Jadrový reaktor ako zdroj energie je v posledných rokoch témou, ktorá rozdeľuje verejnosť (v zjednodušenom ponímaní) na tri tábory. Prvý tábor túto technológiu obhajuje, ale zväčša ide o odborníkov zaoberajúcich sa touto problematikou. Druhý tábor ju toleruje, či už ako nevyhnutné zlo alebo priamo pociťuje benefity, ktoré prináša pre blízke okolie v lokalite, kde je umiestnená. No a tretia skupina ľudí sú jej zarytí odporcovia. Rád by som sériou niekoľkých príspevkov ukázal, všetkým tým, ktorí sa o túto problematiku zaujímajú, že nejde len o technológiu, pomocou ktorej sa ľudia chcú hrať na Boha, ale o prirodzený jav. V rámci svojich príspevkov občas zabŕdnem aj do jadrovej fyziky, ale len veľmi povrchne, aby som mohol vysvetliť pojmy, s ktorými sa budeme v nasledujúcich častiach stretávať.
Ak by sme chceli jadrový reaktor jednoducho opísať, tak je to zariadenie, ktoré získava energiu uloženú v jadrách atómov. Zaujímavosťou je, ako vedci zistili, že jadrá atómov obsahujú využiteľnú energiu. Princíp bol veľmi jednoduchý. Ako vieme, jadrá atómov sa skladajú z protónov a neutrónov. Keď vedci zrátali hmotnosti protónov a neutrónov vo vybranom jadre atómu, tak zistili, že je o niečo väčšia ako hmotnosť daného chemického prvku, ktorú namerali experimentálne. Tento rozdiel hmotností potom nazvali väzbovou energiou a zjednodušene reprezentuje energiu potrebnú na rozdelenia jadra atómu na jednotlivé nukleóny. Ak vynesieme závislosť strednej väzbovej energie (väzbová energia pripadajúca na jeden nukleón) od počtu nukleónov (počet protónov a neutrónov) v jadre do grafu, tak môžeme jadrá rozdeliť do dvoch skupín, a to na stabilné a super stabilné.
Tieto super stabilné jadrá sa nachádzajú v rozsahu od 28 do 138 nukleónov. Jadrá s väčším počtom nukleónov, v pravej časti grafu, sa môžu stať super stabilnými len rozštiepením na dva fragmenty s nižším počtom nukleónov spadajúcim do super stabilnej oblasti. Tento proces sa zároveň vyznačuje prebytkom energie a využíva v tzv. "štiepnych reaktoroch". Prebytkom energie sa vyznačuje aj proces spájania, ale ľahkých jadier z ľavej časti grafu. Reaktory pracujúce na základe spájania ľahkých jadier môžeme nájsť skôr pod označením ako "fúzne reaktory". V rámci prvej časti by som sa chcel venovať predovšetkým štiepnym reaktorom nachádzajúcim sa v prírode, pretože nájsť ich pozorovateľné stopy je veľmi náročné.
Doposiaľ boli objavené len dve lokality, kde bolo možné pozorovať prírodný štiepny reaktor. Obe sa nachádzajú v Africkom štáte Gabon v oblasti nazývanej Oklo a Bangombé na mieste ťažby uránovej rudy. V týchto dvoch oblastiach bolo lokalizovaných cez tridsať prírodných reaktorov. Všetky vznikli v období približne pred dvomi miliardami rokov. Na to aby takéto reaktory mohli vzniknúť musia byť pre danú oblasť splnené štyri základné podmienky. Uránová ruda musí obsahovať dostatočné množstvo prírodného uránu. Prírodný urán musí obsahovať relevantné množstvo štiepneho izotopu. Musí byť zaručená prítomnosť moderátora, ktorý spomalí neutróny na potrebnú energiu. V prítomnosti uránovej rudy sa nesmú nachádzať iné materiály absorbujúce neutróny. V dnešných tlakovodných a varných reaktoroch sa dodržujú rovnaké princípy, aké pomohli sformovať prírodné jadrové reaktory a udržujú kontinuálny chod jadrových elektrární.
