Nuklearna energija

Nuklearna energija je energija čestica pohranjena u jezgri atoma. Jezgra se sastoji od protona i neutrona, koji su međusobno vezani jakim i slabim nuklearnim silama. Nuklearnim reakcijama dolazi do promjene stanja atomske jezgre, što znači da se broj ili vrsta čestica u jezgri mijenja. Ovisno o vrsti nuklearne reakcije, može doći do oslobađanja nuklearne energije, koja se može iskoristiti za proizvodnju električne energije u nuklearnim elektranama. Ona se oslobađa u procesima koji se odvijaju u zvijezdama (fuzija) te u procesima koje danas rabimo u nuklearnim elektranama (fisija), kao i u spontanim nuklearnim reakcijama.

Nuklearne elektrane proizvode oko 6% svjetske energije i 13–14% svjetske električne struje, a SAD, Francuska i Japan zajedno daju oko 50% nuklearno generirane električne energije.

2007. godine, Međunarodna agencija za atomsku energiju podnijela je izvještaj o postojanju 439 nuklearnih reaktora u pogonu u svijetu, koje rade u 31 državi. Također, izgrađeno je više od 150 pomorskih plovila koji koriste nuklearni pogon.

U tijeku je debata o korištenju nuklearne energije.  Zagovornici, kao što su svjetska nuklearna udruga World Nuclear Association (WNA) i Međunarodna agencija za atomsku energiju, tvrde da je nuklearna energija izvor održive energije koja smanjuje emisije ugljika. Protivnici, kao što su Greenpeace i NIRS, vjeruju da nuklearna energija postavlja mnoge prijetnje ljudima i okolišu.

Nuklearne nesreće uključuju černobilsku katastrofu (1986), nuklearnu katastrofu u Fukushimi (2011) i Three Mile Island katastrofu (1979). Također je bilo nesretnih slučajeva s nuklearno pogonjenim podmornicama. Međutim, sigurnosni protokol nuklearne energije je dobar kad se uspoređuje s mnogim drugim energetskim tehnologijama. Istraživanja u svrhu porasta sigurnosti nastavlja se i nuklearna fuzija bi se mogla koristiti u budućnosti. U pogledu izgubljenih života po jedinici generisane energije, analize ukazuju da nuklearna energija uzrokuje manji broj smrtnih slučajeva od drugih glavnih izvora. Produkcija energije iz uglja, nafte, prirodnog gasa i hidroenergije uzrokuje veći broj smrtnih slučajeva po jedinici energije zbog zagađenja vazduha i impakta udesa. Međutim, ekonomiski troškovi udesa pri proizvodnji nuklearne energije su visoki, i mogu da uzrokuju da velika područja postanu nenaseljiva veoma dugo. Ljudski troškovi evakuacije postradalog stanovništva i gubitak prihoda su isto tako značajni.

Zajedno sa drugim obnovljivim izvorima energije, nuklearna energija je metod proizvodnje električne struje sa niskim emisijama ugljenika. Analiza literature ukazuje da je emisioni intenzitet totalnog životnog ciklusa sličan sa drugim obnovljivim izvorima u pogledu emisija gasova staklene bašte po jedinici generisane energije. Ishod toga je da je od početka komercijalizacije nuklearnih elektrana tokom 1970-tih, sprečena emisija oko 64 milijardi tona ugljen dioksidnih ekvivalenata, gasova zelene bašte gases, gasova koji bi inače nastali usled sagorevanja fosilnih goriva u termoelektranama.

Godine 2012. je po podacima IAEA bilo 68 civilnih nuklearnih reaktora u svetu u izgradnji u 15 zemalja, aproksimativno 28 u Narodnoj republici Kini (PRC), s planovima da se izgradi mnogo više. U SAD-u licence gotovo pola reaktora produžene na 60 godina, i planovi za izgradnju drugih dvanaest ozbiljno se razmatraju. U SAD, dva nova reaktora treće generacije su u izgradnji kod Vogtle. Uprva američke nuklearne industrije očekuje pet novih raktora da uđu u upotrebu do 2020, svi od kojih u postojećim elektranama. Godine 2013, su četiri zastarela, nekompetitivna reaktora zatvorena.

