Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2005/4. 153.o.

AZ ATOMMAGTÓL A KONNEKTORIG

Sükösd Csaba
BME Nukleáris Technika Tanszék

Az 1980-as években bukkant fel Németországban egy matrica: "Pokolba az erőművekkel, nálunk az áram a konnektorból jön!" Az ironikus szöveggel a matrica készítője az erőművek ellen tiltakozókat szerette volna gondolkodásra késztetni. Gyakran előfordul, hogy szinte magától értetődőnek veszünk olyan dolgokat, amelyek mögött a modern tudomány eredményei és hatalmas műszaki- technikai háttér áll. Ezek közé tartozik a villamos energia. Az idézett matrica egyik üzenete éppen az, hogy a villamos energia nem energiaforrás, hanem energiahordozó. Ahhoz, hogy "áram jöjjön a konnektorból", az energiát valamilyen primer energiaforrásból elő kell állítani, villamos energiává kell alakítani, ezután viszonylag egyszerű eszközökkel és kis veszteséggel továbbítani kell a felhasználás helyére.

Itt álljunk meg egy pillanatra! Elő kell állítani? De hiszen az iskolában tanultuk az energiamegmaradás tételét, és azt hogy örökmozgók - energiaforrás nélkül működő gépek - nem léteznek! És mi is az a fogalom, hogy "energiaforrás"? Van valami, ami csak úgy, magától energiát ad? A fizika arra tanít minket, hogy az energiát csak a különböző "formái" között lehet oda-vissza alakítgatni (mechanikai, potenciális, kémiai, belső energia, hő formájában közölt energia stb.). Amikor tehát energiaforrásként használunk egy anyagot, akkor abból a benne már valamilyen formában tárolt energiát ravasz trükkökkel más, általunk használható formára - például hővé, vagy villamos energiává - alakítjuk.

Fosszilis energia

Napjaink legfontosabb energiaforrásai közé tartozik a kőszén, a kőolaj és a földgáz, amelyeket közös néven fosszilis energiaforrásoknak hívunk. Ezek az anyagok sok millió évvel ezelőtt élt élőlényekből keletkeztek, amelyek a Nap energiáját használták fel testük felépítésére, miközben szén-dioxidból és vízből magasabb energiatartalmú szerves vegyületeket állítottak elő. Amikor tehát a szenet, földgázt, kőolajat (vagy annak származékait) elégetjük, tulajdonképpen azt az energiát nyerjük vissza, amelyet a Nap sugárzott le a Földre sok millió évvel ezelőtt.

1. ábra

A Föld a jelenlegi fosszilis tüzelőanyag-készletét százmillió évekig gyűjtögette. Ennek nagybani kitermelése és felhasználása a XIX. században kezdődött el. Ötszáz év múlva azonban már nem lesz ipari méretekben használható fosszilis tüzelőanyag, még a legoptimistább becslések szerint sem. Amit tehát a Föld százmillió évekig gyűjtögetett, azt a civilizáció milliószor gyorsabban, néhány száz év alatt elhasználja. Egy másik veszélyre is gondolnunk kell. A fosszilis tüzelőanyagok elégetésével nemcsak az energiát nyerjük vissza, hanem a millió évek alatt az atmoszférából kivont széndioxidot is szükségszerűen visszaeresztjük - ugyancsak milliószor gyorsabban - az atmoszférába. Ez jelentősen módosítja a légkör összetételét, és üvegházhatást okoz. A néhány száz év olyan rövid idő a Föld történetében, hogy ilyen gyors változáshoz a Föld érzékeny egyensúlyokon alapuló rendszerei nem tudnak alkalmazkodni, és ez klímakatasztrófához vezethet.