Prírodný urán je zložený z troch izotopov: urán-238, urán-235 a urán-234. Dominantným izotopom je urán-238, ktorý tvorí 99,274% prírodného uránu. Štiepnym izotopom je urán-235 so zastúpením 0,72%. Štiepenie prebieha v dôsledku záchytu neutrónu jadrom. Efektivita štiepenia uránu-235 narastá s klesajúcou energiou neutrónu, čo si v praxi vyžaduje použitie moderátora/spomaľovača neutrónov. Urán-234 tvorí zvyšné množstvo okolo 0,006%. Keďže jadrá uránu sa prirodzene rozpadajú, jeho množstvo na Zemi postupne klesá. Na základe prirodzeného zastúpenia jednotlivých izotopov vidíme, že najrýchlejšie sa rozpadá urán-234, potom urán-235 a najpomalšie urán-238. Pred dvoma miliardami rokov bol podiel uránu-235 niečo pod štyri percentá. V rovnakom čase sa sformovali v oblastiach Oklo a Bangombé koncentrované ložiská uránovej rudy, čo v kombinácií s obsahom vody v okolitej pieskovcovej hornine umožnilo rozvinúť štiepnu reakciu.
Pri štiepení sa z pravidla uvoľňujú dva až tri neutróny, ktoré môžu byť následne využité na ďalšie štiepenie. Takýmto spôsobom sa môže rozvinúť nekontrolovaná štiepna reakcia, ktorá spôsobí uvoľnenie enormného množstva energie za krátku dobu, tak ako je to možné vidieť aj pri jadrovom výbuchu. V jadrových reaktoroch, riadených ľuďmi, je štiepna reakcia kontrolovaná obsahom absorpčných materiálov, ktoré zachytávajú nadbytočné neutróny. V prírodnom jadrovom reaktore v Oklo bol celý proces kontroly štiepnej reakcie komplikovanejší. Pri štiepení sa uvoľňuje prebytočná energia vo forme tepla. Na začiatku štiepnej reakcie v jadrových reaktoroch v Gabone neexistovali žiadne mechanizmy, ktoré by dokázali kontrolovať štiepnu reťazovú rekciu a preto sa nekontrolovateľne šírila, až kým sa neuvoľnilo dostatočné množstvo energie, ktoré odparilo vodu v oblasti uránovej rudy. Týmto spôsobom sa štiepna reakcia zastavila do momentu kým množstvo vody zase nebolo dostačujúce na začatie ďalšej reťazovej reakcie.
Prírodné jadrové reaktory v Gabone fungovali v tomto cyklickom režime extrémne stabilne. Jednotlivé cykly mohli trvať až niekoľko hodín a pravdepodobne boli sprevádzané pravidelnými gejzírmi. Gabonské jadrové reaktory dosahovali relatívne nízky výkon, okolo 100 kW, preto nedochádzalo k taveniu horniny, čo umožnilo fungovanie týchto reaktorov takmer jeden milión rokov. Postupným znižovaním koncentrácie jadier uránu-235, prípadne aj akumuláciou štiepnych fragmentov s absorpčnými vlastnosťami, došlo k trvalému odstaveniu týchto jadrových reaktorov. Bohužiaľ dnes už ani jeden z týchto reaktorov neexistuje, pretože všetka uránová ruda bola v tejto oblasti vyťažená.
Jedným zo spôsobov, ako bola existencia prírodných jadrových reaktorov dokázaná, bola zvýšená koncentrácia prvkov vznikajúcich pri štiepení. Niektorí odborníci to dokonca považujú za dôkaz funkčnosti hlbinného úložiska pre jadrový odpad. Jadrové reaktory v Gabone sú jasným dôkazom, že príroda je schopná využívať silu ukrytú v jadrách atómov na pretváranie samej seba a zároveň potlačiť je deštruktívne vlastnosti. Ak sa budeme správne inšpirovať, tak ako v ostatných prípadoch, nie je dôvod mať z jadrovej energie strach.
Súvisiace informácie nájdete aj na:
http://www.todayifoundout.com/index.php/2013/12/natural-nuclear-fission-reactor-gabon-west-africa/
http://wouky.blog.pravda.sk/2014/10/28/nech-je-atom-robotnikom-a-nie-vojakom/
http://blogy.hnonline.sk/branislav-vrban/s-jadrovou-energetikou-na-vecne-casy-a-nikdy-inak
Gauthier-Lafaye, 2006. Time constraint for the occurrence of uranium deposits and natural nuclear fission reactors in the Paleoproterozoic Franceville Basin (Gabon). Geological Society of America Memoirs, vol. 198: 157-167.
Gauthier-Lafaye et al., 1997. The last natural nuclear fission reactor. Nature, vol. 387: 337.
Kuroda, 1956. On the nuclear physical stability of uranium minerals. Journal of Chemical Physics, vol. 25: 781-782.
