Kodolenerģija

Kodolenerģija ir enerģijas veids, kura izdalās eksotermiskajās kodolreakcijās, galvenokārt kodolu dalīšanās vai kodolsintēzes ceļā.^[1][2] Tā ir viena no spēcīgākajām zināmajām enerģijas formām, jo neliels daudzums kodolmateriāls var atbrīvot ļoti lielu enerģijas daudzumu. Praktiskajā pielietojumā visizplatītākais kodolenerģijas iegūšanas veids ir kodolu dalīšanās, kurā smagi kodoli, piemēram, urāns-235 vai plutonijs-239, tiek sadalīti mazākos kodolos, atbrīvojot siltumu. Šis siltums tiek izmantots tvaika radīšanai, kas tālāk darbina turbīnas un ģenerē elektroenerģiju. Savukārt kodolsintēze ir process, kurā vieglāki kodoli, piemēram, ūdeņradis, saplūst, veidojot smagāku kodolu un atbrīvojot enerģiju. Līdz šim kodolsintēze ir izmantota galvenokārt pētnieciskos un eksperimentālos nolūkos, lai gan tiek uzskatīta par nākotnē potenciāli drošāku un ilgtspējīgāku enerģijas avotu.

Kodolenerģiju atomelektrostacijās (AES) izmanto, lai ražotu elektroenerģiju

Vēsturiski kodolenerģijas izmantošana sākās 20. gadsimta vidū. Pirmais mākslīgi radītais kodolreaktors tika iedarbināts 1942. gada 2. decembrī Čikāgā, ASV, kā daļa no Manhatanas projekta (Chicago Pile-1).^[3][4] Pēc Otrā pasaules kara kodoltehnoloģijas attīstība turpinājās, un 1950. un 1960. gados sākās komerciālo kodolspēkstaciju būvniecība. Kodolenerģija kļuva par nozīmīgu elektroenerģijas avotu daudzās valstīs, vienlaikus raisot arī diskusijas par drošību, kodolatkritumu apsaimniekošanu un militāriem aspektiem.

Fizikālie pamati

Kodolu īpatnējās saites enerģijas atkarība no masas skaitļa

Kodolenerģijas pamatā ir procesi, kuros atomu kodolu masa tiek pārveidota enerģijā, ievērojot Einšteina masas–enerģijas proporcionalitātes principu E = mc², kur E ir atbrīvotā enerģija, m – masas zudums, c – gaismas ātrums vakuumā (aptuveni 3×10⁸ m/s).^[5] Pat neliels masas zudums var atbilst ievērojamam enerģijas daudzumam, kas kodolreakcijas padara par vienu no efektīvākajiem enerģijas avotiem.

Kodolu enerģētiskā stabilitāte izriet no kodolu saites enerģijas — tās enerģijas, kas nepieciešama, lai izjauktu kodolu atsevišķos nuklonos (proti, protonos un neitronos). Lai salīdzinātu dažādus kodolus, izmanto īpatnējo saites enerģiju (uz vienu nuklonu). Vieglajiem kodoliem tā ir salīdzinoši maza, piemēram, deitērijam ap 1 MeV, bet pieaug ar kodola masas skaitli, dzelzs kodolā (A=56) sasniedzot maksimumu apmēram 8,6 MeV uz nuklonu, un tad smagākiem kodoliem, piemēram, urānam, atkal samazinās. Tas nozīmē, ka enerģiju var iegūt, vai nu dalot smagos kodolus, vai sapludinot vieglos, bet ne no kodoliem ar maksimālo īpatnējo saites enerģiju, kā dzelzs vai niķelis.

Kodolu dalīšanās ir process, kurā smagi, nestabili kodoli, piemēram, urāns-235 vai plutonijs-239, sadalās mazākos kodolos (dalīšanās produktos), atbrīvojot 2–3 brīvos neitronus, ap 200 MeV enerģijas uz katru dalīšanās reizi (vidēji ap 1 MeV uz vienu nuklonu), jonizējošo starojumu (gamma starojumu un bēta daļiņas).^[1] Šī reakcija var notikt kā kontrolēta ķēdes reakcija, kur atbrīvotie neitroni izraisa jaunu dalīšanos. Lai ķēdes reakcija būtu ilgtspējīga, jānodrošina kritiskā masa – minimālais šķeļamā materiāla daudzums, kas nodrošina pietiekamu neitronu daudzumu turpmākām reakcijām.^[6] Kodolreaktoros radītais siltums tiek izmantots tvaika radīšanai, kas darbina turbīnas, ražojot elektroenerģiju.^[7] Reakciju regulē ar neitronus absorbējošiem materiāliem, piemēram, boru vai kadmiju, bet siltuma aizvade notiek ar siltumnesēju — ar ūdeni, smago ūdeni vai šķidrajiem metāliem, piemēram, nātriju.

