Ogenj, ki ga je po grški mitologiji Prometej ukradel bogovom in prinesel na zemljo, je za človeštvo večni izziv. Ukročen v kaminu nas prijetno greje, v železarni stali jeklo, preko turbine poganja električne generatorje. Podivjan pa je v zgodovini uničil veliko rezultatov človekovega dela.
V nuklearnih reaktorjih imamo opraviti s posebno vrsto jedrskega »ognja«, ki ga ni mogoče prižgati s kresilnim kamnom ali vžigalico, a na drugi strani zanj ni potreben kisik (zrak).
Jedrsko gorivo
Domovina jedrskega ognja so zvezde, med njimi tudi naše sonce, ki nam pošilja toploto in osvetljuje naše dni. Jedrski reaktorji so v primerjavi z njim le male človekove igračke. Kljub temu pa v njih potekajo, prav tako kot v zvezdah, procesi med delci, jedri in nevtroni, ki se skrivajo v notranjosti atomov, med tem, ko se pri navadnem gorenju vse dogaja med elektroni na površinah atomov (ogljika in kisika pri gorenju oglja, in še vodika, pri gorenju drv).
»Jedrski ogenj« je bilo v resnici treba ukrasti bogovom. In to ne v eni potezi, ampak v več stoletnem raziskovanju. Še več: med tem, ko je gorivo za navadni ogenj široko na razpolago in je največji problem morda kresilni kamen, pa je jedrsko gorivo, uran, v zemeljski skorji zelo razpršeno. Ni torej dovolj, da ga izkopljemo, kot premog, ampak je do gorilnih palic v reaktorju še zelo dolga pot. Poleg tega, za gorivo ni uporaben navadni uran, ampak samo njegov različek (izotop) uran 235, ki ga je v naravnem uranu le 0,72 %. Za njegovo ločitev od ostalega urana je treba uporabiti zelo zapletene postopke, ki jim je celo današnja tehnologija stežka kos. K sreči bi bil 100 % uran 235 za reaktor prenevaren, zato ga v gorivu za jedrske reaktorje obogatijo le na nekaj % (obogatenega na okrog 100% uporabljajo le v atomskih bombah).
Razcep urana sprožajo nevtroni
In kako uran gori? Prav za prav ne gori. V reaktorju uranova 235 jedra (sredico) izpostavimo nevtronom, ki so nanje »požrešna«. Ko jih za tem »napenja«, se z veliko hitrostjo (kinetično energijo) razletijo (razcepijo), največkrat na dva dela. Nevtroni so električno nevtralni delci in so za cepitev urana tem bolj učinkoviti, čim bolj so počasni. Najpogosteje jih upočasnijo z vodo, ki obdaja sredico. Razleteli delci se zaustavijo v bližnji okolici in vodo močno segrejejo ter uparijo. Preko turbin njeno energijo prenesejo na električne generatorje, ki napajajo električna omrežja.
Od kod nevtroni?
Od kod pa naenkrat nevtroni? Za začetek delovanja reaktorja (kot »vžigalico«) uporabimo umetni izvor nevtronov, ki je lahko mešanica radioaktivnega radija, ki, poleg ostalega, seva delce alfa, in lahkega berilija, iz katerega delci alfa izbijajo nevtrone. V reaktorju uranske gorilne palice izpostavimo takemu nevtronskemu izvoru. Na srečo se pri cepitvi urana, ki jo sprožajo ti nevtroni, sprostijo tudi novi nevtroni, in tako pri ustrezni izvedbi reaktorja, cepitev lahko vzdržuje sama sebe. Tako smo torej prišli do trajnega nuklearnega ognja.
Delovanje energijskega reaktorja
Reaktorska posoda v jedrski elektrarni je kot velik ekonom lonec, premera več metrov, ki ima v notranjosti gorilno sredico. Za začetek obratovanja je na primernem mestu nameščen opisani nevtronski izvor (vžigalica). “Lonec” je napolnjen z vodo, ki vre, para pa je speljana po ceveh naravnost ali preko toplotnega izmenjevalca, na turbine. Za hitro ugasnitev reaktorja so pod stropom posode pripravljene palice iz kadmija, ki je tudi strasten požiralec nevtronov, vendar brez cepitve. Ob potresnih sunkih posebni senzorji spustijo kadmijeve palice med gorivo in reaktor se v hipu ustavi. Vendar pa s tem zgodba ni končana. Od prejšnjega razpadanja ostane namreč radioaktivna snov. Lahko bi ji rekli »radioaktivna žerjavica« ki pa ni mačji kašelj, saj je tako močna, da brez hlajenja, lahko povzroči eksplozijo reaktorja. Konstruktorji za tak primer predvidijo posebno hlajenje in posebne hladilne cevi. Pri potresih velja glavna skrb prav temu hlajenju. Če ostane hladilni sistem nepoškodovan, reaktor potres preživi. Tako potres na Japonskem z močjo 7,5 po Richterju, leta 1994 ni vplival na japonsko jedrsko proizvodnjo električne energije. Ob letošnjem potresu z močjo 9 stopnje pa se je samodejno ustavilo 11 reaktorjev od 55-tih. Zaradi cunamija, ki je potresu sledil pa je pri šestih hladilni sistem odpovedal. Posledice so bile eksplozije reaktorskih posod in izpust radioaktivnosti v zrak. Kakšna bo nadaljnja prihodnost pa je težko predvideti.
Opombi:
– V enem od poškodovanih japonskih reaktorjev kot cepilno snov, namesto urana 235, uporabljajo umetno proizveden izotop plutonij, ki je med najbolj strupenimi snovmi, kar jih poznamo. Po pravilu ga uporabljajo za nuklearne bombe.
– Opis velja v glavnem za energijske reaktorje, pa še to ne za prav vse. Pri nekaterih kot upočasnjevalec uporabljajo grafit.
Foto: Wikipedia
