KELL-E FÉLNÜNK A NUKLEÁRIS ENERGIÁTÓL?

I. BEVEZETÉS

Manapság a nukleáris energia - vagy elterjedtebb nevén atomenergia - emlegetése az emberekben rossz érzést kelt, és sokan azonnal Csernobilra asszociálnak. Valóban ennyire veszélyes az atomenergia? Miért és mitöl kell félnünk? Jelen elöadás azzal igyekszik eloszlatni ezt a félelmet, hogy röviden áttekinti, mi is a nukleáris energia valójában, mely tulajdonságai különböztetik meg (ha egyáltalán) a többi energiafajtától, és létezhet-e modern társadalom atomenergia nélkül. Az alapvetö ismeretek birtokában mindenki képes lehet felmérni a nukleáris energia felhasználásának elönyeit és kockázatát, a misztikus félelmet így felválthatja a racionális mérlegelés. 

1. Mi az energia?

A hétköznapi beszéd fordulataiban gyakran szerepel az energia szó valamilyen kapcsolatban. A fiatalok energikusak, valaki nagy energiával lát neki a munkának, vagy telve van energiával. A szóhasználat jelzi, hogy az emberek ösztönösen tudják, mi az energia, amelyben sajnos nem mindig bövelkedünk.

Itt kell megjegyezni, hogy az "alternatív gyógyászat" is kiterjedten használja - föleg szimbolikus értelemben - az energia szót (pl. bioenergia), továbbá sokat beszélnek káros, negatív energiáról is. Ez az energiafogalom az "életerö" valamiféle új megfogalmazása, egyértelmü definíció hiányában azonban az eredmény csak a posztmodern gondolkodásra jellemzö szemantikai zürzavar.

A fizika pontosan fogalmaz: "Az energia anyagi rendszerek munkavégzö képességének mértéke. SI-mértékegysége a joule (J)".

2. Az energia fajtái, egymásba való átalakulásuk, az energia megmaradásának elve

Az energiának számos ismert fajtája van, a mozgással a mozgási (kinetikus) energiát asszociáljuk; egy erötérben, mint például Földünk gravitációs erötere, a test helyzetéböl adódóan helyzeti energiával is rendelkezik. A mechanikai energián kívül a hövel is társítható energia, amelynek megnyilvánulási formáival a hétköznapokban gyakran találkozunk. Közismert továbbá a kémiai, az elektromos és mágneses energia, valamint legújabban a nukleáris energia.

A különbözö energiafajták átalakulhatnak egymásba, az energia mennyisége azonban eközben semmiképpen nem növekedhet. Az energia megmaradásának elvét elöször Julius Robert Mayer mondta ki 1842-ben fizikai rendszerekre és biológiai jelenségekre. A tudomány fejlödése során aztán bebizonyosodott, hogy ez az elv jóval általánosabb érvényü, és valamennyi energia fajtára fennáll. A modern fizika, konkrétan Einstein ún. speciális relativitáselmélete ismerte fel a tömeg és az energia egyenértéküségének elvét, mely szerint a testek kölcsönhatásakor az energiaátadást mindig egy vele arányos tömegátadás kíséri. Más szavakkal megfogalmazva: a testek nyugalmi tömegéhez is tartozik energia, amelyet a sokat idézett Einstein-féle képlet, E=mc² , határoz meg. Ez az elv egyesíti a tömeg és az energia megmaradásának elvét a legáltalánosabb keretek között.

3. Miben különbözik a nukleáris energia a többi energiafajtától?

Elöször is némi pontosításra van szükség. A nukleáris energiát atomenergiaként szokás magyarra fordítani, valójában azonban az atom magjában rejlö energiára gondolunk. A természetben jelenlegi ismereteink szerint négy alapvetö kölcsönhatás létezik, a gravitációs kölcsönhatás, az elektromágnes 555d31f es kölcsönhatás, a gyenge kölcsönhatás, valamint az erös - vagy nukleáris - kölcsönhatás. Ez a felsorolás egyben erösségük sorrendjét is jelzi. A hagyományos, a hétköznapokból ismert mechanikai energia alapvetöen a gravitációval társítható.

Az atomok és molekulák szerkezetét, amiben a kémiai energia forrása rejlik, alapvetöen az elektromágneses kölcsönhatás (a töltések között ható Coulomb erö) szabja meg. A kémiai energia tehát lényegében az elektromágneses kölcsönhatás megnyilvánulása (ide sorolhatók továbbá az emberi testben lezajló biokémiai folyamatok, amelyek az életünk fenntartásához szükséges energiát szolgáltatják, másrészt a terroristák bombáit müködtetö folyamatok is.)

A nukleáris energiát annak mértéke különbözteti meg a többi energiafajtától, mivel felszabadítása minden eddiginél látványosabb és pusztítóbb hatásokat képes elérni. Az atomi és nukleáris kölcsönhatás között 5-6 nagyságrend különbség van. Az atomok mérete átlagosan 10^-8 cm, a centiméter százmilliomod része, míg az atommag sugara ennél százezerszer, egymilliószor kisebb. Az atomokban a külsö elektronok kötési energiája néhány, esetleg 10 elektronvolt (eV), míg az atommagoknál ez az érték millió elektronvoltokban (MeV) mérhetö. Ez az 5-6 nagyságrend a hatást tekintve alapos különbséget jelent. Egyes tankönyvek azzal a példával szokták ezt illusztrálni, hogy 1kg uránium-235 hasadásakor 18,7 millió kilowattóra energia szabadul fel hö alakjában. Ha a hagyományos energiaforrásokat vesszük alapul, az összehasonlítás ijesztö.

II. AZ ATOMMAG MINT A NUKLEÁRIS ENERGIA FORRÁSA

1. Az atommagok szerkezete és alkotórészeinek alapvetö kölcsönhatásai

Az atommagok fizikája a múlt század elsö negyedében született meg, amikor 1911-ben Rutherford kísérletekkel igazolta az atommag létezését, illetve amikor 1919-ben létrehozta az elsö mesterséges magreakciót. Az elméleti atommagfizika tudományáról pedig lényegében 1932-töl beszélhetünk, amikor Heisenberg egy úttörö cikkében az atommagok szerkezetének leírására a kvantummechanikát alkalmazta.

