NUKLEARNA ENERGIJA

Pripremila: Ivana Maksimović,rukovodilac Sektora za razvoj
i primenu nuklearnih tehnologija JP “Nuklearni objekti Srbije”

Između rizične prošlosti i neizvesne budućnosti

Uzlet, otrežnjenje i novi koncept

Džejms Čedvik Enriko Fermi

Odmah posle otkrića neutrona, koje je ostvario Džejms Čedvik (James Chadwick) 1932. godine u Kevendiš (Cavendish) laboratoriji, otpočela su istraživanja procesa interakcije neutrona sa različitim nuklidima. Na samom početku, u eksperimentima Enrika Fermija (Enrico Fermi), vršeno je bombardovanje uranijuma neutronima, i pri tome je zapaženo da postoje procesi koje u to vreme nisu mogli biti objašnjeni. Te 1934. godine bilo je pretpostavki da se radi o cepanju jezgra, ali su istraživanja vezana za neutrone nastavljena u drugim pravcima. Interesantna su bila izučavanja procesa interakcije sa neutronima u kojima nastaju veštački nuklidi. Nekoliko godina kasnije istraživanja interakcije neutrona sa uranijumom su ponovo postala aktuelna.
U tim istraživanjima je učestvovao i osnivač Instituta za nuklearne nauke “Boris Kidrič” u Vinči, akademik Pavle Savić. Bio je vrlo blizu tako važnog otkrića vezanog za interakciju neutrona sa uranijumom, otkrića fisije, objavljujući činjenicu da interakcijom neutrona sa uranijumom nastaju nuklidi koji imaju upola manju atomsku masu. U tada najrazvijenijoj hemijskoj laboratoriji,  nemački naučnici Oto Han (Otto Hahn) i Fric Štrasman (Friedrih “Fritz” Straβmann) potvrđuju otkriće fisije. Za to otkriće, Han dobija Nobelovu nagradu za hemiju 1944. godine. 

Sa otkrićem fisije je otpočela nova era u istoriji ljudskog roda. Procesom cepanja jezgara uranijuma pod dejstvom neutrona nastaje po nekoliko neutrona (u proseku po 2.5) i oslobađa se energija. Ovaj fenomen je odmah izazvao lavinu istraživanja u celom svetu. Ako se tome doda da je već tada bila poznata teorija usporavanja neutrona, osnovi teorije difuzije neutrona, postojanje rezonantne strukture u interakciji neutrona sa materijalima, zajedno sa otkrićem fisije stvorena je osnova za dalja istraživanja u pravcu dobijanja i korišćenja energije.
Kada se govori o bombardovanju uranijuma neutronima, misli se na uranijum kakav postoji u prirodi. Već tada je tehnologija bila u stanju da iz rude izdvoji uranijum u oksidnom ili metalnom obliku. Bilo je jasno da uranijum sadrži nekoliko nuklida sa jako dugom poluperiodom raspada, praktično stabilnim. Pri tome se pokazalo da jedan uranijum ima veću verovatnoću za interakcije neutrona koje vode ka stvaranju novih neutrona i oslobađanju energije, tj. ka procesu fisije. A to je uranijum 235, koga ima 0.714% u prirodnom uranijumu. Neutroni koji nastaju iz fisije su brzi, imaju energije reda MeV, a energije pri kojima su izražene interakcije koje vode ka fisijama su ispod 1 MeV. Iz osnova teorije usporavanja, odmah je bilo jasno da uranijum treba mešati sa lakim nuklidima, tj. izvršiti usporavanje koristeći lake nuklide kao moderator.
To je osnova od koje je trebalo krenuti, sa ciljem da se uspostavi kontrolisana lančana reakcija. Kada je nastajanje neutrona manje od nestajanja to je tzv. potkritično stanje u kome je sistem miran ili ugašen i ne postoji mogućnost ostvarivanja lančane reakcije. Nastajanje neutrona se ostvaruje iz fisija preko procesa usporavanja i apsorpcije na rezonance u termičkoj oblasti, a nestajanje umicanjem neutrona iz sistema u kojem se nalazi uranijum. Bilo je potrebno ostvariti lanac ovih događaja, pri čemu se ulazi u proces kontrolisane lančane reakcije ili da se dopusti da nastajanje bude veće od nestajanja, što je odmah impliciralo vojne primene.

Istraživanja u tajnosti

Istraživanja ostvarivanja kontrolisanih lančanih reakcija su bila veoma intenzivna u Evropi, pre svega u Nemačkoj, Francuskoj i Velikoj Britaniji. Tada je postalo jasno da prirodan uranijum i obična voda u bilo kakvoj kombinaciji, homogeno ili heterogeno, ne mogu da ostvare lančanu reakciju. Otvoren je put da se usporavanje uspostavi sa grafitom ili teškom vodom. U Nemačkoj, ispitujući grafit od sirovina sa svog područja, došlo se do zaključka da grafit sadrži dosta bora i svoja istraživanja su preusmerili na tešku vodu.

