Először is ejtsünk szót egy napjainkban működő atomerőmű általános működési elvéről röviden.
Az atomerőmű általános felépítése
Az atomerőművekben az atommag hasadása során létrejött nukleáris energia először hővé, majd villamosenergiává alakul. A hőenergia először felmelegíti a hűtőközeget, ami gőzt termel. A gőz meghajtja a turbinát, ami a generátort hajtja meg, a generátor pedig az elektromágneses indukció elvén működve villamos energiát kezd termelni, amit nagy feszültségű hálózaton keresztül juttatnak el városokba a fogyasztókhoz.
A turbina által elhasznált gőzt kondenzátorban hűtik vissza cseppfolyóssá, így újrafelhasználható. Számos biztonsági rendszerrel van ellátva (az emberi protokollon felül): vészleállító rendszer (SCRAM, lentebb erről olvashatsz), vészhelyzeti hűtés, védelmi/légzáró burkolat (containment). Üzemanyag tároló a kiégett és új üzemanyag tárolására és persze, a vezérlőterem is az erőmű része.
A reaktorban történik a maghasadás, itt található a hűtőközeg (víz vagy nátrium vagy hélium), a moderátor és a vezérlő rudak.
Az atomreaktorokban az atommag hasadásakor létrejövő láncreakciót szabályozzák, így kontrollált, egyenletes az energiafelszabadulás.
A moderátor olyan anyag, ami lelassítja a neutronokat, ezáltal hatékonyabban lehet fentartani a maghasadást. Több dologtól is függ, hogy mit használnak moderátorként. Ezek az anyagok lehetnek: víz (könnyű, nehéz), grafit (minél tisztább), berillium, szerves folyadékok.
A vezérlőrudak a láncreakció sebességét, avagy a reaktor termelési teljesítményét befolyásolják. Ezek formára lehetnek rudak, lapok, csövek, amik olyan anyagokat tartalmaznak, amelyek bomlás nélkül képesek elnyelni a neutronokat, amivel az atommagot bombázzák ezzel a hasadásra késztetve azt. Ezek az anyagok lehetnek például: bór, kadmium, ezüst, hafnium, indium. A vezérlőrudakat vészhelyzet esetén a reaktormagba engedik, leállítva a láncreakciót.
A hűtőrendszer két részből áll: az elsődleges hűtőrendszeren áramlik át a felforrósodott hűtőközeg a magból és a másodlagos hűtőrendszert is felmelegíti, ami általában víz. A másodlagos hűtőrendszerben keletkezik a gőz.
De, honnan is jutottunk idáig?
Fisszió, az atommaghasadás
1939 – ben fedezte fel Hahn, Strassman és Meitner, hogy neutron sugárzás hatására atommaghasadás történik. Az uránatom magja két közepes méretű magra esik szét. Az volt a feltevésük, hogy elméletileg minden egyes atommag hasadhat, gyakorlatban azonban csak uránizotópnál és plutóniumizotópnál jön létre hasadás. Ezen két anyag izotópjainak hasadásakor több energia szabadul fel, mint amennyi a hasításhoz szükséges. A hasadás létrejöttekor egyfajta láncreakció indul be: a hasadás újabb hasadáshoz vezet.
Az uránról és izotópjairól ITT olvashatsz bővebben, a plutóniumról pedig ITT.
Az Urán Bizottság létrejötte, Manhattan terv
Szilárd Leó (Budapest, 1898. február 11. – Kalifornia, 1964. május 30.) fejéből pattant ki a majdani atomba működésének láncreakciós elve a neutronok által. 1934 – ben és 1936 – ban nyújtott be szabadalmakat ezzel kapcsoltan. A sikeres atomhasításról szóló publikációt követően, ő tett javaslatot arra, hogy tudóstársai ne publikáljanak kutatási eredményeket, ezzel akadályozván a német tudósok közelebb kerülését egy atombomba megépítéséhez. Ezzel egyetemben született meg az úgynevezett Einstein – Szilárd levél, amelyet néhány európai tudós és kutató nevében Albert Einstein (Ulm, 1879. március 14. – Princeton, 1955. április 18.) elméleti fizikus írt meg Franklin D. Roosewelt (New York, 1882. január 30. – Warm Springs, 1945. április 12.) akkor amerikai elnöknek, melyben felhívják a figyelmet többek közt arra, hogy a németek nukleáris energia kutatásaik egy atomba előállításához vezethetnek.
A levél megírása után, hivatalosan szeptember elsején, kitört a II. Világháború, így a levél csak a keltezés évének októberében jutott Roosevelt – hez. A háború és a levél tartalmának hatására jött létre az Uránium Bizottság, aminek tagjai között volt többek közt Szilárd Leó, Teller Ede, Wigner Jenő és Enrico Fermi, a kutatások vezetője. Később, 1942 – ben a MANHATTAN TERV is megszületett, melyet Amerika Nagy – Britanniával és Kanadával együtt indított különböző helyszíneken. A feladat az volt, hogy a németek előtt hozzák létre az első atombombát, hogy azt bevethessék ellenük, véget vetve a háborúnak és ne utolsó sorban politikailag biztosítsák nagyhatalmukat például a Szovjetunióval szemben is.