Az atommagok pozitív töltésü protonokból és semleges neutronokból állnak, amelyeket egységesen nukleonoknak szoktak nevezni. A nukleonok között erösen vonzó magerök hatnak - ezeket szokás erös kölcsönhatásnak is nevezni. A nukleonok között fellép még egy ún. gyenge kölcsönhatás is, amely lényegében a protonok és neutronok közti átalakulásokért és a radioaktivitás egyes fajtáiért felelös. A pozitív töltésü protonok között természetesen hat a taszító Coulomb kölcsönhatás is. Míg az erös és gyenge kölcsönhatás rövid hatótávolságú, a Coulomb kölcsönhatás a távolság négyzetével fordítottan arányosan csökken, tehát valójában hatótávolsága végtelen.

Az atommagok alapvetö jellemzöi az erös, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás tulajdonságainak ismeretében nagy pontossággal leírhatók - nincs szükségünk a nukleonok, már ismert, belsö szerkezetének figyelembevételére.

Az atommagban levö protonok Z száma - az atommag töltésszáma (rendszáma), valamint a neutronok N száma szabja meg az atommag A=N+Z tömegszámát. Az azonos töltésszámú, de különbözö tömegszámú atommagokat izotópoknak szokás nevezni, a körülöttük felépülö elektronburok által létrehozott atomok kémiai tulajdonságai azonosak.

Az atommagfizikában használatos energiaegység az elektronvolt egymillió-szorosa, rövidítése MeV; ez akkora energiának felel meg, amelyet egymillió voltos feszültségkülönbség befutásakor nyer az elektron.

Az atommagok jellemzö méretei a Fermi tiszteletére elnevezett fermi=10^-13 cm egységekben adhatók meg, és ez is a jellemzö méret. Az Einstein-féle E = mc² relációt felhasználva a magfizikában a tömegeket MeV egységekben is szokás megadni. Ennek megfelelöen az atommag két alapvetö építökövének, a neutronnak és a protonnak a tömege energia egységekben rendre: m_n = 939,55 MeV, m_p = 938,26 MeV.

A neutron tömege, így energiája is nagyobb a protonénál. Mivel a fizikai rendszerek mindig a legalacsonyabb energiájú állapot elérésére törekednek, a gyenge kölcsönhatás hatására a szabad neutron elbomlik protonra, elektronra és antineutrinóra:

Ezt a magreakciót nevezzük béta-bomlásnak. A szabad neutron béta-bomlásának felezési ideje 11 perc. Az atommagokban kötött neutron azonban stabil marad, ha maga az atommag is stabil a gyenge kölcsönhatások által indukált bomlási folyamatokkal szemben.

Az atommagok kísérletileg meghatározható tömege kisebb, mint a benne lévö protonok és neutronok együttes tömege. A kettö különbsége az ún. "tömegdefektus". Einstein híres egyenlete alapján a tömegdefektust c²-el szorozva megkapjuk az atommag kötési energiáját,

W(Z,A) = [ Z ∙ m_p + N ∙ m_n - M(Z,N)] ∙ c²

amely tehát mérésekkel meghatározható.

Az atommagok szerkezetének pontos elméleti leírása rendkívül nehéz feladat, ezért a föbb tulajdonságok magyarázatára több egyszerü modell is született. Az atommag ún. csepp-modelljét, amely az atommagokat egy összenyomhatatlan folyadékcsepphez hasonló tulajdonságokkal ruházza fel, elsöként George Gamow vetette fel 1935-ben, majd késöbb Niels Bohr általánosította a modellt az atommag-reakciók leírására 1938-ben. A késöbbiekben kiderült, hogy bizonyos proton- és neutronszámoknál (az ún. "mágikus számoknál", 2, 8, 28, 50, 82, 126) különösen stabilak az atommagok. Ezen a megfigyelésen alapul az atommag "héjmodellje". A különféle modellek tulajdonságainak, valamint a kísérleti eredményeknek az egybevetésével született meg az atommagok "félempirikus kötési energia formulája", amely elsösorban C. Weizsäcker nevéhez füzödik, és az atommag W(A,Z) kötési energiáját az A tömegszám és a Z töltésszám függvényeként elméleti megfontolásokkal határozza meg. Az így megszerkesztett egyenletben szereplö szabad paramétereket a kísérleti eredményekhez való illesztéssel határozzák meg. Innen ered a "félempirikus" jelzö.

Az atommagok tulajdonságairól jó áttekintést ad egyrészt a kötési energia felület W(A,Z) (3.ábra), valamint az egy nukleonra jutó kötési energia függése az atommag tömegszámától (4.ábra).

Az ábráról látható, hogy a kötési energia nem növekszik határtalanul, hanem "telítésbe megy" - ami a magerök rövid hatótávolságának a következménye. A legstabilabbak az A = 60 körüli tömegszámú atommagok, pl. a vas, míg a kötési energia csökken mind az alacsonyabb, mind pedig a magasabb tömegek tartományában. Ebböl azonnal kiolvasható, hogy mind a nehéz magok hasadása, mind pedig a könnyü magok fúziója (nukleáris) energiát szabadíthat fel.

A 266 stabil atommag mellett ma már több mint 500 radioaktív izotópot ismerünk, és ez a szám egyre növekszik a kísérleti technika rohamos fejlödésével.

2. Magreakciók

A magreakciók mesterségesen elöidézett atommag átalakulások, amelyek két atommag vagy nukleáris részecske ütközésének során jönnek létre. Az elsö atommag-reakciót Rutherford figyelte meg 1919-ben, amikor természetes radioaktiv forrásból származó alfa részecskékkel végzett kísérletet. Az elsö megfigyelt magreakció során a nitrogén atommagja oxigén atommaggá alakult át:

Általában egy magreakció kezdeti állapotából (a szakmai szóhasználat szerint bemenö csatornából) számos végállapot (kimenö csatorna) jöhet létre.

