Atomo branduolys: žmonijos priešas ir draugas  (16)

„Atomas“, „atomo branduolys“... nuo kada žmonės žino šiuos žodžius ir ką iš tikrųjų jie reiškia? Jų atsiradimo istorija labai ilga ir paini, ji prasideda maždaug 450 metų prieš Kristų. Pirmasis pasaulyje branduolinis reaktorius atsirado Čikagos universiteto sporto salėje. Didelių energijos kiekių gavimas vykstant branduolinėms reakcijoms pirmiausia buvo panaudotas kariniams reikalams.

Tik didėjantis energijos poreikis pasaulyje privertė ieškoti „taikaus atomo“ panaudojimo galimybių. Šiandien mokslininkams tenka spręsti daugybę branduolinės pramonės keliamų mokslinių taikomųjų uždavinių.

Atomo branduolio istorija

Žodį „atomas“ pirmasis pavartojo senovės graikų filosofas Demokritas maždaug 450 metų prieš Kristų. Taip jis pavadino mažiausią medžiagos (materijos) dalelę, iki kurios galima susmulkinti bet kokį daiktą. Britų mokslininkas Johnas Daltonas 1808 metais dar aiškiau apibūdino atomą: tai sferiniai mažyčiai rutuliukai, iš kurių sudaryta materija. Tokios pažiūros į materijos sandarą išsilaikė labai ilgai, net iki XIX šimtmečio pabaigos.

Tyrinėjant įvairius elektrinius reiškinius, ypač – elektrolizės, XIX šimtmetyje buvo aptikta, kad egzistuoja ypatingas elektros krūvio diskretiškumas. Paaiškėjo, kad medžiagose yra ypač mažų dalelių, kurių elektros krūvis mažiausias (elementarus). Nuo 1897 metų žinomas „elektronas“, o jo atradėju pripažįstamas anglų fizikas Josephas Johnas Thomsonas, bet pavadinimą dalelei sugalvojo airių fizikas George‘as Johnstone‘as Stoney. Elektrono atradimas privertė suabejoti senąja atomo samprata.

Kadangi nesutrikdytos būsenos medžiagos neturi elektros krūvio, o elektrono krūvis yra neigiamas, vadinasi, atome turi būti ir teigiami krūviai, kurie sudaro atsvarą neigiamam elektronų krūviui. Į mokslo istoriją įrašyti šie atomo modeliai: 1904 metais – J. J. Thomsono „kekso su razinomis“ (teigiamą krūvį turintis rutuliukas, jo viduje – elektronai), 1910 metais – Ernesto Rutherfordo (Nobelio premija 1908-aisiais) planetinis (atomo centre mažytis branduolys, o aplink jį sukasi elektronai), 1913 metais – Nielso Bohro (Nobelio premija 1922-aisiais) kvantinis (elektronai juda tik stacionariose orbitose). Neabejojama tuo, kad atomo branduolį „atrado“ E. Rutherfordas. Tai ypač maža teigiamą elektros krūvį turinti dalelė atomo centre. Laikoma, kad atome yra 99,999999999 proc. „laisvos erdvės“. Branduolys užima tik 10 dvyliktuoju laipsniu atomo dalį. Degtuko galvutės dydžio branduolinės medžiagos gabalėlis svertų net 100 tūkstančių tonų! Nuo XX šimtmečio pradžios pasidarė aišku, kad atomo branduolys nėra vientisa dalelė, o sudarytas iš nukleonų – protonų (teigiamo krūvio dalelių) ir neutronų (elektros krūvio neturinčių dalelių). Daugelyje mokyklinio lygio vadovėlių atomo branduoliai vaizduojami tarsi ryšulėliai, sudaryti iš skirtingų spalvų rutuliukų – protonų ir neutronų.

Didieji fizikų atradimai

XIX šimtmečio pabaiga apvainikuota daugybe didžiųjų atradimų. Vokiečių fizikas Wilhelmas Roentgenas (Nobelio premija – pirmoji! – 1901 metais) atrado vėliau jo vardu pavadintus spindulius, prancūzas Henri Becquerelis (Nobelio premija 1903-iaisiais) – gamtinio (natūraliojo) radioaktyvumo reiškinį.

