Hungary

Bizonyára már sokan hallottak a nukleáris bombákról (másnéven atombombákról), amelyek a nukleáris energia katonai alkalmazásának példái. Az atombomba olyan eszköz, amelyben a hasadóanyag ellenőrizetlen láncreakcióban vesz részt. Ez a folyamat szinte pillanatszerű, nagy energia keletkezik kivételesen gyorsan, és a hőmérséklet nagyon megnő, több tízmillió fokot ér el.

Kisfiú (Forrás: Az Egyesült Államok Nemzeti Archívuma, RG 77-AEC, titkosítás feloldva 1960-ban).

A hasadóanyagban a nyomás a hőmérséklet hatására elképesztően megnő és a bomba felrobban. Ehhez a bombában lévő hasadóanyag tömegének el kell érnie a kritikus (vagy szuperkritikus) tömeget. Ez azonban nem jelenti azt, hogy az összes hasadóanyagon végbe is megy maghasadás. A robbanás még azelőtt bekövetkezik, mielőtt az összes 235U izotóp elhasadna. Például a Hirosimára ledobott bomba esetén csupán az uránium 2%-a hasadt el, mégis hatalmas pusztítást okozott.

Az ilyen bombák halálos ereje fontos erkölcsi kérdéseket vet fel a velük kapcsolatos kutatások és fejlesztések tekintetében.

Az a lehetőség, hogy a terroristák nukleáris fegyverekhez juthatnak és azt fel is használhatják a világ biztonsága szempontjából sürgető és potenciálisan katasztrofális következményekkel járó probléma. 2010 áprilisában Washington-ban tartott Nukleáris Biztonsági Csúcstalálkozó a nukleáris terrorizmusra fókuszált, és a résztvevők kézzelfogható egyezményeket kötöttek, amelyek biztosítják a nukleáris anyagok nyomonkövetését és meggátolják a plutóniumhoz és a dúsított urániumhoz történő hozzáférést.

A nukleáris energiát kis eszközökben, például elemekben is lehet használni. A bolygók és az űr felderítéséhez hosszantartó és hatékony elemekre van szükség. (A szívritmus-szabályozókban is ilyen elemeket alkalmaznak.) A radioaktivitáson alapuló energiaforrásokat erre a célra már 1961 óta használják.

Kétféle ilyen energiaforrás használatos.

1) A termoionikus radioizotóp energiaforrásban a nukleáris hőt használják arra, hogy két fémelektróda között elektromos potenciálkülönbséget hozzanak létre.

2) Az RTG-ben (angolul radioisotope thermoelectric generators, magyarul radioizotópos termoelektromos generátor) pedig a bomlási hőt (238Pu esetén 0,56W/g) egy p-n-típusú félvezetőátmenet (termopár) fűtésére használják.

A Voyager űrszonda, a Jupiterre vezető Galilei-misszió és a Szaturnuszra vivő Cassini-misszió is RTG-ket alkalmazott. A Lélek (Spirit) és Lehetőség (Opportunity) nevű marsjárók az elektromosság előállítására napelemeket, míg a fűtésre RTG-ket használtak. A Tudásvágy (Curiosity) nevű marsjáró az elektromosság előállítására a napelemek mellett RTG-ket is használ, hogy elegendő energiát termeljen.

A kis nukleáris reaktorok, amelyek termoelektromos vagy termoionikus elven működnek, fejlesztése még jelenleg is folyik és számos űreszközben használják őket időről-időre, például a meghajtás során.

Egy nukleáris reaktorban lévő fűtőanyag kb. 100 milliószor (108) több energiát termel, mint ugyanannyi, kémiai folyamatot használó energiaforrás!

A nukleáris reaktorokon alapuló kétféle meghajtási rendszer használatos. Az egyiket nukleáris termikus meghajtórendszernek (röviden Nukleáris Termikus Rakéta) hívják, amelyben folyékony, alacsony hőmérsékleten tárolt hidrogén-üzemanyagot melegítenek fel. Majd a 2500°C-os hidrogént egy fúvókán fújják ki, ami tolóerőt biztosít.
A másik a nukleáris-elektromos meghajtás, amelynek során a nukleáris energiát elektromossá alakítják. Az így előálló elektromos energiát egy elektromágnes működtetésére fordítják, amely ionokat gyorsít nagyon nagy sebességre. A felgyorsított ionok egy semlegesítő fúvókán haladnak át és a kiáramló semleges atomok tolóerőt hoznak létre. Ezt a meghajtást számos szovjet, földkörüli misszióban alkalmazták. A nukleáris meghajtás különösen a hosszútávú küldetések során biztosan előnyösebb, mint a kémai.

