Kada pogledam veličinu atoma i veličinu čovjeka te ljudski strah od razorne snage koja se krije u atomu, jedini alegorijski primjer koji mi pada na pamet jest nerazumljiv strah kojeg slon gaji prema njemu popriličnom inferiornom glodaru: mišu. No, dok je slon svojim očima bio u stanju spaziti miša i na vrijeme pobjeći, čovjek je postao svjestan snage atoma tek u trenutku kada ga je nagazio i ovaj mu je eksplodirao u lice.

Razbijanje atoma

Prvu promišljanje o postojanju atoma bilo je filozofske naravi, a taj zločin počinili su grčki filozofiji elejske škole: Parmenid i Zenon. Po njihovu nauku, kao i nauku njihovih nasljednika atomista: Leukipa i Demokrita, čitav svijetkoji je opipljiv i kojeg je moguće osjetiti sastojao se od osnovnih nedjeljivih čestica, atoma (grč. άτομος (átomos) - nedjeljiv):

“Po mnijenju boja, po mnijenju slatko, po mnijenju gorko, a uistinu atomi i praznina. Osjetila pak govore razumu ovako: “Bijedni razume, od nas si uzeo dokazala i sad smjeraš da nas time oboriš. Tvoja pobjeda - tvoj pad.”

Demokrit, Fragment 125.

No, kako ljudsko društvo nije doraslo situaciji da stvari ostavi na miru, 1911. godine, pri radu sa katodnim zrakama, J.J. Thompson je otkrio da atom zapravo i nije nedjeljiv, te da se sastoji od električki negativnog i električki pozitivnog dijela (to jest nečega čvrstog u sredini i lakih čestica, elektrona koje kruže oko njega). Sljedeći korak u tom smjeru jest bilo Rutherfordovo otkriće jezgre atoma i od tog trenutka se čitava znanstvena zajednica posvetila njenom razbijanju.

Lančana reakcija

U prirodi, proces razbijanja atomske jezgre jest u prosjeku spor i dugotrajan što je i uzrok tome da radijacija, jednom puštena u okoliš tamo katkad ostaje desetke tisuća godina. S druge strane da bismo energiju atoma mogli upotrijebiti u korisne svrhe, prirodni proces raspadanja jezgre potrebno je ubrzati.

Princip dobivanja nuklearne reakcije jest naći atom sa teškom jezgrom i usmjeriti laganu česticu kao projektil u njega. Taj projektil mora se kretati dovoljno velikom brzinom da bi imao efekta. Zamislimo li tešku jezgru urana kao tenk, a laka čestica neka bude bačena brzinom grude snijega na njega, efekt na tenk će biti nikakav. No, usmjerimo li ručni bacač iz kojeg jednom kad se ispali, raketa dobiva dovoljnu brzinu da nakon sudara s njom od tenka ostane samo olupina. Drugim riječima, projektil kojim bombardiramo tešku jezgru, mora biti dovoljno ubrzan. U klasičnom nuklearnom reaktoru, projektili su slobodni neutroni, a mete su teške jezgre izotopa urana (atomski broj 92): U-235 i U-238 (dakle, imaju 92 protona u jezgri i 235-92= 143, odnosno 238-92=146 neutrona). U slučaju U-238 u velikoj većini slučajeva se dogodi da neutron se odbije ili ostane zarobljen u jezgri urana (iz čega dolazi kasnije do eventualnog nastanaka plutonija Pu-239), dok kod U-235 u većini slučajeva dolazi do raspada jezgre na dva fragmenta, to jest rekacije fisije.

Ipak, ono što razlikuje sudar rakete i tenka od reakcije fisije jest da nakon sudara tenka i rakete, gubimo i raketu i tenk. Nakon sudara neutrona i teške jezgre nastaju dva fisijska fragmenta (dvije nove radioaktivne jezgre s manjim brojem protona i neutrona) te dva nova neutrona koja se nastavljaju kretati nešto manjom brzinom od izvornog neutrona. Drugim riječima, slično poput razmnožavanja bakterija, u idealnom slučaju iz reakcije dobivamo nove projektile i tako se neutroni razmnožavaju geometrijskom progresijom. Taj način nastanka novih neutrona koji pogađaju nove mete, zove se lančana reakcija.

Dobivanje fisije i obuzdavanje lančane reakcije

No, kako svijet nije idealan i bakterije razmnožavaju brzo, ali ne i savršeno po geometrijskoj progresiji. Slična priča je i sa neutronima, budući da se obogaćeni uran kao gorivo klasične nuklearne elektrane sastoji u prosjeku od oko 3-5% (u rijetkim reaktorima do 20%) urana U-235 koji može izazvati reakciju fisije, pa se dio neutrona ostane pogubljen u U-238, koji čini gotovo čitav ostatak sadržaja nuklearnog goriva. No, unatoč tome što urana U-238 u gorivu ima gotovo 95%-97% (u najgorem slučaju 80% u civilnoj upotrebi op.a.), sam U-238 nije dovoljan da obuzda tako brzu reakciju. U te svrhe koriste se kontrolne šipke (slika lijevo) od kadmija, samarija ili drugih materijala sa svojstvom da “upijaju” neutrone. Te šipke koriste mogu se uvlačiti ili izvlačiti iz reaktora kako bi regulirale brzinu rekacije. Još jedan način kontroliranja nuklearne reakcije jest dodavanje borne kiseline u vodu (čiju ću funkciju u reaktoru kasnije objasniti), budući da bor ima slična svojstva “upijanja” neutrona kao i kadmij, te se koncentracijom borne kiseline u vodi upravlja nuklearnom reakcijom u reaktoru slično kao i šipkama.

