I. bevezetéS

Bencze Gyula
KELL-E FÉLNÜNK A NUKLEÁRIS ENERGIÁTÓL?
I. BEVEZETÉS
Manapság a nukleáris energia - vagy elterjedtebb nevén atomenergia - emlegetése az emberekben rossz érzést kelt, és sokan azonnal Csernobilra asszociálnak. Valóban ennyire veszélyes az atomenergia? Miért és mitől kell félnünk? Jelen előadás azzal igyekszik eloszlatni ezt a félelmet, hogy röviden áttekinti, mi is a nukleáris energia valójában, mely tulajdonságai különböztetik meg (ha egyáltalán) a többi energiafajtától, és létezhet-e modern társadalom atomenergia nélkül. Az alapvető ismeretek birtokában mindenki képes lehet felmérni a nukleáris energia felhasználásának előnyeit és kockázatát, a misztikus félelmet így felválthatja a racionális mérlegelés.
1. Mi az energia?
A hétköznapi beszéd fordulataiban gyakran szerepel az energia szó valamilyen kapcsolatban. A fiatalok energikusak, valaki nagy energiával lát neki a munkának, vagy telve van energiával. A szóhasználat jelzi, hogy az emberek ösztönösen tudják, mi az energia, amelyben sajnos nem mindig bővelkedünk.
Itt kell megjegyezni, hogy az „alternatív gyógyászat” is kiterjedten használja - főleg szimbolikus értelemben – az energia szót (pl. bioenergia), továbbá sokat beszélnek káros, negatív energiáról is. Ez az energiafogalom az „életerő” valamiféle új megfogalmazása, egyértelmű definíció hiányában azonban az eredmény csak a posztmodern gondolkodásra jellemző szemantikai zűrzavar.
A fizika pontosan fogalmaz: „Az energia anyagi rendszerek munkavégző képességének mértéke. SI-mértékegysége a joule (J)”.
2. Az energia fajtái, egymásba való átalakulásuk, az energia megmaradásának elve
Az energiának számos ismert fajtája van, a mozgással a mozgási (kinetikus) energiát asszociáljuk; egy erőtérben, mint például Földünk gravitációs erőtere, a test helyzetéből adódóan helyzeti energiával is rendelkezik. A mechanikai energián kívül a hővel is társítható energia, amelynek megnyilvánulási formáival a hétköznapokban gyakran találkozunk. Közismert továbbá a kémiai, az elektromos és mágneses energia, valamint legújabban a nukleáris energia.
A különböző energiafajták átalakulhatnak egymásba, az energia mennyisége azonban eközben semmiképpen nem növekedhet. Az energia megmaradásának elvét először Julius Robert Mayer mondta ki 1842-ben fizikai rendszerekre és biológiai jelenségekre. A tudomány fejlődése során aztán bebizonyosodott, hogy ez az elv jóval általánosabb érvényű, és valamennyi energia fajtára fennáll. A modern fizika, konkrétan Einstein ún. speciális relativitáselmélete ismerte fel a tömeg és az energia egyenértékűségének elvét, mely szerint a testek kölcsönhatásakor az energiaátadást mindig egy vele arányos tömegátadás kíséri. Más szavakkal megfogalmazva: a testek nyugalmi tömegéhez is tartozik energia, amelyet a sokat idézett Einstein-féle képlet, E=mc2 , határoz meg. Ez az elv egyesíti a tömeg és az energia megmaradásának elvét a legáltalánosabb keretek között.
3. Miben különbözik a nukleáris energia a többi energiafajtától?
Először is némi pontosításra van szükség. A nukleáris energiát atomenergiaként szokás magyarra fordítani, valójában azonban az atom magjában rejlő energiára gondolunk. A természetben jelenlegi ismereteink szerint négy alapvető kölcsönhatás létezik, a gravitációs kölcsönhatás, az elektromágneses kölcsönhatás, a gyenge kölcsönhatás, valamint az erős - vagy nukleáris - kölcsönhatás. Ez a felsorolás egyben erősségük sorrendjét is jelzi. A hagyományos, a hétköznapokból ismert mechanikai energia alapvetően a gravitációval társítható.
Az atomok és molekulák szerkezetét, amiben a kémiai energia forrása rejlik, alapvetően az elektromágneses kölcsönhatás (a töltések között ható Coulomb erő) szabja meg. A kémiai energia tehát lényegében az elektromágneses kölcsönhatás megnyilvánulása (ide sorolhatók továbbá az emberi testben lezajló biokémiai folyamatok, amelyek az életünk fenntartásához szükséges energiát szolgáltatják, másrészt a terroristák bombáit működtető folyamatok is.)
A nukleáris energiát annak mértéke különbözteti meg a többi energiafajtától, mivel felszabadítása minden eddiginél látványosabb és pusztítóbb hatásokat képes elérni. Az atomi és nukleáris kölcsönhatás között 5-6 nagyságrend különbség van. Az atomok mérete átlagosan 10-8 cm, a centiméter százmilliomod része, míg az atommag sugara ennél százezerszer, egymilliószor kisebb. 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. Egyes tankönyvek azzal a példával szokták ezt illusztrálni, hogy 1kg uránium-235 hasadásakor 18,7 millió kilowattóra energia szabadul fel hő alakjában. Ha a hagyományos energiaforrásokat vesszük alapul, az összehasonlítás ijesztő.
II. AZ ATOMMAG MINT A NUKLEÁRIS ENERGIA FORRÁSA
1. Az atommagok szerkezete és alkotórészeinek alapvető kölcsönhatásai
Az atommagok fizikája a múlt század első negyedében született meg, amikor 1911-ben Rutherford kísérletekkel igazolta az atommag létezését, illetve amikor 1919-ben létrehozta az első mesterséges magreakciót. Az elméleti atommagfizika tudományáról pedig lényegében 1932-től beszélhetünk, amikor Heisenberg egy úttörő cikkében az atommagok szerkezetének leírására a kvantummechanikát alkalmazta.