Már az első atomreaktorok megalkotása idején felmerült, hogy a nukleáris energia alkalmas lehet tengeralattjárók és repülőgépek meghajtására. A katonai vagy polgári repülőgépeken alkalmazott nukleáris reaktor veszélyei miatt, az ötlet kidolgozása sokáig váratott magára, de ma már folytonos fejlesztés alatt áll, hogy az űrhajóknál felhasználhassák. Ezzel szemben a nukleáris meghajtás bevett gyakorlat mind a modern hadihajóknál, mind pedig a polgári hajóknál.

Az első egyesült államokbeli, "Nautilus" nevű nukleáris meghajtású tengeralattjáró volt az a jármű, amelyik elsőként haladt át az Északi-sark jégpáncélja alatt 1958. július 23-án. Az eszközt 1946-ban kezdték el építeni, és 1954-ben bocsátották vízre. Az "Arktica" nevű szovjet jégtörő volt az első hajó, amelyik elérte az Északi-sarkot 1977. augusztus 17-én. Az Egyesült Államok repülőgéphordozókat is épített, az első, a "USS Enterprise" 1960-ban állt szolgálatba. Az első teherszállítót, az "NS Savannah"-t az Egyesült Államok 1959-ben bocsátotta útjára. Japán 1962-ben készítette el "Mutsu" nevű kereskedelmi hajóját. Ezen járművek mindegyike nukleáris meghajtású volt.

A hajózásban PWR reaktorokat használnak. Minden orosz és felszíni hajónak két reaktora van, ezért nagyon fontos, hogy kisméretűek legyenek. Erdetileg ezt úgy érték el, hogy 235U-ban nagyon dús (90%-os) üzemanyagot használtak. Jelenleg az amerikai hajókban a 20-25%-os, míg az oroszokban kb. 50%-os koncentrációt alkalmaznak.

Első pillantásra természetesnek tűnhet, hogy nukleáris meghajtást alkalmazzunk az autókban. A motor például évekig működhetne anélkül, hogy az üzemanyagcellákat cserélni kellene. Azonban egy ilyen energiaforrás, egy mini nukleáris reaktor, neutronokat termelne, amely nagy áthatolóképességű sugárzás. Ez a sugárzás az autóban ülőkre, de még a gyalogosokra is komoly veszélyt jelentene. A neutronsugárzás okozta biológia károsodások elkerülésére nagy és nehéz árnyékolást kellene alkalmazni, amely nem igazán illik egy megszokott autó méretéhez.

Még ha sikerülne is egy biztonságos autót készítenünk, például termoelektromos átalakítókkal, a radioaktív anyagok kezelésének problémája nem tűnne el.

A Ford Nucleon egy nukleáris meghajtású autó koncepcionális modellje volt, amelyet a Ford autógyár dolgozott ki 1958-ban. A tervekben az szerepelt, hogy a belsőégésű motort egy, az autó hátuljába helyezett kisméretű atomreaktor váltja fel, ami azon a feltételezésen alapult, hogy a jövőben lehetségessé válik a reaktorok miniatürizálása. Az autó egy urániumhasadással hajtott gőzmotort használt volna hasonlóan ahhoz, amit a nukleáris tengeralattjárókban alkalmaznak.

A hidrogén egyre növekvő szerepet tölt be a vegyészetben, a mezőgazdaságban (műtrágyagyártásban), az olajiparban, és potenciális energiaforrásként (üzemanyagként) is tekintenek rá. Könnyen lehet, hogy a hidrogén számos felhasználási lehetősége közül a legnépszerűbb az üzemanyagcellaként történő felhasználása lesz. A hidrogén iránti növekvő igények azt vetítik előre, hogy a gyártáshoz szükséges energia akár akkora is lehet a közeljöbőben, amennyi elektromos energiát jelenleg termelünk.

Ezért sokan keresik a hidrogéngyártáshoz használható hatékony energiaforrásokat. Ebben az atomreaktoroknak létfontosságú szerep juthat. A reaktorok a víz elektrolízise során elektromos energiát termelhetnek. A nukleáris folyamatok során keletkező hő a természetes gázokból, illetve a vízből történő termokémiai hidrogénelőállításban kaphat szerepet. A kémiai eljárásokkal ellentétben, ahol a gőz a természetes gázt átalakítja, a termokémiai reakciók azzal az előnnyel járnak, hogy alkalmazásuk során nem keletkezik szén-dioxid. Mivel mindkét megközelítés magas hőmérsékletet igényel (1000-1300K), erre a célra nyilván magas hőmérsékletű reaktorok alkalmazása a célszerű. A világon elterjedt, normál atomreaktorok napközben az elektromos hálózatot látják el árammal, de éjszaka akár hidrogéngyártásra is át lehetne őket állítani.

