U središtu velike debate oko najboljeg načina dobivanja energije nalazi se nuklearna elektrana. Neki smatraju da nuklearna energija nudi alternativu čiste energije koja nas oslobađa okova ovisnosti o fosilnim gorivima. Drugima pak priziva slike katastrofe: potresom uništene japanske elektrane koje izbacuju radioaktivnu paru, mrtva zona koja okružuje betonsko groblje u Černobilu.
Ali kako uopće radi nuklearna elektrana, koja osim energije proizvodi i divljenje i strah? Zamislite da slijedite volt struje natrag kroz zidnu utičnicu, cijelim putem kroz kilometre dalekovoda do nuklearnog reaktora koji ga je proizveo. Susreli biste se s generatorom koji proizvodi iskru i turbinom koja ga pokreće. Zatim biste pronašli mlaz pare koji okreće turbinu i konačno snop radioaktivnog urana koji zagrijava vodu u paru. Dobrodošli u jezgru nuklearnog reaktora.
Voda u reaktoru također služi kao rashladno sredstvo za radioaktivni materijal, sprječavajući njegovo pregrijavanje i topljenje. U ožujku 2011. televizijski gledatelji diljem svijeta saznali su što se događa kada rashladni sustav doživi katastrofalan kvar. Deseci tisuća japanskih građana pobjegli su iz područja oko nuklearnog postrojenja Fukushima Daiichi nakon što su najjači zabilježeni potres i tsunami koji je uslijedio ozbiljno oštetili elektranu i nekoliko njezinih reaktorskih jedinica. Između ostalog, voda je iscurila iz jezgre reaktora, što je pak onemogućilo kontrolu temperature jezgre. To je rezultiralo pregrijavanjem i djelomičnim nuklearnim otapanjem.
U svibnju 2022. bilo je 439 nuklearnih reaktora u pogonu u 30-ak zemalja diljem svijeta, prema podacima Svjetske nuklearne udruge. Sjedinjene Države imale su najveći broj nuklearnih reaktora koji su radili u to vrijeme, 92 jedinice. Radni nuklearni reaktori su oni priključeni na mrežu.
Prema podacima Eurostata, nuklearne elektrane proizvele su oko 25,2% ukupne električne energije proizvedene u EU 2021. Iste godine 13 zemalja EU imalo je operativne nuklearne reaktore: Belgija, Bugarska, Češka, Njemačka, Španjolska, Francuska, Mađarska, Nizozemska, Rumunjska, Slovenija, Slovačka, Finska i Švedska. Neke zemlje ovise o nuklearnoj energiji više od drugih, pa je tako u 2022. godini Francuska proizvela 70.6% svoje električne energije od nuklearnih elektrana, a Slovačka preko 53%.
U ovom ćemo tekstu pogledati kako funkcionira nuklearni reaktor unutar elektrane, kao i atomsku reakciju koja oslobađa svu tu ključnu toplinu.
Nuklearna fisija: srce reaktora
Unatoč svim miješanim emocijama i slikama koje prizivaju riječi “nuklearna elektrana”, elektrane koje ovise o atomskoj energiji u svom funkcioniranju nisu toliko različite od tipične elektrane na ugljen. Obje zagrijavaju vodu u paru pod pritiskom, koja pokreće turbinski generator. Ključna razlika između dvije elektrane je način zagrijavanja vode.
Dok elektrana na ugljen izgara fosilna goriva, nuklearna elektrana ovisi o toplini koja se javlja tijekom nuklearne fisije, kada se jedan atom razdvoji na dva i oslobađa energiju. Nuklearna fisija događa se prirodno svaki dan. Uran, na primjer, neprestano prolazi kroz spontanu fisiju vrlo sporom brzinom. To je razlog zašto ovaj element emitira zračenje i zašto je prirodni izbor za induciranu fisiju koju zahtijeva nuklearna elektrana.
Uran je čest element na Zemlji i postoji otkad je planet nastao. Iako postoji nekoliko vrsta urana, uran-235 (U-235) je najvažniji za proizvodnju nuklearne energije i nuklearnih bombi.
U-235 se prirodno raspada alfa zračenjem: izbacuje alfa česticu ili dva neutrona i dva protona vezana zajedno. To je također jedan od rijetkih elemenata koji se mogu biti podvrgnuti induciranoj fisiji. Ispalite slobodni neutron u jezgru U-235 i jezgra će apsorbirati neutron, postati nestabilna i odmah se podijeliti.