Az atommagok pozitív töltésű protonokból és semleges neutronokból állnak, amelyeket egységesen nukleonoknak szoktak nevezni. A nukleonok között erősen vonzó magerők hatnak – ezeket szokás erős kölcsönhatásnak is nevezni. A nukleonok között fellép még egy ún. gyenge kölcsönhatás is, amely lényegében a protonok és neutronok közti átalakulásokért és a radioaktivitás egyes fajtáiért felelős. A pozitív töltésű protonok között természetesen hat a taszító Coulomb kölcsönhatás is. Míg az erős és gyenge kölcsönhatás rövid hatótávolságú, a Coulomb kölcsönhatás a távolság négyzetével fordítottan arányosan csökken, tehát valójában hatótávolsága végtelen.
Az atommagok alapvető jellemzői az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás tulajdonságainak ismeretében nagy pontossággal leírhatók – nincs szükségünk a nukleonok, már ismert, belső szerkezetének figyelembevételére.
Az atommagban levő protonok Z száma - az atommag töltésszáma (rendszáma), valamint a neutronok N száma szabja meg az atommag A=N+Z tömegszámát. Az azonos töltésszámú, de különböző tömegszámú atommagokat izotópoknak szokás nevezni, a körülöttük felépülő elektronburok által létrehozott atomok kémiai tulajdonságai azonosak.
Az atommagfizikában használatos energiaegység az elektronvolt egymillió-szorosa, rövidítése MeV; ez akkora energiának felel meg, amelyet egymillió voltos feszültségkülönbség befutásakor nyer az elektron.
Az atommagok jellemző méretei a Fermi tiszteletére elnevezett fermi=10-13 cm egységekben adhatók meg, és ez is a jellemző méret. Az Einstein-féle E = mc2 relációt felhasználva a magfizikában a tömegeket MeV egységekben is szokás megadni. Ennek megfelelően az atommag két alapvető építőkövének, a neutronnak és a protonnak a tömege energia egységekben rendre: mn = 939,55 MeV, mp = 938,26 MeV.
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. A szabad neutron béta-bomlásának felezési ideje 11 perc. Az atommagokban kötött neutron azonban stabil marad, ha maga az atommag is stabil a gyenge kölcsönhatások által indukált bomlási folyamatokkal szemben.
Az atommagok kísérletileg meghatározható tömege kisebb, mint a benne lévő protonok és neutronok együttes tömege. A kettő különbsége az ún. „tömegdefektus”. Einstein híres egyenlete alapján a tömegdefektust c2-el szorozva megkapjuk az atommag kötési energiáját,
W(Z,A) = [ Z ∙ mp + N ∙ mn – M(Z,N)] ∙ c2
amely tehát mérésekkel meghatározható.
Az atommagok szerkezetének pontos elméleti leírása rendkívül nehéz feladat, ezért a főbb tulajdonságok magyarázatára több egyszerű modell is született. Az atommag ún. csepp-modelljét, amely az atommagokat egy összenyomhatatlan folyadékcsepphez hasonló tulajdonságokkal ruházza fel, elsőként George Gamow vetette fel 1935-ben, majd később Niels Bohr általánosította a modellt az atommag-reakciók leírására 1938-ben. A későbbiekben kiderült, hogy bizonyos proton- és neutronszámoknál (az ún. „mágikus számoknál”, 2, 8, 28, 50, 82, 126) különösen stabilak az atommagok. Ezen a megfigyelésen alapul az atommag „héjmodellje”. A különféle modellek tulajdonságainak, valamint a kísérleti eredményeknek az egybevetésével született meg az atommagok „félempirikus kötési energia formulája”, amely elsősorban C. Weizsäcker nevéhez fűződik, és az atommag W(A,Z) kötési energiáját az A tömegszám és a Z töltésszám függvényeként elméleti megfontolásokkal határozza meg. Az így megszerkesztett egyenletben szereplő szabad paramétereket a kísérleti eredményekhez való illesztéssel határozzák meg. Innen ered a „félempirikus” jelző.
Az atommagok tulajdonságairól jó áttekintést ad egyrészt a kötési energia felület W(A,Z) (3.ábra), valamint az egy nukleonra jutó kötési energia függése az atommag tömegszámától (4.ábra).
Az ábráról látható, hogy a kötési energia nem növekszik határtalanul, hanem „telítésbe megy” – ami a magerők rövid hatótávolságának a következménye. A legstabilabbak az A = 60 körüli tömegszámú atommagok, pl. a vas, míg a kötési energia csökken mind az alacsonyabb, mind pedig a magasabb tömegek tartományában. Ebből azonnal kiolvasható, hogy mind a nehéz magok hasadása, mind pedig a könnyű magok fúziója (nukleáris) energiát szabadíthat fel.
A 266 stabil atommag mellett ma már több mint 500 radioaktív izotópot ismerünk, és ez a szám egyre növekszik a kísérleti technika rohamos fejlődésével.
2. Magreakciók
A magreakciók mesterségesen előidézett atommag átalakulások, amelyek két atommag vagy nukleáris részecske ütközésének során jönnek létre. Az első atommag-reakciót Rutherford figyelte meg 1919-ben, amikor természetes radioaktiv forrásból származó alfa részecskékkel végzett kísérletet. Az első megfigyelt magreakció során a nitrogén atommagja oxigén atommaggá alakult át:
Általában egy magreakció kezdeti állapotából (a szakmai szóhasználat szerint bemenő csatornából) számos végállapot (kimenő csatorna) jöhet létre.
Az folyamatot röviden a következőképpen jelölik: A(a,b)B; és az (a,b) kifejezés egyben egy reakciótípus jelölésére is használatos. A reakció kezdeti és végső állapotában a részecskék kötési- és kinetikus energiájának összegét ( a tömegközépponti koordinátarendszerben) meghatározva a teljes energiának meg kell maradnia.
