Foglaljuk össze a tegnapi bejegyzésünket néhány mondatban:

Mi is az atomerőmű? Az atomerőművek tulajdonképpen egy radioaktív energiaforrással rendelkező hőerőmű, működése azokéval alapjaiban megegyezik, ugyanis mindkettő esetében a kazánban (illetőleg reaktorban) felszabaduló hőt valamilyen hűtőközeggel szállíttatjuk el, és azt gőz termelésére használjuk fel. A következő lépcsőfokban a megtermelt gőzt a turbina forgólapátjaira vezetjük, ahol az meghajtja azokat, és ebből a mozgási energiából termel villamos energiát a tengelyére kapcsolt generátor.  A munkavégzés után a gőz a kondenzátorba kerül, ahol lecsapódik, ezáltal vizet kapunk újfent. De a lehűlt vizet fel kell hevítenünk ahhoz, hogy újra visszavezethessük a munka világába, ezért az előmelegítés után vezetjük vissza a nyomottvizes atomerőmű esetén a Gőzfejlesztőbe. Ahogy azt tegnap is leírtuk, a fő különbség a hagyományos hőerőmű és az atomerőmű között abban áll, hogy miként szabadítjuk fel a szükséges hőt. Hőerőművekben a kazánban valamilyen fosszilis energiahordozót, szenet, olajat vagy gázt égetünk el, az égetés alatt a fosszilis energiahordozónk kémiai energiája alakul hővé. Atomerőművünkben viszont a maghasadásokból felszabaduló energiát hasznosítjuk. Mi is az a maghasadás? Ezzel a kérdéssel folytassuk felkészülésünket a várva-várt paksi látogatásra. A középiskolai tananyag elég szűken méri az információt, jobban mondva erre az anyagrészre az óraszámok borzasztóan kevés volta miatt, nagyon-nagyon kevés idő jut. Ezért is fontos egy paksi látogatás, a szabadidőnkben, mert a diákok így plusz foglalkozás keretében is elsajátíthatnak információkat és a tananyag is jobban, hosszabb távúan rögzül, ha egy pozitív élményhez kötődik.

Hogyan tárolódott el az a bizonyos energia, amit fel akarunk szabadítani? Honnan vannak olyan anyagok a Földön, amelyek hasadásra képesek? És az hogyan történik? Mekkora a felszabaduló energia mennyisége?

A Fátyol-köd a Hattyú csillagképben (Éder Iván felvétele) - szupernóva robbanás maradványa,

forrás: mcse.hu [2017.március 27]

Egy kis csillagászat: amiből megtudhatjuk, hogy a Föld anyaga négy és félmilliárd évvel ezelőtt szupernóva- robbanásban keletkezett. Ebben a folyamatban olyan anyagok is létre tudtak jönni, ami alacsonyabb energiaviszonyok között lehetetlen lett volna. Ezek az ún. nagy atommagok, vagyis olyan atommagok, amikben a bennük lévő sok proton és neutron miatt, egyesek közülük magas energiaszintekre kerültek. Nézzük az uránt, ami a legnehezebb, természetes állapotban található elem a Földön, rengeteg protonnal és neutronnal. Mennyivel? Nos az urán jele: ²³⁸₉₂U, ami a fizika és kémia órákon tanultak szerint azt jelenti, hogy a tömegszáma (=nukleonok száma) 238, a protonok száma  (=az elem rendszáma) pedig 92. Ebből pedig kiszámolhatjuk a neutronok számát is: 238-92=146 db neutron.