Čim jezgra uhvati neutron, ona se podijeli na dva lakša atoma i izbaci dva ili tri nova neutrona (broj izbačenih neutrona ovisi o tome kako se atom U-235 cijepa). Proces hvatanja neutrona i cijepanje atoma odvija se vrlo brzo.
Raspad jednog atoma U-235 oslobađa približno 200 MeV (milijuna elektron volti). To se možda ne čini puno, ali u kilogramu urana ima jako puno atoma.
Cijepanje atoma oslobađa toplinu i gama zračenje, odnosno zračenje (radijaciju) sačinjeno od visokoenergetskih fotona. Dva atoma koja nastaju fisijom kasnije oslobađaju vlastito beta zračenje (superbrze elektrone) i gama zračenje.
Ali da bi sve ovo funkcioniralo, znanstvenici prvo moraju obogatiti uzorak urana tako da sadrži 2 do 3 posto više U-235. Tri posto obogaćivanja dovoljno je da bi radila nuklearna elektrana, ali uran za oružje sastoji se od najmanje 90 posto U-235. Proces obogaćivanja urana odvija se pomoću centrifuge nakon što se iz urana stvori plin. Sila centrifuge odvaja atome U-235 od atoma U-238. U početku dolazi do blagog povećanja koncentracije atoma U-235, pa se proces mora nekoliko puta ponoviti u centrifugi kako bi se povećalo obogaćivanje. Izrada urana za oružje vrlo je teška i skupa, što je jedan od razloga zašto malo zemalja ima nuklearno oružje. Ali te prepreke nisu nepremostive.
Nuklearna elektrana iznutra
Kako bi se nuklearna fisija pretvorila u električnu energiju, operateri nuklearnih elektrana moraju kontrolirati energiju koju ispušta obogaćeni uran i omogućiti mu da zagrijava vodu u paru. Ta para zatim pokreće turbine za proizvodnju električne energije.
Obogaćeni uran obično se oblikuje u pelete duge 2,5 centimetra, a svaka ima približno isti promjer. Zatim se kuglice slažu u duge šipke, a šipke se skupljaju u svežnjeve. Svežnjevi su uronjeni u vodu unutar tlačne posude. Voda djeluje kao rashladno sredstvo. Prepušten sam sebi, uran bi se na kraju pregrijao i otopio.
Kako bi se spriječilo pregrijavanje, kontrolne šipke izrađene od materijala koji apsorbira neutrone umetnute su u snop urana pomoću mehanizma koji ih može podići ili spustiti. Podizanje i spuštanje kontrolnih šipki omogućuje operaterima kontrolu brzine nuklearne reakcije. Kada operater želi da uranova jezgra proizvodi više topline, kontrolne šipke se podižu iz uranovog snopa (tako apsorbiraju manje neutrona). Da bi se smanjila toplina, spuštaju se u snop urana. Šipke se također mogu potpuno spustiti u snop urana kako bi se zatvorio reaktor u slučaju nesreće ili promijenilo gorivo.
Snop urana djeluje kao izuzetno visokoenergetski izvor topline. Zagrijava vodu i pretvara je u paru. Para pokreće turbinu koja vrti generator za proizvodnju energije. Ljudi koriste energiju vodene pare ekspanzijom stotinama godina (sjetite se samo Industrijske revolucije i parnih strojeva).
U nekim nuklearnim elektranama, para iz reaktora prolazi kroz sekundarni, srednji izmjenjivač topline kako bi se drugi krug vode pretvorio u paru koja pokreće turbinu. Prednost ovog dizajna je da radioaktivna voda/para nikada ne dolazi u kontakt s turbinom. Također, u nekim reaktorima, tekućina za hlađenje u kontaktu s jezgrom reaktora je plin (ugljični dioksid) ili tekući metal (natrij, kalij); ove vrste reaktora omogućuju rad jezgre na višim temperaturama.
S obzirom na sve radioaktivne elemente unutar nuklearne elektrane, ne bi trebalo biti iznenađenje nuklearna elektrana izvana izgleda drugačije od klasične termoelektrane na ugljen. U sljedećem dijelu istražit ćemo različite zaštitne barijere koje nas razdvajaju od atomskog srca elektrane.