A reakció folyamán felszabaduló vagy elnyelt energia, a reakció ún. Q-értéke a fenti reakcióra például
Q = Ea + EA – Eb – EB
A Q-érték a kémiai reakcióhőnek megfelelő magfizikai fogalom. A negatív Q értéket a reakció küszöbértékének is nevezik.
A magreakció σab hatáskeresztmetszete az egy másodperc alatt bekövetkező reakciók Nab számának és a beeső részecskék Sa áramsűrűségének aránya
σab = Nab/Sa
3. A maghasadás fizikája
A neutron és az atommagok erős kölcsönhatásának tanulmányozása során Enrico Fermi és munkatársai 1934-től egy sor radioaktív elem keletkezését regisztrálták. Hasonló kísérleteket végzett Párizsban Irene Curie és Pavle Savic. Otto Hahn, Fritz Strassmann és Lise Meitner Berlinben már 1937-ben legalább kilenc radioaktív termék jelenlétét bizonyította, a gond ezeknek a reakciótermékeknek az azonosítása volt. A két kémikusnak, Hahnnak és Strassmannak sikerült a termékek között a báriumot azonosítani, amiről 1939 januárjában számoltak be a Naturwissenschaft c. folyóiratban. Néhány héttel később ezt követte a Nature hasábjain az időközben Svédországba, ill. Angliába emigrált Lise Meitner és unokaöccse, Otto Frisch cikke, amelyben szintén az uránium szétbomlásával foglalkoztak. A „maghasadás” elnevezés valójában Lise Meitnertől és unokaöccsétől ered. Ennek az újfajta magreakciónak az azonosítása azonban alapvetően Otto Hahn és munkatársa, Fritz Strassmann érdeme.
A maghasadásnál tehát az atommag két nehéz fragmentumra hasad szét, amelyek radioaktívak – ezért tovább bomlanak –, valamint további neutronok is keletkeznek.
A részletes számítások azt mutatják, hogy az atommag alakja gerjesztésekor megnyúlik, amihez energiára van szükség – más szóval az atommag egy bizonyos mértékig „ellenáll”, ahogy ezt egy másfajta rugalmas közeg is teszi. Ez az ellenállás azonban egyszer csak megszűnik, és a mag széthasadásának nincs többé akadálya. Ennek a hasadási gátnak (barrier) a következő szemléletes, de eléggé leegyszerűsített képe rajzolható meg:
Az ábrán G (ground state) jelzi az atommag alapállapotát, a megnyúlás függvényében pedig a kialakult nem egyensúlyi állapot energiáját. B (barrier) a hasadási gát magassága, S pedig az ún. szétszakadási (scission) pont. A hasadási gát magassága magról magra változik, és az adott mag hasadóképességére jellemző, amely a Z2/A hányadossal van összefüggésben. Minél nagyobb ugyanis ez a hányados, annál alacsonyabb a hasadási gát magassága, annál nagyobb a hasadásra való hajlam. Deformált, tehát nem gömbszimmetrikus atommagok esetén a helyzet kissé bonyolultabb, a hasadási gát alakja akár két csúccsal is rendelkezhet („kétpúpú” is lehet.). Ez azonban a megfontolásokat csak a részletekben módosítja. (Az érdeklődőknek javasolom az ajánlott irodalom jegyzékében szereplő könyvek tanulmányozását.)
Egy atommag hasadása csak egy folyamat első lépése, ugyanis a hasadási termékek tovább bomlanak.
Az eseménysorozat időbeli lefolyását a fenti ábra szemlélteti. A hasadási termékek béta-bomlással további magokká alakulnak, azok esetleg magasan gerjesztett állapotban képződnek, és egy neutron kibocsátásával szabadulnak meg fölös energiájuktól. Az így keletkezett neutronokat „késő neutronoknak” nevezik, ugyanis a hasadást követően annyi idővel későbben jelennek meg, mint az őket kibocsátó atommagokat létrehozó béta-bomló magállapot átlagos élettartama (felezési idő = 0.60 ∙ átlagos élettartam). Az alábbi példa egy tipikus bomlási sorozatot mutat be:
A maghasadás során jelentős energia szabadul fel, közel két nagyságrenddel nagyobb, mint az átlagos magreakciókban. A maghasadás energiamérlegét a következő táblázat illusztrálja:
A maghasadásnál felszabaduló energia megoszlása
235U termikus neutronokkal történő hasadásakor
A hasadási termékek kinetikus energiája | 168 MeV | Hasadási neutronok energiája | 5 MeV |
Prompt γ-kvantumok energiája
| 7 MeV |
Hasadási termékek béta részecskéinek energiája
| 8 MeV |
Hasadási termékek γ –sugárzásának energiája
| 7 MeV |
Hasadási termékek által kibocsátott antineutrinók energiája
| 10 MeV | ÖSSZESEN | 205 MeV |
4. A hasadási láncreakció
A láncreakció fogalma a kémiában már régen ismeretes. Alapvető és szükséges tulajdonsága, hogy a reakciót létrehozó egyik alkotóelemnek a reakció során újra kell termelődnie, így az újabb reakció kiváltására lesz képes. Ha ezek a reakciók elég gyorsan követik egymást, gyakorlatilag egy időben zajlanak le, megfelelő anyagmennyiség esetén jelentős energia szabadulhat fel.
A nukleáris láncreakció gondolatát először Szilárd Leó vetette fel Londonban, és a nukleáris láncreakcióra vonatkozó elképzelését 1936-ban szabadalmaztatta is.