Kodolsintēze ir process, kurā vieglie kodoli (bieži deitērijs ²H un tritijs ³H) saplūst, veidojot hēlija kodolu un neitronu, atbrīvojot ļoti lielu enerģijas daudzumu — līdz pat 18 MeV uz vienu reakciju, kas pārrēķinot uz vielas daudzumu dod aptuveni 3,4×10¹¹ J no 1 g deitērija–tritija maisījuma.^[8] Reakcijas piemērs:

2
1D + 3
1T → 4
2He + 1
0n + enerģija.

Lai pārvarētu Kulona barjeru (elektrisko atgrūšanos starp pozitīvi lādētajiem kodoliem), nepieciešami miljoniem °C augsta temperatūra un ļoti augsts spiediens.^[9] Dabā šādi apstākļi pastāv Saulē un citās zvaigznēs, bet uz Zemes kodolsintēze tiek pētīta, piemēram, tokamaku tipa eksperimentālajās iekārtās, piemēram, ITER. Komerciāla izmantošana vēl nav sasniegta — līdz šim reakcijas bijušas nestabilas un īslaicīgas (dažas sekundes), taču uzskatāms, ka nākotnē šī tehnoloģija var kļūt par nozīmīgu enerģijas avotu.^[10]

Neitroni kodolreakcijās ir ļoti būtiski, jo tie nepārnes elektrisko lādiņu, un tāpēc netiek atgrūsti no kodoliem, kā tas notiek ar protoniem, tie var brīvi iekļūt kodolos, izraisot jaunas reakcijas, kā arī tie ir svarīgākie reakciju uzturētāji, īpaši kodolu dalīšanās ķēdes procesos.

Kodolreaktori

Pamatraksts: kodolreaktors

Kodolreaktori ir tehniskas iekārtas, kurās kontrolēti tiek uzturētas kodolu dalīšanās ķēdes reakcijas, lai iegūtu siltumu, ko tālāk izmanto elektroenerģijas ražošanā vai citiem tehniskiem nolūkiem. Atkarībā no konstrukcijas un darbības principa kodolreaktorus iedala vairākās grupās, tostarp termālajos un ātro neitronu reaktoros, kā arī pēc konkrētā degvielas, moderatora un dzesētāja veida.

CANDU (Kanādas deitērija urāna reaktora) darbības shēma

Termālie reaktori izmanto neitronu moderatorus, lai palēninātu ātros neitronus, tādējādi palielinot kodolu dalīšanās varbūtību urāna-235 vai plutonija-239 kodolos.^[11] Moderatori parasti ir vieglais ūdens (H₂O), smagais ūdens (D₂O) un grafīts. Galvenie termālo reaktoru tipi ir ūdens–ūdens reaktori (PWR, VVER, moderē un dzesē ar ūdeni), smagā ūdens reaktori (CANDU, izmanto smago ūdeni kā moderatoru un dzesētāju, ļauj darbināt ar dabisko urānu) un grafīta moderētie reaktori (piemēram, RBMK, kas moderē ar grafītu, dzesē ar ūdeni).

• PWR (paaugstināta spiediena ūdens kodolreaktors) — primārais dzesētāja loks atrodas augstā spiedienā, lai novērstu ūdens vārīšanos reaktorā. Siltums tiek nodots sekundārajam lokam, kur veidojas tvaiks turbīnu darbināšanai.^[12]
• BWR (verdoša ūdens reaktors) — tvaiks veidojas tieši reaktora kodolā un pēc tam virza turbīnas.^[13]
• CANDU (Kanādas deitērija urāna reaktors) — moderēšanai un dzesēšanai izmanto smago ūdeni. Degvielas kanāli ļauj papildināt degvielu reaktora darbības laikā.^[14]
• RBMK (lielas jaudas kanālu tipa reaktors) — padomju grafīta moderēts, ūdens dzesēts kanālu reaktors, pazīstams ar izmantošanu Čornobiļas AES.^[15]
• HTGR (augstas temperatūras ar gāzi dzesēts kodolreaktors) — ar hēliju kā dzesētāju un grafītu kā moderatoru.^[16]
• VVER (ūdens-ūdens kodolreaktors) — krievu tipa spiedūdens reaktors, plaši izmantots Eiropā un Āzijā.^[17]