Néhány alapfogalom rögzítése

Az atomok térfogatának nagy részét a negatív töltésű elektronokból álló elektronfelhő alkotja. Az atom átmérője 10^-10  méter, míg az atommag kb. 10^-14 méter átmérőjű. Az elektronfelhő negatív, míg az atommag pozitív töltésű. Az atommag a pozitív töltését a benne található protonoknak köszönheti. Az atommagot alkotó protonokat és neutronokat közösen nukleonoknak hívjuk. Az előző bejegyzéseim egyikében megemlékeztünk a periódusos rendszer kidolgozásának évfordulójáról. Ott Mengyelejev az elemeket a tömegszámuk alapján tudta (periódusos) rendszerbe foglalni. Vannak ugyanakkor olyan elemek, amik ugyanannyi protonszám (=rendszám) mellett más tömegszámmal rendelkeznek, mert a neutronjaik számában eltérnek. Ezeket nevezzük egy adott elem izotópjainak. Magfizikai szempontból a neutronok száma is meghatározó, 

Az atom kémiai viselkedését a protonok száma határozza meg. Ezért ezt a számot rendszámnak hívjuk, amely egyértelműen megmutatja, melyik elemről van szó. Például teljesen egyenértékű meghatározás az, ha a 92-es rendszámú elemről, avagy az uránról beszélünk. Egy elemnek több izotópja is lehet, léteznek stabil és instabil izotópok. Stabil izotópnak nevezzük azt, amelynek az atommagja külső beavatkozás nélkül nem változik meg. Instabil, vagy radioaktív izotópoknak nevezzük azokat, amelyek atommagja külső beavatkozás nélkül is megváltozhat. Amikor ez a változás bekövetkezik, akkor beszélünk természetes radioaktív bomlásáról. Az atommagok is, mint minden más a természetben energiaminimumra, vagyis stabilitásra törekszenek, stabillá akarnak alakulni. Ezért egy radioaktív bomlást követhet egy másik, vagy több, amíg az elem el nem éri a stabil állapotát akár több bomláson keresztül. Ahogy azt a periódusos rendszeres bejegyzésben írtam, amikor Mengyelejev kidolgozta ezt a rendszerét, 63 elemet ismertek, napjainkban tudtommal 118 elemről beszélhetünk. Ennek a 118 elemnek már több, mint 2500 izotópjáról tudunk. Ezek közül a jelenlegi ismeretek szerint 287 stabil, míg a többi radioaktív, azaz bomlik. A bomlás során, mivel energiaminimumra törekszik az izotóp, a felesleges energiájától sugárzás és részecske kilökés útján szabadul meg. A radioaktív sugárzásnak több fajtája is van, az alfa sugárzás, a béta sugárzás és a gamma sugárzás.

Az alfa-sugárzás

Ez a sugárzás egy alfa-részecske kibocsátásával jár. Az alfa-részecske = két protonból és két neutronból álló héliummag = hélium 4-es tömegszámú ⁴He izotóp atommagja. Amikor egy atom (a nagy rendszámúak hajlamosak az alfa bomlásra) alfa sugárzással bomlik, akkor az atom rendszáma kettővel, tömegszáma pedig néggyel csökken. Erre a sugárzásra példa a ²²⁶Ra (rádium) alfa bomlása, és az 1. ábrán szemléltetjük. A bomlás végterméke a ²²²Rn (radon). Az alfa sugárzásnak a hatótávolsága nagyon rövid, lásd 5. ábra, akár egy vékony papírlap is könnyen elnyelheti. Ugyanakkor, ha a szervezetünkbe kerül valamely alfabomló radioaktív izotóp (mondjuk az étellel, vagy a vízzel), az nagymértékű roncsolást, károsodást okozhat a szervekben, mivel az alfa részecske töltése és tömege is nagy. 

1.ábra Alfa bomlás forrás: http://atomenergiainfo.hu [2017.március 27]

A béta-sugárzás

A béta-sugárzásnak két altipusa is van, a béta pozitív és a béta negatív bomlás. 