Szilárd ötletének alapja a 9Be(n, 2n) 2 4He reakció volt. A négy protont tartalmazó berillium atommagnak csak a 9-es tömegszámú izotópja stabil. A 8-as tömegszámú izotóp, amelynek átlagos élettartama 10-16 másodperc, ami magfizikai skálán ugyan nem annyira rövid, a gyakorlatban azonban azonnal szétesik két alfa részecskére – két hélium-4 atommagra. A reakciót kiváltó neutron a berilliumból kilök egy neutront, a maradék mag felbomlik, a neutron pedig újra termelődik. Megvannak tehát a láncreakciónak az alapfeltételei. A gyakorlatban azonban ez az ötlet nem vált be, a folyamat nem önfenntartó.
Amikor 1938-ban felfedezték a maghasadást, Szilárd azonnal felismerte a hasadáson alapuló nukleáris láncreakció óriási jelentőségét, s egyben az esetleges katonai alkalmazások borzalmas következményeit is. Azonnal megkereste a brit Admiralitást, és kérte, hogy a láncreakcióra vonatkozó korábban megkapott szabadalmát haladéktalanul titkosítsák annak lehetséges katonai alkalmazásai miatt. Az Egyesült Államokba kiutazva ezután figyelmét a láncreakció lehetőségének vizsgálatára összpontosította.
Szilárd Leó és Walter Henry Zinn mérte meg elsőként az uránium-235 hasadásánál keletkező másodlagos neutronok átlagos számát – azokét a neutronokét, amelyek az elsődleges hasadás mellett azonnal keletkeznek. Az eredmény 2,3 0,3 neutron hasadásonként, vagyis az önfenntartó láncreakció megvalósításának megvannak a fizikai feltételei.
Az események további menete szinte mindenki számára jól ismert, Szilárd Leó, Wigner Jenő és Teller Ede látogatást tett Princetonban Einsteinnél, és meggyőzte, fel kell hívnia az Egyesült Államok elnökének figyelmét annak veszélyére, hogy a németek atombombát állíthatnak elő. A küldetés sikerrel járt, Einstein megírta híres levelét Roosevelt elnöknek, aminek nyomán beindult az amerikai atomprogram.
Chicagóban Enrico Fermi vezetésével összeállt egy csapat, amelynek tagja volt Szilárd Leó és Wigner Jenő is. 1942. december 2-án a láncreakció önfenntartóvá vált, így Chicagóban beindult a világ első nukleáris reaktora, amely a CP1 (Chicago Pile 1) nevet viselte - innen ered a korabeli „atommáglya” kifejezés. A reaktorban Wigner Jenő tanácsára grafit moderátort használtak. Feltétlenül említést érdemel még, hogy a háború után Fermi és Szilárd Leó szabadalmat kapott az atomreaktorra.
Az első siker után az erőfeszítések az atombomba előállítására összpontosultak, ami alapvetően másfajta feladat, mint egy atomreaktor létrehozása. A bombánál a cél a neutron-sokszorozási tényező minél magasabb értéken való tartása, hogy a láncreakció lefutása igen gyors legyen. Ehhez lényegében a másodlagos neutronokra van szükség, a „késő neutronoknak” ebben nem jut szerep. Fontos még a hasadóanyag mennyisége és geometriai formája. Ha az anyag mennyisége kicsi, a keletkezett neutronok nagy része elveszik, és nem indul be a láncreakció. Azt a legkisebb anyagmennyiséget, amelynél már megvalósul a láncreakció, kritikus tömegnek nevezik, aminek a kiszámítása nem triviális feladat. Mivel az uránium 238-as izotópja nem hasad, csak az igen ritka 235-ös izotóp, óriási erőfeszítéseket kellett tenni ennek az izotópnak a szeparálására. A Tennessee állambeli Oak Ridge-ben felállított létesítményben – a későbbi Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumban – csak erre a feladatra koncentráltak. Időközben megindult egy nagyteljesítményű grafit moderátoros és vízhűtésű reaktor tervezése is. Ezt a reaktort a Washington állambeli Hanfordban építették meg, a kivitelező a Dupont cég volt. A folyamatot Wigner Jenő felügyelte, akinek vegyészmérnöki képzettsége sok gondtól kímélte meg a kivitelezőket. Ebben a reaktorban plutóniumot állítottak elő, amelynek még az uránium-235-nél is nagyobb a hasadási hatáskeresztmetszete. Ez a 250 megawattos reaktor tette lehetővé, hogy létrejöjjön a második amerikai atombomba is. Bár az atombomba elkészítése az elvek egyszerűsége ellenére sem triviális feladat, a szabályozható kritikus rendszerek tervezése sokkal komolyabb fizikai és műszaki problémákat vet fel.
A háború után megalakult Oak Ridge Nemzeti Laboratórium igazgatója Wigner Jenő lett, míg a Chicago közelében létesített Argonne Nemzeti Laboratórium igazgatójává azt a Walter Henry Zinn fizikust nevezték ki, aki Szilárd Leó munkatársaként dolgozott az első reaktoron.
5. Néhány szó az atombomba megszületéséről és a tudósok felelősségéről
Az atomfegyverek különböző fajtáiról rengeteg szó esett különféle fórumokon és szinte minden médiumban, ezért erre a témára itt nem érdemes időt pazarolni. Vessünk inkább egy pillantást Új Mexikó állam térképére, mert ebben az államban született meg az atomfegyver, amely életünket olyan nagymértékben megváltoztatta.
Új Mexikó az ötödik legnagyobb szövetségi állam, három magyarországnyi területén csak kétmillió ember él. A piros pont jelzi Los Alamos helyét, amely az állam fővárosától, Santa Fé-től 60 km, a legnagyobb várostól, Albuquerque-től mintegy 160 km távolságra van. Albuquerque városában található az amerikai Légierő Kirtland Légibázisa, ennek a területén helyezkedik el a Nemzeti Atommúzeum (National Atomic Museum), ahol az érdeklődők láthatják az 1945. augusztus 6-án Hirosimára ledobott “Little Boy” becenevű atombomba másolatát, valamint a három nappal később Nagasakira ledobott “Fat Man” becenevű plutónium bomba másolatát sok más mellett. Ugyancsak Albuquerque városában működik a Sandia Nemzeti Laboratórium, amely az Energiaügyi Minisztérium felügyelete alatt nemzetbiztonsági kutatásokkal foglalkozik.
