Autor referátu: Matej
Zahatňanský
Nukleárna energia je energia uvoľnená počas štiepenia atómových jadier. Energia
hocakého systému, či fyzikálneho, chemického alebo nukleárneho je preukázateľná
svojou schopnosťou, konať prácu, uvoľňovať teplo alebo žiarenie. Celková energia
systému sa vždy zachováva, ale môže byť prenesená do iného systému alebo môže
zmeniť formu.
Približne do konca osemdesiatych rokov bolo hlavným palivom drevo. Počnúc Priemyselnou
Revolúciou, ľudia čoraz viac využívali fosílne palivá – uhlie a petrolej. Keď
dochádza k spaľovaniu fosílneho paliva, ako napríklad uhlia, atómy vodíka a uhlíka
kombinované s atómmi kyslíka zo vzduchu, produkujú vodu a oxid uhličitý. Dochádza
k uvoľňovaniu tepla. Množstvo energie, ktoré sa uvolní takýmto spôsobom, je typické
pre reakcie pri ktorých dochádza k zmene elektrónovej štruktúry atómov. Časť energie
uvolnenej ako teplo udržuje ostatné palivo dostatočne horúce aby reakcia mohla
ďalej pokračovať.
Atóm- Atóm pozostáva z malého, pozitívne nabitého jadra, obklopeného elektrónmi.
Jadro, zaberajúce väčšiu časť atómu, sa skladá z neutrónov a protónov, navzájom
viazaných silnými jadrovými silami, omnoho väčšími ako sú elektrické sily, ktoré
viažu elektróny k jadru. Hmotné číslo A jadra sa rovná počtu nukleónov, alebo
protónov a neutrónov, obsahuje atómové číslo Z, ktoré vyjadruje počet pozitívne
nabitých protónov. Špecifické jadro je určené ako podiel A a Z (X)-prvku, napr.
235/92U –vyjadrenie uránu. Väzbová energia jadra je miera, akou sú protóny a neutróny
spolu viazané jadrovými silami. Väzbová energia jedného nukleónu, alebo energia
potrebná na odštiepenie jedného protónu alebo neutrónu z jadra, je funkcia hmotného
čísla A. Krivka väzbovej energie naznačuje, že ak dve ľahké jadrá splynú a vytvoria
ťažšie, alebo ak sa ťažšie jadro rozdelí na dve, dôjde k pevnejšiemu spojeniu
jadra a energia sa uvoľní.
Nukleárna energia, ktorá sa meria v meria v miliónoch elektrón-voltoch (MeV) je
uvoľňovaná pri splynutí dvoch ľahkých jadier, kedy dochádza k reakcii dvoch vodíkových
jadier, deuterónov: 1H + 2 H --- 3He + 1n + 3.2MeV (1) za vzniku hélium-3 atómu,
voľného neutrónu a 3.2 MeV. Nukleárna energia sa uvoľňuje pri štiepení ťažšie
jadra ako napríklad 235/92U indukovaného absorpciou neutrónu za vzniku
1n + 235U --- 140Cs + 93Rb + 31n + 200 MeV (2)
cézia-140, rubídia-93, troch neutrónov a 200 MeV. Nukleárne štiepenie jadra uvoľňuje
10 miliónov krát viac energie ako pri typickej chemickej reakcii. Nukleárna energia
zo štiepenia jadier Dve kľúčové znaky nukleárneho štiepenia jadier sú zakotvené
v reakcii číslo 2. Prvý, je veľké množstvo energie vylúčenej pri štiepení. V určitej
jednotke, štiepenie jedného kilogramu uránu-235 uvolní 18.7 miliónov kwh formou
tepla. Druhý, štiepny proces štartujúci absorpciou jedného neutrónu v urániu-235
uvoľňuje približne 2.5 neutrónov v priemere, z delenia jadier. Neutróny uvoľnené
takýmto spôsobom rýchlo zapríčiňujú štiepenie ďalších dvoch atómov, tým dochádza
k uvolneniu štyroch alebo viacerých neutrónov, ktoré spustia samo sa podporujúce
série nukleárnych štiepení alebo reťazovú reakciu, ktorá postupne uvoľňuje nukleárnu
energiu. Prírodne sa vyskytujúci urán obsahuje iba 0.71 percent uránu-235, zvyšok
je nefosílny izotop urán-238. Objem prírodného uránu ako takého, bez ohľadu na
veľkosť nemôže udržať reťazovú reakciu, lebo len urán-235 je ľahko štiepitelný.
