Új Szó - Vasárnap, 1979. január-június (12. évfolyam, 1-25. szám)
1979-04-29 / 17. szám
TUDOMÁNY TECHNIKA AZ ATOMERŐMŰVEK MÁSODIK NEMZEDÉKE HOGYAN MŰKÖDIK A GYORS SZAPORÍTÓ REAKTOR Néhány évvel ezelőtt, az egyik tudományos-ismeretterjesztő folyóiratban egy gránit- és egy szénkockát ábrázoló fényképet közöltek a következő szöveggel: ,,A gránitkocka tízszer több energiát tartalmaz, mint a ,vele azonos súlyú szénkocka, ha a benne levő uránt teljes mértékben hasznosítják.“ E mondat második fele „ha az uránt teljes mértékben hasznosítják“, a magenergetika egyik csodálatos lehetőségét fejezi ki, az egyszerű kőzet tüzelőanyagként való felhasználását. A természetben előforduló elemek sokasága közül a láncreakció létrehozására csupán egyetlen alkalmas, az urán-235 izotóp. A többi természetes izotóp, mint például az urán- 238 és a tórium-232, amelyek 200-szor nagyobb mennyiségben fordulnak elő, mint az urán-235, erre a célra eredeti formájukban nem alkalmasak. Kiderült azonban, hogy az urán-235 égetésével létrehozott atommáglyánál „megmelegítve“ ezek az izotópok is értékes hasadékanyagokká válnak, amilyen az urán-235. Ezt a különleges átalakulást az elektromos töltés nélküli neutronok idézik elő. Az urán-235 esetében a hatalmas méretű energiafelszabadulással járó maghasadást szintén az atommagra ható neutron idézi elő. Ez azonban önmagában még mindig nem lenne elég az energiatermelésre. Ezt az a szerencsés körülmény teszi lehetővé, hogy a maghasadás során a töredékeken és az energián kívül további neutronok is keletkeznek, amelyek újabb urán-235 atommagvakat hasítanak. Hogy ez a láncreakciónak nevezett folyamat megvalósuljon, gondoskodni kell arról, hogy a maghasadásnál keletkező neutronok további urán-235 atommagvakba ütközzenek. Az atomkorszak hajnalán ez elég bonyolult feladatot jelentett: a tudósok akkor még csak természetes uránnal rendelkeztek. Ebben pedig 7,14 gramm maghasadásra alkalmas 235-ös izotóp 998,2 gramm 238-as izotóp között van szétszóródva, s az utóbbi eltérő módon viselkedik a beléje ütköződé neutronokkal szemben. Arról van szó, hogy az egyes izotópfélék atommagja számára nem mindegy, hogy milyen sebességgel repülnek a beléjük ütköződő neutronok. Az ún. gyorsneutronok például, amelyek energiája néhány MeV egységet képvisel, ha alacsony hatásfokkal is, de egyaránt szét tudják hasítani az urán-235 és az urán-238 izotópot. Sokkal gyakoribb eset azonban, hogy a gyorsneutronok nem hasítják az urán-238 magját, hanem elnyelődnek benne. Ez a körülmény okozza, hogy a természetes uránban, ahol az egyes iTrán-235 izotópokat az urán-238 izotóp százai veszik körül, a maghasadáskor keletkező gyorsneutronok olyan intenzíven nyelődnek el, ami magát a folyamatot is lefékezi, akadályozza. E nehézség leküzdéséhez alapjában véve két út vezetett, az egyik a tüzelőanyagon, a másik a neutronokon keresztül. Az első az atombomba létrehozásánál érvényesült, ahol robbanótöltelékként tiszta urán-235 izotópot alkalmaztak. A másik, sokkal ésszerűbb utat Enrico Fermi felfedezése tette lehetővé. Kiderült ugyanis, hogy a 0,025—0,3 eV nagyságrendű, ún. termikus neutronok különböző módon viselkednek az urán egyes Izotópjaival szemben: ezek egyáltalán nem hasítják az urán-238 izotópot, az elnyelésük is csekély mértékű, ezért többszörösen hatékonyabban hasítják az urán-235 izotópot, mint a gyorsneutronok. Ez a felfedezés lehetővé tette a láncreakció megvalósítását a természetes uránban: csupán le kellett lassítani az urán-235 maghasadásánál keletkező gyorsneutronok mozgását valamilyen moderátor, lassító közeg által, ami általában könnyebb atommagvakat tartalmaz, például hidrogént, lítiumot vagy szenet. Az urán-238 „ártalmatlanná tétele“ azonban egy további problémával jár: a termikus neutronokat a moderátor, a hűtőközeg és a szerkezeti elemek atommagjai sokkal intenzívebben nyelik el, mint a gyorsneutronokat. Maga az urán-235 is elég energikusan nyeli el a termikus neutronokat, anélkül hogy bekövetkezne a maghasadás. Mindez azt jelenti, hogy a reaktorokban a neutronok mennyisége alig- alig elegendő a láncreakció fenntartásához. A reaktor aktív zónájában keletkező ne-utrongáz rendkívül értékes anyag, ezért nagyon gazdaságosan kell vele bánni. További fontos jelenség, hogy