Įdomu tai, kad radioaktyvumas atrastas visiškai atsitiktinai. Urano druskos gabalas, padėtas ant stalelio, sugadino fotografines plokšteles, buvusias žemutiniame stalčiuje. Bet, detaliau apžiūrėjęs, Becquerelis suprato, kad dėmė išryškintoje fotografinėje plokštelėje yra rakto, buvusio viršutiniame stalčiuje, atvaizdas. Paaiškėjo, kad urano druska skleidžia ypatingus spindulius, gebančius sukelti fotocheminę reakciją.

Buvo atrasti ir kiti radioaktyvūs elementai. Po poros metų Marie (Nobelio premijos 1903 ir 1911 metais) ir Pierre‘as (Nobelio premija 1903-iaisiais) Curie iš rūdos išskyrė naują cheminį elementą radį, kuris nustebino visus mokslininkus, nes nuolat be jokios regimos priežasties generavo šilumą ir visai nelauktai virsdavo kitais elementais. 1905 metais Albertas Einsteinas (Nobelio premija 1921-aisiais) išnarpliojo neišsenkančios radžio energijos paslaptį.

Branduolių energija

Mažai kas tuomet tikėjo, kad atomų energiją kada nors būtų galima panaudoti. Įžymusis amerikiečių išradėjas Nicola Tesla kartą pasakė, kad atominės energijos paieškos jam atrodo dar beviltiškesnės nei pastangos sukurti amžinąjį variklį. Jo manymu, skaldant atomus visada reikėtų sunaudoti daugiau energijos, negu paskui būtų galima iš tokios reakcijos gauti. Žymus fizikas Robertas Millikanas (Nobelio premija 1923 metais) garsiai skelbė: „Nepanašu, kad žmogus kada nors galėtų panaudoti atomo galią“.

Metams bėgant fizikai sukaupė vis daugiau žinių apie atomų sandarą, bet tai, kaip reikėtų gaminti ir naudoti atomuose sukauptą energiją, nepasidarė aiškiau. 1938 metais du vokiečių fizikai Otto Hahnas (Nobelio premija 1944-aisiais) ir Fritzas Strassmanas aptiko urano atomų branduolių skilimą.

Uraną sudaro du pagrindiniai izotopai: 235U ir 238U. Mokslininkai atrado, kad tuomet, kai į 235U atomo branduolį pataiko neutronas, jis skyla į dvi dalis, o šio proceso metu išsiskiria didžiulis energijos kiekis. Dar daugiau, skylant branduoliui išsilaisvina nauji neutronai, galį skaldyti kitus atomus ir sukelti grandininę reakciją.

Išsiskyrusios energijos kiekis suyrant vienam branduoliui yra apie 400 milijonų kartų didesnis negu degimo metu oksiduojantis vienam anglies atomui, t. y. 1 g urano išlaisvina energiją, lygią sudeginant 2 tonas naftos arba 8 tonas anglies. Išsiskiria tiek daug energijos, kad ją jau galima naudoti elektros gamyboje arba kuriant atominę bombą.

A. Einšteinas laišku iškart perspėjo JAV prezidentą Frankliną Rooseveltą, kad nacių Vokietija gali pasigaminti nepaprastai galingas naujos rūšies bombas, ir pareiškė, kad tokius tyrimus būtina pradėti ir Amerikai. Prezidentas paklausė žymiojo fiziko ir skyrė nemažą finansavimą labai slaptam projektui „Manhattan“, skirtam urano sodrinimo ir branduolių skilimo tyrimui.

Pirmasis pasaulyje branduolinis reaktorius atsirado Čikagos universiteto sporto salėje. Reaktorius pradėtas bandyti vadovaujant Nobelio premijos (1938 metais) laureatui, italų fizikui Enrico Fermi. Lėtai buvo traukiami lauk kontrolės strypai, turėję pristabdyti branduolinę reakciją. Dėl viso pikto greta stovėjo laborantas su kirviu rankose, pasiruošęs bet kuriuo momentu nukirsti lyną, kuriuo kontrolės strypai buvo keliami. Nors atominės energijos tuomet tebuvo gauta labai mažai, galia siekė vos pusę vato (!), ši 1942 metų gruodžio 2 diena pateko į istoriją.