Az  folyamatot röviden a következöképpen jelölik: A(a,b)B; és az (a,b) kifejezés egyben egy reakciótípus jelölésére is használatos. A reakció kezdeti és végsö állapotában a részecskék kötési- és kinetikus energiájának összegét ( a tömegközépponti koordinátarendszerben) meghatározva a teljes energiának meg kell maradnia.

A reakció folyamán felszabaduló vagy elnyelt energia, a reakció ún. Q-értéke a fenti reakcióra például

Q = E_a + E_A - E_b - E_B

A Q-érték a kémiai reakcióhönek megfelelö magfizikai fogalom. A negatív Q értéket a reakció küszöbértékének is nevezik.

A magreakció σ_ab hatáskeresztmetszete az egy másodperc alatt bekövetkezö reakciók N_ab számának és a beesö részecskék S_a áramsürüségének aránya

σ_ab = N_ab/S_a

3. A maghasadás fizikája

A neutron és az atommagok erös kölcsönhatásának tanulmányozása során Enrico Fermi és munkatársai 1934-töl egy sor radioaktív elem keletkezését regisztrálták. Hasonló kísérleteket végzett Párizsban Irene Curie és Pavle Savic. Otto Hahn, Fritz Strassmann és Lise Meitner Berlinben már 1937-ben legalább kilenc radioaktív termék jelenlétét bizonyította, a gond ezeknek a reakciótermékeknek az azonosítása volt. A két kémikusnak, Hahnnak és Strassmannak sikerült a termékek között a báriumot azonosítani, amiröl 1939 januárjában számoltak be a Naturwissenschaft c. folyóiratban. Néhány héttel késöbb ezt követte a Nature hasábjain az idöközben Svédországba, ill. Angliába emigrált Lise Meitner és unokaöccse, Otto Frisch cikke, amelyben szintén az uránium szétbomlásával foglalkoztak. A "maghasadás" elnevezés valójában Lise Meitnertöl és unokaöccsétöl ered. Ennek az újfajta magreakciónak az azonosítása azonban alapvetöen Otto Hahn és munkatársa, Fritz Strassmann érdeme.

A maghasadásnál tehát az atommag két nehéz fragmentumra hasad szét, amelyek radioaktívak - ezért tovább bomlanak -, valamint további neutronok is keletkeznek.

A részletes számítások azt mutatják, hogy az atommag alakja gerjesztésekor megnyúlik, amihez energiára van szükség - más szóval az atommag egy bizonyos mértékig "ellenáll", ahogy ezt egy másfajta rugalmas közeg is teszi. Ez az ellenállás azonban egyszer csak megszünik, és a mag széthasadásának nincs többé akadálya. Ennek a hasadási gátnak (barrier) a következö szemléletes, de eléggé leegyszerüsített képe rajzolható meg:

Az ábrán G (ground state) jelzi az atommag alapállapotát, a megnyúlás függvényében pedig a kialakult nem egyensúlyi állapot energiáját. B (barrier) a hasadási gát magassága, S pedig az ún. szétszakadási (scission) pont. A hasadási gát magassága magról magra változik, és az adott mag hasadóképességére jellemzö, amely a Z²/A hányadossal van összefüggésben. Minél nagyobb ugyanis ez a hányados, annál alacsonyabb a hasadási gát magassága, annál nagyobb a hasadásra való hajlam. Deformált, tehát nem gömbszimmetrikus atommagok esetén a helyzet kissé bonyolultabb, a hasadási gát alakja akár két csúccsal is rendelkezhet ("kétpúpú" is lehet.). Ez azonban a megfontolásokat csak a részletekben módosítja. (Az érdeklödöknek javasolom az ajánlott irodalom jegyzékében szereplö könyvek tanulmányozását.)

Egy atommag hasadása csak egy folyamat elsö lépése, ugyanis a hasadási termékek tovább bomlanak.

Az eseménysorozat idöbeli lefolyását a fenti ábra szemlélteti. A hasadási termékek béta-bomlással további magokká alakulnak, azok esetleg magasan gerjesztett állapotban képzödnek, és egy neutron kibocsátásával szabadulnak meg fölös energiájuktól. Az így keletkezett neutronokat "késö neutronoknak" nevezik, ugyanis a hasadást követöen annyi idövel késöbben jelennek meg, mint az öket kibocsátó atommagokat létrehozó béta-bomló magállapot átlagos élettartama (felezési idö = 0.60 ∙ átlagos élettartam). Az alábbi példa egy tipikus bomlási sorozatot mutat be:

A maghasadás során jelentös energia szabadul fel, közel két nagyságrenddel nagyobb, mint az átlagos magreakciókban. A maghasadás energiamérlegét a következö táblázat illusztrálja:

A maghasadásnál felszabaduló energia megoszlása

U termikus neutronokkal történö hasadásakor

4. A hasadási láncreakció

A láncreakció fogalma a kémiában már régen ismeretes. Alapvetö és szükséges tulajdonsága, hogy a reakciót létrehozó egyik alkotóelemnek a reakció során újra kell termelödnie, így az újabb reakció kiváltására lesz képes. Ha ezek a reakciók elég gyorsan követik egymást, gyakorlatilag egy idöben zajlanak le, megfelelö anyagmennyiség esetén jelentös energia szabadulhat fel.

A nukleáris láncreakció gondolatát elöször Szilárd Leó vetette fel Londonban, és a nukleáris láncreakcióra vonatkozó elképzelését 1936-ban szabadalmaztatta is.

Szilárd ötletének alapja a ⁹Be(n, 2n) 2 ⁴He reakció volt. A négy protont tartalmazó berillium atommagnak csak a 9-es tömegszámú izotópja stabil. A 8-as tömegszámú izotóp, amelynek átlagos élettartama 10^-16 másodperc, ami magfizikai skálán ugyan nem annyira rövid, a gyakorlatban azonban azonnal szétesik két alfa részecskére - két hélium-4 atommagra. A reakciót kiváltó neutron a berilliumból kilök egy neutront, a maradék mag felbomlik, a neutron pedig újra termelödik. Megvannak tehát a láncreakciónak az alapfeltételei. A gyakorlatban azonban ez az ötlet nem vált be, a folyamat nem önfenntartó.