Nuklearna elektrana izvana
Osim izgleda reaktora, unutar postrojenja ne postoje veće razlike zbog kojih bi se nuklearna elektrana znatno razlikovala od elektrane na ugljen ili naftu, osim u izvoru topline koji se koristi za stvaranje pare. Ali kako taj izvor može emitirati štetne razine zračenja, potrebne su dodatne mjere opreza.
Betonski omotač obično sadrži tlačnu posudu reaktora i djeluje kao štit od zračenja. Taj je omotač pak smješten unutar mnogo veće čelične zaštitne posude. Ova posuda sadrži jezgru reaktora, kao i opremu koju radnici koriste za punjenje goriva i održavanje reaktora. Čelična kontejnerska posuda služi kao barijera za sprječavanje istjecanja radioaktivnih plinova ili tekućina iz postrojenja.
Vanjska betonska zgrada služi kao završni sloj koji štiti čeličnu posudu. Ova betonska struktura dizajnirana je da bude dovoljno jaka da preživi vrstu goleme štete koja bi mogla biti posljedica potresa ili sudara mlaznog zrakoplova.
Ove sekundarne zaštitne strukture neophodne su za sprječavanje istjecanja zračenja/radioaktivne pare u slučaju nesreće. Nepostojanje sekundarnih zaštitnih struktura u ruskim nuklearnim elektranama omogućilo je bijeg radioaktivnog materijala u Černobilu.
Radnici u kontrolnoj sobi koju ima svaka nuklearna elektrana mogu nadzirati nuklearni reaktor i djelovati ako nešto pođe po zlu. Nuklearna postrojenja također obično imaju sigurnosne perimetre i dodatno osoblje koje pomaže u zaštiti osjetljivih materijala.
Goruća pitanja o nuklearnoj energiji i okolišu
Kao što vjerojatno znate, nuklearna elektrana ima svoje kritičare, kao i svoje pristaše. O prednostima i nedostacima korištenja nuklearne energije smo već pisali u tekstu ovdje, a sada ćemo samo odgovoriti na neka od gorućih pitanja koja padaju na pamet kada se spomene nuklearna elektrana u odnosu na okoliš.
Je li nuklearna energija čista i održiva?
Nuklearna energija hvaljena je zbog proizvodnje energije s niskom razinom ugljika.
Nuklearna energija drugi je najveći globalni izvor električne energije s niskim udjelom ugljika nakon hidroenergije.
Nuklearna energija nema premca kada se računaju emisije ugljičnog dioksida i nadmašuje druge oblike energije – pa čak i obnovljive izvore energije poput solarne energije i vjetroelektrana – kada se računaju štete za okoliš i onečišćenje.
Prema podacima Ekonomske komisije UN-a za Europu iz 2021. godine, proizvodnja nuklearne energije u svijetu izbjegla je oko 74 gigatone emisija ugljikovog dioksida u posljednjih 50 godina, što je gotovo dvogodišnja vrijednost ukupnih globalnih emisija povezanih s energijom. Samo je hidroenergija odigrala veću ulogu u izbjegavanju emisija u tom razdoblju. Nuklearna energija također je izvor električne energije broj jedan koji ne emitira stakleničke plinove prilikom proizvodnje energije, čineći više od 70% energije bez stakleničkih plinova.
Ne samo da nuklearna energija proizvodi manje zagađenja, nego ne stvara otrovne kemikalije poput sumpornog dioksida ili dušikovog oksida koji se nalaze u kiselim kišama. Drugim riječima, uklanjanjem zagađivača koji su odgovorni za kisele kiše, nuklearna energija pomaže u održavanju čistoće zraka.
Je li nuklearna energija obnovljiva?
Nuklearna elektrana može biti izvor čiste energije bez emisija, ali smatra li se obnovljivim izvorom energije?
Proizvodnja nuklearne energije ne ispunjava uvjete za standarde obnovljive energije zbog materijala koji nuklearna elektrana koristi za svoj rad – metalnog elementa urana.
Specifični uran potreban za induciranje nuklearne fisije, U-235, neobnovljiv je izvor. Stoga će jednog dana ovaj rijedak element biti teško pronaći.
Je li nuklearna energija dobra za okoliš?
Nuklearna energija je čista, održiva i donekle obnovljiva. Također je ugljično neutralna. Međutim, da bi se izgradila nuklearna elektrana i da bi se rudario uran, emitirat će se velike količine ugljikovog dioksida. Stoga i dalje postoji debata o tome je li nuklearna energija dobra ili loša za okoliš.