Ennek keretében épült meg Chicago – ban az első atomreaktor 1942. decemberében.
A Világ Első Atomreaktora – CP – 1
A világ első atomreaktora 1942. december 1 – én épült meg Amerikában, Chicago – ban, az egyetem teniszpályájának lelátója alatti pincében, Chicago Pile – 1 néven.
Ez igazából egy 20 méter magas „atommáglya” volt, nulla hűtéssel, sugárzás elleni védőpajzs nélkül. Természetes uránnal működött és plutónium gyártáshoz tervezték az atombombákhoz. Mert míg egy atombombához legalább 25 kg urán szükséges, addig a plutóniumból elegendő csupán 8 kg. Plutónium pedig mesterségesen hozható létre az urán 238 – as izotópjának deuteronnal való bombázása során (amiből az instabil neptúnium lesz, ennek bomlása eredményeként pedig plutónium).
Szilárd Leó (Budapest, 1898. február 11. – Kalifornia, 1964. május 30.) magyar/amerikai fizikus és Enrico Fermi (Róma, 1901. szeptember 29. – Chicago, 1954. november 28.) olasz fizikus volt a felelős a láncreakció szabályozásáért. A teljes projekt vezetője maga Fermi volt.
A reaktor építéséhez közel 360 tonna grafittömböt helyeztek szorosan egymásra, amik közé körülbelül 45 tonna urán – oxidot helyeztek por formájában. Fém formájában téglaként összesen 6 tonna uránt használtak fel. A szerkezetet fakerettel erősítették meg. Különböző részein és tetejénél pedig kadmium rudakat helyeztek el, amik ekkor még csupán manuálisan voltak mozgathatóak. További óvintézkedés gyanánt a szerkezet tetején bóros vízzel teli vödrökkel álltak néhányan, hogy ha szükséges a szerkezetbe borítsák az anyagot, csökkentve a maghasadás mértékét.
A különböző részeken elhelyezett kadmium rudak kihúzásával kezdték szabályozni Fermi utasítására a maghasadás mértékét.
1942. december 2 – án 15 óra 25 perckor irányított láncreakciót sikerült elérni, amit majd’ fél óra után Fermi leállított.
A kísérlet sikerült, egyenes út vezetett a Trinty – teszthez, majd a Hiroshimára és Nagasakira ledobott atombombák létrehozásához.
A szerkezet teteje fölé kikötött kadmium rúd és egy baltás ember volt ekkoriban a „biztonsági rendszer” a bórvizes „vödrösök” mellett. Amennyiben a folyamat irányíthatatlanná vált volna, a baltás ember elvágja a kadmiumot tartó kötelet, ami a reaktorba esik, leállítva a folyamatot. Ennek a folyamatnak a neve SCRAM, azaz Safety Control Reserve Axed Man (Biztonsági Baltás Ember).
A napjainkban működő reaktorok biztonsági rendszerét mai napig SCRAM – nek hívják.
A siker ellenére egyébként 1943 februárjában a túl erős radioaktív sugárzás miatt le kellett állítani. Szétszerelése után Chicago Pile – 2 néven rakták újra össze, és hozták ismét üzembe védőpajzzsal ellátva, Chicago mellett.
Összesen 49 – en voltak jelen a CP – 1 kísérletén. ITT megtekintheted kik voltak ezek.
A CP – 1 helyén ma már egy plakett és egy „Nukleáris energia” bronzszobor is áll, ezzel jelezve: a történelmünk folyamán itt kezdődött el az atomenergia ellenőrzött felhasználása. Ez volt az első generációs atomreaktor.
Érdekességképpen: a második reaktor a X-10 Graphite Reactor volt Amerikában, Tenessiben. A 2 atombomba ledobása után 1945 – ig plutóniumgyártó üzemként működött, később tudományos, orvosi, ipari és mezőgazdasági célra használt izotópok gyártására álltak át. 1963 – ban bezárták, ebből nőtte ki magát a világ egyik vezető kutatóintézete, az Oak Ridge National Laboratory.
Fejlesztések
A generációk közti különbséget alapjában a fejlesztések adják. A minél hatékonyabb, biztonságosabb működés a cél.
Az első generációs reaktorok nagyjából 1970 – el bezárólag épültek és természetes urán volt az üzemanyaguk, grafit a moderátoruk. Ezek zömében kísérleti reaktorok voltak. Ma már egy ilyen sem működik. A második generációs reaktorok már alkalmasak voltak nagyobb kereskedelmi célra való termelésre. Tervezésük standarddá vált, így biztonságosabb és költséghatékonyabbak voltak. A legtöbb ezen generációs reaktor könnyű vizet használt hűtőközegként és moderátorként is. Ezek közül a reaktorok közül még számos ma is üzemel világszerte. A harmadik generációs reaktortorok még környezetbarátabbak, biztonságosabbak, hatékonyabbak elődjeiknél, ám még költségesebbek és hosszabb az építési idejük az engedélyeztetések, még szigorúbb biztonsági előírások és új technológiák miatt.