Uoči Drugog svetskog rata, veliki broj fizičara i inženjera napušta Evropu i prelazi u SAD, gde nastaje novi centar, i nuklearna istraživanja se nastavljaju i u SAD i u Evropi. Znajući da postoji verovatnoća da se ostvari i kontrolisana i nekontrolisana lančana reakcija, prekinulo se sa objavljivanjem rezultata iz ove oblasti i 1940. godine je uvedena zabrana njihovog publikovanja. Nastupa period tajnih istraživanja. Nažalost, 1945. godine iz informativnih medija saznaje se da su na Hirošimu i Nagasaki, 6. pa 9. avgusta, bačene dve nuklearne bombe. Tri dana posle toga izašla je publikacija u preko 100.000 primeraka pod nazivom Opšti opis razvoja metoda korišćenja atomske energije u vojne svrhe, tzv. Smyth Report, dostupna širom planete. Iz publikacije se stekla predstava o Projektu “Menhetn” (Manhattan Project), grandioznom projektu koji je doveo do stvaranja oružja. Ova publikacija izlazi u vreme kada zabrana još uvek nije ukinuta, pa ne sadrži tehničko-stručnu stranu, ali jasno otkriva da je u SAD, krajem 1942. godine, Fermi sa svojim timom u Čikagu napravio prvi reaktor i ostvario prvu kontrolisanu lančanu reakciju. Već sledeće godine, napravljen je i reaktor koji je imao hlađenje, a oba reaktora su bila sa grafitom i prirodnim uranijumom. Iste godine je napravljen reaktor sa prirodnim uranijumom i teškom vodom, a 1944.  reaktori kod kojih je moderator bio grafit, gorivo prirodni uranijum u metalnom obliku i odvođenje toplote običnom vodom. Na ovim reaktorima je izvršeno izgaranje goriva, iz koga je potom izvučen plutonijum. Ovi rektori su izgrađeni u državi Vašington, na lokaciji Hanford (Hanford site).
Podizanje postrojenja za preradu iskorišćenog nuklearnog goriva bio je veliki poduhvat, izdvojeni plutonijum upotrebljen je za nuklearno oružje (druga bomba bačena na Japan bila je plutonijumska). Paralelno s procesom proizvodnje plutonijuma, u SAD je ispitano i nekoliko tehnologija za obogaćivanje uranijuma, a krajem rata već je pušteno u rad veliko difuziono postrojenje u Oukridžu (Oak Ridge) za obogaćivanje uranijuma (bomba bačena na Hirošimu je od osiromašenog uranijuma). 
To je sve što se moglo saznati iz publikacije, ali je za stručnu javnost najvažnije bilo da je, u celom ovom procesu, od ukupno utrošenih sredstava, približno 90 % utrošeno za obogaćivanje goriva i izgradnja nuklearnih reaktora za proizvodnju plutonijuma. Za vojni deo (izrada specijalnih nosača za bombu i ostalih komponenata) utrošeno je 6%, a preostalih 4% na univerzitetima i Los Alamos (Los Alamos) institut gde su vršena istraživanja konstrukcije nuklearnih reaktora, rad na nuklearnom oružju itd.  Kada je, znatno kasnije, zabrana na objavljivanje ukinuta, mnogi detalji o nuklearnom oružju su postali  dostupni. Na sreću, detalji vezani za fiziku i tehniku visokih temperatura i pritisaka su ostali skriveni. Danas je moguće na mreži naći niz članaka o tome kako radi i izgleda nuklearno oružje kroz sve generacije.
Razvoj vezan za korišćenje nuklearne energije se otkriva 1952. godine kada su štampane knjige koje se bave osnovama teorije nuklearnih reaktora, reaktora sa grafitom i prirodnim uranijumom. Ogroman podsticaj ovom razvoju je dala Prva konferencija OUN o mirnodopskom korišćenju nuklearne energije u Ženevi, 1955.  Rezultati prikazani na ovoj konferenciji omogućili su da se sagledaju putevi nuklearnih tehnologija i pravci istraživanja u ovoj oblasti. Iste godine su publikovani radovi u 17 tomova iz fizike nuklearnih reaktora, tehnike nuklearnih reaktora, konstrukcije i upravljanja nuklearnim reaktorima, proizvodnje i prerade nuklearnog goriva, zaštite od zračenja, radiohemijskih procesa itd. Iako je razvoj tekao nezavisno, ostvareni rezultati su bili grandiozni. Već tada su bili savladani istraživački reaktori sa grafitom i teškom vodom, sa običnom vodom, ali i sa obogaćenim uranijumom. Već su bili izgrađeni reaktori velike snage u kojima je vršeno ispitivanje gorivnih elemenata za buduće nuklearne elektrane, izgrađeni su reaktori sa vrlo intenzivnim fluksevima neutrona sa običnom i teškom vodom, na kojima su odmah krenula istraživanja vezana za fiziku čvrstog stanja, proizvodnju izotopa za potrebe dijagnostike i terapije u medicini, za brojne primene u industriji itd.