Amikor 1938-ban felfedezték a maghasadást, Szilárd azonnal felismerte a hasadáson alapuló nukleáris láncreakció óriási jelentöségét, s egyben az esetleges katonai alkalmazások borzalmas következményeit is. Azonnal megkereste a brit Admiralitást, és kérte, hogy a láncreakcióra vonatkozó korábban megkapott szabadalmát haladéktalanul titkosítsák annak lehetséges katonai alkalmazásai miatt. Az Egyesült Államokba kiutazva ezután figyelmét a láncreakció lehetöségének vizsgálatára összpontosította.

Szilárd Leó és Walter Henry Zinn mérte meg elsöként az uránium-235 hasadásánál keletkezö másodlagos neutronok átlagos számát - azokét a neutronokét, amelyek az elsödleges hasadás mellett azonnal keletkeznek. Az eredmény 2,3 0,3 neutron hasadásonként, vagyis az önfenntartó láncreakció megvalósításának megvannak a fizikai feltételei.

Az események további menete szinte mindenki számára jól ismert, Szilárd Leó, Wigner Jenö és Teller Ede látogatást tett Princetonban Einsteinnél, és meggyözte, fel kell hívnia az Egyesült Államok elnökének figyelmét annak veszélyére, hogy a németek atombombát állíthatnak elö. A küldetés sikerrel járt, Einstein megírta híres levelét Roosevelt elnöknek, aminek nyomán beindult az amerikai atomprogram.

Chicagóban Enrico Fermi vezetésével összeállt egy csapat, amelynek tagja volt Szilárd Leó és Wigner Jenö is. 1942. december 2-án a láncreakció önfenntartóvá vált, így Chicagóban beindult a világ elsö nukleáris reaktora, amely a CP1 (Chicago Pile 1) nevet viselte - innen ered a korabeli "atommáglya" kifejezés. A reaktorban Wigner Jenö tanácsára grafit moderátort használtak. Feltétlenül említést érdemel még, hogy a háború után Fermi és Szilárd Leó szabadalmat kapott az atomreaktorra.

Az elsö siker után az eröfeszítések az atombomba elöállítására összpontosultak, ami alapvetöen másfajta feladat, mint egy atomreaktor létrehozása. A bombánál a cél a neutron-sokszorozási tényezö minél magasabb értéken való tartása, hogy a láncreakció lefutása igen gyors legyen. Ehhez lényegében a másodlagos neutronokra van szükség, a "késö neutronoknak" ebben nem jut szerep. Fontos még a hasadóanyag mennyisége és geometriai formája. Ha az anyag mennyisége kicsi, a keletkezett neutronok nagy része elveszik, és nem indul be a láncreakció. Azt a legkisebb anyagmennyiséget, amelynél már megvalósul a láncreakció, kritikus tömegnek nevezik, aminek a kiszámítása nem triviális feladat. Mivel az uránium 238-as izotópja nem hasad, csak az igen ritka 235-ös izotóp, óriási eröfeszítéseket kellett tenni ennek az izotópnak a szeparálására. A Tennessee állambeli Oak Ridge-ben felállított létesítményben - a késöbbi Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumban - csak erre a feladatra koncentráltak. Idöközben megindult egy nagyteljesítményü grafit moderátoros és vízhütésü reaktor tervezése is. Ezt a reaktort a Washington állambeli Hanfordban építették meg, a kivitelezö a Dupont cég volt. A folyamatot Wigner Jenö felügyelte, akinek vegyészmérnöki képzettsége sok gondtól kímélte meg a kivitelezöket. Ebben a reaktorban plutóniumot állítottak elö, amelynek még az uránium-235-nél is nagyobb a hasadási hatáskeresztmetszete. Ez a 250 megawattos reaktor tette lehetövé, hogy létrejöjjön a második amerikai atombomba is. Bár az atombomba elkészítése az elvek egyszerüsége ellenére sem triviális feladat, a szabályozható kritikus rendszerek tervezése sokkal komolyabb fizikai és müszaki problémákat vet fel.

A háború után megalakult Oak Ridge Nemzeti Laboratórium igazgatója Wigner Jenö lett, míg a Chicago közelében létesített Argonne Nemzeti Laboratórium igazgatójává azt a Walter Henry Zinn fizikust nevezték ki, aki Szilárd Leó munkatársaként dolgozott az elsö reaktoron.

Néhány szó az atombomba megszületéséröl és a tudósok felelösségéröl

Az atomfegyverek különbözö fajtáiról rengeteg szó esett különféle fórumokon és szinte minden médiumban, ezért erre a témára itt nem érdemes idöt pazarolni. Vessünk inkább egy pillantást Új Mexikó állam térképére, mert ebben az államban született meg az atomfegyver, amely életünket olyan nagymértékben megváltoztatta.

Új Mexikó az ötödik legnagyobb szövetségi állam, három magyarországnyi területén csak kétmillió ember él. A piros pont jelzi Los Alamos helyét, amely az állam fövárosától, Santa Fé-töl 60 km, a legnagyobb várostól, Albuquerque-töl mintegy 160 km távolságra van. Albuquerque városában található az amerikai Légierö Kirtland Légibázisa, ennek a területén helyezkedik el a Nemzeti Atommúzeum (National Atomic Museum), ahol az érdeklödök láthatják az 1945. augusztus 6-án Hirosimára ledobott "Little Boy" becenevü atombomba másolatát, valamint a három nappal késöbb Nagasakira ledobott "Fat Man" becenevü plutónium bomba másolatát sok más mellett. Ugyancsak Albuquerque városában müködik a Sandia Nemzeti Laboratórium, amely az Energiaügyi Minisztérium felügyelete alatt nemzetbiztonsági kutatásokkal foglalkozik.

Az elsö kísérleti robbantás az Alamogordo városa közelében lévö sivatagban történt 1945. július 16-án. A helyszínt, az ún. "Trinity Site"-ot, pontosabban a robbanás keltette óriási krátert minden év októberében a nagyközönség is megtekintheti.
( Érdekesség, hogy mind Los Alamos, mind pedig Alamogordo nevében elöfordul a spanyol "alamo"  szó, amelynek a jelentése nyárfa. Így Los Alamos magyarított neve "Nyárfás" is lehetne, Alamogordo pedig szó szerint vastag nyárfa, a fa egyik változata.)