A negyedik generációs atomreaktorok, a jövő erőművei teljes egészében még gyerekcipőben járnak. Céljuk egy rugalmasabb üzemmód elérése, hulladékmentesség, még nagyobb biztonság.
Egy ilyen reaktort kezdtek építeni 2021. júniusában Szibériában. A tervek szerint 2026 – re lesz üzemképes. A Roszatom által a BRESZT – OD – 300 gyorsneutronos, ólomhűtéses reaktor, ami képes önmagát ellátni üzemanyaggal. ITT olvashatsz róla bővebben.
Néhány baleset
A legtöbb atomerőművi baleset emberi hibára vezethető vissza: konstrukciós, kezelési, képzési hibák.
A legismertebb a csernobili baleset volt 1986. áprilisában, ám az első ismert baleset 1957 – ben a Windscale grafit moderátoros erőmű balesete volt. Ehhez ismernünk kell a következőt:
A Wigner – effektus: atomi szintű torzulás, ami akkor következik be szilárd anyagok esetében – mint például a grafit – amikor a neutronbesugárzás hatására megváltoztatják belső szerkezetüket. Romlik a hővezetés, csökken a rugalmasság, növekedik a térfogat.
A grafitmoderátorban felhalmozódott Wigner – effektus volt ez egyik kiváltója a balesetnek. El akarták távolítani a felhalmozódott energiát, így felhevítették a grafitot, ám ez túl gyorsan történt és a grafit meggyulladt. A tűz miatt nagy mennyiségű radioaktív anyag került a levegőbe.
Ez megtörtént Csernobilnál is. Egy kísérlet miatt csökkentették a reaktor teljesítményét, azonban eleve biztonsági hiányosságokkal működött az erőmű, mint például a hiányzó védőburkolat, ami a radioaktív anyagok szétszóródását akadályozná meg. A teljesítménycsökkenés miatt instabillá vált a reaktor, leállt a hűtőrendszere, felhevült a grafitmoderátor és meggyulladt. Ez és a biztonsági előírások figyelmen kívül hagyása miatt robbant fel az erőmű reaktora.
Csernobil előtt azonban a Majak atomipari létesítményben történtek sorozatos katasztrófák kezdve az 1957 – es radioaktív hulladékot tároló tartály felrobbanásával. Emellett folyamatosan szivárogtak a radioaktív anyagok, a radioaktív hulladékok a környezetbe és rengeteg volt a dolgozói baleset. Ahogyan a csernobili katasztrófa, úgy ez is titkosított volt. Fokozatosan derült ki a nagyvilág számára, ám a mai napig ismeretlen teljes egészében az erőmű által okozott katasztrófák száma, milyensége, hatása.
Az eddig napvilágot látott információk alapján a csernobili kár többszörösét okozták az itteni sorozatos balesetek.
Az USA – ban a Three Mile Island atomerőmű 1979 – ben bekövetkezett balesete a hűtőrendszer meghibásodásából indult, amiben nem működtek megfelelően a szelepek. A biztonsági rendszer sem működött megfelelően. A felhalmozódott gőznyomás következtében a hűtővíz kifolyt. A személyzet rosszul mérte fel a helyzetet és nem hajtotta végre a megfelelő biztonsági protokollt. Részleges magolvadás történt
2011 márciusában egy földrengés és szökőár súlyos károkat okozott a Japán fukushimai atomerőműben, aminek következményeként meghibásodott a hűtőrendszer, a szökőár elárasztotta a vészhelyzeti generátorokat. Így a túlhevült reaktormag hidrogénrobbanásokhoz, ezek részleges magolvadáshoz vezettek.
Magyarországon az 1982 óta üzemelő Paksi Atomerőműben a legnagyobb üzemzavar 2003 – ban történt egy fűtőkazetta sérülése miatt. A súlyosnak minősülő üzemzavar ellenére a lakosságot, környezetet nem veszélyeztette a korlátozott mennyiségű, levegőbe került radioaktív anyag. Az erőművet leállították, a kazettát kicserélték.
Az 1970 után épült, itt felsorolt reaktorok mind második generációs reaktorokkal rendelkeznek/rendelkeztek.
Miért is lenne jó ez nekünk?
A nukleáris energia a leghatékonyabban előállítható energiaforrásunk. Mivel az urán, ezáltal a plutóniumkészlet is nagy, kis mennyiségből hatalmas mennyiségű energiát vagyunk képesek kinyerni, így állandó energiaforrás. Az atomerőművek működése során nem keletkezik szén – dioxid, így a globális felmelegedéshez sem járul hozzá.
Hátrányait mindannyian ismerjük: a fegyverkezés, a radioaktív hulladék tárolása hosszútávon, a balesetekből fakadó súlyos környezeti és egészségügyi károk és az erőművek építése költséges.
Be a Nerdy Bird!
URÁN
PLUTÓNIUM
Amennyiben tetszett a cikk és van Instagram fiókod, kérlek nyomj egy szívet visszajelzésként az alábbi posztra. =)
