ENERGIJA

Mrs Jozef Baruhović

Korišćenje rizične strukture

Najmanja čestica a najveća opasnost

Proizvodnja nuklearne energije za mirnodopske i vojne svrhe podrazumeva oslobađanje velikih količina toplote procesima nuklearne fisije i nuklearne fusije. Ta energija smeštena je u do sada najpoznatijem sićušnom delu materije - atomu. Upotreba nuklearne energije je višestruka. Koristi se za proizvodnju električne energije u nuklearnim elektranama, za pokretanje nadvodnih i podvodnih plovila, za industrijske procese, za proizvodnju izotopa (atomi istog elementa koji imaju različite nuklearne mase), za daljinsko grejanje, za desalinizaciju morske vode, kao raketno gorivo, za proizvodnju atomskog oružja

U svetu se vode oštre diskusije o nuklearnoj energiji. Zagovornici korišćenja   nuklearne energije tvrde da ova energija čuva čovekovu sredinu od gasova koji stvaraju efekat staklene bašte i ističu da je nuklearna energija bezbednija sa novim tipovima nuklearnih reaktora “četvrte generacije”. Oni su izvor energije za duži vremenski period.
Nuklearna energija je stalna i oslobađa neke zemlje zavisnosti  od uvoza fosilnih energenata. Protivnici upotrebe nuklerane energije tvrde da ona predstavlja opasnost za čovečanstvo. Njena obrada, transport i skladištenje u slučaju incidenta predstavljaju opasnost za okolinu. Posebno se naglašavaju problemi skladistenja radioaktivnog otpada iz nuklearnih elektrana. Prema navodima IEA (Internacionalna agencija za energiju) tokom 2017. u pogonu su bila 47 nuklearna reaktora.

Istorija

Atomski fizičar Džejms Čedvik (James Chadwik) je 1932. otkrio neutron (atomska čestica bez električnog naboja, za razliku od protona sa pozitivnim električnim nabojem i elektrona sa negativnim elektičnim nabojem). Iste godine, fizičar Ernest Ruhterdorf otkrio je da neutron dobijen iz akceleratora, u sudaru sa jezgrom atoma litijuma, izaziva njegovo cepanje, pri čemu se oslobađa velika količina energije - u skladi sa Ajnštajnovom formulom po kojoj je oslobođena energija jednaka masi pomnoženoj kvadratom brzine svetlosti (E = mc2). Godine 1938. Oto Han (Otto Hahn) i saradnici obavljali su oglede sa neutronima koji su bombardovali uran i utvrdili da neutron dovodi do cepanja jezgra urana na dva skoro jednaka dela. Proces cepanja jezgra urana nazvan je “fisija“.
Mađarski atomski fizičar Žilard (Szilard) otkrio je da je proces cepanja (fisija) samoodrživ, tj. neutron koji je razbio jezgro urana izaziva dalje stvaranje neutrona koji nastavljaju proces cepanja (fisija). To je i eksperimentalno potvrđeno. Tokom 1939. većina naučnika u Evropi i SAD započeli su dalja proučavanje i primenu fisije, što je na kraju dovelo do projekta “Manhatan” u SAD i radova na razvoju nuklearnog oruzja. Atomski naučnici Fermi i Žilard, koji su emigrirali iz Nemačke, priključili su se tajnom vojnom projektu obogaćivanja urana i dobijanja plutonijuma kao eksploziva za prvu atomsku bombu.

