Létezhet-e a természetben atomerőmű?

Az atomipar a modern emberiség egyik legnagyobb vívmánya, mind az energetikai, mind a hadiipari szektorban. Az emberiség hű maradt a habitusához: előbb használtuk fel az atomenergiát hadi célokra, minthogy békés célra. Az Egyesült Államok 1945-ben dobott atombombát a Japán Birodalomra, míg az első hálózatra kapcsolt atomerőművet csak 1954-ben építették meg a Szovjetunióban, Obninsk városában.

Az atomipar fejlődésének történelmi mérföldkövei számos technológiai és etikai kihívással jártak, például az atomhulladék kezelése és a balesetek kockázata. A hosszas kutatás és kísérletezés eredményeképpen jött létre ez a rendkívül összetett és bonyolult iparág. Nem csak a reaktorok fizikai működését kell itt érteni, hanem a hűtési rendszereket, a biztonsági protokollokat, az energiaátalakítást és -szállítást, valamint az ökológiai hatások kezelését is.

**Heller–Forgó-féle légkondenzációs hűtőberendezés** avagy hűtőtorony. Tévhit, hogy csak atomerőműveknél használnak ilyeneket! Két magyar mérnök találmánya (Heller László, Forgó László)

Hazánkban, Magyarországon, a Paksi Atomerőmű különösen fontos szerepet játszik. Az ország elektromos áramigényének közel felét biztosítja, és így alapvetően formálja a hazai energiastratégiát. Az atomenergia környezeti előnyei és hátrányai is komoly vitatémát szolgáltatnak, amelyek tovább bonyolítják az atomipar helyzetét.

De vajon létezhet-e a természetben olyan jelenség, amit „természetes atomerőműnek” nevezhetnénk? Ez a kérdés nem csak tudományos, hanem filozófiai és etikai szempontból is izgalmas, és a cikk további részében keressük rá a választ.

Filozófiai mélységek: miért érdekes a kérdés?

A „természetes atomerőmű” létezésének kérdése nem csak tudományos, hanem filozófiai és etikai szempontból is izgalmas. Elsőként, az ember és természet viszonyát firtatja. Ha létezik természetes atomerőmű, akkor az emberi technológia talán nem annyira „természetellenes”, mint ahogyan azt gyakran gondoljuk. Ez árnyalja a természet és kultúra, vagy természet és technológia közötti szokásos dichotómiákat.

Másodszor, a kérdés alapvető etikai problémákat is felvet. Ha a természetben is léteznek hasonló energetikai folyamatok, akkor etikai szempontból is másképp kell-e viszonyulnunk az atomenergiához? Változik-e az emberi felelősség mértéke a technológiai beavatkozások kapcsán?

Harmadszor, a kérdés ontológiai szinten is érdekes. Felveti, hogy a technológiai fejlődés valóban az emberi innováció eredménye-e, vagy esetleg a természetben is léteznek hasonló folyamatok, amelyeket csak „felfedezünk” ahelyett, hogy „feltalálnánk”.

Végül, de nem utolsósorban, a kérdés a természet „céljai” felől is megközelíthető. Filozófiai szempontból az is érdekes, hogy a természetnek van-e olyan „szándéka” vagy „célja”, amely az atomi folyamatok természetes előfordulását magyarázná, és ez hogyan befolyásolja az emberi célkitűzéseket és etikai normákat.