Az első kísérleti robbantás az Alamogordo városa közelében lévő sivatagban történt 1945. július 16-án. A helyszínt, az ún. “Trinity Site”-ot, pontosabban a robbanás keltette óriási krátert minden év októberében a nagyközönség is megtekintheti.
( Érdekesség, hogy mind Los Alamos, mind pedig Alamogordo nevében előfordul a spanyol „alamo” szó, amelynek a jelentése nyárfa. Így Los Alamos magyarított neve “Nyárfás” is lehetne, Alamogordo pedig szó szerint vastag nyárfa, a fa egyik változata.)
Az óriási cseppkő-barlangjáról híres, európaias hangzású Carlsbad kisváros közelében épült meg az Egyesült Államok egyik legnagyobb és legkorszerűbb radioaktív hulladéktároló létesítménye 655 méter mélységben a föld alatt. (A kisváros eredeti neve Eddy volt, azonban – feltehetően európai hatásra – 1899-ben nevét Carlsbadra változtatták.)
Térjünk azonban át egy jóval fontosabb kérdésre, amely Jéki László korábbi előadásán elhangzott: felelősek-e a tudósok az atombombák okozta pusztításért és a nukleáris fenyegetettség érzéséért? Érdemes felvillantani néhány fontos és hiteles személy véleményét, köztük elsőként Otto Hahnét, aki a maghasadás jelenségét felfedezte.
A II. világháború végén a Németországba behatoló amerikai csapatok egy különleges egysége elfogta a német atomprogramban dolgozó atomtudósok egy részét, és rövid franciaországi tartózkodás után Angliába, a Cambridge közelében levő “Farm Hall” nevű udvarházba internálta őket a legnagyobb titokban. A ház minden helyiségében mikrofonokat rejtettek el, rögzítették a bennlakók minden szavát, és megfigyelték viselkedésüket. Az angol tudóskörök nyomására ezeket a lehallgatott beszélgetéseket, illetve a felügyelő tisztek valamennyi jelentését 1993-ban könyv alakban publikálták Farm Hall Transcripts címmel. Idézzük most az őrszemélyzet vezetője, T. H. Rittner őrnagy 1945. augusztus 6-i jelentésének egy részletét:
„Augusztus 6-án röviddel vacsora előtt informáltam Hahn professzort, hogy a BBC bejelentése szerint ledobtak egy atombombát. Hahn a hírtől teljesen összetört, és azt mondta, személyes felelősséget érez több százezer ember haláláért, mivel az ő felfedezése tette lehetővé ezt a bombát. Elmondta, hogy amikor felismerte felfedezésének esetleges borzalmas következményeit, már akkor foglalkoztatta az öngyilkosság gondolata, és most, hogy ez valóban megtörtént, csak őt lehet hibáztatni. Jelentős mennyiségű alkohol segítségével sikerült azonban kissé megnyugtatni, és lementünk vacsorázni, ahol ő jelentette be a hírt a többieknek.”
Szilárd Leó, aki szintén jelentős szerepet játszott az amerikai nukleáris programban, a következőket mondta a háború után néhány évvel: „Egyszer megkérdeztek, egyetértek-e azzal, hogy a tudósnak az a tragédia, ha felfedezését az emberiség pusztításra használja. Azt válaszoltam, hogy ez nem a tudós, hanem az emberiség tragédiája.”
Az érzelmek lecsillapodása után Simonyi Károly a következőket írta A fizika kultúrtörténete c. monumentális művében egy tudós nyugalmával és objektivitásával:
„Az a tény, hogy a XX. század fizikájának gyakorlati szempontból legnagyobb jelentőségű eredményei elsősorban a pusztítást szolgálják, felveti a tudomány, és itt konkrétebben a fizika, pontosabban a fizikusok felelősségét. Erről a témáról számtalan cikk, könyv, regény, vers, tanulmány, színdarab, film jelent meg. Itt csak azt szeretnénk megjegyezni, hogy a fizikus ugyanolyan tagja a társadalomnak, mint bárki más, sem nagyobb, sem kisebb felelősséggel. A legtöbb ember odaadással és lelkesedéssel végzi munkáját, ez különösképpen áll az alkotó tevékenységre, és nagyon sokszor egyáltalán nem gondol arra, hogy mi lesz munkájának további következménye [...]
A fizikus tehát hajlandó volt, és valószínűleg a jövőben is hajlandó lesz beadványokat készíteni a kormányok számára minél hatékonyabb fegyverek gyártásának előmozdítására, ugyanakkor békeidőben szívesen vesz részt béke-konferenciákon.”
Meg kell azonban jegyezni, hogy az amerikai tudósok jelentős része Szilárd Leó kezdeményezésére még az első atombomba ledobása előtt fellépett a további katonai alkalmazások ellen.
III. ÚJ TUDOMÁNYTERÜLETEK: REAKTORFIZIKA ÉS NUKLEÁRIS TECHNOLÓGIA
1. Az új tudományterületek feladatai
A maghasadás fizikájáról kimondhatjuk, hogy nagyjában-egészében megértjük az alapvető fizikai folyamatokat. Bár még bizonyára vannak tudásunkban hézagok, drámaian új fejleményre nem számítunk. Ezzel szemben a reaktorok fizikája és a berendezések konstrukciója terén még nyitottak a lehetőségek.
