ATOMINĖ ENERGIJA IR JOS PANAUDOJIMAS
DR. INŽ. J. VĖBRA
III. ATOMINĖ ENERGIJA ŽMONIJOS GEROVĖS TARNYBOJE
Didžiausis visų laikų ligšiolinis mokslo laimėjimas — atomo branduolyje sukauptos energijos pajungimas žmogaus valiai — įvyko II-jo Pasaulinio karo metu. Tad nenuostabu, kad pirmučiausia ši milžiniška jėga ir buvo panaudota griovimo, naikinimo tikslu. Bet jėga, pagal norą, gali griauti, arba statyti. Dinamitas pastatė daugiau negu sugriovė. Atominės energijos taikingi pritaikymai nemažiau įspūdingi, nei kariškieji. Kūrybinius atominės energijos pritaikymus turėdami prieš akis, mokslininkai pakėlė didelius pavojus, sudėjo daug aukų, iki pagaliau surado raktą į atominio branduolio paslapčių prieangį.
Atominė energija konstruktyviam darbui numatoma panaudoti šilimos bei jėgos pavidale ir dirbtinių radioaktyvių medžiagų pavidale.
Atominės energijos netiesioginė įtaka į dvasinį žmogaus gyvenimą taipogi verta dėmesio.
I. Atominė energija šilimos ir jėgos pavidale
Jau žinome, kad neutrono užgautas Uranijaus izotopo-235 arba Plutonijaus atomo branduolis skyla maždaug pusiau. Abi pusės — vienodai teigiamai įelektrintos — atstumia viena kitą ir tolsta viena nuo kitos milžinišku greičiu (apie
10.000 km per sekundę), tačiau susiduria su jas supančios medžiagos atomais ir tepadariusios vos apie 10 mikronų (1/100 milimetro) kelio netenka savo greičio: jų kinetinėenergija pavirsta į šilimą. Panašiai reaguoja į neutrono smūgį natūralų torijų bombarduojant lėtais neutronais gaunamasis naujas Uranijaus izotopas-233.
Uranijaus-235, Plutonijaus-239 arba Uranijaus 233 branduoliams suskylant nuo neutrono smūgio maždaug pusiau, atomo branduolio sprogimo metu nuo jo atitrūksta keletas neutronų, kurie pradžioje lekia apie
20.000 km per sek. greičiu. Jei jie pakeliui susitinka su lengvais atomais (vandenilio, deuterijaus, berilijaus, anglies), jie greit sulėtėja iki 2-3 km per sek. ir tampa pajėgūs prasiskverbti į natūralaus uranijaus ar torijaus branduolius, paversdami juos naujais, nepastoviais, skaldymui tinkamais elementais. Tokiu būdu susidaro “grandininė” reakcija, kurios metu vienas skilęs atomas paruošia skilimui vieną ar daugiau kitų atomų, ir taip reakcija ne tik nesustoja, bet gali įgyti vis didesnį greitį, išsivystydama į galingą sprogimą. Šiuo reiškiniu — jau žinome — pagrįsta atominė bomba. Tačiau yra būdų šių trapių elementų skilimo greičiui reguliuoti ir jiems skylant atpalaidojamą energiją panaudoti konstruktyviam darbui.
Atominės jėgainės pagrindą sudaro atominis reaktorius, principe panašus į aprašytą šio straipsnio antrojoj daly, tik šiuo atveju reaktoriuje susidariusioji šilima nepaleidžiama į upę ar į orą, bet panaudojama naudingam darbui atlikti. Didelės atominės jėgainės “kurą” sudarytų natūralus uranijus, į kurį įmaišyta dalis (pvz. 10%) mažiau pastovaus elemento: Uranijaus-235,
Plutonijaus-239 arba Uranijaus-233. Šio lydinio stripai arba plokštelės atskirti grafito, berilijaus ar sunkiojo vandens sluogsniais, kurių tikslas sulėtinti atomų sprogimo metu išmetamus labai greitus neutronus, suteikiant jiems galią prasiskverbti į gretimo stripo ar plokštės natūralaus Uranijaus (U2383 ar torijaus (Th-232) atomų branduolius, paverčiant natūralų Uranijų plutonijum, arba terijų uranijaus izotopul233. Tokiu būdu atominė jėgainė pati paruošia sau “kurą”. Ji plutonijaus-239 arba uranijaus-233 gali pagaminti net daugiau, negu jai pačiai reikalinga. Atliekamas plutonijus arba uranijus-233 gali būti perleistas mažesnėms atominėms jėgainėms, arba paslankiems atominiams varikliams, kurie dėl savo riboto svorio negali naudotis natūraliu uranijum.