Az atomerőművek működése

Az atomerőművek működésének alapja az atommagok hasadása, amely során hatalmas mennyiségű energiát szabadítanak fel. A leggyakrabban használt hasadóanyag a dúsított urán, amelynek atommagjait egy reaktorban bombázzák neutronokkal, így indítva be a hasadási folyamatot. A keletkező energia felmelegíti a reaktorban lévő hűtőközeget, általában vizet, amely aztán gőzzé alakul, vagy egy másik zárt rendszernek melyben szintén víz található, annak átadja a hőt és a víz alakul gőzzé és az elsődleges körben nem történik halmazállapot változás (ettől függ hogy forralóvizes reaktorról vagy pedig nyomottvizes reaktorról beszélünk). Ez a gőz megforgat egy turbinát, amely egy generátorhoz van kapcsolva. A generátorban az elektromos áram előállítása történik, amit aztán a hálózatba juttatnak. Az egész folyamatot szigorú biztonsági protokollok és rendszerek szabályozzák, például az automatikus leállító rendszerek és a sugárzásvédelmi intézkedések, amelyek garantálják az atomerőmű biztonságos működését. Hazánkban, Pakson Szovjet VVER reaktor található, amely nyomottvizes reaktor mely angolul PWR.

Az urán izotópjai

Az urán két fő izotópja az urán-238 és az urán-235. Az urán-238 a természetben előforduló urán nagy részét teszi ki, és általában nem használják közvetlenül atomreaktorokban, mivel nehezebben indul be láncreakcióba. Az urán-235 azonban sokkal reaktívabb és könnyebben lép láncreakcióba, ezért használják atomerőművekben és atomfegyverekben. A dúsított uránban az urán-235 arányát növelik meg, hogy hatékonyabb legyen az energia termelése. A láncreakció során egy urán-235 atom magja elnyel egy neutronot, majd kettéhasad, és több neutron szabadul fel. Ezek a neutronok további urán-235 atomokat hasítanak, és így tovább. A folyamat során hatalmas mennyiségű energia szabadul fel, amit aztán elektromos áram előállítására használnak. Az urán dúsítása többféle módon történhet, de a leggyakoribb módszer az úgynevezett gázdiffúziós vagy gázcetrifugálásos eljárás. Ezekben az eljárásokban az urán-hexafluoridot gázzá alakítják, és a különböző izotópokat súlyuk alapján választják szét, hogy növeljék az urán-235 arányát.

Az U-235 hadasái reakciója, amikor neutronokkal bombázzák. Az atommag befogad egy neutront és U-236 lesz belőle ami „izgatott” álapotba kerül és meghasad. A hasadás során neutronok lökődnek ki és kripton illetve bárium izotóp keletkezik. A felszabaduló neutronok biztosítják a láncreakciót.
U-235+n→U-236→Kr-92+Ba-141+3n+Energia
NEM ÖSSZEKEVERENDŐ AZ U-235 SPONTÁN MAGHASADÁSÁVAL!

Elméleti kihívások és a természeti korlátok

A természetes atomerőmű létrejöttének lehetősége sokak számára elképzelhetetlen, de a tudományos elméletek és a természetben fellelhető anyagok alapján nem teljesen kizárt. Elsőként, szükségünk lenne egy természetes uránforrásra, ami magában foglalja az urán-235 izotópot is. A természetben található urán többsége urán-238, de kis mennyiségben urán-235 is előfordul (0,72%).

Másodszor, szükség lenne egy természetes neutronforrásra. A természetben található olyan anyagok, mint például a bór vagy a lítium, amelyek képesek neutronokat szabadítani fel.

Harmadszor, ahhoz, hogy láncreakció jöjjön létre, a neutronoknak el kell találniuk az urán-235 atomokat, és nem szabad, hogy elnyelődjenek más anyagokban vagy elszóródjanak. Ez azt jelenti, hogy az uránforrásnak és a neutronforrásnak egy bizonyos geometriai elrendezésben kell lenniük, és nem szabad, hogy túl sok „neutronelnyelő” anyag legyen a környezetben.

Végül, a természetben a körülményeknek olyanoknak kell lenniük, hogy a felszabaduló energia ne vezessen azonnali „összeomláshoz”, vagyis az anyagok szétterjedéséhez, ami megállítaná a láncreakciót.

Összességében, bár a természetes atomerőmű létrejötte számos egybeeső körülményt igényel, elméletileg nem lehetetlen.