Prve nuklearne elektrane

Civilni deo nuklearne energije se razvija u dva pravca. Jedan pravac predstavljaju istraživački reaktori koji su otvorili perspektive za nova istraživanja, a  drugi mogućnosti korišćenja nuklearne energije za proizvodnju električne energije. Na konferenciji u Ženevi je dato saopštenje o nuklearnoj elektrani u Obninsku, 110 km od Moskve, koja je koristila grafit, obogaćeni uranijum i običnu vodu za odvođenje toplote. Postalo je poznato da se i na istoku i na zapadu intenzivno radi na novim nuklearnom elektranama.
U narednom periodu se grade nuklearne elektrane tipa Magnoks (Magnox), koje koriste gorivo sa prirodnim metalnim uranijumom sa košuljicom na bazi magnezijuma ; moderator je grafit, a odvođenje toplote je izvedeno ugljen-dioksidom. Takve elektrane su sagrađene u Velikoj Britaniji u periodu od 1956. do 1958. godine. Od 1957. do 1961. u SAD su izgrađene nuklearne elektrane: Shippingport, Yankee i Dresden, na principu “obična voda i obogaćeni uranijum”, snage od 60 MWe do 200 MWe.  Shippingport i Yankee predstavljaju reaktore kod kojih se ne dozvoljava ključanje vode kroz jezgro već, pod velikim pritiskom, voda odnosi toplotu predajući je drugoj jedinici. To je reaktor pod pritiskom, tzv. PWR tip (pressured water reactors). Elektrana  Drezden je poznata po tome što je u reaktoru dozvoljeno da voda ključa u jezgru i nije potreban parogenerator. To je tzv. BWR tip (boiling water reactors).
Tih godina se i u Sovjetskom Savezu krenulo istim putem. Koristili su prethodno iskustvo, jer su prvi reaktor napravili 1946, a  1949. godine izvršili probu nuklearnog oružja. Iz tog vojnog razvoja, sličnog kao u SAD, u SSSR je korišćen prirodni uranijum u metalnom obliku, grafit kao moderator i obična voda kao hladilac. I oni su krenuli putem da razvoj iskoriste i u civilne svrhe. Taj put je bio tehnološki lakši za SSSR, lakši nego proizvodnja sudova kakve su zahtevali reaktori pod pritiskom ili ključajućom vodom. Sovjeti su izabrali dva pravca, oba proistekla iz vojnog programa. To je voda pod pritiskom sa obogaćenim uranijumom,, a drugi voda koja ključa u jezgru - ali moderator je grafit,  obična voda je bila hladilac. Oba reaktora su se pojavila 1964.

Epoha prvih reaktora

Ukidanje zabrane publikovanja rezultata nuklearnih istraživanja, pojava Magnoks reaktora u V. Britaniji, lakovodnih reaktora u SAD, lakovodnih i grafitno vodenih u SSSR čine epohu ekspanzije nuklearne energije. Pobrojani reaktori na ovim nuklearnim elektranama pripadaju tzv. prvoj generaciji. Svi su nastali na prvoj etapi ovladavanja proizvodnjom električne energije pomoću nuklearnih reaktora. Njihov razvoj se i u SAD, i u SSSR, i u Britaniji dešavao nezavisno, ali su im  zajedničke činjenice da su se oslanjali na konzervativizam u nuklearnim proračunima i u pristupu da se izabere osnovni projektni akcident na osnovu koga se predvide sva potrebna rešenja i mere da se posledice tog akcidenta ublaže.
Među njima postoje i suštinske razlike, jer je u Sovjetskom Savezu, npr., konzervativizam bio izraženiji. Toplotni kapacitet vode je bio toliko predimenzioniran da je ta elektrana mogla da ostane potpuno bez snadbevanja električnom energijom, a da se obezbedi odvođenje toplote. Predvideli su da se akumulatorskim baterijama preuzme rad sa instrumentacijom kako se ne bi izgubila kontrola nad procesima, a za to vreme je dizel agregat obezbeđivao snadbevanje električnom energijom. Takvi reaktori su mogli i više od osam sati da ostanu sigurni bez ikakvog spoljašnjeg izvora za odvođenje toplote. S druge strane, ovaj konzervativizam je doveo do toga da su, npr., cevi u parogeneratorima uvek bile deblje nego što je potrebno. U SAD, kod osnovnog projektovanog akcidenta su polazili od prekida glavnog cevovoda koji dovodi vodu za hlađenje, dok su u SSSR uzimali oštećenje manjih cevovoda. Na osnovu toga, mere koje su proistekle iz koncepta u SAD su bile strože. Pojavljuje se kontejment kao mera sigurnosti, tj. čelični sud okružen betonskim sudom sa zadatkom da spreči širenje fisionih produkata u slučaju akcidenata. Na svu sreću broj reaktora prve generaciji je bio jako mali.
Razvoj nuklearnih reaktora prve generacije za proizvodnju električne energije prati  intenzivan razvoj nauke i tehnike koji je taj razvoj omogućio. Do sredine 60-tih praktično je bio završen razvoj svih kvantnomehaničkih modela za moderatore (običnu vodu, tešku vodu, grafit, berilijum itd.). Kompletiran je sistem baziran na višegrupnoj aproksimaciji za analize jezgara nuklearnih reaktora i, 1966. godine, u V. Britaniji se počelo sa korišćenjem programa koji i danas ima primenu. U SSSR je ovaj razvoj takođe bio intenzivan, ali su proračuni lakovodnih reaktora rađeni malogrupno, dok su proračuni reaktora sa običnom vodom i grafitnih reaktora išli po usavršenoj Fermijevoj teoriji, krajnje pojednostavljeno.