Atominės jėgainės reaktoriuje—židinyje uranijaus stripai ar plokštės ne tik viens nuo kito atskirti sunkiojo vandens, berilijaus ar grafito sluogsniu (neutronams sulėtinti), bet tarp jų dar palikti tarpai ar skylės kadmijaus ar boro-geležies plokštėms ar stripams įterpti. Kadmijus ir boras godžiai prisijungia neutronus. Tad kuo pilniau uranijaus stripai ar plokštės atskirti viens nuo kito kadmijum ar boro-geležim, tuo mažiau neutronų iš vieno uranijaus stripo bepatenka į kitą, tuo mažiau jie besusprogdina naujų atomų ( tuo mažiau beišsiskiria šilimos ir atominis židinys prigęsta, sulėtėja. Kadmijaus ar boro (boro-geležies lydinio) stripai ar plokštės įtaisomi taip, kad jais būtų galima uranijaus stripus ar plokštes visai viena nuo kitos atskirti, norint atominį židinį užgesinti, ar tik iš dalies (daugiau ar mažiau) — židinio tempui reguliuoti. Jei uranijaus ar torijaus stripai izoliuoti sunkiuoju vandeniu, tai pastarasis atlieka abu uždavinius — sulėtinti neutronus ir reguliuoja židinio tempą: išleidžiant dalį sunkiojo vandens į atsarginį rezervuarą, sulėtintų neutronų skaičius mažėja, o su juo mažėja ir suskylančių atomų skaičius, taigi atominis židinys prigęsta.
Nuo atominių branduolių sproginėjimo atominiame židinyje susidaro milžiniški kiekiai šilimos. Tad židinį reikia intensyviai aušinti. Aušinimui vartojamas skystis ar dujos židinyje įkaista iki labai aukštos temperatūros ir gali būti panaudoti — tiesioginiai ar per šilimos apkeitiklį — garo ar dujų turbinai sukti. Prie turbinos prijungus elektros mašiną (alternatorių), būtų gaunama energija elektros pavidale.
Aušinimo skysčių ar dujų parinkimo problema labai opi: vanduoabsorbuoja neutronus, taigi mažina jėgainės našumą ir užteršia aplinką. Oras prie aukštos temperatūros (600° C ar daugiau) oksiduotų reaktoriaus grafitą ir visas metalines dalis, su kuriomis sueitų į sąlytį. Galėtų būti panaudotas gyvsidabris arba sulydytas švinas; šiuo pastaruoju atveju būtų būtinas tarpinis šilimos apkeitiklis. kuriame iki virš 1000°C įkaitęs metalas dalį savo šilimos atiduotų vandeniui ar orui, kurie to-
liau suktų turbinas ir prie jų prijungtas elektros mašinas.
Viena iš tinkamiausių aušinimo priemonių būtų helijus, kuris neabsorbuoja neutronų ir neveikia grafito nei metalų, kad ir prie labai aukštų temperatūrų. Tiktų ir deuterijus, bet jis pavojingas, nes dėl kurios nors priežasties jėgainės sistemai nustojus sandarumo, ar į ją prasiskverbus orui, įvyktų sprogimas. Helijus turėtų būti nuolatos suspaustas (kitaip vamzdžių diametrai būtų milžiniški) ir turėtų veikti uždaroj sistemoj: dėl jo brangumo helijaus nuostolių reikėtų vengti visomis įmanomomis priemonėmis, tuo labiau kad atominio židinio aušinimo helijuje atsirastų radioaktyvių elementų, kurių negalima paleisti į orą.
Ekonomiškos atominės jėgainės klausimas tebėra projektavimo stadijoje. Trūkstant tikrų patyrimo patvirtintų duomenų, konstruktorių vaizduotei čia erdvūs keliai. Atominės jėgainės projektų yra daug ir įvairių. Kaip pavyzdį, čia patiekiame amerikiečių konstruktoriaus R. T. Sawyer projektą, su neesminiais pakeitimais.