Atomenergia

A Föld anyaga négy és félmilliárd évvel ezelőtt szupernóva- robbanásban keletkezett. Ebben a hatalmas energiákat felszabadító csillagkatasztrófában olyan atommagok is létrejöttek, amelyekben a protonok és a neutronok magas energiaszintekre szorultak. Ezek között vannak olyanok is, amelyeket a magerők még éppen össze tudtak tartani, ezért évmilliárdok alatt sem bomlottak el. A Földön természetes állapotban található legnehezebb elem, az urán atommagjában van a legtöbb proton és a legtöbb neutron, ezért ott szorult a legtöbb részecske magas energiaszintre. Az atomreaktorokban ezeket a nagy atommagokat hasítjuk szét kisebb részekre. A maghasadás után létrejött kisebb atommagokban a protonok és a neutronok alacsonyabb energiájú állapotba kerülnek, és így az uránatommagba szorult csillagenergia egy részét visszanyerjük. Amikor tehát az uránt használjuk energiaforrásként, tulajdonképpen a Föld anyagát létrehozó szupernóva-robbanás energiamorzsáit hasznosítjuk.

Maghasadás és sűrű energia

Az atomreaktorban az energiatermelés alapfolyamata a maghasadás. Ennek során két kisebb atommag és néhány szabad neutron is keletkezik, valamint sok energia szabadul fel.

Egyetlen ilyen folyamat sokmilliószor annyi energiát ad, mint egyetlen szénatom "elégetése". Ez azt jelenti, hogy ugyanannyi energia megtermeléséhez sokmilliószor kevesebb uránra van szükség, mint szénre. Azaz néhány gramm uránból elő tudjuk állítani azt az energiát, amelyhez egyébként több tonna szén (kőolaj, földgáz) elégetésére lenne szükség (1. ábra ). Ezen túlmenően, az urán hasadásakor nem keletkezik üvegházhatást okozó szén-dioxid sem.

A kis üzemanyag-szükséglet miatt az atomenergia olcsó, hiszen ugyanannyi energia megtermeléséhez sokkal kisebb mennyiségű anyagot kell bányászni, feldolgozni, szállítani, mint a fosszilis erőművekben. Könnyen lehet sok évre szóló üzemanyag-tartalékot is felhalmozni és tárolni, hiszen nem foglal nagy helyet. Ez az energiaellátás hosszú idejű (és a mindennapi piaci áringadozásoktól és politikai viharoktól független) biztonságát teremti meg egy országnak.

Az urán azonban magától nem hasad szét, ehhez külső hatásra van szükség. E célra leginkább a neutronok felelnek meg. A neutron elektromosan semleges, ezért könnyen az atommag közelébe tud férkőzni, nem taszítja el az atommagok nagy pozitív elektromos töltése. Az atommag közelében "ácsorgó" neutront a mag véletlenszerűen befoghatja, és az erős magerők a maghoz köthetik. Minél tovább tartózkodik egy neutron a mag közelében, annál nagyobb a valószínűsége annak, hogy ez a befogódás megtörténik. Ezért a "lassú" neutronok sokkal jobbak ilyen célra, mint a nagy energiájú, gyors neutronok.

A neutron kötési energiája miatt a neutron befogása után létrejött atommag magasabb energiájú, "gerjesztett" állapotban keletkezik. Az 235U atommagnál (amely a természetben található uránnak mindössze 0,71%-a) ez a többletenergia éppen elegendő arra, hogy a maghasadás folyamatát elindítsa (2. ábra). A természetes urán legnagyobb részét kitevő 238U nem tud elhasadni a neutron befogása után, ezért egyes erőművek üzemanyagában a 235U részarányát 3-5%-ra felnövelik, az üzemanyagot "dúsítják".

Láncreakció

A maghasadást neutron indítja el, és a folyamatban átlagosan kettőnél valamivel több neutron is keletkezik (2. ábra). Ha minden maghasadás után pontosan két neutron okoz újabb maghasadást, akkor egyetlen neutronból az első "generációban" két maghasadás, a másodikban négy, a harmadikban nyolc stb. jönne létre.

2. ábra

Tíz generáció után 210 ~1000-szeresre nőne a neutronok száma - és ezzel a felszabaduló energia mennyisége is. Húsz generáció után pedig már milliószoros lenne a folyamat által felszabadított energia. Könnyen belátható, hogy ilyen módon igen rövid idő alatt el lehet érni a makroszkopikus mennyiségű energia felszabadításához szükséges számú maghasadást. A neutronok ilyen módon történő sokszorozódását neutronos láncreakciónak nevezzük. Ennek ötletét Szilárd Leó szabadalmaztatta 1934-ben.