Nesreća u nuklearnoj elektrani Fukushima 1 u Japanu 2011, koja se dogodila u reaktoru iz 1960-tih, podstakla je preispitivanje nuklearne bezbednosti i nuklearno energetske politike u mnogim zemljama. Nemačka je odlučila da zatvori sve svoje reaktore do 2022, a u Italiji je zabranjena nuklearna energija. Nakon Fukushime, Međunarodna agencija za energiju prepolovila je svoju procjenu dodatnih nuklearnih kapaciteta koji bi se izgradili do 2035.

Korištenje

Od 2005. godine pomoću nuklearne energije proizvodi se 6,3% svjetske energije te 15% svjetske struje, a SAD, Francuska i Japan zajedno daju 56,5%  nuklearne generirane električne energije. 2007., Međunarodna agencija za atomsku energiju podnijela je izvještaj o postojanju 439 nuklearnih reaktora u funkciji u svijetu, koje rade u 31 državi. Od prosinca 2009., svijet je imao 436 reaktora. Otkad je komercijalna nuklearna energija počela sredinom 1950-ih, 2008. je bila prva godina u kojoj nijedna nova nuklearna elektrana nije priključena na mrežu, iako su dvije priključene 2009.

Godišnja proizvodnja nuklearne energije je na lagano silaznom trendu od 2007., padajući 1.8% 2009. na 2558 TWh, tako da je nuklearna energija pokrivala 13–14% svjetske potražnje za električnom energijom. Jedan faktor u smanjenju udjela nuklearne energije od 2007. bilo je dugotrajno isključenje velikih reaktora u nuklearnoj elektrani Kashiwazaki-Kariwa u Japanu nakon Niigata-Chuetsu-Oki potresa.

SAD proizvodi najviše nuklearne energije, tako da nuklearnom energijom pokriva 19% svoje potrošnje električne energije, dok Francuska proizvodi najveći postotak svoje električne energije iz nuklearnih reaktora—80% od 2006. U Europskoj uniji kao cijeloj, nuklearna energija osigurava 30% električne energije. Nuklearna politika razlikuje se među državama članicama Europske  unije, a neke, kao što su Austrija, Estonija, Irska i Italija, nemaju aktivnih nuklearnih elektrana. U usporedbi s tim, Francuska ima velik broj takvih postrojenja, sa 16 višejediničnih stanica u trenutnoj upotrebi.

U SAD-u, dok je proizvodnja struje iz ugljena i plina projektirana tako da vrijedi 85 milijardi dolara do 2013, nuklearni generatori proračunati su na 18 milijardi dolara.

Mnogi ratni i neki civilni (kao što su neki ledolomci) brodovi koriste nuklearni pomorski pogon, oblik nuklearnog pogona. Nekoliko svemirskih letilica lansirano je koristeći potpuno razvijene nuklearne reaktore: sovjetska RORSAT serija i američka SNAP-10A.

Međunarodna istraživanja nastavljaju se u svrhu unapređivanja sigurnosti kao što su pasivno sigurne elektrane, korištenje nuklearne fuzije, i dodatna korištenja topline procesa, kao što je hidroliza (za podržavanje vodikove ekonomije), za desalinizaciju morske vode i za korištenje u sistemima za centralno grijanje.