β- -bomlás (negatív bétabomlás) A β- részecske olyan elektron, amely az atommagból lép ki! Nem az elektronfelhőről szakad le, hanem a magban egy neutron alakul át protonná és elektronná, valamint egy antineutrínóvá. β- bomláskor a tömegszám nem változik = izobár átalakulás történik. Ugyanakkor a rendszám eggyel nő, a neutronszám pedig eggyel csökken.  A kilépő elektron nagy sebességű. A β- bomlás-t a ¹³⁷ Cs (cézium) bomlásának példáján mutatjuk be, a 2. ábrán. A bomlás végterméke ekkor a ¹³⁷Ba (bárium). A kilépő elektronnak ugyan nagyobb az áthatolóképessége, mint az alfa részecskének, de egy vékonyabb fémlemez ezt is megállíthatja. Lásd 5. ábra.

2.ábra negatív bétabomlás  forrás: http://atomenergiainfo.hu [2017.március 27]

β+ -bomlás (pozitív bétabomlás)

A pozitív bétabomlás is izobár átalakulás, azaz a folyamat alatt nem változik a tömegszám. Itt a magban egy felesleges proton alakul át neutronná, majd az atommagból kilép egy pozitron és egy neutrínó. (pozitív elektron = pozitron) A rendszám eggyel csökken, a neutronszám pedig eggyel nő. A pozitív bétabomlás-t a ²²Na-es izotópjának a bomlásán mutatjuk be, amiből ²²Ne-es stabil izotópot kapunk.

3. ábra pozitív bétabomlás forrás: http://atomenergiainfo.hu [2017.március 27]

A gamma-sugárzás

Az előzőekben tárgyalt alfa és béta bomlások után sokszor a magok gerjesztett állapotba kerülnek, ami energiafelesleget jelent. (Olyanok, mint a hiperaktív gyerekek) Vagyis le kell adniuk ezt az energiafelesleget, az energiaminimumra törekedve. Tehát kisugározzák ezt a felesleges energiát. A gamma-sugárzás mindig alfa- vagy béta-bomlás után, illetve azzal egy időben következik be. Az energiatöbblettől akár azonnal, akár egy idő elteltével szabadulhat meg, mégpedig elektromágneses sugárzás formájában. Az előző béta-sugárzásnál, a ¹³⁷Cs bomlásakor először ^137mBa (bárium) gerjesztett állapotú izotóp (ezt jelöli az “m” index) keletkezik, amely a felesleges energiát gamma-sugárzás / gamma-foton formájában adja le, aminek energiája nagy mértékű. Bár a gamma-foton töltéssel nem rendelkezik, ezért áthatolóképessége igen nagy, roncsoló képessége azonban kisebb a többi sugárzásénál.

4. ábra gamma bomlás forrás: http://atomenergiainfo.hu [2017.március 27]

Az alábbi gifen a különböző bomlások során kilépő energiát hordozó részecskéket figyelhetjük meg, ahogy áthaladnak, illetve elnyelődnek a különböző vastagságú anyagokon. A gamma sugárzást ólomréteg, vagy nehézvizes vastag betonfal nyeli el, a béta sugárzást a nem túl vastag alumínium réteg, míg a nagydarab alfarészecskénket már a papírlap is elnyeli.

5. ábra a különböző sugárzások áthatolási képessége, forrás: www.nagysandor.eu [2017.03.27]

Fogalmak a radioaktivitás terén:

Mikor bomlik el egy radioaktív izotóp? Nem tudhatjuk! Tessék? Ezt egy tudományos blogon írjuk le? Igen!

Lehet, hogy a következő másodpercben, lehet egy-két évmillió múlva. Ez teljesen független attól, mennyi idős az anyag. Ha nagyszámú atomunk van (kezdeti atomszám = N₀ darab), akkor a bomlás statisztikai törvényét alkalmazhatjuk: (Most képletek következnek. Sajnálom, de van, ami képletek nélkül nem leírható...). A nagyon kis idő alatt elbomlott magok száma arányos a még el nem bomlott atomok számával (= N darab). Az arányossági tényező az adott magra lesz jellemző! És bomlási állandónak nevezzük, jele a lambda λ. 