Preko naših istraživačkih mogućnosti

U našoj zemlji, intenzivan razvoj je počeo odmah nakon Prve konferencija OUN o mirnodopskom korišćenju nuklearne energije. Poklopa se trenutak kada je tadašnja SFRJ poboljšala odnose sa Sovjetskim Savezom i, kao rezultat te saradnje, dobija prvi istraživački reaktor. Izgradnja nuklearnog reaktora RA je počela 1955. godine. Paralelno sa tim, u Vinči je odlučeno da se sagradi i jedan reaktor veoma male snage, tzv. reaktor nulte snage, nuklearni reaktor RB. Ideja je brzo realizovana kupovinom goriva u vidu šipki sa prirodnim metalnim uranijumom i teške vode od Sovjetskog Saveza.
Prektično dve godine pre nego što će nuklearni reaktor RA ući u pogon, napravljen je reaktor nulte snage i eksperimenti su počeli u proleće 1958. Ideja je bila da se na njemu ovlada osnovama nuklearnih reaktora, sa kompletnom usavršenom Fermijevom metodologijom, te da se prouče i po potrebi usavrše parametri potrebni za ovu teoriju. Krajnji rezultat svih ovih istraživanja trebalo je da bude pripremljen kadar koji bi bio u stanju da napravi dobar program za probni rad nuklearnog reaktora RA. Tim koji je radio uspeo je da pripremi taj program i...  nuklearni reaktor RA je, krajem 1959. godine, a praktično početkom 1960 - počeo sa radom. Nuklearni reaktor RA je reaktor sa velikim fluksom za to vreme, snage 6.5 MW. Njegovi kapaciteti su prevazilazili tada naše istraživačke kapacitete, ali kao rezultat toga je uspostavljena saradnja sa Centrom za nuklearna istraživanja u Sakleu (Francuska).
Za reaktor RA je formirana grupa koja se bavila fizikom čvrstog stanja, radiohemijom, fizikom i tehnikom nuklearnih reaktora i oformljena je laboratorija za proizvodnju izotopa. Počela je proizvodnja radioizotopa za dijagnostiku i terapiju u medicini i na reaktoru su napravljeni svi snažni izvori za bolnice u tadašnjoj SFRJ.  Odmah po donošenju odluke za izgradnju reaktora RA, odlučeno je da se formira telo koje bi koordinisalo rad u oblasti nauka i tehnika nuklearnih reaktora. Po ugledu na vodeće zemlje u nuklearnim tehnologijama, formirana je Savezna komisija za nuklearnu energiju (SKNE) koja je koordinirala razvoj nuklearne energije do 1970. Ovu komisiju su činili najeminentniji stručnjaci iz zemlje i državnici koji su omogućili da se razvoj ostvari. Rezultat pionirskih dana i entuzijazma je doveo do izgradnje Instituta “Boris Kidrič” u Vinči, Instituta “Ruđer Bošković” u Zagrebu i Instituta “Jožef Štefan” u Ljubljani. SFRJ je u oblasti mirnodopskog korišćenja nuklearne energije uspostavila saradnju sa V. Britanijom, Švedskom, Francuskom i dr.

Akcidenti širom planete

Nakon nagle ekspanzije nuklearne energije, polako dolazi do otrežnjenja koje se vezuje za akcidente na reaktorima koji su se dešavali širom planete. Kod nas se desio akcident u oktobru 1958. godine, i to pri izradi diplomskog rada, gde je trebalo dostići zadati korak podizanjem nivoa teške vode. Dostizanjem tog nivoa reaktor bi i dalje bio u podkritičnom stanju, ali taj momenat nije uočen na instrumentu. Pumpa je nastavila da radi i svu vodu iz rezervoara je ubacila u reaktorski sud. Reaktor je ušao u režim ekskurzije snage i dostigao je snagu od 2.5 MW. Reaktor je ugašen, ali je postalo jasno da su ljudi koji su bili u neposrednoj blizini ozračeni. U prvoj analizi se pokazalo da se radi o dozama koje mogu dovesti do smrtnog ishoda.
Slično iskustvo je imala Francuska šest meseci ranije, pa su naši ljudi prebačeni u Francusku na lečenje. To je bilo vreme neverovatnog entuzijazma i želja da se ostvari napredak u veoma složenoj oblasti. U SAD je došlo do oštećenja jezgra na reaktoru EBR-1, SL-1 koji se usled oslobođene energije istopio. U Velikoj Britaniji je došlo do požara na grafitnom reaktoru tzv. akcident Windscale fire koji je izazvao širenje radionuklida u okolinu. Akcidenti nisu mimoišli ni izgrađene nuklearne elektrane. Godine 1966. oštećeno je jezgro na reaktoru za brze neutrone Fermi Unit 1.
Sa akcidentima na reaktorima prve generacije naučeno je da se proizvodnji električne energije na nuklearnim elektranama mora prići temeljnije. I na istoku i na zapadu je pripremljen koncept za izgradnju nuklearnih elektrana druge generacije. Osnova ovog koncepta je tzv. sigurnost po dubini s ciljem da se analizama urade studije najtežih mogućih akcidenata i da se, prema posledicama, predvide tehničke mere za njihovo sprečavanje, a u najgorem slučaju ukoliko je nemoguće zaustaviti proces da se posledice minimiziraju.