Pravdepodobnosť, že štiepenie neutrónu s počiatočnou energiou 1 MeV bude indukovať
štiepenie je veľmi malá, ale môže byť zvýšená stonásobne, ak dôjde k spomaleniu
neutrónu cez série elastických zrážok z ľahkými jadrami, ako sú napríklad vodík,
deuterón, alebo uhlík. Tento fakt je dôležitý pri výrobe praktických energiu produkujúcich
štiepnych reaktorov. V decembri 1942 sa na univerzite v Chicagu podarilo talianskemu
fyzikovi Enricovi Fermimu, vytvoriť prvú reťazovú reakciu vôbec. Bola založená
na využití prírodného kusa uránu rozloženého vnútri čistého grafitu. Vo Fermiho
laboratórnom reaktore, grafitový regulátor poslúžil ako spomaľovač neutrónov.
Nukleárne reaktory
Prvé rozsiahle nukleárne reaktory boli postavené v roku 1944 v Hanforde vo Washingtone,
na produkciu nukleárnych zbraní. Palivom bola prírodná uránová ruda a moderátorom,
grafit. Plutónium bolo v týchto továrňach vyrobené neutrónovou absorpciou v uráne-238,
energia, ktorá tým vznikala nebola využitá.
Ľahké a Ťažké vodné reaktory.
Rôznorodé typy reaktorov, charakterizovaných typom paliva, moderátorom a chladiacou
látkou boli postavené po celom svete na produkciu elektrickej energie. V Spojených
Štátoch Amerických, z niekoľkými výnimkami, reaktory využívajú nukleárne palivo
vo forme uránového oxidu izotopicky obohateného o 3 percentný urán-235. Moderátor
a chladič sú veľmi čisté látky, najbežnejšie voda. Reaktor takéhoto typu je označovaný
ako ľahký vodný reaktor /LWR/. V tlakovom vodnom reaktore, ktorý je verziou ľahkého
vodného reaktora, vodný chladič pôsobí pri tlaku asi 150 atmosfér. Voda je potom
pumpovaná cez jadro reaktora kde dosahuje teplotu 325 0C. Super horúca voda je
ďalej pumpovaná cez parný generátor, kde pri tepelných výmenách, kde druhý prúd
vody je zohrievaný a mení sa na paru. Táto para poháňa jednu alebo viaceré turbíny,
potom sa zahusťuje a pumpuje späť do parného generátora.
Druhý prúd vody je izolovaný od reaktorového jadra a preto nie je rádioaktívny.
Tretí prúd vody z jazera, rieky, alebo chladiacej veže sa využíva na kondenzáciu
pary. Reaktorová tlaková nádoba je 15 m vysoká s 5 m priemerom, z hrúbkou stien
25 cm. Jadro obsahuje 82 t uránového oxidu obsiahnutého v tenkých korózii odolných
tubách, založených v palivových zväzkoch. Vo vrúcom vodnom reaktore /BWR/, druhý
typ LWR , vodný chladič môže vrieť vo vnútri jadra pri menšom tlaku. Para, ktorá
sa tvorí v reaktorovej tlakovej nádobe prúdi priamo do turbíny, tam sa kondenzuje,
a potom pumpuje späť do reaktora. Hoci je para rádioaktívna, nedochádza k stretu
tepelného výmencu medzi reaktorom a turbínou, a tým k zníženiu výkonnosti. Tak
ako pri PWR, kondenzor chladiaci vodu má vlastný zdroj, ako napríklad jazero alebo
rieka.
Počas práce, ale aj po vypnutí, veľký 1000 megawatový (MW) reaktor ostáva rádioaktívny.