A reaktorfizika három alapvető feladata:
a reaktor adott összetétele mellett meghatározni a rendszerben a neutronok térbeli, időbeli, valamint sebességeloszlását
nyomon követni a reaktorban lejátszódó magreakciókat, vagyis megadni a reaktor összetételének a változását: a hasadóanyag fogyását, a plutónium és a hasadási termékek felhalmozódását stb., szakkifejezéssel élve: ellenőrizni a reaktor-üzemanyag „kiégését”.
módszereket kidolgozni a reaktor üzemvitele szempontjából fontos mennyiségek mérésére.
A felsorolt feladatok matematikai alapját a transzport-egyenlet (Boltzmann-egyenlet) képezi, amelynek megoldása a legnagyobb erőfeszítéseket és hatalmas számítástechnikai kapacitást igényel.
A reaktorok tervezésével kapcsolatos mérnöki munka ugyancsak nagyfokú kreativitást, új ötleteket kíván meg, amelyeket az ellenőrző reaktorfizikai számítások után lehet a gyakorlatba átvinni.
2. Az atomreaktorok alapvető szerkezeti elemei
A szabályozott láncreakció legfontosabb tulajdonsága, hogy nem gyorsan megy végbe, hanem az általunk megszabott ütemben és energiatermelési feltételek mellett. Az elrendezés legfontosabb tulajdonsága az effektív neutron sokszorozási tényező (k), amelynek értéke megszabja a rendszer viselkedését. Ha k = 1, akkor a rendszer stacionárius (kritikus), állandó energiatermelés folyik, ha k < 1, akkor a rendszer szubkritikus, a láncreakció leáll, míg k > 1 esetben a folyamat felgyorsul. Az alábbi ábra a reaktor egy általános sémája, amely a fő alkotóelemeket mutatja be.
A láncreakcióhoz természetesen hasadóanyagra van szükség, amely az elrendezésben rudak alakjában helyezkedik el. A hasadásnál keletkező neutronok lassítására szolgál a moderátor, aminek az a feladata, hogy lelassítsa a gyorsneutronokat, így azok a sokszori ütközések révén sokkal nagyobb valószínűséggel képesek hasadást létrehozni. Az üzemanyagban felszabaduló hőt a hűtőközeggel vezetik el és villamos energiává alakítják.
3. A reaktorok típusai
Zéró reaktorok
Ezek a kritikus rendszerek gyakorlatilag nem termelnek energiát, hűtésre nincs szükség, és a működésnél sugárveszély sem lép fel. Elsődleges céljuk reaktorfizikai vizsgálatok végzése, és az elméleti modellek alkalmazhatóságának ellenőrzése mérésekkel. A KFKI 1990-ig működő ZR-6 kritikus rendszerével végzett kutatások az elmúlt évtizedekben nagymértékben hozzájárultak a hazai atomenergetika fejlődéséhez, és ahhoz, hogy a paksi atomerőmű működtetéséhez és fejlesztéséhez megfelelő tudás és szakembergárda álljon rendelkezésre. A ZR-6 működése során nyert kísérleti eredmények után egyre jobban érdeklődik a tudományos világ. Az Egyesült Államok, Franciaország, India, Japán, Argentína és Spanyolország kutatói évek óta használják számítógépes programjaik tesztelésére. Az OECD most szervezi az elmúlt 50 évben végzett zéró reaktor kísérletek eredményeinek összegyűjtését és kritikai elemzését. Mielőtt a munka nagy léptékben beindulna, kér kísérletet választottak mintául, egy angolt és a ZR-6-ot.
Kutatóreaktorok
A kutatóreaktorok kettős célt szolgálnak: oktatásra használják őket, valamint neutronforrásként funkcionálnak egyéb tudományterületek, például az anyagtudomány számára. Hazánkban két kutatóreaktor működik, a BME Nukleáris Technikai Intézetében egy tanreaktor, amely az oktatásban játszik fontos szerepet, valamint a KFKI AEKI 10MW teljesítményű reaktora, amely az anyagtudományi és szilárdtestfizikai kutatásokban játszik fontos szerepet, és a Budapest Neutron Center keretében külföldi felhasználóknak is rendelkezésére áll.
A kutatóreaktor köpenyét a reaktor magjáig megfúrva csatornák alakíthatók ki, amelyeken keresztül a hasadáskor keletkező neutronok eltávozhatnak. Egy kutatóreaktornál több csatorna is létezik, így egyidejűleg többféle mérés is végezhető. A kijövő neutronok sebességét (energiáját) megfelelő szelektorokkal lehet kiválasztani. Igen fontos megjegyezni, hogy ilyen csatornákat csak a kisteljesítményű kutatóreaktoroknál lehet kialakítani.
Atomerőművek
Az atomerőművek tervezésénél sok szempontot kell figyelembe venni, köztük a gazdaságosságot, a viszonylag egyszerű konstrukciót és a biztonságot. Az egyes típusok így az üzemanyag tulajdonságaiban, a moderátor anyagban és a hűtés módjában különböznek egymástól.
A világon a legelterjedtebb az ún. nyomottvizes reaktor, amelynek moderátora és hűtőközege egyaránt a könnyű víz (H2O), amely nagy nyomás alatt még több száz fokon sem forr fel. Az üzemanyag általában alacsonyan (3-4 %) dúsított urán-dioxid, néha urán-plutónium-oxid keverék (ún. MOX). A nyomottvizes a legelterjedtebb reaktortípus: a világon jelenleg üzemelő atomreaktorok összteljesítményének mintegy 63,8 %-át adják. Ilyen a Pakson működő VVER-440 típusú reaktor mindegyik blokkja.