SAD su nastavile da rade, a po njihovim licencama i Francuska, Nemačka, Japan itd. Građena su dva tipa reaktora, dominantniji reaktori PWR, ali i reaktori BWR tipa. Za reaktore druge generacije na zapadu je karakteristično da su projektovani i analizirani sa već razvijenim računarskim programima koji su omogućavali pouzdane rezultate. Već u ovoj generaciji, lakovodni reaktori u pogledu koncepta osnovnog projektnog akcidenta i mera koje on zahteva nemaju razlike između istoka i zapada.
Tako su reaktori sa vodom pod pritiskom izgrađeni i van istočnog bloka, npr. u Finskoj, a građeni su u skoro svim zemljama koje su pripadale Varšavskom ugovoru (Čehoslovačkoj, Mađarskoj, Bugarskoj, DR Nemačkoj).
Kod reaktora druge generacije ocenjeno je da je verovatnoća za nastajanje akcidenata 10-4 za projektovani akcident. Kada se uzme u obzir da je, krajem 80-tih, bilo skoro 400 nuklearnih elektrana i da su već radile od 10 do 15 godina, ušli smo u situaciju da će se desiti jedna ili dve nesreće. I to se upravo i dogodilo, najpre u SAD na Three mile island 1979. godine na reaktoru PWR, a zatim  u Černobilu 1986. 
Three mile island je bila moderna elektrana druge generacije kod koje je, u toku rada, otkazala pumpa za pokretanje vode u sekundarnom krugu, vode koja posle hlađenja prolazi kroz parogenerator i, pretvarajući se u paru, ide u turbinu. Kada se to desilo, došlo je do porasta temperature i pritiska u primarnom krugu, a onda i do promene parametara u sudu koji kontroliše taj pritisak. Uslovi su bili takvi da je sud koji vrši kontrolu pritiska otvorio ventil i ispustio višak pare koji se pretvara u vodu i odlazi u specijalno predviđeni rezervoar. Posle izvesnog vremena, kada je pritisak doveden u stanje blisko normalnom, a pri remontu instrumenti nisu bili dovedeni u projektovano stanje, operator je imao informaciju da je ventil zatvoren. Prošlo je 2.5 sata da se shvati da ventil treba zatvoriti. Gornji deo gorivnih elemenata u reaktorskom jezgru je ostao bez hlađenja i bio je oštećen, a s druge strane istekla je velika količina radioaktivne vode koja je jednim manjim delom iscurela i u okolinu.
Za ovaj akcident je vezana još jedna specifičnost: kontejment je zadržao ispuštanje efluenata u okolinu. Tri godine pre toga, kontrolu nuklearnih elektrana od Komisije za nuklearnu energiju u SAD preuzelo je njihovo regulatorno telo NRC (Nuclear Regulatory Commission). NRC je, budući da je tek formirana, napravila analizu ali će se pokazati da proračuni nisu bili dobri i formirana je komisija da ispita ceo slučaj.
Shvatilo se da se greška operatora ne može isključiti, ali da elektrana mora da bude tako projektovana da bilo kakva greška operatora ili nestanak bilo kakvog snadbevanja električnom energijom, održi sigurnost elektrane koja ne sme da uđe u takvo stanje da jezgro bude oštećeno a okolina ugrožena.

Nastajanje kroz nestajanje

U Sovjetskom Savezu (SS) je nastavljena izgradnja reaktora sa grafitom i običnom vodom, i u drugoj generaciji. Za SS je karakteristično to da su lakovodni reaktori sa vodom pod pritiskom tada građeni oslanjajući se na analize pomoću dosta uprošćenih kodova. Reaktori sa običnom vodom i grafitom, projektovani sredinom 60-tih, proračunati su sa uprošćenom Fermijevom teorijom. Ovako uprošćeni rezultati kod grafitnog reaktora sa običnom vodom nisu bili dovoljni. Ali istina je i da su kod ovih reaktora analize mogućnosti za nastajanje akcidenta u normalnom pogonu na nominalnoj snazi koja odgovara 1000 MWe bile dobro urađene. Ispostavilo se da ova metodologija ne bi bila dovoljno tačna za neke uslove koji nisu deo normalnih predviđenih operacija. Kao rezultat nesagledavanja nesavršenosti tih proračuna, šipke koje služe za kontrolu a sadrže materijale koji su izuzetni apsorberi neutrona, konstruisane su tako da za neke situacije, u kojima će se naći reaktor u Černobilu, nisu bile dobro projektovane.
Metodologija koja je korišćena nije za uslove koji ne odgovaraju nominalnim snagama a uprošćena teorija nije dobro ukazivala na izrazito veliku vrednost void efekta. Naime, kada snaga reaktora raste, raste i temperatura, menja se i gustina obične vode. Cilj je da se ukupni rezulat odnosa nastajanja i nestajanja smanjuje usled tih efekata i da povratna sprega bude negativna. Ukoliko rast snage dovodi do toga da nastajanje kroz nestajanje raste, onda govorimo o pozitivnom void efektu. Ova nuklearna elektrana sa grafitom i običnom vodom je imala svojstvo da je imala pozitivan void efekat i, sa metodologijom koja je korišćena, nisu dobro sagledani svi mogući uslovi. Nuklearka u Černobilu je upravo ušla u te uslove, imala je veliki pozitivan void efekat i neadekvatno koncipirane šipke za upravljanje.
Akcident se desio nakon tri godine od formiranja državnog regulatornog tela. Postupaju dosta otvoreno, ulaze u intenzivnu saradnju sa Međunarodnom agencijom za atomsku energiju u Beču i pristupa se temeljnoj analizi uzroka i posledica akcidenta. Kao rezultat priznavanja tih propusta i konsolidacije regulatornih tela, pet godina iza akcidenta, sve nuklearne elektrane u SSSR (ostalo ih je još 13) su pretrpele velike izmene. Izmenjena je konstrukcija kontrolnih šipki, uvedeno je gorivo sa većim obogaćenjem i sadržajem apsorbera tako da su svi reaktori ovog tipa već 1991. godine bili različiti od ranijih. 
Nuklearne elektrane druge generacije čovečanstvu su donele značajan izvor električne energije, dostigavši oko 20% u odnosu na druge izvore na celoj planeti. Akcidenti su doveli do otrežnjenja i postalo je jasno da se takvi akcidenti ne smeju dozvoliti. Sa ova dva akcidenta je završena intenzivna izgradnja nuklearnih elektrana u celom svetu.

