Hogy mi is az ITER, arról kicsit később. Mint előző számunkban kifejtettük, a helyes döntések meghozatalához rengeteg információ feldolgozására van szükség, és ha atomenergiáról beszélünk, nem árt tudni, mi is az atom, hogyan lesz belőle energia, amikor hasad, és hogyan amikor fúzióról beszélünk. 

Lássuk tehát: a kémiai szempontból legkisebb önálló részecskéket atomoknak nevezzük. Az atomok felépítésével kapcsolatos elméletek különböző ún. atommodelleket eredményeztek. Démokritosz (i. e. 460-370): a végtelen üres térben folyamatosan mozgó apró golyóknak képzelte el az anyagot felépítő részecskéket. John Dalton (1766-1844) az atomokat kicsi, tovább oszthatatlan golyóknak képzelte el. 1911-ben Rutherford megalkotta a központi magból és a körülötte keringő elektronokból álló modelljét. Ma már tudjuk, hogy az atom is tovább bontható: az atomot protonok, neutronok és elektronok építik fel. Az atom elektromosan semleges részecske, amely atommagból és elektronburokból áll. Kémiai úton nem bontható fel alkotó elemeire (szomorú hír ez az alkimistáknak). Mivel az atommag pozitív protonokból és semleges neutronokból (ezek a nukleonok)  áll, az atommag töltése pozitív. A teljes atom azonban semleges, mivel a protonok pozitív töltését azonos számú elektron negatív töltése semlegesíti

Az atom átmérője 10−10 m (egy tízmilliárdod méter, vagyis 10 nulla az egyes után) nagyságrendű. Az atommag tipikus átmérője 10−15 m. Ez a nagyságrendi különbség annyit jelent, hogy térfogatának nagy része üres. Hogy érzékeljük az arányokat, ha egy atomot focipálya méretűre nagyítanánk, akkor atommagja mindössze pici kavics méretű lenne (ez a felcsúti focipályára is igaz). A nukleonok is összetett részecskék, kvark hármasokból állnak, de számunkra ez most nem fontos. Az atomokat két számmal jellemezzük, a rendszám: a magban lévő protonok száma (ez felel a kémiai tulajdonságokért), és a tömegszám: amely a protonok és a neutronok számának összege. A hidrogén például egyetlen protonból és egy elektronból áll. Az ugyanannyi protont, de különböző számú neutront tartalmazó atomokat egymás izotópjainak nevezzük (mindjárt látni fogjuk, miért fontos ez az atomenergia szempontjából). Például a hidrogénnek két izotópja is van: a deutérium, amely egy protonból és egy neutronból áll, és a trícium: amelyben két neutron van a proton mellett. Vagy nézzük a 92-es rendszámú (92 proton) uránt, amelynek a természetben 234-es, 235-ös és 238-as tömegszámú izotópjai léteznek.

De hogyan is lehet az atomból energiát nyerni? Ennek megértéséhez két dolog szükséges. Az egyik a természetben ismert kölcsönhatások ismerete és a tömeg és az energia között fennálló összefüggés. Ez utóbbi az ismert E=mc2 az energia egyenlő a tömeg és a fénysebesség négyzetének szorzatával. Mivel a fénysebesség nagyjából 300 ezer kilométer per másodperc, a négyzete igen nagy szám. Ez azt jelenti, hogy nagyon kicsi tömegből hatalmas energiát kapunk.  