Az óriási cseppkö-barlangjáról híres, európaias hangzású Carlsbad kisváros közelében épült meg az Egyesült Államok egyik legnagyobb és legkorszerübb radioaktív hulladéktároló létesítménye 655 méter mélységben a föld alatt. (A kisváros eredeti neve Eddy volt, azonban - feltehetöen európai hatásra - 1899-ben nevét Carlsbadra változtatták.)

Térjünk azonban át egy jóval fontosabb kérdésre, amely Jéki László korábbi elöadásán elhangzott: felelösek-e a tudósok az atombombák okozta pusztításért és a nukleáris fenyegetettség érzéséért? Érdemes felvillantani néhány fontos és hiteles személy véleményét, köztük elsöként Otto Hahnét, aki a maghasadás jelenségét felfedezte.

A II. világháború végén a Németországba behatoló amerikai csapatok egy különleges egysége elfogta a német atomprogramban dolgozó atomtudósok egy részét, és rövid franciaországi tartózkodás után Angliába, a Cambridge közelében levö "Farm Hall" nevü udvarházba internálta öket a legnagyobb titokban. A ház minden helyiségében mikrofonokat rejtettek el, rögzítették a bennlakók minden szavát, és megfigyelték viselkedésüket. Az angol tudóskörök nyomására ezeket a lehallgatott beszélgetéseket, illetve a felügyelö tisztek valamennyi jelentését 1993-ban könyv alakban publikálták Farm Hall Transcripts címmel. Idézzük most az örszemélyzet vezetöje, T. H. Rittner örnagy 1945. augusztus 6-i jelentésének egy részletét:

"Augusztus 6-án röviddel vacsora elött informáltam Hahn professzort, hogy a BBC bejelentése szerint ledobtak egy atombombát. Hahn a hírtöl teljesen összetört, és azt mondta, személyes felelösséget érez több százezer ember haláláért, mivel az ö felfedezése tette lehetövé ezt a bombát. Elmondta, hogy amikor felismerte felfedezésének esetleges borzalmas következményeit, már akkor foglalkoztatta az öngyilkosság gondolata, és most, hogy ez valóban megtörtént, csak öt lehet hibáztatni. Jelentös mennyiségü alkohol segítségével sikerült azonban kissé megnyugtatni, és lementünk vacsorázni, ahol ö jelentette be a hírt a többieknek."

Szilárd Leó, aki szintén jelentös szerepet játszott az amerikai nukleáris programban, a következöket mondta a háború után néhány évvel: "Egyszer megkérdeztek, egyetértek-e azzal, hogy a tudósnak az a tragédia, ha felfedezését az emberiség pusztításra használja. Azt válaszoltam, hogy ez nem a tudós, hanem az emberiség tragédiája."

Az érzelmek lecsillapodása után Simonyi Károly a következöket írta A fizika kultúrtörténete c. monumentális müvében egy tudós nyugalmával és objektivitásával:

"Az a tény, hogy a XX. század fizikájának gyakorlati szempontból legnagyobb jelentöségü eredményei elsösorban a pusztítást szolgálják, felveti a tudomány, és itt konkrétebben a fizika, pontosabban a fizikusok felelösségét. Erröl a témáról számtalan cikk, könyv, regény, vers, tanulmány, színdarab, film jelent meg. Itt csak azt szeretnénk megjegyezni, hogy a fizikus ugyanolyan tagja a társadalomnak, mint bárki más, sem nagyobb, sem kisebb felelösséggel. A legtöbb ember odaadással és lelkesedéssel végzi munkáját, ez különösképpen áll az alkotó tevékenységre, és nagyon sokszor egyáltalán nem gondol arra, hogy mi lesz munkájának további következménye [...]

A fizikus tehát hajlandó volt, és valószínüleg a jövöben is hajlandó lesz beadványokat készíteni a kormányok számára minél hatékonyabb fegyverek gyártásának elömozdítására, ugyanakkor békeidöben szívesen vesz részt béke-konferenciákon."

Meg kell azonban jegyezni, hogy az amerikai tudósok jelentös része Szilárd Leó kezdeményezésére még az elsö atombomba ledobása elött fellépett a további katonai alkalmazások ellen.

III. ÚJ TUDOMÁNYTERÜLETEK: REAKTORFIZIKA ÉS NUKLEÁRIS TECHNOLÓGIA

1. Az új tudományterületek feladatai

A maghasadás fizikájáról kimondhatjuk, hogy nagyjában-egészében megértjük az alapvetö fizikai folyamatokat. Bár még bizonyára vannak tudásunkban hézagok, drámaian új fejleményre nem számítunk. Ezzel szemben a reaktorok fizikája és a berendezések konstrukciója terén még nyitottak a lehetöségek.

A reaktorfizika három alapvetö feladata:

a reaktor adott összetétele mellett meghatározni a rendszerben a neutronok térbeli, idöbeli, valamint sebességeloszlását

nyomon követni a reaktorban lejátszódó magreakciókat, vagyis megadni a reaktor összetételének a változását: a hasadóanyag fogyását, a plutónium és a hasadási termékek felhalmozódását stb., szakkifejezéssel élve: ellenörizni a reaktor-üzemanyag "kiégését".

módszereket kidolgozni a reaktor üzemvitele szempontjából fontos mennyiségek mérésére.

A felsorolt feladatok matematikai alapját a transzport-egyenlet (Boltzmann-egyenlet) képezi, amelynek megoldása a legnagyobb eröfeszítéseket és hatalmas számítástechnikai kapacitást igényel.

A reaktorok tervezésével kapcsolatos mérnöki munka ugyancsak nagyfokú kreativitást, új ötleteket kíván meg, amelyeket az ellenörzö reaktorfizikai számítások után lehet a gyakorlatba átvinni.