Kako u budućnosti

U našoj zemlji je situacija bila takva da smo sa reaktorima prve generacije imali strahoviti uzlet. Dobili smo i koristili nuklearne reaktore u Vinči i reaktor Triga u Institutu “Jožef Stefan”. U SFRJ su krenula intenzivna istraživanja rudnika uranijuma, ne samo zato što se imala u vidu izgradnja nuklearnih elektrana nego zato što se tada osećao nedostatak rudnika uranijuma širom planete. Otvoren je rudnik Gabrovnica, kod Kalne, eksploatisan samo tri godine koji je zatvoren jer je sadržaj uranijuma u rudi bio mali da bi bio ekonomski isplativ. Proizvedena je manja količina uranijuma koja je omogućila da se u Institutu za nuklearne nauke u Vinči ovlada tehnologijom izrade metalnog i legiranog uranijuma i sinterovanog oksidnog goriva. Gorivni element je ispitan na reaktoru RB, dok su dva gorivna elementa ispitana na reaktoru RA.
Prestankom rada SKNE, 70-tih godina, istraživanja sa saveznog nivoa su prešla na republičke nivoe. U to vreme je tekla izgradnja nuklearnih elektrana druge generacije. Doneta je i odluka o izgradnji elektrane Krško, u Sloveniji, koja je otpočela sa radom 1981. SFRJ je 80-tih godina, na saveznom nivou, imala ambiciozan plan izgradnje još šest nuklearnih elektrana. Akcidenti su takvu odluku promenili i 1989. je usledila zabrana izgradnje elektrana, koja u Republici Srbiji važi i danas.  
Od 90-tih godina traje razvoj treće generacije nuklearnih reaktora koji je kulminirao krajem veka i početkom novog milenijuma, formulacijom jedne nove strategije - strategije budućnosti nuklearnih elektrana ili elektrana četvrte generacije. Osnovni princip nove strategije je osiguranje sigurnosti tokom projektovanja i eliminacija mogućnosti za nastajanje akcidenata. Koncept četvrte generacije karakteriše: 1. eliminacija akcidenata kroz ugradnju sigurnosti tokom projektovanja, 2. minimizacija proizvodnje radioaktivnog otpada, 3. frontalni razvoj za održivi izvor energije, tako da korišćenje nuklearne energij, poredeći sa sadašnjim rezervama uranijuma, bude uvećano za faktor 50, što bi obezbedilo izvor energije za planetu u narednih 10 i više hiljada godina, i 4. sprečavanje širenja nuklearnog materijala.
Rok da se do odgovora dođe je 2030. godina, da se, kada svi reaktori produžene druge generacije završe svoj radni vek, krene u izgradnju novih elektrana. Da bi se došlo do cilja, kreće se u šest pravaca, tj. u fronatlni razvoj šest tipova elektrana. 