Pirmą kartą pavyko gauti grandininę branduolių skilimo reakciją. Ir tai padaryta milžinišku įrenginiu, kuriame panaudota 400 tonų grafito, 6 tonos metalinio urano, 58 tonos urano oksido. Minint pirmosios valdomos branduolinės reakcijos 25-metį 1967-aisiais Čikagos universitete buvo atidengta žymaus skulptoriaus Henry Moore‘o sukurta skulptūra „Branduolinė energija“ (Nuclear Energy). Iš panaudoto grafito (neradioaktyvaus!) buvo padaryti specialūs suvenyrai. Tokį suvenyrą, gautą Čikagos universitete, akademikas Algirdas Šileika padovanojo Fizikos muziejui.

Dar po trejų metų, 1945-aisiais, Naujosios Meksikos (JAV) dykumoje buvo susprogdinta pirmoji atominė bomba. Sprogimas sukūrė tiek energijos, kad plieno bokštas, kuriame bomba buvo įtaisyta, išgaravo, o dykumos slėnis aplink jį išsilydė. Nedaugelis iš sprogimą stebėjusių mokslininkų suprato, kad vos po mėnesio toks pat sprogimas sunaikins tūkstančius žmonių gyvybių.

Tuo metu JAV kariavo su Japonija ir prezidentui Harry Trumanui teko spręsti, panaudoti ar ne atominę bombą. Jo sprendimas pakeitė istoriją. Rugpjūčio 6 dieną bomba sprogo Hirosimoje, o dar po trijų dienų – Nagasakyje.

Atominė bomba tebuvo pirmasis iš naujo baisių ginklų arsenalo. Kitos kartos bombos – termobranduolinės arba vandenilinės – naudojo dviejų vandenilio atomų susijungimą į helio atomą. Nuo tada, kai 1952 metais JAV susprogdino pirmąją vandenilinę bombą, pasaulis ėmė vis daugiau nerimauti dėl šių bombų sukuriamos radioaktyvios aplinkos taršos. Galiausiai dauguma branduolinių valstybių pasirašė bombų bandymus draudžiančią sutartį.

Branduolių energija – žmogaus labui

Didelių energijos kiekių gavimas vykstant branduolinėms reakcijoms pirmiausia buvo panaudotas kariniams reikalams. Tik didėjantis energijos poreikis pasaulyje privertė ieškoti „taikaus atomo“ panaudojimo galimybių. 1956 metais Anglijoje buvo paleista pirmoji pasaulyje atominė elektrinė. Tuomet buvo prognozuojama, kad apie 2000-uosius tokios elektrinės gamins daugiau nei 50 proc. elektros energijos.

Tačiau šie pranašai neatsižvelgė į tai, kokių katastrofiškų padarinių gali turėti atominių elektrinių avarijos. Po didžiųjų avarijų Trijų Mylių salos (Three Mile Island, JAV) ir Černobylio (TSRS) atominėse elektrinėse, sukėlusių didelę ir visoms gyvybės rūšims pavojų keliančią radioaktyvią taršą, požiūris į branduolinę energetiką ėmė radikaliai keistis.

Dabar pasaulyje veikia 439 energetiniai branduoliniai reaktoriai, kurių suminė galia – 372 GW (milijardų vatų). Juose 2007 metais buvo pagaminta 2608 milijardai kilovatvalandžių (kWh) elektros energijos. Tai sudarė 16 proc. visos pasaulyje pagamintos elektros energijos, o reaktoriuose sunaudoto branduolinio kuro gamybai prireikė apie 65 000 tonų nesodrinto gamtinio urano.

Pasaulinis lyderis eksploatuojant branduolines jėgaines yra JAV – 104 reaktoriai 2007 metais pagamino 807 milijardus kWh elektros energijos. Tarp lyderių yra Prancūzija – 59 reaktoriai (433 milijardai kWh), Japonija – 55 reaktoriai (280 milijardų kWh). Lietuva 2007 metais Ignalinos atominėje elektrinėje, kurios vieno bloko su RBMK reaktoriumi galia – 1185 milijonų vatų, pagamino 9,1 milijardo kWh elektros energijos ir tai sudaro 64,4 proc. visos šalyje pagamintos elektros energijos. Tai vienas iš aukščiausių rodiklių pasaulyje, pagal jį mus lenkia tik Prancūzija.