A kölcsönhatások: gravitáció, elektromágnesség, a gyenge és az erős kölcsönhatás. A gravitáció és a gyenge kölcsönhatás (amely a radioaktív bomlásban játszik szerepet), most nem lényegesek. Az elektromos és mágneses erőt ismerjük a hétköznapi tevékenységeinkből, ebből van az áram, amely a konnektorba dugott gépeinket működteti, mágnest is valószínűleg már mindenki látott, emiatt kapunk apró, de kellemetlen elektromos áramütéseket, amikor a műszálas pulóverünket lehúzzuk, stb. Az elektromos töltés pozitív (például proton), vagy negatív (elektron) lehet. Az elektromosság nagyon erős kölcsönhatás. A gravitációnál nagyon sokkal erősebb: az arány 1 a 4,2×1042 –hez, másképpen 4 200 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 azaz 4 millió-billió-billió-billiószor erősebb a gravitációs erőnél. A hatása végtelen távolságra kiterjed, hétköznapi világunkban azért nem érezzük, mert a negatív és pozitív töltések általában kiegyenlítik egymást (mint az atom esetében), a gravitáció pedig mindig vonzó hatású és ezért hatása összegződik. Egy egyszerű kísérlettel azért érezhetjük a különbséget: egy megdörzsölt fésűvel könnyedén fel tudunk emelni egy papírdarabkát az asztalról, legyőzve ezzel a hatalmas Föld gravitációs vonzását. Az erős kölcsönhatás a protonokat és neutronokat tartja egyben az atommagban, olyan erős, hogy képes legyőzni a protonok elektromos taszítását, de hatótávolsága kicsi, nem terjed túl az atommag méretén. Fentiek ismeretében már megérthetjük, hogyan is „készül” energia az atomból. Kétféle képen. 

A maghasadás: A nehéz atommagokból energia szabadul fel, ha ezek könnyebb atommagokra hasadnak el. Például az urán neutronbesugárzás esetén két közepes méretű magra válik szét (például urán 235-ből lesz egy bárium 139 és egy kripton 94). A kísérletileg először megvalósított maghasadás Otto Hahn, Fritz Strassmann és Lise Meitner német kutatók nevéhez fűződik (1939). Mivel a két új mag tömege valamivel kisebb, mint az eredeti magé, a tömegveszteség az E=mc2 szerint energiáává alakul.  A nehéz elemek maghasadása során nagy mennyiségű energia szabadul fel elektromágneses sugárzás és a hasadványok mozgási energiájának formájában. Ahhoz, hogy a maghasadás során energia szabaduljon fel, a termékmagok kötési energiájának nagyobbnak kell lennie, mint a kiindulási mag kötési energiája.  A kötési energia az az energia, melyre ahhoz van szükség, hogy szétszedjünk egy egész dolgot részeire. A magfúzió és a maghasadás által kibocsátott energia megegyezik a fűtőanyag és a keletkező fúziós vagy hasadási termékek kötési energiájának különbségével. A gyakorlatban ez az energia a fűtőanyag és a termékek tömegének különbségéből is kiszámítható, amikor a hő és a sugárzás eltávozott. 

Szilárd Leó volt az atommaghasadás láncreakciójának kidolgozója. A maghasadás gyakorlati felhasználásához a folyamatot önfenntartóvá kell tenni. A láncreakció lényege, hogy neutron-besugárzással olyan magátalakulásokat hozunk létre, amelyek további – hasításra képes – neutronokat keltenek. A láncreakció megindulásának feltételei: átlagosan 1-nél több neutron szabaduljon fel hasadásonként (pl. az urán 235 alkalmas erre) és a felszabaduló neutronok közül több, mint 1 hozzon létre újabb hasadást (ennek feltétele a kritikus tömeg és legyenek lassú neutronok). Ha ezek a feltételek teljesülnek, akkor a hasadások száma lavinaszerűen megnő és rövid időn belül hatalmas energia szabadul fel. Ez az atombomba. Egy erőműben azonban szabályoni kell a láncreakciót, vagyis megakadályozzuk az egyidejű hasadások számának túlzott növekedését és a folyamatot egyensúlyban tartjuk. Erre különböző megoldások vannak, amelyek  reaktortípusonként változnak.

Az atomenergia történetének sok magyar szereplője van. Az első atomreaktort, amelyben szabályozott  láncreakció folyt, Chicagóban építette meg 1942-ben Szilárd Leó, Arthur Compton, Enrico Fermi és Wigner Jenő.