az urán-238 izotóp atommagja nemcsak egyszerűen elnyeli a neutronokat, hanem az egymás után megismétlődő reakciók hatására egyúttal változékony, 239-es izotóppá, plutóniummá alakul át. Az utóbbi értékes energetikai hasadóanyagot képez, amely a termikus és gyorsneutronok hatására ugyanúgy viselkedik, 'mint az urán-235. Ugyanilyen változáson megy át a tórium-232, amelyből a gyorsneutronok elnyelése következtében urán- 233 izotóp keletkezik, amely természetes formában nem fordul elő. Az említett elemeknek a neutronok hatására bekövetkező átalakulása az atomenergetikai kutatások egyik legfontosabb témakörét képezi. A reaktorokban az új tüzelőanyag létrehozásának hatékonyságát olyan együttható segítségével mérik, amely az újonnan keletkező hasadóanyagok és a tüzeléshez felhasznált hasadóanyagok arányát fejezi . ki. A termikus neutronokkal működő jelenlegi energetikai reaktorokban ez az együttható mindig kisebb az egynél, a keletkező hasadóanyag tehát nem pótolja teljes mértékben a felhasználtat. A folyamat ügyes szervezésével azonban olyan reaktor is létrehozható, amelyben a hasadóanyag elégetése során ugyanannyi új hasadóanyag keletkezik, -mint amennyi elhasználódott. Az ilyen önellátó reaktorok létrehozása még mindig nem jelenti a végső eredményt. Olyan feltételek is kialakíthatók, amelyek között az említett együttható értéke nagyobb lesz az egynél, vagyis több új hasadóanyag keletkezik, mint amennyi elég. Az ilyen szaporító reaktorok tehát nemcsak saját magukat látják el tüzelőanyaggal, hanem más reaktorok számára is 'termelnek belőle. Mint már említettük, a maghasadás energetikai hasznosítását az teszi lehetővé, hogy a tüzelőanyag atommagjának hasadásakor a töredékeken és az energián kívül neutronok is keletkeznek. Milyen ezeknek a neutronoknak a további sorsa? Egyes neutronok, amelyeknek nem volt idejük a lelassulásra, hasadást idéznek elő az urán-235, vagyis az urán- 238 magjában, illetve elnyelődnek ezekben a hasadás bekövetkezése nélkül. A moderátorban lelassuló neutronok közül egyesek az urán-235 izotópba ütközve maghasadást okoznak, vagy pedig elnyelődnek benne. Végül pedig a neutronok jelentős része véglegesen elvész, ezeket a moderátor, a hűtőközeg, a -különböző adalékanyagok, az égéstermékek, valamint a szerkezeti anyagok nyelik el. A neutrongazdálkodás elemző vizsgálatai alapján egyértelműen megállapítható, hogy a termikus reaktorokról a gyorsreaktorokra való áttérés lényeges mértékben növeli a' neutronok fel- használásának hatékonyságát. GERMAN SZMIRNOV (Folytatás az Gj Szó következő vasárnapi számában) A felvételen látható VVR-S reaktort 1957-ben helyezték üzembe a Prága melletti Reii Magkutató Intézetben. Segítségéve] az intézet dolgozói több jelentős kutatási feladatot végeztek el az atom- energetika, az atomfizika és a neutronfizika területén, amivel elősegítették Csehszlovákia hatékony bekapcsolódását a KGST- országok között megvalósuló atomenergetikai és magfizikai együttműködésbe (A CSTK felvétele) TUDNIVALÓK A MAGHASADÁSRÓL A maghasadást röviddel a második világháború kitörése előtt fedezték fel. A hír futótűzként terjedt el a világ vezető fizikai intézeteiben. Nagyon -hamar megértették, milyen -hatalmas energiamennyiség szabadulna fel, ha Fermi kísérleteit kilogrammos nagyságrendben folytatnák. De azt is felismerték, milyen nehézségek gátolják ezt a vállalkozást. Először is azt állapították meg, hogy a hasadás szempontjából csak az U 235 izotóp jöhet számításba, melynek részaránya az uránban csupán 0.72 százalék. A túlnyomó többségben jelenlevő U 238 ugyanis hasadás nélkül elnyeli a neutronokat. Nagyon jelentős volt ezért 1939-ben Joliot Curie felfedezése, hogy minden maghasadáskor a középnehéz töredékeken kívül több neutron is felszabadul, átlagosan 2,45. A szabaddá vált neutronok esetleg más uránmagokat találnak el, és ezeket hasadásra bírják. így újabb neutronok szabadulhatnak fel, amelyek újabb hasadást idézhetnek elő. Ez a láncreakció. Figyelembe kell azonban venni azt is, hogy az atommagok az atomburok által meghatározott távolságukhoz képest rendkívül kicsinyek. A neutronnak tehát többnyire jelentős távolságot kell megtennie, mielőtt eltalálna egy magot. A láncreakció csak addig megy tovább magától, amíg a -hasadásnál elhasználódott minden neutronra legalább egy olyan új neutron jut, amely a reakciót folytatja. Abból a 2,45 neutronból tehát, amely maghasadáskor átlagosan felszabadul, 1,45-nél többnek nem szabad veszendőbe -mennie/ Eddig a szabályozatlan láncreakcióról volt szó. Ha megindult, villámgyorsan tovaterjed, és minden eddigi robbanóanyag hatását sokszorosan felülmúlja. Ez történt a legelső alkalommal, amikor 1945. június 16-án a New Mexico sivatagban Alamogordo mellett az első atombombát felrobbantották. Hatása 20 000 tonna tri- nitro-toluol robbanóerejével volt egyenlő, ami 1 kilogramm U 235 teljes -bomlásának felel meg. A felelőtlenség szégyenletes példája, hogy a történelem egyik legnagyobb felfedezését 'azonnal sok százezer ember gyalázatos meggyilkolására használták fel Hirosimában és Nagasakiban. Az uránban szunnyadó energia békés célú hasznosítása egészen más eljárást követel meg. A láncreakciónak a lehető leglassabban kell lefolynia, szabályozba- tónak és megszakíthatónak kell lennie. A természet ebben segítségünkre siet. A neutronok különleges viselkedése lehetővé teszi, hogy ne nagy százalékarányú, hanem csak igen kis dúsítású hasadóanyagot, sőt közönséges uránt használhassunk atomi fűtőanyagként. A felszabaduló neutronok különböző, a legtöbbször néhány MeV nagyságrendű energiájúak. A neutronokat az alábbiak szerint osztályozzuk: 1. gyors neutronok E = 1 MeV—10 MeV 2. közepes gyorsaságú neutronok E = 1 keV—1 MeV 3. lassú neutronok E = 0,025 eV—ú keV 4. epitermikus neutronok E = 1 eV—100 eV 5. termikus neutronok E = 0,025 eV A gyors neutronokat az U 238- és az U 235-atom- magok könnyen befogják hasadás nélkül. Más a helyzet azonban a lassú, elsősorban a termikus neutronoknál. Ezeket az U 238-magok csak kismértékben nyelik el, az U 235-magok pedig szinte magukhoz vonzzák, hogy hatásukra -felhasadjanak. Most már rögtön érthető, mi a teendő. A hasadáskor felszabaduló neutronokat a lehető leggyorsabban termikus sebességre kell lefékezni, még mielőtt az U-238- magokkal reakcióba léphetnének. Fermi és Hahn zseniálisan egyszerű fogást alkalmazott. Módszerük, amelyet ma is mindenütt használnak, a rugalmas ütközés törvényein alapszik. Amikor egy neutron valamilyen köny- nyebb atommagba ütközik, átadja mozgási energiájának egy részét, és ennek megfelelően csökken a sebessége. Több egymás utáni ütközés szinte a megállásig fékezheti le a neutront. Ha tehát a hasadóképes anyagot megfelelő közegbe, ún. moderátorba (lassító közeg) ágyazzák be, akkor ennek atommagjai a neutronok fölösleges energiáját a kívánt módon elnyelik. Moderátornak olyan anyagok alkalmasak, amelyeknek lehetőleg minél kisebb tömegű az atommagjuk. Ilyen például a hidrogén. Ennek van azonban egy hátrányos tulajdonsága, magjai sok neutront fognak be, miközben deutémriummagok képződnek. Ennek ellenére az atomerőművek többségében közönséges vizet használnak lassító közegként. Előnyösebb a nehézvíz (deutérium-oxid), ez azonban drága, ezért ritkábban alkalmazzák. A neutronok termikus sebességre való lefékezéséhez a hidrogénben átlag 19, af grafitban 118 ütközésre van szükség. Az atomreaktorok működtetéséhez szükség van olyan * eszközre -is, amellyel a maghasadás őserejű folyamatába beavatkozhatunk. Olyan anyagra van szükség, amely a szabadon röpködő neutronokat egy csapással eltávolítja, szivacs módjára villámgyorsan felszívja őket. Valóban léteznek rendkívül nagy neutronelnyelő képességű anyagok. Legalkalmasabb erre a célra a kad- m-ium. A neutronokat elnyelő anyagokból lemezeket vagy szabályzórudakat állítanak elő. Ezeket a reaktor magjába mélyebben vagy kevésbé mélyen bebocsátva, a láncreakció tetszés szerint szabályozható, vagy szükség esetén akár teljesen meg is szakítható. A korszerű atomerőművekben a szabályozórudak számos, néhány milliméter vastag és több méter hosszú acélcsövecskékből állnak, amelyekbe por alakú bór- karbidot (B«C) töltenek. A rudak a fűtőelemek között hosszirányban mozgathatók. Mindegyiküknek külön elektromechanikus meghajtása van. Az idővel képződő hélium számára a csövecskékben kellő nagyságú helyet kell hagyni. A közben folyton növekvő gáznyomás a szabályozórudak élettartamát mintegy tíz évre korlátozza. HELMUT LINDER Atomenergia 1979. IV. 29. 16