A nukleáris energiát már használják a tengervíz sótlanítására, amely különösen fontos feladat a világ jelentős része számára, ahol az ivóvízhez jutás korlátozott, például Ázsiában vagy Észak-Afrikában. A sótlanításra használt reaktorok persze áramot is tudnak termelni, vagyis mini atomreaktorokként használhatók. Például a BN-350-es reaktor a kazahsztáni Aktau-ban egyszerre állít elő sótlanított vizet és elektromos áramot. Japánban, Kanadában és Oroszországban komoly tapasztalatokkal rendelkeznek a nukleáris reaktorok sótlanító alkalmazását tekintve, és a Nemzetközi Atomenergiaügynökség erőteljesen támogatja a nukleáris energia ilyen irányú felhasználását. Az ötlet az, hogy az atomerőműveket a napközben jelentkező nagy igény során áram előállítására, majd az igények lecsengésével a megtermelt elektromos energiát sótlanításra használják. Ilyen projektek kidolgozása Indiában, Kínában, Oroszországban, Pakisztánban Tunéziában, Marokkóban, Egyiptomban, Algériában, Iránban, Dél-Koreában, Indonéziában és Argentinában már zajlik.

A neutronok a tudományos érdeklődés központjában vannak. Nincs töltésük, de úgy viselkednek, mint a kis mágnesek, azt mondjuk, hogy mágneses momentummal rendelkeznek. A szabad neutronok 10,25 perc felezési idővel protonná, elektronná és egy antineutrínóvá bomlanak, tehát a Napban keletkező neutronoknak nincs esélyük arra, hogy eljussanak a Földre. Habár azt feltételezzük, hogy a neutron nem rendelkezik töltéssel, a fizikusok egyfolytában kísérleteznek azzal, hogy egy kicsi töltést kimutassanak. Ha sikerülne, az biztosan a címlapokra kerülne. Idáig már bizonyítást nyert, hogy a töltés kisebb kell, hogy legyen, mint az elemi töltés 10-21-szerese! Azt is tudjuk, hogy a neutronon belül vannak pozitív és negatív töltések. Ezért érdekes kérdés az, hogy vajon ezek a töltések rendeződhetnek-e egy úgynevezett elektromos dipóllá, amelyben a negatív és pozitív töltések egy kis távolságra vannak egymástól. Jelenleg a mérések azt mutatják, hogy ez a távolság kisebb, mint 10-26cm, amiből arra is következtethetünk, hogy manapság milyen pontosan tudunk mérni.

Az ilyen kísérletekhez rengeteg neutronra van szükség, amelyek előállítása során egy atomreaktor nagyon jól jön, mivel az egy hatalmas neutrongyár. A kísérletek számára neutronokat termelő reaktorokat kutatóreaktoroknak hívják, amelyek alkalmazása a tudományban, az orvoslásban és a technológiai fejlesztésekben igen elterjedt.

TRIGA AERE kutatóreaktor, Bangladesh (Forrás: Nemzetközi Atomenergiaügynökség).

A kutatásokban a legnépszerűbb neutronforrások az állandósult állapotban lévő reaktorok, amelyek egyfolytában termelik a neutronokat. Legtöbbjük reaktormagja egy vízzel teli medencében helyezkedik el. A víz a hűtésre, a biológiai árnyékolásra és neutronmoderátorként szolgál. Minden atomerőmű állandosult állapotú reaktort használ.

Vannak impuzusüzemben működő neutronforrások is, amelyek neutroncsomagokat bocsátanak ki időben periodikusan. Néhányuk a hasadás helyett spallációs reakciót használ.

Az a folyamat, amelynek előállítása ma nagy tudást igényel, a természetben kétmilliárd évvel ezelőtt magától létrejött. A Nyugat-Afrikában található Gabon egyik urániumbányájában, Okloban 1972-ben szenzációs felfedezést tettek. A feltárt urániumércben a 235U gyakorisága sokkal kisebbnek bizonyult, mint a máshol megszokott 0,72%. Hogyan lehetséges ez?

Mivel a 235U felezési ideje kisebb, mint a 238U-é, a 235U urániumban található gyakorisága 2 milliárd évvel ezelőtt 3-4% volt, a mai 0,72% helyett. A 235U izotóp gyakoriságának 3-4%-os dúsítása az uránban a jelenlegi atomerőművekben tipikus. Ezentúl a hidrogeológiai feltételek is adottak voltak (a víz jó neutronmoderátor és neutronreflektor) az uránium körül, hogy folytonos láncreakció alakuljon ki. És ez meg is történt! Az érc egyre ritkább és ritkább lett 235U-ban, amelyet a természetes hasadási reaktor használt el.

Úgy becsülték, hogy ezek a természetes reaktorok (17 reaktormaradványt tártak fel eddig Okloban) kb. 1 millió évig működtek. A vizsgálatok azt is megmutatták, hogy az oklo-i reaktorok 239Pu-t is előállítottak, amely alfa-bomlással 235U-á bomlott, azaz természetes termelőreaktorok voltak. Oklo az emberiség ajándéka, mivel az ott keletkezett hosszú élettartamú izotópok útját követni tudjuk a talajban, ami fontos információkkal szolgál a radioaktívhulladék-tárolók építéséhez.