Radiácia vyžarovaná počas práce reaktora a zo štiepnych produktov po vypnutí,
je absorbovaná v tenkých betónových štítoch okolo reaktora a primárneho chladiaceho
systému. Ostatné bezpečnostné znaky obsahujú záchranné jadro, chladiace jadro
pre prípad prehriatia a vo väčšine krajín aj veľkú betónovú alebo oceľovú budovu,
aby sa prípadný rádioaktívny únik nemohol dostať ďalej.
Reaktorový pohon
Nukleárne sústavy podobné PWR sú využívané na pohon veľkých vodných plavidlách,
akým je aj lietadlová loď USS Nimitz. Základná technológia PWR systému bola po
prvý krát vyvinutá v US námornom reaktorovom programe pod vedením admirála Hymana
G. Rickovera. Reaktory pre pohon ponoriek sú obyčajne menšie a využívajú vysoko
obsažný urán, aby využívali celé jadro. USA, Veľká Británia, Francúzsko a Rusko,
všetky tieto štáty majú ponorky s takýmto pohonom. Tri experimentálne vodné nákladné
plavidlá využívali určitý čas US, Nemecko a Japonsko. Hoci boli technicky uspokojivé,
ekonomické podmienky a obmedzujúce regulácie prístavov urobili koniec pokusom
o vytvorenie nákladnej vodnej dopravy na nukleárny pohon. Bývalý Sovietsky zväz
postavil prvého ľadoborca, Lenina na nukleárny pohon, ktorý čistil vodné trasy
v Arktickom mori.
Jadrové zbrane
Každá nukl. reťazová reakcia sa začína tým, že neutróny štiepia po náraze ďalšie
atómové jadrá. Z rozštiepeného jadra sa opäť uvolnia neutróny. Pretože každý voľný
neutrón nenarazí do jadra, reťazová reakcia nemusí pokračovať. Na priebeh reťazovej
reakcie musí byť objem rádioaktívne štiepateľného materiálu taký, aby neutrón
mohol pôsobiť na ďalšie atómové jadrá.
Minimálne množstvo potrebné na udržanie reťazovej reakcie sa nazýva kritický objem,
ktorý sa potom odpáli pomocou výbušniny. Potom je už priebeh jadrovej reakcie
explozívny. Pri tom sa uvolní veľké množstvo energie. Hirošimská bomba uvolnila
23,2 mil. KWh energie pri teplote 14 mil. °C.
16.júla 1945 vyrobili prvú atómovú bombu a už 6-9. augusta 1945 bola zhodená na
Hirošimu a Nagasaki.
Podmienky na výrobu atómovej bomby sú náročnejšie ako na vybudovanie jadrového
reaktora. Kým prvý jadrový reaktor v Chicagu sa zaobišiel bez štiepateľného uránu
235, v atómovej bombe musí byť jeho podiel omnoho väčší. Prírodný urán však obsahuje
99,8% neštiepateľného uránu 238, a len 0,7% uránu 235. Ak by sa bomba mala vyrobiť
z uránu 238, muselo by byť jeho množstvo také obrovské, že by sa bomba nedala
dopraviť na miesto použitia. V súčasnosti sa jadroví fyzici snažia vyrobiť metódu
na získavanie dostatočného množstva uránu 235.
Účinky 20-kilotonovej atómovej bomby hirošimského typu: uvoľnená energia sa rozdeľuje
na tri druhy -asi 35% tvorí tepelné žiarenie, 50% tvorí energia tlakovej vlny
a zvyšných 15% tvoria rôzne druhy rádioaktívneho žiarenia. Každá s týchto energií
má však rozdielne ničivé účinky. Teplý účinok vychádza najskôr zo svetelného záblesku
a trvá asi 10 s. Za tento čas roztaví v okruhu 1km všetky kovové predmety. Nukleárne
žiarenie sa rozdeľuje na uvoľnené primárne a sekundárne, ktoré pochádza zo zamorených
materiálov. Ani primárne ani sekundárne rádioaktívne žiarenie nepoškodzuje neživé
predmety, živé organizmy však zabíja. Tlaková vlna po explózii pôsobí asi 30 sek.
a zničí ľahšie stavby až do vzdialenosti asi 3 km od epicentra výbuchu.