Fuzija 

Spajanje dveju atomskih jezgara naziva se nuklearna fuzija. U nuklearnim fuzijama mogu učestvovati samo laki elementi - oni sa samo nekoliko protona i neutrona u jezgru. Pri vrlo visokim temperaturama dva jezgra vodika međusobno se sudaraju i nastaju teža jezgra helijuma koja pritom oslobađa energiju i odbacuje neutron. Fuzije se odvijaju na Suncu i drugim zvezdama.
 Fuzijski reaktor

Naučnici još nisu izradili praktičan fuzijski reaktor. Prstenasti eksperimentalni reaktor naziva se torus. On zagreva plinoviti vodik na više miliona stepeni tako da se atomska jezgra mogu spajati.

Fisija 

Cepanje jezgra atoma naziva se nuklearna fisija. Neki teški elementi imaju nestabilno jezgro koja se može navesti na cepanje bombardiranjem neutronima. Kad se jezgre rascepe, oslobađaju energiju i još neutrona koji mogu pogoditi druga jezgra i tako započinje lančana reakcija.
 Fisijski reaktor

Srce fisijskog reaktora ja čvrst čelični spremnik, odnosno jezgro. U jezgru reaktora odvija se niz fisijskih reakcija, takozvana lančana reakcija te stvara veliku toplinu. Rashladna tekućina koja kola preuzima tu toplinu i pokreće generatore. Generatori pomoću te topline pretvaraju vodu u mlazove vodene pare pod visokim tlakom. Mlazovi vode pokreću turbinske motore povezane s električnim generatorima.
 Rasplodni reaktor

Reaktor koji sam stvara gorivo naziva se rasplodni reaktor. Tokom lančane reakcije jedan dio urana prelazi u plutonijum koji se također može koristiti kao nuklearno gorivo.
 Štapići s nuklearnim gorivom

Većina štapića s gorivom sastoji se od peleta ili šipki izotopa urana - 235 koji se drži u kućištu od legure. Uran - 235 ima 235 protona i neutrona u jezgru svojih atoma.

Nuklearna opasnost 

Otpad od nuklearnog goriva je opasno radioaktivan pa se mora potopiti na morsko dno ili zakopati duboko u zemlju. Ispitivanje nuklearnog oružja i oštećenje reaktora mogu uzrokovati dugotrajne zdravstvene opasnosti zbog oslobađanja radioaktivmog materijala u vazduh.

Enrico Fermi 
Nuklearni fizičar italijanskog porekla Enrico Fermi (1901 - 1945) napustio je Italiju 1938. te nastavio živeti i raditi u SAD-u. Godine 1942. sagradio je prvi nuklearni reaktor na napuštenom igralištu za skvoš Univerziteta u Chicagu. Na tom reaktoru Fermi je uspeo izvesti prvu nuklearnu fisijsku lančanu reakciju.

Vremenska tabela

Tehnologija reaktora 
Svaka elektrana koristi gorivo za proizvodnju energije. Gorivo može biti u obliku gasa, uglja, ulja. Kada se radi o nuklearnoj elektrani, energija se proizvodi uz pomoć nuklearne fisione reakcije u unutrašnjosti reaktora. Kada se nuklearna lančana reakcija kontroliše, energija koja se oslobodi može da se koristi za zagrevanje vode, u cilju proizvodnje pare, koja kasnije pokreće turbinu. Dok se u nuklearnom reaktoru jedne centrale odvija kontrolisana reakcija, nuklearna bomba radi na principu nekontrolisane lančane reakcije.

U prirodnom uranijumu, nalazi se oko 0,7% uranijuma 235, oko 98% je uranijum 238, ostali elementi čine samo mali deo.
Većina reaktora je obogaćena sa 3-4%, iako naravno neki reaktori mogu da koriste prirodni ili visoko obogaćeni uranijum. Primer reaktora koji koriste običan prirodni (neobogaćeni) uranijum je KANDU reaktor.