HÁT NEM AZ!

Az Oklo-i természetes atomerőmű Gabonban található, és egyedülálló a világon, mivel ez az egyetlen ismert természetes atomerőmű. Körülbelül 2 milliárd évvel ezelőtt jött létre, amikor a földkéregben található uránérc olyan koncentrációban tartalmazott urán-235 izotópot, hogy képes volt láncreakciót indítani. Az urán-235 koncentrációja ebben az időben sokkal magasabb volt, mint ma, ezért volt képes természetes láncreakciót létrehozni.

A reaktor működése során a természetes víz szolgált moderátorként, ami lehetővé tette a neutronok lassítását és az urán-235 izotóp hasadását. A reaktor összesen körülbelül 100 000 évig működött, és nagyjából 5,4 tonna uránt használt fel. A reaktorban a természetes víz nem csak moderátorként működött, hanem a hőelvezetésben is kulcsszerepet játszott. Elképzelhető, hogy a reaktor magas hőtermelése miatt a víz felforrt, és gőzzé alakult. Ez a gőz a barlang felsőbb részeibe szállt, ahol lehűlt és kondenzálódott. A lehűlt víz gravitáció hatására visszafolyt a reaktor „magjába”, ahol újra felhasználódott a láncreakció fenntartásához és a hő elvezetéséhez.

Ez a természetes „vízkeringetési” rendszer lehetővé tette, hogy a reaktor stabilan működjön hosszú időn keresztül. A víz állandó mozgása biztosította, hogy a reaktor ne legyen túlmelegedve, és a láncreakció kontrollált maradjon. Ez egy természetes példa arra, hogy milyen összetett rendszerek is képesek kialakulni a természetben anélkül, hogy emberi beavatkozásra lenne szükség.

A fő bányából, amit az emberek létrehoztak az Oklo régióban, egyik természetes reaktor egy mellékág segítségével megközelíthető, ahogyan azt itt is bemutatják. A jelenlévő nagy urániumlerakódás nukleáris hasadáson ment keresztül szakaszosan százezrek éveken keresztül, körülbelül 1,7 milliárd évvel ezelőtt. A sárga kő uránium-oxid.

Az Oklo-i természetes atomerőmű felfedezése fontos tudományos és filozófiai kérdéseket vetett fel, például azt, hogy létezhetnek-e más bolygókon hasonló természetes atomreaktorok, vagy hogy az atomenergia mennyire „természetellenes”.

Azonban fontos megjegyezni, hogy bár gyakran „természetes atomerőműként” emlegetik, valójában nem volt egy teljes értelemben vett erőmű. Hiányoztak belőle azok a komplex rendszerek, mint a turbinák és generátorok, amelyek az elektromos áram előállításához szükségesek. Így tehát inkább csak egy „természetes atomreaktornak” tekinthető.

Természetesen, az Oklo-i természetes atomreaktor nem csak a tudományos közösség számára volt fontos felfedezés, hanem az általános közvélemény számára is. Az Oklo-i reaktor például rávilágított arra, hogy a természet képes bizonyos körülmények között „önfenntartó” nukleáris reakciókat létrehozni. Ez a felfedezés új dimenziókat nyitott a fenntartható energiaforrások kutatásában, és felvetette a lehetőségét annak, hogy más bolygókon is létezhetnek hasonló természetes folyamatok.

Az Oklo-i reaktor továbbá érdekes adatokat szolgáltatott az urán lebomlási folyamatáról és a radioaktív izotópok mozgásáról a földkéregben. Ezek az információk segíthetnek a jövőbeni atomhulladék-tárolási stratégiák kidolgozásában.

Végül, de nem utolsósorban, az Oklo-i reaktor felfedezése hozzájárult a földtörténeti kutatásokhoz is. A reaktor működésének ideje alatt keletkezett termékek és melléktermékek segítségével a tudósok pontosabban tudják modellezni a Föld korai atmoszférájának és litoszférájának viszonyait.

