za korišćenje nuklearne energije u mirnodopske svrhe. Razvoj tehnologije za iskorišćenje nuklearne energije tekao je prilično brzo. Već 1954. godine u Obninsku, tadašnjem SSSR-u, proradila je prva nuklearna centrala za dobijanje električne energije. Osnovni element u svakoj nuklearnoj centrali je reaktor, uređaj u kome se ostvaruje proces kontrolisane nuklearne lančane reakcije. Kao gorivo za nuklearne reaktore koriste se uran, plutonijum i torijum. Nuklearna centrala radi na sličnom principu kao i termoelektrana, ali se u ovom slučaju, umesto ogromnih peći za dobijanje toplote iz fosilnih goriva, koriste nuklearni reaktor i nuklearno gorivo.Tako dobijenu energiju nazivamo nuklearnom energijom. Deo energije, toplote, koji se oslobodi u procesu lančane reakcije odvodi se iz reaktora i koristi za pokretanje parnih turbina (skoro istih turbina kao i kod termoelektrana).

Osnovni elementi svakog reaktora su: nuklearno gorivo, moderator, upravljačke šipke, reflektor neutrona, sistem za hlađenje i zaštitni sistem.

Da bi reaktor radio količina nuklearnog goriva mora da bude veća od neke kritične vrednosti koja omogućava održavanje lančane reakcije. Zbog toga nuklearno gorivo u toku rada ne sagoreva do kraja i relativno često ga treba menjati. Ako bi bilo kakva dalja upotreba ovog goriva bila nemoguća, to bi predstavljalo nepremostiv problem za ekonomičnu upotrebu reaktora. Zamislite, na primer, da svaki put kada odete na pumpu da napunite rezervoar morate da bacite polovinu benzina iz vašeg rezervoara u automobilu, i još to da bačeno gorivo morate da uskladištite na specijalan način da bi bilo bezbedno za okolinu! Ovo bi sigurno bilo neisplativo i retko ko bi vozio kola. Istrošeno nuklearno gorivo se specijalnim postupkom prerađuje i velikim delom može opet da se koristi u reaktorima. Na žalost, ova prerada ne rešava problem u potpunosti, jer po ekstrakciji ”gorivog materijala” preostaje nuklearni otpad ogromne radioaktivnosti. To je još uvek najveći nedostatak primene nuklearne energije, jer je problem skladištenja nuklearnog otpada veoma teško rešiti.

Neutroni koji nastaju u procesu fisije imaju velike energije, tj. kreću se velikom brzinom. Ti brzi neutroni ne mogu da obezbede dalje odvijanje lančane reakcije. Uloga moderatora je upravo u tome da uspori ove neutrone do odgovarajućih brzina, kako bi oni nastavili održanje lančane reakcije. Kao moderator najčešće se koriste deuterijum (teška voda) ili vodonik (obična voda), kao i grafit. Zajednička osobina ovih moderatora je da imaju laka atomska jezgra koja malo apsorbuju neutrone. Dok se kreću kroz moderator neutroni se sudaraju sa jezgrima atoma moderatora i u svakom od ovih sudara neutroni predaju deo svoje energije tim jezgrima. Energija koju neutron predaje jezgru obrnuto je proporcionalna masi jezgra, tj. što je jezgro lakše neutron mu predaje više energije. Posle većeg broja ovakvih sudara brzina neutrona se dovoljno smanji, te oni mogu da dovedu do fisije novih jezgara u nuklearnom gorivu. U reaktore se često dodaju i reflektori neutrona koji ima ulogu da reflektuje neutrone koji su napustili aktivnu zoni i tamo ih ponovo vrati da daju nov doprinos odigravanju fisije.

Intenzitet fisije može se kontrolisati pomoću upravljačkih šipki. One se prave od materijala koji imaju veliki apsorpcionu moć za neutrone (bor, kadmijum) i po potrebi se mogu spuštati ili podizati iz aktivne zone.

Tokom rada reaktora oslobađa se ogromna količina toplote, pa se reaktorski gorivni elementi i druge komponente reaktora moraju da hlade. Hlađenje može biti regulisano na različite načine, ali najčešće se koriste obična ili teška voda. One protiču kroz jezgro reaktora, održavaju u njemu dozvoljenu temperaturu “odnoseći” toplotu. Ona se u nuklearnim centralama koristi za stvaranje vodene pare potrebne za rad parnih turbina koje služe za dobijanje električne energije.

Tokom rada reaktora dolazi do velike emisije beta i gama-zraka. Ovi zraci nastaju kao posledica reakcije fisije, tj. nastanka radioaktivnih fisionih produkata. Kao zaštita od radioaktivnosti koristi se specijalna vrsta betona ili zaštitni sloj vode. Ovaj zaštitni sloj mora biti konstruisan tako da spreči prodor zračenje izvan reaktora i tako obezbedi siguran boravak ljudi u njegovoj okolini.

Za pola veka, koliko je proteklo od puštanja u rad prve nuklearne elektrane, nuklearna tehnologija je značajno napredovala. Snaga te prve elektrane bila je samo 500 kW, a današnje nuklearne elektrane imaju hiljadostruko veće snage i igraju važnu ulogu u proizvodnji električne energije: 18% ukupne proizvedene električne energije na Zemlji nastaje u nuklearnim centralama (najviše u Francuskoj 78%, zatim Belgiji 60% itd)[3].

Od vremena kada je otkrivena, nuklearna energija je pokazala da je mnogo bolji sluga nego vatra, ali je zato i mnogo opasniji gospodar. Gotovo je nemoguće zamisliti savremeni svet bez nuklearne energije, ali je više puta upravo ta energija dovela do katastrofa ogromnih razmera, nekada smereno, nekada slučajno. Čovečanstvo nikada neće zaboraviti posledice nuklearnih bombi bačenih u Drugom svetskom ratu na Hirošimu i Nagasaki 1945. godine, kao ni havariju nuklearne elektrane u Černobilju, Ukrajina, aprila 1986. godine. Nuklearna energija je, najverovatnije, jedan od sigurnih izvora energije u budućnosti. Njena upotreba nosi i veliki rizik, kao i veliku opasnost od zloupotrebe. Da nam kojim slučajem atomsko jezgro nije otkrilo svoju tajnu, sigurno bismo živeli u potpuno drugačijem svetu. Da li bi taj svet bio bolji ili lošiji nikada nećemo saznati, jedino što nam preostaje je da tajne atomskih jezgra koje smo otkrili upotrebimo na najbolji mogući način.

[1] Snaga je definisana kao izvršen rad (energija) u jedinici vremena.

[2] Osim fisije postoji još jedan specijalni tip nuklearnih reakcija – fuzija, process spajanja lakih jezara u teža. Ovaj process je odgovoran za nastajanje energije u zvezdama i proizvodi znatno više energije od fisije, ali za sada je dan kada će ta energija moći praktično da se upotrebi još daleko.

[3] Energy Studies Yearbook: 1993 (New York: United Nations, 1995),