A moderátor mint a láncreakció katalizátora

A nagy energiafelszabadulással járó maghasadásban a keletkező neutronok is nagy energiát kapnak. A maghasadást azonban - mint láttuk - nagy valószínűséggel csak a lassú neutronok tudják létrehozni. A keletkezett neutronokat le kell tehát lassítani, és erre a könnyű atommagokkal való ütköztetés ad lehetőséget. Ilyen célra olyan anyagok megfelelők, amelyek nem nyelik el a neutronokat, de atommagjainak a neutronok nagy energiát tudnak átadni ütközéskor. Az ilyen anyagokat moderátornak hívják. A víz a legolcsóbb ilyen anyag, amely nagy protontartalma miatt jó neutronlassító. Sajnos a víz protonjai nemcsak lassítják a neutronokat, hanem el is nyelnek belőlük (deutérium keletkezik), ezért normál (könnyű) víz moderátorral működő atomerőműveknél (ilyen a Paksi Atomerőmű is) az üzemanyagot dúsítani kell. Sokkal jobb (de sokkal drágább) moderátor a nehézvíz, és a nagy tisztaságú grafit. Grafittal vagy nehézvízzel moderált erőművekben már dúsításra sincs szükség, természetes összetételű urán is használható.

Grafittal lassították a neutronokat a történelem első atommáglyájánál Chicagóban 1942-ben, de ilyenek még napjainkban is működnek néhány helyen (ilyen volt pl. a csernobili atomerőmű reaktora is). Nehézvízzel lassítják a neutronokat közelünkben, a romániai Cernavodában működő CANDU (CANadian Deuterium Uran) típusú reaktorok.

3. ábra

Fontos megérteni, hogy a moderátor jelenléte segíti a láncreakciót, ahogyan egy katalizátor is segít egy kémiai reakciót. Emiatt a moderátornak fontos biztonsági szerepe is van. Ha reaktorunk teljesítménye nő, növekszik a hőmérséklet, a moderátor hőmérséklete is nő, a hőmozgás miatt egyre gyorsabban mozgó moderátor-atommagokkal ütköző neutronok nem tudnak annyira lefékeződni. A gyorsabb neutronok viszont rövidebb ideig tartózkodnak az atommagok közelében, ezért kisebb valószínűséggel hoznak létre maghasadást. Ez negatív "visszacsatolást" jelent: a hőmérséklet növekedése fékezi a láncreakciót. Ha pedig a moderátor olyan, hogy még el is tud forrni (pl. víz vagy nehézvíz), akkor a forráspont fölött megszűnik a neutronok lefékezése, és a láncreakció magától leáll, hiszen gyors neutronokkal nem működik. Ez a vízzel (vagy nehézvízzel) moderált atomreaktorokat különösen biztonságossá teszi. A grafit moderátorú reaktoroknál ez a hatás nem érvényesül (hiszen ott a grafit nem "forr el", hanem magas hőmérsékletekig ott marad); ezek kevésbé biztonságosak.

Radioaktivitás az atomreaktorokban

A maghasadás során keletkezett kisebb atommag-töredékek (hasadványok és hasadási termékek) erősen radioaktívak, ezért az atomreaktor belsejében üzem közben radioaktivitás halmozódik fel. Az atomreaktorok legnagyobb veszélye az, hogy ezek a radioaktív anyagok kiszabadulnak, a környezetbe kerülnek, és ott az élővilágot károsítják. Ennek elkerülésére az atomerőművekbe többszörös védelmet építenek.

Az üzemanyagot olyan pasztillákba sajtolják, amelyek a keletkezett hasadási termékek legnagyobb részét megkötik, nem engedik szétterjedni. Következő védelemként a pasztillákat magas olvadáspontú, légmentesen lehegesztett csövekbe zárják. Ami a pasztillákból mégis kijön, azt ezek a burkolatok fogva tarják. Az üzemanyagpálcákat a zárt primerkörben keringő hűtőközeg (pl. víz) hűti, amely még mindig nem érintkezik a környezettel, ezért a pálcák esetlegesen megsérült burkolatán átszivárgó radioaktivitás a primerkörből már nem juthat tovább.

