Štefan Čerba

V originálnom znení “Chai bude atom rabitnikom, a ne soldatom ” vyslovil známy ruský jadrový fyzik Igor V. Kurchatov. Na prvý dojem to možno znie, ako ďalší opočúvaný slogan, ale je v ňom skryté poslanie „atómu“ ako takého. Jadrová energia vie byť nebezpečná zbraň v rukách vojaka, ale vie byť aj silným a verným pomocníkom pod vedením dobrého pána. Mohli by sme ju prirovnať k ohňu, o ktorom sa hovorí, že je dobrý sluha, ale zlý pán. Treba si preto uvedomiť, že štiepenie atómov je proces, ktorý je nielen možné, ale aj nevyhnutné kontrolovať, aby získaná energia mohla byť použitá v prospech ľudstva.

Poznáte E=mc²?

Einsteinova formula

Aj keď atómy a ich jadrá sú častice laboratórnych rozmerov, skrývajú v sebe nemalé množstvo energie, ktorá im zabezpečuje stabilitu. Existencia atómov ako elementárnych častíc bola známa po stáročia, ale len relatívne nedávno sa vedcom podarilo pochopiť aké množstvo energie je možné získať ich rozdelením. Paradoxom je, že slovo atóm pochádza z gréckeho výrazu „atomos“, čo v preklade znamená „nerozdeliteľný“. Vďaka rôznym experimentom sa však tento predpoklad podarilo úspešne vyvrátiť. Britský fyzik Ernest Rutherford je často nazývaný otcom jadrovej energie. V roku 1904 vyslovil tvrdenie: „Ak by bolo možné ľubovoľne kontrolovať rýchlosť rozpadu rádioaktívnych prvkov, dokázali by sme získať obrovské kvantum energie z malej hmoty materiálu“. Trvalo len rok, kým Albert Einstein transformoval tento výrok do známej matematickej formuly „E=mc²“. Aby sa experimentálne dokázalo, že sa energia obsiahnutá v hmote rovná súčinu jej hmotnosti a štvorca rýchlosti svetla, muselo prejsť ďalších 35 rokov skúmania.

Enrico Fermi

V roku 1934 navrhol taliansky fyzik Enrico Fermi experiment, ktorého cieľom bolo dokázať možnosť rozdelenia jadier atómov pomocou neutrónov. Výsledok bol prekvapujúci aj pre velikána jadrovej fyziky, keď ožarovanie uránu neutrónmi viedlo k vzniku ľahkých prvkov. K podobným záverom sa dopracovali aj nemeckí fyzici Otto Hahn a Fritz Strassman, ktorí zistili, že prvky vznikajúce po bombardovaní uránu majú približne polovičné hmotnosti ako urán. Kurióznym pre nich bolo, že súčet hmotností vznikajúcich prvkov sa nerovnal hmotnosti pôvodného uránu. Obrátili sa preto na Lisu Maitnerovú, rakúsku fyzičku a blízku spolupracovníčku Nielsa Bohra, ktorá za pomoci aplikácie Einsteinovho vzťahu dokázala, že rozdiel hmotností sa rovná energii uvoľnenej pri štiepení uránu. Bola tým preukázaná existencia fenoménu štiepenia ťažkých jadier. V tom čase už vedci po celom svete verili, že môže existovať samo udržateľná štiepna reťazová reakcia.

Chigago Pile-1

Chigago Pile-1

Vedeli, že na jej dosiahnutie potrebujú isté kritické množstvo uránu, nevedeli však, aké množstvo je potrebné. Enrico Fermi však prišiel s návrhom súboru pozostávajúceho z uránu obklopeného grafitom, ktorý v roku 1942 fyzicky aj realizoval na športovom ihrisku Univerzity v Chicagu. Bol to prvý jadrový reaktor a poznáme ho pod názvom Chicago Pile-1. S týmto reaktorom sa spája aj spomienka popisujúca pôvod skratky “SCRAM”, ktorá v technickej praxi označuje bezpečnostné odstavenie reaktora. Táto skratka pochádza z anglického výrazu “Safety Control Rod Axe Man”. Povráva sa, že pri experimente na Pile-1 bol na lane nad reaktorom umiestnený absorpčný materiál, schopný v prípade potreby zastaviť štiepnu reťazovú reakciu, a Enrico Fermi používal slovo “SCRAM” ako povel pre kolegu Normana Hilberryho na okamžité preseknutie lana sekerou. Hovorí sa aj o iných variáciách ako napríklad “Start Cutting Right Away, Man”, pravda však navždy ostane v úzkom okruhu Fermiho pracovníkov.