Nuklearni reaktor i lančana reakcija

Proces nuklearne lančane reakcije je samoodrživ, sa tendencijim da se proces otme kontroli. U nuklearnim reaktorima, ključnoj opremi svakog nuklearnog postrojenja, vrši se lančana rekcija, tj. cepanje jezgra urana (uran 235) i, istovremeno, kontrola samog procesa fisije. Pri tome se oslobađaju velike količine toplote. Jedan kg urana (U-235), kroz proces u nuklearnom reaktoru, ispušta energiju koja odgovara energiji tri hiljade tona uglja sagorelog na klasičan način u ložištu. U procesu fisije, oslobađa se termička i kinetička energija i ispuštaju gama-zraci i neutron, koji izazivaju dalje cepanje  jezgra, tj. lančanu reakciju.
Da bi lančana reakcija bila pod kontrolom, tj. usporena, koriste se moderatori, uređaji koji usporavaju lančanu reakciju. Za moderatore koriste se voda i čvrste grafitne šipke. Podizanjem i spuštanjem grafitnih šipki u posudu nuklearnog   reaktora reguliše se intenzitet lančane reakcije. Moderatori upijaju neutrone i tako  regulišu zamah lančane reakcije. U toku procesa fisije, potrebno je intenzivno hlađenje reaktora. To se obično izvodi cirkulacijom vode pod pritiskom. U prvom cirkulacionom krugu, voda u posudi nuklearnog reaktora je vrlo radioaktivna. U  prvom zatvorenom krugu, voda preuzima toplotu iz reaktorskog suda i prenosi je na drugi cirkulacioni krug, koji vise nije radioaktivan. U drugom cirkulacionom krugu stvara se para visokog pritiska koja pokreće turbine i elektro-generatore. Nuklearni reaktori obično imaju ugrađene uređaje za ručnu i za automatsku kontrolu procesa fisije i gašenje procesa u slučaju potrebe.  

Najmasovnija upotrebe nuklearne energije u mirnodopske svrhe je za proizvodnju električne energije. Danas svi nuklearni reaktori rade na principu fisije i koriste uran i plutonijum kao nuklearno gorivo. Većina nuklearnih reaktora hladi se vodom pod pritiskom, a manji broj ključalom vodom. Prva nuklearna elektrana za mirnodopsku upotrebu izgrađena je u Sovjetskom savezu, 1954, snage 5 MW.
Po broju nuklearnih elektrana, na prvom mestu su danas SAD sa preko 45 nuklearnih elektrana, a slede ih Francuska sa 18, Kina sa 15, Japan sa 13,  Rusija sa 12... U projektu je oko 150 nuklearnih elektrana kapaciteta oko 160.000 MWe, pretežno u azijskim zemljama. Procene su da će, do 2040, instalisana snaga  nuklearnih elektrana dostići vrednost od 720.000 MWe, što će predstavljati 15%  ukupno proizvedene električne energije u svetu.
Specifičnost nuklearnih elektrana je u tome što su velika početna ulaganja i relativno niske cene goriva. Prema izveštajima iz 2012, cena nuklearne energije bila je 96 USD/MWh, solarne 130 USD/MWh a prirodnog gasa 64 USD/ MWh. Procene su da će rude urana biti još sledećih 70-100 godina, pri sadašnjoj ceni od 130 USD/kg.

Nuklearna energija i energija iz obnovljivih izvora

Još uvek se pretežan deo električne energije dobija iz uglja. U ukupnoj svetskoj proizvodnji energije, ugalj učestvuje sa 40%, prirodni  gas sa 22,5%, hidro-energija sa 16,2%, nuklearna postrojenja sa 10,9 %, a iz obnovljivih izvora dolazi 5%.   
Obnovljivi izvori energije zahvataju velika površine zemljišta. Procene za 2026. su    da će solarna energija još uvek biti dvaput skuplja od nuklearne - 21 c/kWh prema 11,4 c /kWh . Za gas – 9,7 c/kWh. A nuklearna energija pokreće probleme transporta i odlaganja otpada, tj. troškovi traju i posle gašenja nuklearne elektrane, niz decenija.  
Zagovornici obnovljivih izvora energije navode da su vetar i sunce jeftiniji i bezbedniji u odnosu na nuklearnu energiju. Zagovornice nuklearne energije tvrde da obnovljivi izvori energije ne mogu da pokriju sve potrebe u energiji. Takođe, i da je kombinacija nuklearne, hidroenergije i prirodnog gasa finansijski povoljnija od obnovljivih izvora energije. I kod jednih i kod drugih ili nema ili u vrlo malim količinama dolazi do ispuštanja CO2 u atmosferu.
Upotreba obnovljivih izvora energije razvija se velikom brzinom, posebno u zemljama u razvoju. Studije pokazuju da je većinu energetskih potreba moguće zadovoljiti iz obnovljive energije.

Rizici: kvarovi, sabotaže, terorizam...