Ez a természetes „csoda” tehát nem csak egy tudományos érdekesség, hanem számos tudományágban és az emberiség jövőjét illetően is releváns információkkal szolgál.

Teljesítménye

A Csernobili atomerőmű négyes blokkjának a bruttó, analóg teljesítménymérője.
A robbanás előtt az utolsó rögzített (tehát amit a műszerek képesek voltak még mérni) teljesítményértéke meghaladta a 33 000 megawattot az az több mint a 11-szerese volt a bruttó 3000 megawattra (hálózati kapacitása 1000 megawatt) tervezett reaktorénak.

Az Oklo természetes atomreaktor által felhasznált 5,4 tonna urán 100 000 év alatt rendkívül csekély mennyiségnek számít, ha modern atomerőművek teljesítményével hasonlítjuk össze. Egy mai atomerőmű általában több száz tonna uránt használ fel évente, és gigawatt nagyságrendű elektromos teljesítményt képes előállítani. Ezzel szemben az Oklo reaktor teljesítménye sokkal alacsonyabb lehetett, és valószínűleg csak néhány kilowatt vagy még kevesebb teljesítményt állított elő.

Ez a különbség jól mutatja, hogy mennyire fejlett és hatékony az ember által kifejlesztett atomtechnológia a természet „primitív” megoldásaihoz képest. Míg az Oklo reaktor egyfajta „lassú égésű” rendszer volt, ami évszázadokon keresztül működött minimális teljesítménnyel, addig a modern atomerőművek képesek rövid idő alatt hatalmas mennyiségű energiát előállítani. Ez nem csak a technológiai fejlődés eredménye, hanem az emberi igényeknek és az ipari alkalmazásoknak is köszönhető.

Ennyi év után még létezhet valahol ilyen?

Manapság már valószínűleg nem léteznek természetes atomreaktorok, és ennek egyik fő oka az urán-235 izotóp felezési ideje. Az urán-235 felezési ideje körülbelül 700 millió év, ami azt jelenti, hogy a Föld története során jelentős mennyiségben bomlott el. Emiatt ma már az uránérc csak körülbelül 0,72%-ban tartalmaz urán-235 izotópot, ami nem elegendő egy természetes láncreakcióhoz. Az urán-235 az egyetlen hasítható izotóp, amely még jelentős mennyiségben előfordul a természetben és primordiális nuklidnak számít. Ellenben az urán-238, amelynek felezési ideje 4,4 milliárd év, még nagy mennyiségben jelen van a Földön. Ez az izotóp azonban nem alkalmas láncreakció indítására, így a természetben már nem valószínű, hogy létrejöhetnek olyan atomreaktorok, mint az Oklo-i volt.

Összefoglalva

A természetben atomreaktor nem létezhez de atomreaktor létezhtett de mára már az se.

U-238

Bár az urán-235 (U-235) az egyik legismertebb és leggyakrabban használt izotóp az atomreaktorokban, nem ez az egyetlen izotóp, amely képes fenntartani egy láncreakciót. A modern grafitmoderátoros reaktorok, például a Szovjetunió által fejlesztett RBMK (Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalny, azaz Nagy Teljesítményű Csatornás Reaktor) típus, képesek urán-238 (U-238) izotópot is használni. Az RBMK reaktorok grafitot használnak a neutronok lassítására, ami lehetővé teszi, hogy a U-238 is részt vegyen a fűtőelemekben zajló láncreakcióban. Ez a tulajdonság különösen fontos, tekintve, hogy a természetben előforduló urán nagy része U-238. Azonban érdemes megjegyezni, hogy az RBMK reaktorok, mint például a Csernobilban található, saját biztonsági kihívásokkal is rendelkeznek, amelyek súlyos balesetekhez vezethetnek, ha nem kezelik megfelelően.