PLOVILA, AUTOMOBILI... Reaktori na plovnim objektima najčešće koriste vodu pod pritiskom. Primarno vodeno kolo prenosi toplotu dobijenu nuklearnom fisijom u parni generator; gde se voda drži pod pritiskom na temperaturama od oko 250-300 °C. Radioaktivno zagađenje, ako bi do njega došlo, zadržalo bi se u toj vodi. Vruća voda iz reaktora zagreva zasebno vodeno kolo u parnom generatoru. Voda se pretvara u paru i odlazi u parnu turbinu. Upotrebljena para pod niskim pritiskom prolazi kroz kondenzator hlađen morskom vodom i opet se pretvara u tečnost. Voda se pumpama vraća u parni generator i ciklus se nastavlja. Mogući gubitak vode u tom procesu može se nadoknaditi desalinizovanom morskom vodom koja se dodaje u parni generator. Većina nuklearnih podmornica ima po jedan reaktor, a ruske podmornice imaju po dva, kao i američka “Triton”. Najveći broj američkih nosača aviona raspolaže sa po dva reaktora, a “Enterprise” - čak osam. Reaktori na većini plovnih objekata koriste vodu pod pritiskom, mada na nekim američkim i ruskim ratnim brodovima postoje reaktori hlađeni tečnim metalom. Automobilski gigant “Ford” je 1957. dizajnirao “ford nukleon”, automobil budućnosti koji se kreće na nuklearni pogon. To je bila jedna jedna od nekoliko sličnih ideja koje su obelodanjene 50-tih i 60-tih godina 20.veka. Vozilo je trebalo da koristi mali nuklearni reaktor smešten u zadnjem delu kola, pod pretpostavkom da bi jednoga dana mogao da se napravi reaktor odgovarajućih dimenzija. Trebalo je da kola imaju parni motor i da se oslanjaju na fisiju uranijuma, slično kao nuklearne podmornice. Nuklearna tehnologija bila je u to vreme još u povoju i verovalo se da bi nuklearno gorivo ubrzo moglo postati glavni izvor energije u SAD, a da bi benzin brzo bio prevaziđen. “Ford nukleon” bio je predviđen da pređe više od 8.000 km pre nego što zameni reaktor. Bilo je predviđeno da vlasnik vozila bira između nekoliko modela reaktora. U to vreme postojali su nuklearni reaktori na vojnim plovilima (podmornicama) koji su koristili uranijum. Njihove dimenzije morale su biti znatno smanjene za potrebe automobilske industije - da se ostalo pri ovoj ideji. V. B.

U SAD su postavljeni temelji za sve pravce i vrlo brzo su tim pravcima pristupale druge države. Prvo mora da bude izgrađen tip elektrane koji će biti nosilac proizvodnje električne energije. Na osnovu iskustva sa termoelektrana, za hladilac je izabrana superkritična voda, koja omogućava da odvođenje toplote bude jednofazno, što će umanjiti složenost primarnog kruga i dovesti do boljeg iskorišćenja oslobođene toplote. Dakle, prvi tip su termički reaktori kod kojih se fisije odvijaju sa usporenim neutronima sa izabranim hladiocem, a to je superkritična voda. Za to je potrebno da se ovlada materijalima koji bi, u uslovima intenzivnog zračenja, omogućili bezbedno odvođenje toplote sa superkritičnom vodom, a sa naučno-istraživačkog aspekta je potrebno da se provere i, po potrebi, unaprede modeli za termalizaciju neutrona sa medijumom kao što je superkritična voda i da se provere termohidrodinamički proračuni.
Drugi tip bi takođe bili termički nuklearni reaktori kod kojih bi usporavanje bilo izvedeno sa grafitom, a odvođenje toplote sa helijumom. Upotreba helijuma u ovakvim reaktorima bi omogućila dobijanje toplote, ostvarivanje visokih temperatura, a to su parametri koji su potrebni za proizvodnju tečnog vodonika kao goriva budućnosti. Preostala četiri tipa imaju zadatak za održivi režim nuklearnih elektrana.
Da bi se to ostvarilo, moguće je da se koriste nuklearke kod kojih bi se većina procesa fisije odvijala sa brzim neutronima. Takvi reaktori u startu zahtevaju veliku količinu obogaćenog uranijuma ili plutonijuma, i da tokom svoje eksploatacije proizvode više goriva nego što troše, čime bi produžili postojeće resurse uranijuma na planeti. To bi se postiglo preko tri tipa nuklearnih elektrana, s reaktorima na brze neutrone. Kod jednog tipa bi odvođenje toplote bilo na bazi tečnog natrijuma i takvi reaktori su već bili izgrađeni, drugi bi koristio tečno olovo kao hladilac (ovih dana je počela izgradnja takvog reaktora u Rusiji) i treći tip, na kome se najviše radi u Evropi sa Francuskom na čelu, bio bi brzi reaktor kod koga bi hlađenje bilo izvedeno helijumom. 
Na kraju, koristili bi se tzv. homogeni reaktori sa uranijumom pomešanim sa istopljenim solima (gorivo u tečnom obliku). Ovaj tip reaktora, zajedno sa reaktorima na brze neutrone, trebalo bi da omogući da izgore oni alfa emiteri koji bi predstavljali visoko rizični radioaktivni otpad. Ovaj koncept reaktora budućnosti predviđa da bi brzi reaktori bili i breeder-i, dakle proizvodili bi više goriva nego što troše, a neki od njii burner-i, tj. sagorevali bi neželjene alfa emitere. Za planetu bi ostala samo dva dugoživeća radionuklida: jod 129 i tehnecijum 99, za koje se planira da u procesu prerade goriva budu vađeni i pakovani u šipke koje bi se potom vraćale na periferiju jezgra, gde bi sagorevale.

Ivana Maksimović

Kadrovi kao ozbiljan problem

Koncept stvaranja reaktora budućnosti nastaje u periodu zastoja u izgradnji nuklearnih elektrana druge generacije i manjka kadrova. Razvoj reaktora četvrte generacije iznedrio je potrebu za novim stručnim kadrom. U periodu stvaranja nuklearnih elektrana prve i druge generacije, nije postojao problem kadrova, jer su postojali brojni instituti sa hiljadama istraživača i inženjera.
Danas nedostatak kadrova predstavlja ozbiljan problem. Industrija koja je imala ogromne kapacitete gradila je elektrane druge generacije, a reaktori budućnosti su tek bili u fazi razvoja. Stalni rast potreba za električnom energijom intenzivirao je rad na stvaranju novih reaktora. U SAD i drugim vodećim zemljama, sa ovim programom otpočela je i obnova istraživanja na institutima i univerzitetima. Period od kraja 80-tih, kada više nije bilo velikih narudžbina nuklearnih elektrana, iskorišćen je da se pristupi razvoju novih reaktora.
Usavršavanjem nuklearnih elektrana druge generacije već je dostignut nivo nuklearnih reaktora treće generacije. Kada je razvoj poodmakao, odlučeno je da se nastavi ka ciljevima koji su postavljeni u programu četvrte generacije. Posle Fukushima daiichi akcidenta, postalo je jasno da nikakva spoljašnja sila ne može da opravda akcident.