2. Az atomreaktorok alapvetö szerkezeti elemei

A szabályozott láncreakció legfontosabb tulajdonsága, hogy nem gyorsan megy végbe, hanem az általunk megszabott ütemben és energiatermelési feltételek mellett. Az elrendezés legfontosabb tulajdonsága az effektív neutron sokszorozási tényezö (k), amelynek értéke megszabja a rendszer viselkedését. Ha k = 1, akkor a rendszer stacionárius (kritikus), állandó energiatermelés folyik, ha k < 1, akkor a rendszer szubkritikus, a láncreakció leáll, míg k > 1 esetben a folyamat felgyorsul. Az alábbi ábra a reaktor egy általános sémája, amely a fö alkotóelemeket mutatja be.

A láncreakcióhoz természetesen hasadóanyagra van szükség, amely az elrendezésben rudak alakjában helyezkedik el. A hasadásnál keletkezö neutronok lassítására szolgál a moderátor, aminek az a feladata, hogy lelassítsa a gyorsneutronokat, így azok a sokszori ütközések révén sokkal nagyobb valószínüséggel képesek hasadást létrehozni. Az üzemanyagban felszabaduló höt a hütöközeggel vezetik el és villamos energiává alakítják.

3. A reaktorok típusai

Zéró reaktorok

Ezek a kritikus rendszerek gyakorlatilag nem termelnek energiát, hütésre nincs szükség, és a müködésnél sugárveszély sem lép fel. Elsödleges céljuk reaktorfizikai vizsgálatok végzése, és az elméleti modellek alkalmazhatóságának ellenörzése mérésekkel. A KFKI 1990-ig müködö ZR-6 kritikus rendszerével végzett kutatások az elmúlt évtizedekben nagymértékben hozzájárultak a hazai atomenergetika fejlödéséhez, és ahhoz, hogy a paksi atomerömü müködtetéséhez és fejlesztéséhez megfelelö tudás és szakembergárda álljon rendelkezésre. A ZR-6 müködése során nyert kísérleti eredmények után egyre jobban érdeklödik a tudományos világ. Az Egyesült Államok, Franciaország, India, Japán, Argentína és Spanyolország kutatói évek óta használják számítógépes programjaik tesztelésére. Az OECD most szervezi az elmúlt 50 évben végzett zéró reaktor kísérletek eredményeinek összegyüjtését és kritikai elemzését. Mielött a munka nagy léptékben beindulna, kér kísérletet választottak mintául, egy angolt és a ZR-6-ot.

Kutatóreaktorok

A kutatóreaktorok kettös célt szolgálnak: oktatásra használják öket, valamint neutronforrásként funkcionálnak egyéb tudományterületek, például az anyagtudomány számára. Hazánkban két kutatóreaktor müködik, a BME Nukleáris Technikai Intézetében egy tanreaktor, amely az oktatásban játszik fontos szerepet, valamint a KFKI AEKI 10MW teljesítményü reaktora, amely az anyagtudományi és szilárdtestfizikai kutatásokban játszik fontos szerepet, és a Budapest Neutron Center keretében külföldi felhasználóknak is rendelkezésére áll.

A kutatóreaktor köpenyét a reaktor magjáig megfúrva csatornák alakíthatók ki, amelyeken keresztül a hasadáskor keletkezö neutronok eltávozhatnak. Egy kutatóreaktornál több csatorna is létezik, így egyidejüleg többféle mérés is végezhetö. A kijövö neutronok sebességét (energiáját) megfelelö szelektorokkal lehet kiválasztani. Igen fontos megjegyezni, hogy ilyen csatornákat csak a kisteljesítményü kutatóreaktoroknál lehet kialakítani.

Atomerömüvek

Az atomerömüvek tervezésénél sok szempontot kell figyelembe venni, köztük a gazdaságosságot, a viszonylag egyszerü konstrukciót és a biztonságot. Az egyes típusok így az üzemanyag tulajdonságaiban, a moderátor anyagban és a hütés módjában különböznek egymástól.

A világon a legelterjedtebb az ún. nyomottvizes reaktor, amelynek moderátora és hütöközege egyaránt a könnyü víz (H₂O), amely nagy nyomás alatt még több száz fokon sem forr fel. Az üzemanyag általában alacsonyan (3-4 %) dúsított urán-dioxid, néha urán-plutónium-oxid keverék (ún. MOX). A nyomottvizes a legelterjedtebb reaktortípus: a világon jelenleg üzemelö atomreaktorok összteljesítményének mintegy 63,8 %-át adják. Ilyen a Pakson müködö VVER-440 típusú reaktor mindegyik blokkja.

A reaktorok egy másik típusa a forralóvizes reaktor, amelyben mind a moderátor, mind a hütöközeg szintén könnyüvíz. A konstrukció megengedi azonban, hogy a reaktortartályban a víz egy része elforrjon, így az aktív zónából víz-göz keverék lép ki. A termelt göz közvetlenül a turbinára kerül, ezért a vizet és a gözt szét kell választani (a gözben lévö vízcseppek károsítják a turbinát). Mivel a reaktorban megengedett a víz elforrása, a nyomás kisebb, mint a nyomottvizes reaktoroknál: kb. 60-70 bar. Az üzemanyag többnyire urán-oxid. A friss üzemanyag dúsítása általában kisebb, mint a nyomottvizes típusnál. Hatásfokuk 33-35 %. A világon ma müködö atomreaktorok összteljesítményének 22,5 %-át adják forralóvizes reaktorok.

Az erömüvi reaktorok egy része nehézvizet (D₂O) használ moderátornak és hütöközegnek egyaránt. Ennek a típusnak az a hátránya, hogy a nehézvíz igen drága. Ugyanakkor a nehézvíz a legjobb moderátor anyag és csak kis mértékben nyeli el a neutronokat, nem akadályozva ezzel a láncreakciót. Ezért itt az üzemanyag csak alig (1-2 %-ra) dúsított, vagy akár természetes urán is lehet. A nehézvizes típus fö képviselöje a kanadai CANDU reaktor, amely azért került kifejlesztésre, hogy a költséges urániumdúsítás feleslegessé váljon. A primer körben a nyomottvizes reaktorokhoz hasonlóan itt is nagy nyomás uralkodik. A nehézvizes reaktorok a világ mai atomerömü-összteljesítményének 5,3 %-át adják, az építés alatt levöknek pedig 13,2 %-át, tehát erösen elterjedöben vannak.