No, da bismo uopće postigli fisiju, potrebno je da neutroni postignu određene brzine koje su manje od onih koje imaju kada nastanu, jer će u suprotnom umjesto da se sudare s teškom jezgrom naprosto prozujati pored nje. No, iako ih pri velikim brzinama teške jezgre ne privlače, lake jezgre poput deuterija (izotopa vodika koji za razliku od osnovnog vodika ima jedan proton i jedan neutron) ili ugljika naprosto ih mame da udare u njih. Pri svakom udarcu o laku jezgru brzina neutrona se smanjuje, a nakon dovoljno udaraca o lake jezgre neutron se dovoljno uspori, pa postane istovremeno dovoljno spor i dovoljno brz da izazove reakciju fisije. Iz tog razlika kao moderatori brzine neutrona u nuklearnom reaktoru se koriste teška i obična voda te grafit.

Proizvodnja teške vode

Svojstvo obične vode jest da je tek 0.015% jezgri vodika koje se nalaze u njenom sastavu otpada na deuterij, a teška voda mora se gotovo čitava sastojati od deuterij-dva-oksida. Iz tog razloga, idobivanje teške vode vrlo je skup proces, gotovo podjednako skup kako i obogaćivanje urana (povisivanje postotka U-235 u prirodnom uranu s početnih 0.7%, kako bi se dobila veća vjerojatnost reakcije fisije). Budući da je teška voda skupa, kao moderator se koristi jeftiniji i svojstvima inferiorniji grafit, te još inferiornija obična voda, koja se osim za moderiranje reakcije koristi i za hlađenje reaktora, budući da pri fisiji u reaktoru nastaju vrlo visoke temperature.

Koncepti nuklearnih reaktora

Kada se svu teoriju iz prethodnih odlomaka sakupi u jednu rečenicu, dolazi se do zaključka da je nuklearnu reakciju fisije potrebno: održavati, moderirati, regulirati i hladiti. U tom smislu za nuklearni reaktor, kao i za benzinski motor potrebno je imati gorivo, moderator, regulacijske metode i rashladno sredstvo.

• Klasični koncept nuklearnog reaktora:
• gorivo: obogaćeni uran
• moderator: grafit i obična voda
• regulacija: kontrolne šipke i borna kiselina
• rashlađivanje: obična voda

No, reaktor kao gorivo može koristiti i prirodni uran, gdje u fisiji sudjeluju jezgre većinskog urana U-238. Korištenjem prirodnog urana izbacuje se potreba za obogaćivanjem urana, ali budući da je vrlo malen postotak U-235, neutrone je potrebno usporiti najboljim dostupnim moderatorom, teškom vodom. Reakcija u reaktoru sa prirodnim uranom i teškom vodom je zbog visokog prisustva U-238 koji proždire veliku količinu neutrona, za razliku od klasičnog reaktora jednim dijelom samoregulirajuća. Takav koncept dizajna reaktora naziva se CANDU (CANadian Deuterium Uranium) koncept, budući da je prvo zaživio upravo u Kanadi.

• CANDU koncept:
• gorivo: prirodni uran
• moderator: teška voda
• regulacija: kontrolne šipke
• rashlađivanje: teška voda

Reaktor je samo srce nuklearne elektrane i primarni produkt fisije, toplinska energija, koristi se kao i u klasičnoj termoelektrani za dobivanje vodene pare, koja se koristi za pokretanje parne turbine, pa generatora. Osim vode u oba oblika za hlađenje u nekim izvedbama reaktora za hlađenje se može koristiti i plin, a u nekim vrlo egzotičnim izvedbama reaktora i tekući metali, poput natrija.

Nakon ovog članka, pretpostavljam, cijela priča oko korištenja nuklearne energije, po mom mišljenju djeluje mnogo razumljivije i benignije, no ostavljam vama, dragi čitatelji, da presudite.

Više o nuklearnoj energiji na Moja energija - Knjižnica - Nuklearna energija

Povezani članci

• Zabavna ilustracija za objašnjenje primjene nuklearne energije
• Produljen vijek rada NE Páks do 2032., no Mađari trebaju još nuklearki…
• Svjedočanstva Černobila (1) - “Kronike okrutnih dana” Vladimira Ševčenka
• Renesansa nuklearne energetike… u novom Planu B!
• Još malo nuklearnog hopa-cupa - zašto Slovenci mogu, a Hrvati ne?
• I vlast i oporba za gradnju nuklearke, ali opet ništa pametno iz njihovih usta… :-)