A reaktorok egy másik típusa a forralóvizes reaktor, amelyben mind a moderátor, mind a hűtőközeg szintén könnyűvíz. A konstrukció megengedi azonban, hogy a reaktortartályban a víz egy része elforrjon, így az aktív zónából víz-gőz keverék lép ki. A termelt gőz közvetlenül a turbinára kerül, ezért a vizet és a gőzt szét kell választani (a gőzben lévő vízcseppek károsítják a turbinát). Mivel a reaktorban megengedett a víz elforrása, a nyomás kisebb, mint a nyomottvizes reaktoroknál: kb. 60-70 bar. Az üzemanyag többnyire urán-oxid. A friss üzemanyag dúsítása általában kisebb, mint a nyomottvizes típusnál. Hatásfokuk 33-35 %. A világon ma működő atomreaktorok összteljesítményének 22,5 %-át adják forralóvizes reaktorok.
Az erőművi reaktorok egy része nehézvizet (D2O) használ moderátornak és hűtőközegnek egyaránt. Ennek a típusnak az a hátránya, hogy a nehézvíz igen drága. Ugyanakkor a nehézvíz a legjobb moderátor anyag és csak kis mértékben nyeli el a neutronokat, nem akadályozva ezzel a láncreakciót. Ezért itt az üzemanyag csak alig (1-2 %-ra) dúsított, vagy akár természetes urán is lehet. A nehézvizes típus fő képviselője a kanadai CANDU reaktor, amely azért került kifejlesztésre, hogy a költséges urániumdúsítás feleslegessé váljon. A primer körben a nyomottvizes reaktorokhoz hasonlóan itt is nagy nyomás uralkodik. A nehézvizes reaktorok a világ mai atomerőmű-összteljesítményének 5,3 %-át adják, az építés alatt levőknek pedig 13,2 %-át, tehát erősen elterjedőben vannak.
Az előzőekben ismertetett reaktortípusokban (ezek az ún. termikus reaktorok) a hasadások döntő többségét az U-235 képviseli, az U-238 csak kis mértékben járul hozzá az energiatermeléshez. Az U-238 magja azonban egy neutron befogásával több lépcsőben Pu-239-é alakulhat. A Pu-239 hasadóképes, leghatékonyabban a gyors neutronok hasítják. A tenyésztőreaktorokban mindkét folyamatot kihasználják. Ennél a típusnál nincs szükség moderátorra, a hűtést pedig folyékony alkáli fémmel biztosítják. A gyors (gyors neutronokkal működő) tenyészreaktorok a világ atomerőművi összkapacitásának kevesebb, mint 1%-át adják. 1994 óta ilyen reaktort az Egyesült Államokban nem állítottak üzembe.
A felsoroltakon kívül még számos más reaktortípus létezik, amelyek felsorolására itt most nincs idő. Egy típust azonban még 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 került kifejlesztésre az 1986. április 26-án szerencsétlenül járt csernobili blokk 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.
Az RBMK reaktor működésének vázlata
http://www.atomeromu.hu/mukodes/tipusok/rbmk.htm
Külön fejezetet képeznek a hajtómű reaktorok, amelyeket tengerelattjárók és hajók meghajtására fejlesztettek ki. A hagyományos tengeralattjárók (melyek a felszíni közlekedéshez dízelmotort, a víz alatt pedig villanymotort használtak) a második világháború után műszakilag elavultak. Ennek oka, hogy a villanymotorok energiaellátását szolgáló akkumulátorok behatárolták a víz alatti tartózkodás idejét. Többek között ezt a gondot oldotta meg az atommeghajtás.
Az atommeghajtású tengeralattjáró kifejlesztését 1949-ben határozták el az Egyesült Államokban. Ehhez a feladathoz olyan, elsősorban biztonságos működésű, reaktort kellett megépíteni, amelyet tengeralattjáróba is be lehet építeni. A Nautilus nevű nukleáris tengeralattjárót 1952 júniusában kezdték építeni, és két év múlva, 1954-ben bocsátották vízre. Nemrég került csak nyilvánosságra Alvin Weinberg visszaemlékezéseiből, hogy ennek a prototípusnak a fejlesztésében Wigner Jenő is részt vett, akinek az atomreaktorok tervezése terén 37 szabadalma született a második világháborút követő években. A Nautilust 1983-ban vonták ki a szolgálatból.
5. A reaktorok biztonsága
Az atomerőművek biztonságosságára a tervezők nagy figyelmet fordítanak. Egy működő reaktorban az üzemanyagrudak 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 nyomottvizes reaktoroknál a primér hűtőkör vastag acélfallal van körülvéve. 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 tartalék biztonsági rendszer bórt adagol a hűtőközegbe, amely azonnal elnyeli a neutronokat és leállítja a láncreakciót. A könnyűvizes reaktorok nagy nyomás alatt működnek. Nagyobb csőtörés esetén a víz elforrna, és a hűtés megszűnne. A reaktormag hűtésének leállása esetén vészhűtő rendszer lép működésbe, amely automatikusan bekapcsol a primér 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.
Az atomerőmű működése közben elkerülhetetlen kisebb mennyiségű radioaktív vegyületek kibocsátása. Ezek azonban a környezetben élő emberek számára minimális kockázatot jelentenek, mivel a természetes háttérsugárzásnak csak egy-két százalékát teszik ki. 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.
Ilyen bonyolult biztonsági rendszer megbízató működtetése csak alkalmas számítógépes rendszer segítségével lehetséges. A számítógépes reaktorirányítás kutatásában hazánkban élen járt a KFKI, majd jogutódja, a KFKI Atomenergia Kutatóintézet, amely a Verona számítógépes rendszer folyamatos továbbfejlesztésével járul hozzá a paksi erőmű biztonságos működtetéséhez. Itt meg kell jegyezni, hogy 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. Az első két esetben csak anyagi kár keletkezett, míg Csernobilban súlyos katasztrófa történt, amiről részletesen beszámolt a média. Mindhárom esetben súlyos emberi mulasztás vagy gondatlanság okozta a balesetet. Külön említésre méltó, hogy Csernobilben egy kísérlet miatt kikapcsolták az automatikus védőrendszer, nem véve tudomást arról, hogy a kezelőszemélyzet instabil működést jelzett a reaktorblokknál. Ennek a hihetetlen, bűnös gondatlanságnak és felelőtlenségnek büntetőjogi következményei is lettek. Mindent egybevéve, megfelelő gondossággal és felkészültséggel mindegyik baleset elkerülhető lett volna.