Perspektyvos ir problemos

Tačiau tolesnė žmonijos pažanga ir intensyvi pramonės, žemės ūkio, transporto ir kitų gamybos sričių plėtra (ypač Kinijoje, Indijoje ir kitose besivystančiose šalyse) neatsiejama nuo augančių energetinių poreikių. Kita vertus, senka gamtinės naftos ir dujų atsargos, atmosferoje ir kituose aplinkos sanduose kaupiasi žalingi aplinkai ir žmogui degimo produktai. Pastaraisiais metais dėl besikaupiančių „šiltnaminių“ dujų (anglies dvideginio, sieros ir azoto oksidų ir t. t.) aiškiai matyti žalingi klimato atšilimo padariniai.

Šios aplinkybės privertė palankiau žiūrėti į branduolinę energetiką, kurios pagrindiniai privalumai – labai švari gamyba, mažos kuro sąnaudos ir maža elektros energijos gamybos savikaina. Naujausi moksliniai laimėjimai leidžia geriau įvertinti galimų avarijų scenarijus, tikimybes ir padarinius, numatyti priemones, kaip tokių įvykių išvengti.

Dėl naujų medžiagų, naudojamų branduolinėje energetikoje, ir naujų technologijų, diegiamų gaminant reaktorius, branduolinį kurą, kontrolės ir valdymo sistemų elementus ir įrenginius, ypač išaugo branduolinių jėgainių sauga ir patikimumas.

1950-1960 metais sukurti ir pastatyti reaktoriai priskiriami pirmajai kartai, o beveik visi šiuo metu pasaulyje veikiantieji yra antrosios reaktorių kartos. Pirmasis trečiosios kartos 1300 milijonų vatų galios reaktorius pradėjo veikti Japonijoje, Kašivazaki Kariva elektrinėje, 1996 metais. Tai verdančio vandens reaktorius ABWR (Advanced Boiling Water Reactor), sukurtas GE (General Electric).

Jo statybos kaina – apie 2000 JAV dolerių vienam kilovatui galios, elektros energijos savikaina sudarė tik apie 7 centus už kilovatą. Projektuojama veikimo trukmė – 60 metų.

Paminėtume ir AREVA (Prancūzija) bei „Siemens“ (Vokietija) sukurtą suslėgto vandens EPR (European Pressurised Water Reactor) reaktorių. Tai lengvo vandens nuo 1600 iki 1750 milijonų vatų galios reaktorius, pasižymintis aukšta kuro išdegimo geba ir 36 proc. šiluminio naudingumo koeficientu, numatytas 60 metų darbui. Vienas iš tokių reaktorių sumontuotas Suomijoje, statomoje Olkiluoto elektrinėje, jo kaina apie 3 milijardus eurų.

Trečiosios kartos branduoliniai reaktoriai yra pretendentai pasirenkant reaktorių naujajai Visagino atominei elektrinei. Ketvirtosios kartos reaktoriai – tai ateities reaktoriai, jų statyba numatoma po 2020 metų.

Šiuo metu pasaulyje statomi 35 reaktoriai, kurių suminė galia – apie 26 milijardus vatų. Daugiausia jų – Rusijoje (7 reaktoriai), Kinijoje (6), Indijoje (6). Iki 2020 metų Rusija planuoja pastatyti net 27 reaktorius, Indija – 30, Kinija – 40. Pagal reaktoriaus tipą populiariausi (net 26) suslėgto lengvojo vandens reaktoriai.

Naują termobranduolinės (lengvųjų branduolių jungimosi) energetikos erą pradės 500 milijonų vatų galios termobranduolinis ITER (International Thermonuclear Experimaental Reactor) reaktorius, pastatytas Kadaraše, Pietų Prancūzijoje (susitarimas pasirašytas 2006 metais, statyba truks apie 10 metų). Tai tarptautinis projektas, pademonstruosiantis termobranduolinės elektrinės galimybes.

Branduolinė energetika, kaip ir bet kuri kita pramonės šaka, neįmanoma be atliekų. Radioaktyviosios atliekos – tai panaudotas branduolinis kuras ir kitos medžiagos, užterštos radionuklidais arba turinčios jų savo sudėtyje, kai radionuklidų koncentracijos arba jų aktyvumas viršija nebekontroliuojamus (švarumo) lygius. Radioaktyviosios atliekos skleidžia jonizuojančiąją spinduliuotę, todėl turi būti tvarkomos taip, kad nekeltų grėsmės aplinkai ir žmonėms viso branduolinės energetikos ciklo metu.