Ātro neitronu reaktori nesaista neitronus ar moderatoru, tāpēc reakcija notiek ar šiem neitroniem. Šāda tipa reaktori bieži izmanto šķidros metālus, piemēram, šķidro nātriju, kā dzesētāju, jo tie efektīvi vada siltumu un nepalēnina neitronus. Ātrie reaktori var efektīvi izmantot plutoniju kā degvielu, kā arī nešķelamos izotopus pārvērst šķelamos (tā sauktie audzēšanas reaktori jeb breeders).^[11]

Kodolreaktora darbība pamatā ietver šādus posmus:

• Kodolreakcija — degvielas stieņos notiek urāna-235 vai plutonija-239 kodolu dalīšanās, atbrīvojot siltumu un neitronus.
• Moderēšana — ja reaktors ir termālais, moderators palēnina neitronus līdz termālajām enerģijām, palielinot reakcijas efektivitāti.
• Dzesēšana — dzesētājs (vieglais ūdens, smagais ūdens, gāze vai šķidrais metāls) izvada siltumu no kodola.
• Tvaika ģenerēšana — siltums tiek izmantots ūdens pārvēršanai tvaikā, kas griež turbīnas.
• Elektroenerģijas ražošana — turbīnas vada ģeneratorus, kas ražo elektrību.
• Reakcijas kontrole — vadotnes ar neitronu absorbētājiem regulē ķēdes reakcijas intensitāti un drošību.

Kodolenerģijas ražošana

Kodolenerģijas ražošana notiek atomelektrostacijās (AES), kurās kodolreaktors darbojas kā siltuma avots, nodrošinot tvaiku turbīnu darbināšanai un elektroenerģijas ģenerēšanai. Galvenais elements ir kodolreaktors, kurā notiek kontrolēta kodolu dalīšanās, kas atbrīvo lielu daudzumu siltumenerģijas no urāna vai plutonija stieņiem.

Reaktors ir atomelektrostacijā primārais siltuma avots. Tajā kodoldegvielā notiek ķēdes reakcija, kuras laikā izdalās siltums; siltums tiek pārvadīts ar dzesētāju (ūdeni, smago ūdeni, gāzi vai šķidro metālu) uz tvaika ģeneratoru; tvaika ģeneratorā dzesētāja siltums pārvērš ūdeni tvaikā.

Tvaika ģenerators ir siltuma mašīna, kurā dzesētājs no reaktora pārnes siltumu sekundārajam ūdens lokam, veidojot tvaiku. Turbīnā tvaiks ar lielu spiedienu un temperatūru tiek virzīts uz turbīnas lāpstiņām, liekot tām griezties. Turbīnas vārpsta ir savienota ar elektroģeneratoru, kurš mehānisko enerģiju pārvērš elektroenerģijā, izmantojot elektromagnētiskās indukcijas principu. Pēc tam tvaiks tiek kondensēts un slēgtā lokā atgriezts tvaika ģeneratorā, nodrošinot nepārtrauktu ciklu.

Kodolspēkstacijas lietderības koeficients (no siltuma uz elektrību) ir aptuveni 30–37 %, kas ir līdzīga vai nedaudz zemāka par modernām ogļu un gāzes elektrostacijām. Tomēr kodolenerģijas priekšrocība ir tā, ka darbības laikā netiek tieši izdalītas siltumnīcas efekta gāzes, kurināmā enerģijas blīvums ir ievērojami lielāks, resursu patēriņš ir mazāks salīdzinājumā ar fosilo kurināmo stacijām ar līdzīgu jaudu. Rezultātā kodolenerģija tiek uzskatīta par ilgtermiņā stabilu bāzes slodzes enerģijas avotu, kas spēj nodrošināt nepārtrauktu elektroapgādi neatkarīgi no laikapstākļiem vai diennakts laika.