IV. ÖSSZEFOGLALÁS: SZÜKSÉG VAN-E NUKLEÁRIS ENERGIÁRA?
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, amelyek szintén energiaigényesek. Vannak szerencsés országok, amelyekben bőven található fosszilis energiaforrás, vízierő, szélerő vagy geotermikus energiaforrás. Minél nagyobb egy ország, annál valószínűbb, hogy több energiaforrás áll rendelkezésére. A kicsi, és főleg a gyorsan fejlődő országoknak azonban jelenleg nincs más alternatívájuk, mint a nukleáris energia, annak számos előnyével és hátrányával együtt. Az alábbi táblázat az atomenergia felhasználásának földrészek szerinti megoszlását ábrázolja. Nem véletlen, hogy ebben a táblázatban az ún. „harmadik világ” országai nem jeleskednek, valamint hogy Európa messze megelőzi az Egyesült Államokat.
A világon üzemelő atomreaktorok földrészek szerinti eloszlása
FÖLDRÉSZ | REAKTOROK SZÁMA |
Európa
|
212
|
Ázsia
|
94
|
Észak-Amerika
|
119
|
Dél-Amerika
|
3
|
Afrika
|
1
|
A következő táblázatból az olvasható ki, hogy a természetes energiaforrásokban szegény és fejlődő kis országok kényszerülnek rá elsősorban az atomenergia használatára.
Igen figyelemreméltó az Egyesült Államok 20. helyezése. Az USA mind fosszilis, mind pedig egyéb természetes energiaforrásokban bővelkedik, ugyanakkor az is közismert, hogy fejlettségénél fogva a világ legnagyobb energia-felhasználója, ha minden energiafajtát figyelembe veszünk. Az Egyesült Államok Energia Minisztériuma szerint az USA teljes villamos energia kapacitása 1997-ben 747 GW (1 gigawatt = egymilliárd watt) volt, és az előrejelzések szerint az igényeknek megfelelően 2020-ra 906-1044 GW, 2050-re előre láthatóan 1200-1700 GW lesz. A jelenlegi arányok szerint az energiatermelés 52 %-át a szén adja, az atomenergia aránya 19,8 %, a földgázé 15 %, a vízierőművekből származik 9 %, a kőolajból 3 %, az egyéb energiaforrások (szélenergia, napenergia stb.) 2 %-ot tesznek ki. Az Egyesült Államoknak óriási szénkészletei vannak – a becslések szerint a jelenlegi kitermelési móddal 250 évre elegendőek a készletek, ha azonban a teljes kitermelhető készletet új módszerekkel hozzák felszínre, a jelenlegi igények mellett akár 1500 évre is lesz elegendő szén. Ilyen körülmények között az alacsonyabb költségek miatt az atomenergia nem kulcskérdés, és az elkövetkezendő évtizedekben is a szén fog domináns szerepet betölteni az Egyesült Államokban az energiaforrások között.
Ország
|
Reaktorok száma
|
Összkapacitás
megawatt
|
Részesedés a villamos energia-termelésből
|
Franciaország
|
57
|
60313
|
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
|
12949
|
40,7 %
|
Svédország
|
11
|
9440
|
39,0 %
|
Svájc
|
5
|
3077
|
38,2 %
|
Japán
|
52
|
43650
|
33,8 %
|
Örményország
|
1
|
376
|
33,0 %
|
Németország
|
19
|
21107
|
30,6 %
|
Finnország
|
4
|
2656
|
32,1 %
|
Spanyolország
|
9
|
7289
|
27,6 %
|
Tajvan
|
6
|
4884
|
23,6 %
|
Egyesült Királyság
|
33
|
12400
|
21,9 %
|
Csehország
|
4
|
1680
|
20,1 %
|
USA
|
103
|
10799572
|
19,8 %
|
A fenti táblázatokból kiolvasható, hogy Magyarország nem nélkülözheti a nukleáris energiát. Természetesen e kijelentéssel csak saját személyes véleményem fejezem ki. A helyzet elvben gyökeresen megváltozhat ugyan, ha az atomenergiát más, biztonságosabb energiaforrás képes igen rövid határidőn belül, lehetőleg azonnal kiváltani.
Hosszabb távon 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 ITER kísérlet sikeres lesz, akkor az első áramtermelő fúziós reaktor 2040 körül állhatna üzembe.
Olcsó dolog lenne azzal példálózni, hogy a lőfegyverek sokkal több ember életét oltották ki, mint az atomenergia-ipar balesetei, mégsem követelték jelentős civil mozgalmak a lőfegyverek gyártásának betiltását. Az is sajnálatos tény viszont, hogy az autó a legveszélyesebb üzem hazánkban, és a halálesetek száma e téren is aggasztóan nő. Mégsem merült fel az autóközlekedés megtiltása! A statisztikák szerint 2-3 tízezred a valószínűsége annak, hogy valaki autóbalesetben hal meg. A reaktorok esetében az Egyesült Államokban az az alapvető követelmény, hogy a káros hatások bekövetkezésének valószínűsége nem haladhatja meg a tízmilliomod értéket, azaz a reaktorok a statisztikák tanúsága szerint ezerszer biztonságosabbak, mint a gépkocsik.
Ezek után az előadás címében feltett kérdésre a felvonultatott ismeretek és érvek alapján az a válaszom, hogy nem az atomenergiától kell félni, hanem az emberi felelőtlenségtől, képzetlenségtől és ostobaságtól!
|