Az elözöekben ismertetett reaktortípusokban (ezek az ún. termikus reaktorok) a hasadások döntö többségét az U-235 képviseli, az U-238 csak kis mértékben járul hozzá az energiatermeléshez. Az U-238 magja azonban egy neutron befogásával több lépcsöben Pu-239-é alakulhat. A Pu-239 hasadóképes, leghatékonyabban a gyors neutronok hasítják. A tenyésztöreaktorokban mindkét folyamatot kihasználják. Ennél a típusnál nincs szükség moderátorra, a hütést pedig folyékony alkáli fémmel biztosítják. A gyors (gyors neutronokkal müködö) tenyészreaktorok a világ atomerömüvi összkapacitásának kevesebb, mint 1%-át adják. 1994 óta ilyen reaktort az Egyesült Államokban nem állítottak üzembe.

A felsoroltakon kívül még számos más reaktortípus létezik, amelyek felsorolására itt most nincs idö. Egy típust azonban még feltétlenül meg kell említeni, mert ez okozta a csernobili reaktorbalesetet. Az RBMK egyedi reaktor: moderátora grafit, hütöközege elgözölgö nagynyomású könnyüvíz. Az RBMK típus öse a világ legelsö erömüvi reaktora volt, amelynek elsö példánya 1954-ben Obnyinszkban állt üzembe. Ebböl került kifejlesztésre az 1986. április 26-án szerencsétlenül járt csernobili blokk is.

RBMK reaktorok ma már csak a volt Szovjetunió néhány utódállamában müködnek. A típus részesedése a világ atomerömüvi összkapacitásából 4 %. Elönye, hogy nagy teljesítményre képes, a biztonság szempontjából azonban sok kívánnivalót hagy maga után.

Az RBMK reaktor müködésének vázlata

https://www.atomeromu.hu/mukodes/tipusok/rbmk.htm

Külön fejezetet képeznek a hajtómü reaktorok, amelyeket tengerelattjárók és hajók meghajtására fejlesztettek ki. A hagyományos tengeralattjárók (melyek a felszíni közlekedéshez dízelmotort, a víz alatt pedig villanymotort használtak) a második világháború után müszakilag elavultak. Ennek oka, hogy a villanymotorok energiaellátását szolgáló akkumulátorok behatárolták a víz alatti tartózkodás idejét. Többek között ezt a gondot oldotta meg az atommeghajtás. 

Az atommeghajtású tengeralattjáró kifejlesztését 1949-ben határozták el az Egyesült Államokban. Ehhez a feladathoz olyan, elsösorban biztonságos müködésü, reaktort kellett megépíteni, amelyet tengeralattjáróba is be lehet építeni. A Nautilus nevü nukleáris tengeralattjárót 1952 júniusában kezdték építeni, és két év múlva, 1954-ben bocsátották vízre. Nemrég került csak nyilvánosságra Alvin Weinberg visszaemlékezéseiböl, hogy ennek a prototípusnak a fejlesztésében Wigner Jenö is részt vett, akinek az atomreaktorok tervezése terén 37 szabadalma született a második világháborút követö években. A Nautilust 1983-ban vonták ki a szolgálatból.

5. A reaktorok biztonsága

Az atomerömüvek biztonságosságára a tervezök nagy figyelmet fordítanak. Egy müködö reaktorban az üzemanyagrudak jelentik a legnagyobb sugárveszélyt. Éppen ezért többszörös védelmi rendszert építenek ki, hogy normális müködés közben a radioaktív hasadási termékek ne juthassanak ki a szabad levegöre. A hasadóanyag korróziónak ellenálló csövekben (fütöelem burkolatban) helyezkedik el. A nyomottvizes reaktoroknál a primér hütökör vastag acélfallal van körülvéve. A hütövíz maga is elnyeli a biológiailag olyan hatásos radioaktív izotópokat, mint a jód. A harmadik biztonsági gát pedig az acélból és betonból készült épület (containment).

A reaktorrendszerek állapotát bonyolult müszerek sokasága figyeli müködés közben, készen arra, hogy abnormális körülmények között azonnal leállítsák a reaktort. A tartalék biztonsági rendszer bórt adagol a hütöközegbe, amely azonnal elnyeli a neutronokat és leállítja a láncreakciót. A könnyüvizes reaktorok nagy nyomás alatt müködnek. Nagyobb csötörés esetén a víz elforrna, és a hütés megszünne. A reaktormag hütésének leállása esetén vészhütö rendszer lép müködésbe, amely automatikusan bekapcsol a primér kör nyomásának csökkenése esetén. Abban az esetben, ha göz jut a zárt reaktorépületbe, azonnal locsoló-berendezések indulnak be, amelyek hatására a göz lecsapódik, és csökken a nyomás az épület belsejében.

Az atomerömü müködése közben elkerülhetetlen kisebb mennyiségü radioaktív vegyületek kibocsátása. Ezek azonban a környezetben élö emberek számára minimális kockázatot jelentenek, mivel a természetes háttérsugárzásnak csak egy-két százalékát teszik ki. A reaktorokkal kapcsolatban a fö baleseti ok az, hogy a fütöelem megsérül, vagy a biztonsági berendezések felmondják a szolgálatot, és radioaktív anyag kerül ki a rendszerböl. Ha a hütörendszer meghibásodik, akkor a reaktor magja be is olvadhat. Ekkor hasadási termékek juthatnak a hütövízbe, onnan pedig csötörés esetén a reaktor épületébe.

Ilyen bonyolult biztonsági rendszer megbízató müködtetése csak alkalmas számítógépes rendszer segítségével lehetséges. A számítógépes reaktorirányítás kutatásában hazánkban élen járt a KFKI, majd jogutódja, a KFKI Atomenergia Kutatóintézet, amely a Verona számítógépes rendszer folyamatos továbbfejlesztésével járul hozzá a paksi erömü biztonságos müködtetéséhez. Itt meg kell jegyezni, hogy a világon müködö több mint 400 atomerömü között a paksi blokkok az üzembiztonság szempontjából a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség illetékes szervétöl igen jó bizonyítványt kaptak.