A tu je i nuklearni otpad. Nimalo zanemariva stavka.
Radioaktivni nuklearni otpad hitan je problem koji utječe na zdravlje planeta i ljudi. Može zagaditi zrak, vodu i tlo, kao i životinje, biljke i ljude. Postoje dvije vrste nuklearnog otpada: niskoradioaktivni i visokoradioaktivni otpad.
Niskoradioaktivni otpad dolazi od radioaktivne kontaminacije do koje dolazi tijekom rutinske proizvodnje energije. Kontaminirani predmeti obično uključuju uniforme zaposlenika elektrane ili zaštitnu opremu i alate za održavanje.
Taj se otpad obično skladišti u elektrani sve dok se odbaci na odlagalište ili dok više ne bude radioaktivan. Radioaktivnost nuklearnog otpada opada tijekom vremena putem radioaktivnog raspada.
Visokoradioaktivni otpad dolazi od “ozračenog” ili “istrošenog” goriva nuklearnog reaktora. Istrošeno gorivo je vrlo radioaktivno. Nuklearni otpad visoke razine radijacije mora se skladištiti u velikim bazenima i spremnicima u nuklearnim postrojenjima koja hlade otpad i reaktore i osiguravaju radioaktivni štit.
U konačnici, nuklearni otpad mora se skladištiti duboko pod zemljom ispod nepropusne gline, drugih nepropusnih slojeva i betona. Većina zemalja je istraživala duboko geološko odlaganje i to je službena politika u nekoliko zemalja.
Nuklearna katastrofa i gašenje reaktora
U središtu svakog nuklearnog reaktora je kontrolirano okruženje radioaktivnosti i inducirane fisije. Kada ovo okruženje izmakne kontroli, rezultati mogu biti katastrofalni.
Dugi niz godina katastrofa u Černobilu bila je najbolji primjer nuklearnog kvara u najgorem slučaju. Godine 1986. eksplodirao je ukrajinski nuklearni reaktor, izbacivši 45 tona radioaktivnog materijala u okolno područje, zagadivši milijune hektara šume. Katastrofa je prisilila na preseljenje 150 000 ljudi i na kraju uzrokovala da tisuće ljudi umru od raka i drugih bolesti.
Nuklearna elektrana Černobil je bila loše projektirana i nepropisno upravljana. Postrojenje je zahtijevalo stalnu ljudsku pozornost kako bi se spriječio kvar reaktora. Ipak, čak je i dobro projektirana nuklearna elektrana osjetljiva na prirodne katastrofe.
U petak, 11. ožujka 2011. Japan je doživio jedan od najvećih potresa u modernoj povijesti. Programirani odgovor u nuklearnom postrojenju Fukushima Daiichi odmah se spustio na sve kontrolne šipke reaktora, prekinuvši sve reakcije fisije unutar 10 minuta. Međutim, nažalost, ne možete isključiti svu radioaktivnost pritiskom na prekidač.
Kao što smo već napisali, nuklearni otpad nastavlja stvarati toplinu godinama nakon početnog rada u elektrani. Slično tome, unutar prvih nekoliko sati nakon što se nuklearni reaktor isključi, on nastavlja stvarati toplinu iz procesa raspadanja.
Potres u ožujku 2011. manifestirao je smrtonosni tsunami, koji je uništio rezervne dizel generatore koji su napajali pumpe vode za hlađenje kojima se postrojenje okrenulo nakon što nije moglo dobiti struju iz japanske mreže. Ove pumpe cirkuliraju vodu kroz reaktor kako bi uklonile raspadnu toplinu. Bez cirkulacije, i temperatura vode i tlak vode unutar reaktora nastavili su rasti. Nadalje, zračenje reaktora počelo je razdvajati vodu na kisik i hlapljivi vodik. Nastale eksplozije vodika probile su čelične zaštitne ploče reaktorske zgrade.
Jednostavno rečeno, nuklearna elektrana Fukushima Daiichi imalo je mnoge protumjere za zaustavljanje rada u slučaju ozbiljne seizmičke aktivnosti. Jednostavno nisu računali na gubitak struje za svoje pumpe rashladne tekućine.
Postrojenja kao što su japanska nuklearna elektrana Fukushima Daiichi, ruska nuklearna elektrana Černobil i američko postrojenje Three Mile Island i dalje su crne mrlje za industriju nuklearne energije, često zasjenjujući neke ekološke prednosti koje tehnologija nudi.