ΔN=-λNΔt, ahol a λ a bomlási állandó.

A bomlási állandó tehát annak a valószínűsége, hogy egy adott atommag a következő másodpercben elbomlik. Az egyenletet átrendezve, az időt nullához közelítve, majd integrálva az egyenletet, kapjuk a bomlástörvényt:

Tehát a bomlatlan (hú de magyartalan :-)) magok száma exponenciálisan csökken és 1/λ az átlagos élettartam.

Egy másik fontos fizikai jellemző az aktivitás, ami az időegység alatt bekövetkező bomlások számát jelenti és A-val jelöljük: .Az aktivitás SI egysége a becquerel (Bq): 1 Bq = 1 bomlás/s.

Következő fontos fogalmunk az az időtartam, amely alatt a kezdetben bomlatlan magok fele elbomlik, ezt felezési időnek nevezzük, jele pedig:^T_1/2 

A felezési idő független az életkortól, hőmérséklettől, kémiai állapottól, stb., csak attól függ, hogy melyik izotópról van szó. A felezési idő nagyon különböző értékeket vehet fel, lehet akár 10^-7s vagy akár 10^{24 év} . Ezt most olvassátok el még egyszer!!

A felezési időt a bomlási állandóval is kifejezhetjük. Házi feladatként kéretik elvégezni! Megoldás a tankönyvben! (segítség: a bomlási állandóval való kapcsolatát úgy kapjuk, hogy megvizsgáljuk, mennyi  idő alatt csökken N₀ a felére). 

Az eddig ismert leghosszabb felezési idejű izotóp a ¹²⁸Te (tellúr) 2,2×10²⁴ éves felezési idővel, az egyik legrövidebb a ²¹⁶Ra (rádium) 182×10^-9 s (182 ns, azaz 182 nanoszekundum) felezési idővel.

Meg kell még említenünk így a gyorstalpalónknál, miszerint az természetes radioaktív anyagok bomlási sorokba rendezhetőek, a bomlásuk fajtájának alapján. Négy bomlási sor létezik:

,

, ez már nincs a természetben, a Föld keletkezése óta lebomlott

 Az aktivitással kapcsolatosan ismerjünk meg még két kiegészítő fogalmat:

A fajlagos aktivitás azt mutatja meg, hogy egységnyi tömegű anyagban hány bomlás következik be másodpercenként. Mértékegysége: Bq/kg, Bq/g, stb.

Az aktivitáskoncentráció alatt az egységnyi térfogatra jutó aktivitást értjük. Mértékegysége: Bq/l, Bq/m3 stb.

Jól jegyezzétek meg ezeket a fogalmakat, mert a felkészülés harmadik fejezetében a biztonságtechnikai részben is szükségünk lesz rá. Akkor az egy esetleges balesetben a környezetbe kerülő radioaktív izotópok veszélyességéről lesz szó a bomlásuk formája és ideje szempontjából nézve.

Gondolkozzatok el, és nézzetek utána, hogy a következő izotópok közül melyik milyen sugárzással bomlik, és mennyi a felezési ideje. Ezek alapján tegyetek megállapításokat a veszélyességükre és a védekezés, megelőzés esetleges módjaira. ¹³¹I (jód), ¹³⁷Cs (cézium), ⁶⁰Co (kobalt) és ¹⁹²Ir (irridium).

