Aký je rozdiel medzi atómovou bombou a elektrárňou?

Viete, prečo je atómová energia taká výbušná? Ide o dve kľúčové veci. Po prvé, atómové jadrá sa skladajú z protónov a neutrónov, ich presný počet určuje, či je atóm stabilný alebo nie. Po druhé, keď sa jadro rozpadne, vyletia z neho neutróny, ktoré môžu naraziť do nejakého stabilného jadra a spraviť z neho nestabilné. 

Napríklad rozpad uránu-235 je jednoduchá investičná matematika. Vložíte jeden neutrón a vyletia tri. Postup zopakujete a máte ich 9, 27, 81, 243 … . Úspešne ste spustili reťazovú reakciu, každý jej krok uvoľňuje okrem neutrónov aj malé množstvo energie, výsledný súčet je enormný. 

Toto je scenár, ktorý platí len za ideálnych podmienok, realita naráža na dva hlavné problémy.

Prvým je, ak z vašich troch neutrónov vyletia aspoň dva von z látky bez toho, aby narazili do ďalšieho jadra (a narušili jeho stabilitu). Aby ste umožnili reťazovú reakciu, potrebujete postaviť neutrónom do cesty dostatok hmoty, musíte prekročiť tzv. kritické množstvo látky (critical mass). Po dosiahnutí tohto množstva vypustí každý z vašich neutrónov v priemere aspoň jedného nasledovníka, reakcia tak môže pokračovať ďalej.

Druhým problémom je, ak je vaše palivo nečisté – obsahuje veľa atómov, ktoré neutróny zachytia, no zostanú sa stabilné. Čím čistejšie palivo máte, tým menej ho potrebujete (a naopak). 

Ako sa čistí palivo? Keď sa vyťaží urán, ide o kombináciu U-235 (asi 1%) a U-238 (asi 99%). Z rudy sa najprv aplikáciou chémie spraví žltý prášok, potom plyn (fluorid uránový) a ten sa vloží do odstredivky. U-238 je o tri neutróny ťažší a tak sa sedimentuje a zahadzuje. Tým stúpa pomer reaktívneho U-235; tomuto procesu sa hovorí obohacovanie uránu. 

Začali sme na 1%, kedy chceme skončiť? Ak potrebujeme palivo do elektrárne, tak okolo 5%. Ak chceme vytvoriť bombu, treba okolo 80%. (Ide o aplikovanie tej istej metódy, akurát dlhší čas. Preto ak niektorá krajina tvrdí, že obohacuje urán kvôli energetike, ťažko overiť, či nepracuje na bombe.)

Začnime s druhou možnosťou: chceme vyrobiť atómovú bombu, získali sme vysoko-obohatený urán, čo ďalej? Kritická hmotnosť je okolo 60 kilogramov, takže si spravíme dve aspoň 30-kilové kôpky (čiže s podkritickou hmotnosťou) a držíme ich v bezpečnej vzdialenosti od seba. 

Atómová bomba sa odpaľuje napríklad tak, že sa dve polovice jadrového materiálu vložia do tuby a vymrštia proti sebe pomocou rozbušky. Po ich spojení dochádza k prekročeniu kritickej hmotnosti, spustí sa reťazová reakcia a nastáva výbuch (o sile tisícok ton dynamitu).

Využitie jadrovej energie je v elektrárňach pod oveľa väčšou kontrolou. Používa sa špinavšie palivo než pri bombách a do reakcie ho treba poháňať (jadrové palivo si môžete pokojne poťažkať v ruke). 

Situáciu môžeme prirovnať k riadeniu auta, operátori jadrovej reakcie majú pri riadení k dispozícii brzdu, plyn a ručnú brzdu. 

Brzdou sú látky, ktoré zachytávajú voľne letiace neutróny, čím narúšajú jemnú “neutrónovú ekonomiku” a znižujú celkovú reaktívnosť. Takéto kontrolné tyče sa bežne robia z bóru alebo striebra.

Jadrovú reakciu poháňa tzv. moderátor. Jeho cieľom je zvýšiť reaktívnosť neutrónov tým, že ich (paradoxne) spomalí. Túto úlohu bežne zohráva voda alebo grafit. (To je ten grafit čo zbierali na streche elektrárne v Černobyle). 

Ručnou brzdou sú tzv. neutrónové jedy, čiže atómy, ktoré po zachytení neutrónov zostavájú stabilné (majú tak podobný efekt ako kontrolné tyče). Niekedy vznikajú prirodzene počas reakcie, niekedy sú do reaktoru vypustené zvonka (aby reakciu zastavili). 

Takto to znie jednoducho – plyn a brzda, kde môže byť problém? Vlastnosti jednotlivých častí sú totiž pomerne premenlivé. Tekutá voda sa správa inak ako para a reaktor pri vysokom výkone funguje inak ako pri nízkom. (Niečo podobné poznáte aj z auta, ide inak, keď je motor studený, keď je auto plné a podobne.)

Úlohou ľudských operátorov (a počítačov) je udržiavať chod reaktora v norme. Za týchto podmienok produkuje kontrolovaná reťazová reakcia teplo, ktoré sa prenáša v elektrárni ďalej. Tam zohrieva vodu, ktoré sa mení na vodnú paru, ktorá poháňa turbíny a tie cez generátor vytvárajú elektrinu.

Jadrová elektráreň je vlastne taký parný stroj na steroidoch! Bombastické, nie?

[Samuel]

PS: Namiesto uránu U-235 sa môže používať aj Plutónium-239. Toto je bežná prax, teoreticky sa však dá používať aj Tórium, ktoré má veľa výhod (a zopár nevýhod). Je možné, že práve toto palivo bude v budúcnosti základom bezpečnej jadrovej energie.

PS2: Existuje veľa dizajnov jadrových elektrární, tu som veľmi zjednodušene opísal jednu z verzií. Princíp býva podobný, no otázky bezpečnosti či efektívnosti bývajú riešené rôzne.