Nuklearna bezbednost 
Nuklearna bezbednost uključuje sledeće:
 Istraživanje i testiranje o mogućim incidentima i havarijama u nuklearnim elektranama
 Opremu koju treba koristiti kako ne bi došlo do incidenta
 Kalkulaciju verovatnoće da do havarije dođe
 Kakve mere treba preduzeti kako bi se zaposleni i okolina zaštitili u takvoj, nepredvidivoj, situaciji
 Demonstracija havarija

Organizacija koja se brine o tome da reaktori, koji danas rade u svetu, budu bezbedni se naziva Međunarodna agencija za nuklearnu energiju, sa sedištem u Beču, Austrija.

Vidite još 
 Nuklearna fisija
 Nuklearna fuzija
 Enrico Fermi 
 Ernest Rutherford
 Otto Hahn
 Lise Meitner
 Nuklearni reaktor
 Nuklearna centrala

Reference

Literatura 

Clarfield, Gerald H. and William M. Wiecek (1984). Nuclear America: Military and Civilian Nuclear Power in the United States 1940-1980, Harper & Row.
 Stephanie Cooke (2009). In Mortal Hands: A Cautionary History of the Nuclear Age, Black Inc.

 Elliott, David (2007).  Nuclear or Not? Does Nuclear Power Have a Place in a Sustainable Energy Future?, Palgrave.
 Falk, Jim (1982). Global Fission: The Battle Over Nuclear Power, Oxford University Press.
 Ferguson, Charles D., (2007). Nuclear Energy: Balancing Benefits and Risks Council on Foreign Relations.
 Herbst, Alan M. and George W. Hopley (2007). Nuclear Energy Now: Why the Time has come for the World's Most Misunderstood Energy Source, Wiley.
 Mycle Schneider, Steve Thomas, Antony Froggatt, Doug Koplow (2012). The World Nuclear Industry Status Report, German Federal Ministry of Environment, Nature Conservation and Reactor Safety.
 Walker, J. Samuel (1992). Containing the Atom: Nuclear Regulation in a Changing Environment, 1993-1971, Berkeley: University of California Press.
 Spencer Weart R. The Rise of Nuclear Fear. Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012. 
 Ian Hore-Lacy: Nuclear Energy in the 21st Century: World Nuclear University Press. Academic Press, 2006, .
 Raymond L. Murray: Nuclear Energy, Sixth Edition: An Introduction to the Concepts, Systems, and Applications of Nuclear Processes. Butterworth-Heinemann, 2008, .
 Julia Mareike Neles, Christoph Pistner (Hrsg.): Kernenergie. Eine Technik für die Zukunft?. Springer, Berlin/Heidelberg 2012, .
 Joachim Radkau: Aufstieg und Krise der deutschen Atomwirtschaft 1945–1975. Verdrängte Alternativen in der Kerntechnik und der Ursprung der nuklearen Kontroverse. Rowohlt, Reinbek 1983, .
 Joachim Radkau, Lothar Hahn: Aufstieg und Fall der deutschen Atomwirtschaft. Oekom-Verlag, Berlin 2013, .

Vanjske veze 

 Utjecaj na okoliš, princip rada i iskorištavanje nuklearne energije 
 Vesti iz Energetike 
 Alsos Digital Library for Nuclear Issues — Annotated Bibliography on Nuclear Power 
 An entry to nuclear power through an educational discussion of reactors 
 Argonne National Laboratory
 A cost comparison of nuclear energy to other commercial energy sources
 Briefing Papers from the Australian EnergyScience Coalition
 British Energy — Understanding Nuclear Energy / Nuclear Power 
 Coal Combustion: Nuclear Resource or Danger? 
 Congressional Research Service: report on Nuclear Energy Policy , 94.0 KB
 Energy Information Administration  provides lots of statistics and information
 How Nuclear Power Works
 IAEA Website The International Atomic Energy Agency
 IAEA's Power Reactor Information System (PRIS)
 Nuclear Power: Climate Fix or Folly?  (2009)
 Nuclear Power Education 
 Nuclear Tourist.com, nuclear power information
 The World Nuclear Industry Status Reports website
 TED Talk - Bill Gates on energy: Innovating to zero! 
 

 
Energija
Energija