Egykis történelem. (forrás:A Magyar Tudományos Akadémia folyóirata, Sükösd Csaba)

1942. december 2.A chicagói Stagg Field stadion lelátója alatt egy Metallurgical Laboratory feliratú táblát viselő ajtó mögött lévő helyiségben furcsa építmény tornyosul. Fagerendás állványzat támaszt egy koromfekete, grafittéglákból összeállított, hatalmas, csonka gúla alakú tömböt. A berendezés tetején néhány ember áll készenlétben vödrökkel, a mellette lévő galérián pedig izgatott tudósok csoportja figyel egy kattogó műszert és egy írószerkezetet, amelynek tolla papírhengerre rajzol vonalakat (neutron számláló). A galéria alatti szinten álló férfi kadmiumlemezeket mozgat a grafittéglák közötti résekben, aszerint, hogy a galérián álló, kissé kopaszodó férfi – Enrico Fermi – milyen utasításokat ad neki. Szilárd Leó, aki szintén a galérián állók között van, logarléccel számolja a neutronfluxust (ennek a napnak a reggelén a következő szavakat írta a naplójába: „H. G. Wells, jövünk!”) A furcsa építmény a világ első atommáglyája, amelyet az önfenntartó láncreakció megvalósíthatóságának demonstrálására építettek. A kísérlet vezetője Enrico Fermi, amerikai részről pedig Arthur Compton. Szilárd Leó mellett egy másik magyar származású tudós is a galérián áll: Wigner Jenő. Az atommáglya belsejében 40 tonna uránoxid és 6 tonna fémurán van elosztva kis darabokban, többé-kevésbé egyenletesen, 380 tonna, szupertiszta grafittégla között. A grafitmoderátor a neutronok lelassítására szolgál. Az építmény tetején áll az „öngyilkos csoport” bóros vízzel teli vödrökkel és a galéria korlátjához kikötött biztonsági rúddal. Készen arra, hogy ha az atommáglyában kialakuló láncreakció elszabadulna, akkor a bóros vizet beöntsék a reaktorba, elvágják a biztonsági rudat tartó kötelet, miáltal a reaktorba jutó bór és a bezuhanó biztonsági rúd leállítja a láncreakciót. A láncreakció szabályozását egyébként a kadmiummal bevont lemezek ki-, illetve betolásával tervezték végezni.

A kísérlet délelőtt 9 óra 45 perckor kezdődött. A negyvenkilenc résztvevő csendben figyelte, ahogy Fermi utasítására lassan kijjebb húzták a kadmiumlemezeket. A neutronszámlálók egyre hangosabban ketyegtek, a neutronok szintje új és új telítési állapotra állt be, jelezvén, hogy egyensúly alakult ki, a láncreakció még nem önfenntartó. A feszültség fokozódott, de röviddel 12 óra előtt Fermi leállította a kísérletet, és ebédszünetet rendelt el. Az ebéd alatt szokatlan csend volt, mindenki a gondolataiba merült. Délután 2 órakor Fermi és csapata ismét a helyszínen volt, a kísérlet folytatódott. Végül, 3 óra 53 perckor a neutronszám emelkedése exponenciálisan növekvő jellegű lett. Semmi jele nem volt annak, hogy telítésbe menne. A történelem első mesterségesen létrehozott, önfenntartó láncreakciója megvalósult, az emberiség belépett az atomkorba. Fermi elrendelte a kadmiumlemezek betolását, a láncreakció rendben leállt. Arthur Compton a telefonhoz lépett, és felhívta James B. Conantet a Harvardon, aki a Nemzeti Védelmi Kutatási Bizottság (National Defense Research Committee) vezetője volt. A beszélgetés a következőképpen zajlott:

– Az olasz kormányos szerencsésen megérkezett az Újvilágba. 

– Milyenek a bennszülöttek?

– Barátságosak.

Az addigi nagy feszültség hirtelen oldódott, a résztvevők boldogan tapsoltak és gratuláltak Ferminek és egymásnak. Ekkor Wigner Jenő egy üveg Chiantit húzott elő, és átnyújtotta Ferminek, aki csodálkozva kérdezte: Honnan vetted? Most, amikor a háború miatt már semmilyen olasz árut nem lehet kapni? Wigner mosolyogva felelt: Nem most vettem, hanem régebben. Biztos voltam, hogy ez a nap el fog jönni. 

 

Számítógép szerviz Budapesten házhoz megy, a XVI. kerületben ingyenes kiszállással

 

Kövessen minket!

Ez is érdekelheti