Szóval, vissza a reaktorunkhoz. Fűtőanyagra, energiahordozóra van szükségünk. A radioaktív anyagok közül a paksi VVER-440-esbe urándioxid kapszulákra, van szükségünk hasadóanyagként. Az előző alkalommal megfigyelt kis hengeres pasztillákat, aminek a közepén átmenő furat van, uránércből állítjuk elő. Az urán különböző koncentrációban található meg a Földön, van ahol megéri a jelenlegi árakon kitermelni, van ahol még nem. Miután felhozták az uránércet, megőrlik, kénsavban feloldják és kicsapatják belőle az U3O8 sárgás színű port, amit pogácsákká sajtolnak = yellow cake. Ha valaki nézi az Agymenőket (=Big Bang), ez az a híres sárga pogácsa (süti), amit Shaldon szeretett volna vásárolni gyerekkorában, az anyukája bankkártyájával. Erősen nem ajánlott! További feldolgozáson átesve készül el a számunkra felhasználható formában az urán dioxid töltet. Ezeket hengeres formába alakítják, majd üzemanyagpálcákba töltik, amiket pedig kazettákba szerelnek. A pasztillák kb. 9 mm magas, 7.6 mm átmérőjű kis hengerek. A VVER típusú reaktoroknál a pasztilla középvonalában egy 1.6 mm átmérőjű belső furat található. Ez egyrészt azért célszerű, mert így az üzemanyagból kilépő hasadványgázok elég nagy térfogatot tölthetnek meg (így nem lesz túl nagy a fűtőelempálcában a nyomás), másrészt így alacsonyabb maximális hőmérséklet lép fel az üzemanyagban. A fűtőanyagból egy reaktorban 42 tonnányi mennyiséget helyeznek el évente 3.6%-ra dúsítva. Az uránpasztillákat egy cirkónium-nióbium ötvözetből készült, 2.5 m hosszú, 9 mm külső átmérőjű csőbe (a burkolatba) helyezik, amit feltöltenek hélium-gázzal, és ezután hermetikusan lezárnak. A burkolat megakadályozza a hasadványok kikerülését a hűtővízbe. Az üzemanyagtabletta és a burkolat együtt jelentik a fűtőelempálcát. A burkolat és az uránpasztilla között egy vékony gázrés található annak érdekében, hogy üzem közben legyen elegendő hely a pasztilla hőtágulására.

6. ábra üzemanyag elhelyezkedése a reaktorban (Paks) forrás: http://slideplayer.hu/slide/2089781/ [Dr.Sükösd Csaba előadása - internetről letöltve:2017.március 26]

Hogy az arányokat érzékeltessük, elmondhatjuk, hogy néhány gramm uránból előállíthatjuk azt az energiát, aminek az előállításához több tonna szenet, kőolajat kellene elégetnünk.

És, amit nagyon sokszor elfelejtenek, miszerint az urán hasadásakor nem keletkezik üvegházhatást okozó szén-dioxid sem!

Minden emberi tevékenység - így a villamosenergia-termelés is - kockázattal jár. Sajnos minden évben több ezren halnak meg közvetlenül a bányászatban bekövetkező balesetekben, vagy a feldolgozó ipar nagy baleseteiben, esetleg a tankhajók, tengeri olajszállítók katasztrófáiban, gázrobbanásokban. Milliók életét követeli világszerte, köztük egyre több 5 éven aluli gyermekét, a környezetszennyezés, amit nagy részben az atmoszférába bocsátott szén-dioxid okoz. Az atomenergia - felelősséggel és szakértelemmel üzemeltetve - megbízható, biztonságos, olcsó és környezetbarát energiaforrás. Az atomenergián alapuló villamosenergia- termelés kockázata jelenleg kisebb, mint a fent említett kockázatok. Üzemzavarok, balesetek természetesen minden tevékenység közben előfordulhatnak, ezeket az atomenergia- termelésből sem lehet teljesen kizárni. Következő bejegyzésünkben az atomerőművek biztonságtechnikájáról olvashattok majd.

Felhasznált irodalom: 

http://energiapedia.hu/paksi-atomeromu-zrt [2017.március 26]

http://www.atomeromu.hu/ [2017.március 26]

http://www.physics.ttk.pte.hu [2017.március 26]

http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0017_61_atomenergetikai_alapismeretek/ch04.html [2017.március 26]

T.H. Margulova: Atomerőművek, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1977

Üdvözlettel,

ScienceGuruk