Zachytené nukleárne nehody
Oct. 7, 1957- Požiar v plutóniovom reaktore v Liverpoole, došlo k uvolneniu rádioakt.
mater. do prostredia. Britská vláda uviedla, že roku 1983 zomrelo 93 ľudí na rakovinu
ako následok.
1957- Chem. explózia v Kazli, Russia. Nádrže obsahujúce nukl. odpad, rozšírili
rádioaktívny materiál a zapríčinili evakuáciu obyvateľstva.
Oct. 5, 1966- Sodný chladiaci systém spôsobil roztavenie jadra pri Detroite. Došlo
k radiácii.
Jan. 21, 1969- V experimentálnom podzemnom reaktore v Švajčiarsku došlo k radiácii.
Bola uzatvorená celá podzemná jaskyňa.
Mar. 22, 1975- Technická kontrola vzdušného úniku so zapálenou sviečkou spôsobila
100 mil. dolárový požiar v Alabame.
Mar. 28, 1979- Najhoršia komerčná nukleárna nehoda v US bola spôsobená nespoľahlivým
vybavením a chybami ľudí. Došlo k roztaveniu jadra reaktora v Pennsylvánii.
Feb. 11, 1981- Osem pracovníkov bolo kontaminovaných, keď 100,000 galónov rádioaktív.
chladiča uniklo v Tennessee.
Apr. 25, 1981- Okolo 100 pracovníkov bolo vystavených žiareniu počas opráv na
nukl. továrni v Japonsku.
Apr. 26, 1986- Najhoršia katastrofa v dejinách nukl. priemyslu. Výbuchy a požiare
spôsobené neautorizovaným experimentom v Černobyle mali za následok najmenej 31
na mieste mŕtvych. Rádioaktívny materiál sa rozšíril po celej Európe a dodnes
ešte spôsobuje ochorenia a ďalej zabíja.
Nukleárne palivá a odpad
Hazardné palivá použité v nukleárnych reaktoroch predstavujú problém po ich využití.
To je hlavná pravda o použitých palivách, ktoré musia byť uložené nejakým spôsobom.
Palivový cyklus. Hocijaká elektriku produkujúca továreň je len časťou celého energického
cyklu. Uránový palivový cyklus, využívaný pri LWR systéme dominuje v celosvetovej
produkcii a obsahuje množstvo krokov. Urán sa ťaží aj povrchovo, aj pod zemou.
Ruda, jej elementárna forma sa potom mení na uránový hexafloridový plyn (UF6).
V izotopom obohatenej sústave, plyn je tlačený proti pórovitej bariére, ktorá
prepúšťa ľahší urán-235. Tento proces obohatí urán asi o 3 percentá uránu-235.
Takto obohatení produkt sa posiela do palivových tovární, kde UF6 plyn sa mení
na uránový oxid vo forme prášku. Ten sa plní do keramických nádob, ktoré potom
chráni proti korózna vrstva. Nakoniec sa pripravené posielajú do reaktorov.
Použité palivo stále ešte obsahuje takmer pôvodné množstvo uránu-238, tretinu
uránu-235 a časť plutónia-239, ktorý sa tvorí v reaktore. V prípade, kde sa použité
palivo posiela na stálu skládku, žiadny potenciálny energický obsah sa už nevyužije.
Ak sa však použitý urán recykluje cez difúzny systém, môže sa znova získané plutónium-239
použiť namiesto časti uránu-235 v nových palivových elementoch. K spätnému využitiu
plutónia v US nedochádza z dôvodu jeho možného využitia ilegálne na výrobu zbraní.
Použitá literatúra :
World Almanac, 1995
Funk and Wagnalls New Encyklopedia, 1995
K. Biermann, F. Hanus- Kronika ľudstva, 1992
K. Biermann, F. Hanus- Kronika techniky, 1993
Internet