Az atomreaktorok közel fél évszázados müködése alatt három nagy reaktorbaleset történt. 1957-ben az északnyugat angliai Windscale erömüben, 1979-ben az Egyesült Államokban  a Harrisburg melletti Three Mile Island atomerömünél, valamint 1986-ban Ukrajnában a csernobili erömünél. Az elsö két esetben csak anyagi kár keletkezett, míg Csernobilban súlyos katasztrófa történt, amiröl részletesen beszámolt a média. Mindhárom esetben súlyos emberi mulasztás vagy gondatlanság okozta a balesetet. Külön említésre méltó, hogy Csernobilben egy kísérlet miatt kikapcsolták az automatikus védörendszer, nem véve tudomást arról, hogy a kezelöszemélyzet instabil müködést jelzett a reaktorblokknál. Ennek a hihetetlen, bünös gondatlanságnak és felelötlenségnek büntetöjogi következményei is lettek. Mindent egybevéve, megfelelö gondossággal és felkészültséggel mindegyik baleset elkerülhetö lett volna.

IV. ÖSSZEFOGLALÁS: SZÜKSÉG VAN-E NUKLEÁRIS ENERGIÁRA?

Az országok fejlettségének egyik jellemzöje a felhasznált energia mennyisége; ha úgy tetszik, ez is a civilizáltság mértéke. Minél fejlettebb egy társadalom, annál energiaigényesebb az ipara, annál több müszaki berendezést használ, amelyek szintén energiaigényesek. Vannak szerencsés országok, amelyekben böven található fosszilis energiaforrás, vízierö, szélerö vagy geotermikus energiaforrás. Minél nagyobb egy ország, annál valószínübb, hogy több energiaforrás áll rendelkezésére. A kicsi, és föleg a gyorsan fejlödö országoknak azonban jelenleg nincs más alternatívájuk, mint a nukleáris energia, annak számos elönyével és hátrányával együtt. Az alábbi táblázat az atomenergia felhasználásának földrészek szerinti megoszlását ábrázolja. Nem véletlen, hogy ebben a táblázatban az ún. "harmadik világ" országai nem jeleskednek, valamint hogy Európa messze megelözi az Egyesült Államokat.

A világon üzemelö atomreaktorok földrészek szerinti eloszlása

A következö táblázatból az olvasható ki, hogy a természetes energiaforrásokban szegény és fejlödö kis országok kényszerülnek rá elsösorban az atomenergia használatára.

Igen figyelemreméltó az Egyesült Államok 20. helyezése. Az USA mind fosszilis, mind pedig egyéb természetes energiaforrásokban bövelkedik, ugyanakkor az is közismert, hogy fejlettségénél fogva a világ legnagyobb energia-felhasználója, ha minden energiafajtát figyelembe veszünk. Az Egyesült Államok Energia Minisztériuma szerint az USA teljes villamos energia kapacitása 1997-ben 747 GW (1 gigawatt = egymilliárd watt) volt, és az elörejelzések szerint az igényeknek megfelelöen 2020-ra 906-1044 GW, 2050-re elöre láthatóan 1200-1700 GW lesz. A jelenlegi arányok szerint az energiatermelés 52 %-át a szén adja, az atomenergia aránya 19,8 %, a földgázé 15 %, a vízierömüvekböl származik 9 %, a köolajból 3 %, az egyéb energiaforrások (szélenergia, napenergia stb.) 2 %-ot tesznek ki. Az Egyesült Államoknak óriási szénkészletei vannak - a becslések szerint a jelenlegi kitermelési móddal 250 évre elegendöek a készletek, ha azonban a teljes kitermelhetö készletet új módszerekkel hozzák felszínre, a jelenlegi igények mellett akár 1500 évre is lesz elegendö szén. Ilyen körülmények között az alacsonyabb költségek miatt az atomenergia nem kulcskérdés, és az elkövetkezendö évtizedekben is a szén fog domináns szerepet betölteni az Egyesült Államokban az energiaforrások között.

A fenti táblázatokból kiolvasható, hogy Magyarország nem nélkülözheti a nukleáris energiát. Természetesen e kijelentéssel csak saját személyes véleményem fejezem ki. A helyzet elvben gyökeresen megváltozhat ugyan, ha az atomenergiát más, biztonságosabb energiaforrás képes igen rövid határidön belül, lehetöleg azonnal kiváltani.

Hosszabb távon megoldást jelenthet a deutérium és trícium atommagok egyesítésén alapuló fúziós energiatermelés. Ebben minden radioaktív anyag az erömüvön belül marad, és a leállítás után 30-40 évvel a berendezés anyagai újrafelhasználhatóvá válnak. Sajnos a szükséges magas (100 millió fok) hömérséklet miatt a mai kísérletekben még csak a befektetett energiát tudják visszanyerni. Ha a jelenleg elökészítés alatt álló ITER kísérlet sikeres lesz, akkor az elsö áramtermelö fúziós reaktor 2040 körül állhatna üzembe.

Olcsó dolog lenne azzal példálózni, hogy a löfegyverek sokkal több ember életét oltották ki, mint az atomenergia-ipar balesetei, mégsem követelték jelentös civil mozgalmak a löfegyverek gyártásának betiltását. Az is sajnálatos tény viszont, hogy az autó a legveszélyesebb üzem hazánkban, és a halálesetek száma e téren is aggasztóan nö. Mégsem merült fel az autóközlekedés megtiltása! A statisztikák szerint 2-3 tízezred a valószínüsége annak, hogy valaki autóbalesetben hal meg. A reaktorok esetében az Egyesült Államokban az az alapvetö követelmény, hogy a káros hatások bekövetkezésének valószínüsége nem haladhatja meg a tízmilliomod értéket, azaz a reaktorok a statisztikák tanúsága szerint ezerszer biztonságosabbak, mint a gépkocsik.

Ezek után az elöadás címében feltett kérdésre a felvonultatott ismeretek és érvek alapján az a válaszom, hogy nem az atomenergiától kell félni, hanem az emberi felelötlenségtöl, képzetlenségtöl és ostobaságtól!