U  proteklom periodu, bilo je 99 udesa u nuklearnim elektranama, izuzimajuci udese na nuklearnim plovilima. Čak 57 udesa desili su se posle Černobilske katastrofe, 1986. koja je odnela 60 žrtava, uz procenu da će od raka, kao posledice zracenja, biti još 4000-10.000 žrtava.
Katastrofa u Fukušimi 2011. odneće na kraju oko 1000 žrtava. U udesu u SAD, na elektrani ”Tri milje” 1979. nije bilo ljudskih žrtava.
Brojne zemlje nemaju nuklearne reaktore i protive se uvođenju nuklearne energije. Na drugoj strani su zemlje koje svoju energetsku budućnost vide u nuklearnim elektranama. Prema podacima IEA, početkom 2014. u svetu su bila 72 nuklearna reaktora u izgradnji, dok Kina planira da svoj nuklearni kapacitet sa 17 GW u 2014. poveća na 58 GW do 2020.

Posle katastrofe u Fukušimi, vlasti  u Japanu zatvorile su 54 nuklearne elektrane.  Zbog visoko povećane radioaktivnosti, oko 160.000 stanovnika još uvek žive u privremenim skloništima. Raseljavanje tolikog broja ljudi ostavlja duboke društvene, socijalne i psihološke posledice. Čišćenje terena posle katastrofe trajaće još pola veka.
Nuklearne elektrane izložene su i opasnostima od  terorističkih napada grupa koje bi da preuzmu nuklearnu elektranu i ispuste radioaktivne materijale. Jedna komisija iz SAD utvrdila je da su teroristi, posle napada na kule bliznakinje u Njujorku, imali u planu napad na jednu nuklearnu elektranu, što bi za posledicu imalo veliko preseljenje stanovništva i brojne žrtve sa zdravstvenim posledicama.    
Ključni problem bezbednosti je da se umanji širenje korišćenja nuklearne energije. Jedna od mera za suzbijanje širenja je i partnerstvo u radu sa nuklearnim sirovinama. Na primer, Španiji se isporučuje nuklearno gorivo za njihove nuklearne elektrane u zamenu za odricanje od nacionalnih programa razvoja i obogaćivanja urana. Ova mera se odvija bez transfera tehnologije za obogaćivanje urana.
Sledeći cilj je da se, kroz program “Megatone ka megavatima”, smanji količina  visoko obogaćenog urana i time eliminiše oko 430 metričkih tona te vrste urana (ekvivalent od 17. 000 nuklearnih glava) razblaživanjem, tj. mešanjem sa prirodnim uranom koji se pretvara u nisko obogaćeni uran, pogodan  za komercijalne reaktore. Do aprila 2012. u svetu je 31 država raspolagala sa mirnodopskim nuklearnim reaktorima. Od njih, 9 su raspolagale sa nuklearnim oružjem.  

Nuklearna fusija

Tokom procesa nuklearne fusije, više atomskih jezgara spajaju se da bi stvorila teža atomska  jezgra. Pri procesu fusije, može se apsorbovati ili odavati nuklearna energija. Ako se proces fusije vrši sa atomima lakšim od atoma gvožđa, dolazi do odavanja  nuklearne energije; a ako se proces vrši sa atomima težim od atoma gvožđa, dolazi do apsorbovanja energije.
Proces ima sve izglede da bude bez radioaktivnog otpada. Još uvek ga je tehnički teško ostvariti u smislu izgradnje komecijalne nuklearne elektrane. Iako je rad na fuziji započeo 1950, još uvek se vrše teoretska i eksperimentalna proučavanja. Izgradnja prvog postrojenja za fuziju započela je 2007, ali je realizacija projekta stalno odlagana zbog tehničkih i finansijskih teškoća. Završetak tog postrojenja očekuje se 2027. Visoki zahtevi u odnosu na neprekidnu reakciju u odnosu na plazmu doveli su do produžetka projekta za nekoliko dekada.  
I fisija I fusija, kao pogonska goriva tokom kosmičkih letova dosta obećavaju.  Razlog je: daleko veća gustina energije. Gustina nuklearne energije je deset miliona puta veća u odnosu na klasična hemijska goriva koja se danas koriste za pogon raketa.

Mrs Jozef Baruhović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"