U prvoj dekadi milenijuma, pojavile su se nuklearne elektrane tzv. III+ generacije. To su elektrane koje obezbeđuju maksimalnu sigurnost i garantuju najmanje 72 sata za odvođenje toplote i mogu da izdrži spoljašnje ekstremne uticaje, pad aviona pa i zlonamerne ljudske akcije. Ove elektrane moraju da imaju pojačanu sigurnost da minimizuju oslobađanje radionuklida u okolinu i produžen radni vek. Pojavljuju se novi projekti. SAD je izašla sa projektom reaktora sa vodom pod pritiskom, tzv. Westinghaus-ov koncept, AP1000, koji po svojim karakteristikama potpuno odgovara postavljenim ciljevima za elektrane III+ generacije. Jedina razlika u odnosu na elektrane IV generacije je ta da nisu održive, tj. to su elektrane koje nastavljaju da troše postojeće rezerve uranijuma. U EU je ponuđen koncept EPR1600, a u Rusiji VVER1000 i VVER1200.
Sa svojim projektima na tržište su izašli i Japan, Koreja i dr. Poredeći ova tri tipa, AP- reaktor ima koncept kod kojeg je topljenje jezgra sprečeno čak i ako elektrana ostane bez snadbevanja električnom energijom. To će se ostvariti pasivnim putem, odvođenje je zasnovano na procesima prirodnog odvođenja toplote i obezbeđeno kompletno odvođenje toplote u uslovima kada nema električne energije.
Ovaj problem je kod EPR-projekta rešen aktivnim komponentama. Po istom principu od četiri nezavisna sistema dizel agregata, dva su u zgradi koja može da izdrži sve ekstremne uslove. Jedan takav sistem je dovoljan da spreči akcident. Kod VVER- tipa, odvođenje toplote obezbeđuje se kombinacijom aktivnog i pasivnog odvođenja. Zadržan je konzervativni pristup koji postaje popularan u svetu. I sve nuklearne elektrane druge generacije, koje su još u eksploataciji, imaju sisteme sa dizel agregatima, čime su post-fukušimski zahtevi sprovedeni.
Pre nekoliko meseci, evropski reaktor je prvi put izvezen u Kinu i uskoro će ući u eksploataciju. Grade se još dva, po jedan u Finskoj i Francuskoj. Ove godine je prvi reaktor AP1000 ušao u eksploataciju u Kini, dok već duže od deset godina u Kini rade i dva reaktora VVER1000 dizajnirana po ruskom konceptu. Kina ima nameru da, u saradnji sa Vestinghausom, otpočne izgradnju svog reaktora po principu AP-tipa koji bi imao snagu 1400 MWe, a planira da gradi i četiri ruska reaktora snage po 1200 MWe. Kina i Indija planiraju da i dalje grade ruske reaktore. Rusija je, inače, pre dve godine, pustila u rad prvi VVER1200. Ima sklopljene ugovore za izgradnju VVER1200, generacije III+, u Bangladešu, Vijetnamu, Egiptu, Turskoj, Mađarskoj, Finskoj…
Elektrane III+ generacije su projektovane za 60 godina. Pošto može da im se produži životni vek, treba imati u vidu da će elektrane III+, koje budu ovih godina izgrađene, služiti do kraja ovog veka. Kupovina ovakve elektrane za zemlju koja ima hidro potencijale, ali nema rezerve uglja i prirodnog gasa, uz mogućnost da sa zemljom isporučiocem sklopi takav ugovor da joj vrati isluženo gorivo, je veoma korisna. 
Izgradnja reaktora III+ generacije i očekivani reaktori IV generacije u budućnosti zahtevaju da se stvore novi kadrovi. To je jedan od najtežih zadataka. Stvaranju kadrova za budućnost se već sada ozbiljno pristupilo u najrazvijenijim zemljama i u onim koje vide nuklearnu energiju kao izvor snadbevanja elektro energijom. Srbija je u takvoj situaciji da stvaranje kadrova ne smemo da zapostavimo. Postojeći kadrovi u ovoj oblasti su praktično na kraju svojih karijera, a mladih i formiranih kadrova da odgovore izazovima u projektovanju i upravljanju reaktorima nema.
Ako ostane pri odluci da ne gradi nuklearne elektrane, Srbiji je jedno jezgro istraživača i inženjera neophodno jer, paralelno s nuklearnim, postoje i radijacioni problemi.

Pripremila: Ivana Maksimović,rukovodilac Sektora za razvoj
i primenu nuklearnih tehnologija JP “Nuklearni objekti Srbije”

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"