Branduolinė energetika Lietuvoje

Lietuvoje šie principai įteisinti Lietuvos Respublikos radioaktyviųjų atliekų tvarkymo įstatymu, pagal kurį visa radioaktyviųjų atliekų tvarkymo sistema susideda iš aiškių technologinių grandžių, įgyvendinamų nuosekliai viena po kitos – nuo radioaktyviųjų atliekų susidarymo iki jų palaidojimo.

Dalis radioaktyviųjų atliekų gali būti išmetamos į aplinką (skystos, dujinės) arba laidojamos kaip neradioaktyvios, jei neviršija teisės aktais ir tarptautiniais susitarimais nustatytų nebekontroliuojamų lygių. Viršijus nebekontroliuojamus aktyvumo lygius, atliekos rūšiuojamos, apdorojamos arba perdirbamos ir paruošiamos laidojimui arba laikinam saugojimui.

Sudėtingiausia radioaktyviųjų atliekų saugojimo ir perdirbimo grandis yra panaudoto branduolinio kuro tvarkymas. Į šią sąvoką įeina pirminis kuro saugojimas (laukiant, kol suskils trumpaamžiai nuklidai), kuro perdirbimas, išskiriant transuraninius elementus, uraną bei ilgaamžius nuklidus, galutinis didelio aktyvumo ilgaamžių atliekų palaidojimas arba transmutacija intensyviame neutronų sraute.

Ne visos branduolinės valstybės įvaldė pramonines panaudoto branduolinio kuro perdirbimo technologijas. Didžiausi techniniai pajėgumai sukoncentruoti Selafildo panaudoto branduolinio kuro perdirbimo komplekse. Didžioji Britanija ir Prancūzija perdirba dalį belgų, vokiečių, šveicarų ir kitų šalių panaudoto branduolinio kuro.

Lietuvai atkūrus nepriklausomybę mūsų mokslininkams tenka spręsti daugybę branduolinės pramonės keliamų mokslinių taikomųjų uždavinių. Lietuvos energetikos institutas yra lyderis termohidraulikos, branduolinės saugos, avarijų analizės srityse, Fizikos institutas – neutronų fizikos, radioaktyviųjų atliekų tvarkymo, radiacinės saugos ir radioekologijos srityse.

Nuo 2008 metų, atsižvelgiant į branduolinės energetikos plėtrą pasaulyje ir Lietuvoje, Vilniaus universitete pradėtos studijos pagal naują pagrindinių studijų (bakalauro) 4 metų trukmės programą „Branduolinės energetikos fizika“.

Šios programos tikslas – parengti aukštos kvalifikacijos branduolinės energetikos fizikos specialistus ir suteikti būtinų universitetiniam išsilavinimui socialinių bei humanitarinių mokslų žinių. Studentai, baigę studijas pagal šią programą, įgis fizikos bakalauro akademinį laipsnį, dalis iš jų galės toliau tęsti studijas pagal specializuotas magistrantūros programas tiek Lietuvoje, tiek užsienyje, o po jų – studijuoti doktorantūroje.

Vilniaus universiteto kartu su Fizikos institutu parengti fizikai bus įsisavinę kryptingą fizikinį mastymo būdą, gerai susipažinę su branduolinės energetikos fizikos pagrindais, turės reikiamus praktinių problemų sprendimo įgūdžius, reikalingus darbui naujoje branduolinėje elektrinėje ir branduolinės energetikos infrastruktūros institucijose.

Pastačius Lietuvoje naująją atominę elektrinę tokių specialistų poreikis bus milžiniškas. Didesnio skaičiaus tokios kvalifikacijos specialistų atsiradimas Lietuvoje ne tik didins jos intelektinį ir ekonominį potencialą, bet kartu leis akumuliuoti pažangiausias žinias ir kelti konkurencingumą tarptautiniu mastu.

Spectrum

Aut. teisės: Žurnalas "Spectrum"
Žurnalas
Autoriai: Liudvikas Kimtys (Prof. habil. dr.)

(3)
(0)
(3)

Komentarai (16)