Ha a primerkör vastag acél csővezetéke is megsérülne és a primerköri víz kiömlene, a radioaktivitást az egész rendszert körülfogó vastag, hermetikusan lezárt, betonból és acélból készült építmény tartja vissza. Az újabb atomerőművekben ezt a - konténmentnek nevezett - burkolatot úgy méretezik, hogy még egy vadászrepülőgép becsapódásának is ellent tudjon állni.

A vízzel moderált atomerőművek legnagyobb balesete 1979-ben Harrisburg (USA) mellett következett be (TMI-2). Nem véletlen, hogy ennél a balesetnél sem került ki a környezetbe a lakosságra veszélyes mennyiségű radioaktivitás, pedig - operátori hibák miatt - az aktív zóna összeolvadt, és a reaktor végérvényesen károsodott. A csernobili balesetet külön kell kezelnünk, hiszen egyrészt nem vízzel moderált atomerőműben következett be (tehát a fentebb említett okok miatt a biztonsági szintje alacsonyabb), másrészt pedig az aktív zóna körül nem volt konténment, ami megvédte volna a környezetet. Az ilyen reaktorok veszélyeire a Teller Ede által vezetett amerikai reaktorbiztonsági bizottság már az 1950- es évek közepén felhívta a figyelmet, és ezért nyugaton fokozatosan leállították a grafittal moderált, vízzel hűtött reaktorokat. Ma már csak a volt Szovjetunió területén működik még néhány, de ezek leállítását is tervbe vették.

Atomenergiától a villamos energiáig

A láncreakcióban felszabaduló energia legnagyobb része a keletkezett hasadványok mozgási energiájának formájában jelenik meg. Ezek még az üzemanyagban lefékeződnek, és az üzemanyagot melegítik. Az üzemanyagpálcákat a primerkörben keringő hűtőközeg hűti, és viszi tovább hő formájában az ott felszabadult energiát (3. ábra).

Ezzel a hővel a gőzfejlesztőben vizet forralunk, és ez a "szekunderköri" gőz forgatja meg a gőzturbinákat, ahol az energia egy része mechanikai mozgássá - a turbina forgásává - alakul. A turbinák generátorokat hajtanak, amelyek a mozgási energiát tovább alakítják villamos energiává. A villamos energiává nem alakítható "hulladék" hőt a tercier hűtőkör viszi el és adja le a környezetnek (ennek egy részét esetleg hő formájában tovább lehet hasznosítani, pl. lakótelepek fűtésére).

Kockázatok

Minden emberi tevékenység - így a villamosenergia-termelés is - kockázattal jár. Évente sok százan halnak meg a világon szénbányákban bekövetkező balesetek miatt. A kőolajat szállító tankhajók baleseteinél a tengerbe ömlő hatalmas mennyiségű olaj helyrehozhatatlan környezeti károkat okoz. Senki sem mérte még fel, hogy évente hány áldozatot szednek a gázrobbanások. Az évente millió tonnaszámra az atmoszférába bocsátott szén-dioxid a Föld légkörének egyensúlyát fenyegeti.

Az atomenergia - felelősséggel és szakértelemmel üzemeltetve - megbízható, biztonságos, olcsó és környezetbarát energiaforrás. Az atomenergián alapuló villamosenergia- termelés kockázata jelenleg kisebb, mint a fent említett kockázatok. Üzemzavarok, balesetek természetesen minden tevékenység közben előfordulhatnak, ezeket az atomenergia- termelésből sem lehet teljesen kizárni. Hatásaikat azonban gondos tervezéssel és megfelelő biztonsági kultúrával alacsony szintre lehet szorítani. Az autóközlekedésnek, a repülésnek is vannak kockázatai, az emberiség mégsem mond le ezekről a hasznos tevékenységekről, hanem megpróbálja őket biztonságosabbá tenni. Miért éppen az atomenergiával kellene másképpen cselekedni?