Einstein píše Roosveltovi

Bohužiaľ, úsilie vedcov fyzicky preukázať štiepenie ťažkých jadier muselo byť začiernené zneužitím tohto unikátneho objavu na deštrukciu. Zhodenie jadrovej bomby na japonské mestá Hiroshima a Nagasaky bude navždy čiernou škvrnou v histórii jadrovej energie. Aj keď Albert Einstein fakticky nehral žiadnu priamu úlohu pri vývoji jadrovej bomby, ale svojim objavom vytvoril základné podmienky pre jeho konštrukciu. V spoločnom liste so svojim kolegom a kamarátom Leóm Szilárdom, adresovanom prezidentovi Roosveltovi z 2. augusta 1939 upozorňuje na hrozbu zneužitia fenoménu štiepenia na výrobu zbraní hromadného ničenia. Keďže v tom období Nemecko kontrolovalo väčšinu uránových baní, vyjadroval svoje znepokojenie, že by sa táto technológia mohla dostať do nesprávnych rúk, a preto ponúkol svoju pomoc pri projekte Manhattan. Veril, že takáto silná zbraň v správnych rukách môže viesť k mieru. V jeho biografii sa však môžeme dočítať, že tento čin sám neskôr oľutoval: „Keby som nebol presvedčený, že Nemecko dokáže vyrobiť jadrovú zbraň, ani prstom by som nepohol“.

Prvý funkčný reaktor vyrábal 5 MW elektriny až donedávna

EBR-1 (Experimental Breeder Reactor 1)

V roku 1951 bol v Idahu v USA spustený reaktor EBR-1 (Experimental Breeder Reactor 1), ktorý dokázal vyrobiť elektrickú energiu na rozsvietenie 4 žiaroviek. Mnohí tento reaktor považujú za míľnik jadrovej energetiky. Vedú sa však diskusie či sa výroba 200 We môže považovať za elektráreň, pričom v roku 1954 bola v Ruskej federácii spustená elektráreň AM-1 („Атом Мирный“, v preklade “mierumilovný atóm”) s tepelným výkonom 30 MWt, ktorá dokázala do elektrickej siete dodať elektrický výkon na úrovni 5 MWe. Kým reaktor EBR-1 bol prevádzkovaný len ako demonštrátor technológie a bol odstavený v roku 1963, elektráreň AM-1 vyrábala elektrickú energiu až do roku 2002.

Skúsme sa teraz pozrieť na to, ako nám spomenuté objavy môžu poslúžiť a pritom nás nevystavovať nadmernému riziku ohrozenia. Pod nadmerným rizikom si môžeme predstaviť ako si jedného krásneho letného rána kráčame po uliciach centra nášho hlavného mesta, kocháme sa krásou historických budov a z parapety na treťom poschodí na nás padne kvetináč červených muškátov. Možno sa to zdá byť prehnané, pravdou však ostáva, že pravdepodobnosť takejto situácie je väčšia ako pravdepodobnosť nehody v jadrovej elektrárni. K tomu sa možno dostaneme neskôr.

Nielen rýchlejšia cesta na Mars

Vráťme sa však spať na začiatok a položme si otázku: Kde všade sa s jadrovou energiou môžeme stretnúť? Každého racionálne zmýšľajúceho človeka by ako prvé napadlo: jadrová elektráreň. V nej sa štiepením ťažkých atómov získava kvantum tepelnej energie, ktorá po konverzii na mechanickú prácu roztočí rotor turbíny a vytvára napätie na svorkách turbogenerátora priamo napojeného na parnú turbínu. Samozrejme, keby to bolo také jednoduché, tak by mohla stáť jadrová elektráreň pomaly v každej záhrade. Skutočnosť je samozrejme iná. Jadrová elektráreň je komplexom navzájom previazaných fyzikálnych a inžinierskych riešení, pri použití špeciálnych materiálov a  poznatkov z celého spektra technického poznania. Viac si môžete prečítať aj TU.

Skeptik by si ale teraz položil otázku: OK, je toto všetko? Slúži jadrová energia naozaj len na výrobu elektrickej energie?. Pravdou je, že mnohí z nás si to ani neuvedomujú, ale jadrová energia sa postupne vkráda do našich životov často neohlásene a vo formách, v ktorých by sme to najmenej očakávali. Uľahčuje nám náš každodenný život, slúži na dosiahnutie vyššej úrovne bezpečnosti, pomáha nám vyrábať produkty vyššej kvality, kalibrovať meracie prístroje, liečiť pacientov so zhubnými nádormi, ba dokonca vytvára aj základné podmienky pre náš život vo forme pitnej vody.

Koncept družice napájanej jadrovým reaktorom

Je to len zlomok toho, kde všade sa s jadrovou energiou môžeme každodenne stretnúť. Postupne sa k jednotlivým oblastiam dostaneme. V mojich nasledovných blogoch si ukážeme neelektrické aplikácie jadrových elektrární, kde tepelná energia získaná zo štiepenia môže slúžiť napríklad na výrobu vodíka alebo odsoľovanie morskej vody. Ďalej si povieme pár slov o použití jadrovej energie v medicíne na rýchlu a presnú diagnózu činností jednotlivých orgánov ľudského tela, ale aj na liečenie zhubných nádorov formou ožarovania vysoko energetickým ionizujúcim žiarením koncentrovaným do malého objemu cieľovej bunky. Ukážeme si, že potenciál jadrovej energie siaha mimo planétu Zem. Energia rozpadu rádioaktívneho plutónia umožňuje napájať družice alebo sondy smerujúce do hĺbky ďalekého vesmíru. Ukážeme si aj to, ako jadrová raketa môže urýchliť cestu na Mars. Jadrová energia nám ponúka široké spektrum možností, o ktorých sa môžete dočítať v mojich nasledujúcich blogoch už čoskoro.