Šiame modelyje du kompresoriai įpučia milžiniškus atominio židinio aušinimui reikalingus helijaus kiekius. Prieš pirmąjį ir prieš antrąjį kompresorius įrengti aušintuvai, kurie sumažina helijui suspausti reikalingą parazitinę energiją. Suspaustas helijus patenka į temperatūros apkeitiklį, kuriame apšilęs, pasiekia atominį židinį; čia įkaista iki virš 600 ° C ir išsiplečia turbinoje, kuri suka helijų suspaudžiančius kompresorius ir milžinišką elektros mašiną (alternatorių).
Atominio židinio varomos uždaro ciklo dujų turbinos galingumas gali siekti 200.000 arklių jėgų. Atominėj jėgainėj tokių turbinų, savaime aišku, gali būti keletas.
Kadangi atominio branduolio skilimą lydi įvairūs žmogaus organizmui kenksmingi spinduliavimai (alfa-, beta-, gamma- spinduliai, neutronai), tai atominis židinys turi būti labai stropiai izoliuotas. Lengvesnė izoliacija reikalinga ir kitoms atominės jėgainės dalims, kuriomis cirkuliuoja atominį židinį aušinantys skysčiai ar dujos.
Labai paprastą atominę jėgainę sudarytų nerūdijančio plieno katilas, pripiltas uranijaus druskų tirpalo sunkiajame vandenyje. Čia kiekviena uranijaus molekulė būtų apsupta tirpiklio, kuris atliktų neutronų sulėtinimo vaidmenį. Katile įtaisytu nerūdijančio plieno gyvatuku cirkuliuojantis aušinimo vanduo įšiltų ir galėtų būti panaudotas atitinkamame variklyje energijai gauti. Savaime aišku, šio tipo atominė jėgainė būtų žemos temperatūros ir žemo lyginamojo galingumo.
Šiandien dar nėra nei vienos pramoniniu mastu veikiančios atominės jėgainės (neskaitant kariškų įrengimų, kuriems ekonomika — antraeilis klausimas). Lėtas atominės energijos panaudojimo plitimo tempas pareina nuo daugelio priežasčių. Svarbiausia ir šiuo metu dominuojanti visas kitas priežastis yra ginklavimasis : visi šiuo metu iškasamo uranijaus ištekliai eina karo reikalams. Atominės technikos paslapčių didelė karinė reikšmė, taipogi tuo tarpu yra nenugalima kliūtis atominei energijai naudoti Civiliniame gyvenime. Yra kliūčių ir nekariško pobūdžio. Pirmučiausia specialistų stoka. Jungt. Am. Valstybės pas save tepriskaito apie 350 atominės energijos teoretikų. Jų dauguma dirba ginklavimuisi arba profesoriauja. Kitur specialistų šioje srityje dar mažiau. Yra dar visa eilė patenkinamai neišspręstų techniškų problemų: dar tebejieškoma labai aukštai temperatūrai ir spinduliavimui atsparių medžiagų, kurios neabsorbuotų (bent nedaug teabsorbuotų) neutronų; dar nerasta patogaus būdo pašalinti plutonijaus ar uranijaus skilimo metu susidarantiems naujiems elementams (atominio židinio—“pelenams”) ir jiems produktingai sunaudoti; atominės energijos įmonėse dirbančiųjų apsauga nuo spinduliavimų vis dar tebėra opi; atominių jėgainių šilimos apkeitikliai turi būti daug kartų efektingesni ir didesni už dabar egzistuojančius; kontrolės ir reguliavimo aparatai dar nėra pakankamai jautrūs ir patikimi.
Vienu žodžiu, atominės jėgainės problema šiandien tebėra panašioj stadijoj, kokioj buvo šiluminės jėgainės klausimas prieš pustrečio šimto metų, kai Denis Papin pirmasis suprato vandens garų jėgos reikšmę ir demonstravo savo pirmąjį garo katilą, arba kokioj buvo pirmasis automobilio modelis, kurio greitis tesiekė apie 3 km per valandą ir kurio vairuotojas išvargdavo daugiau negu pėsčias tą patį kelią atlikęs. Kelias nuo Papino garo katilo iki moderniškų garo ar dujų turbinų ir nuo pirmojo automobilio iki dabartinių auto susisiekimo priemonių mums visiems gerai žinomas. Yra pagrindo manyti, kad atominė jėgainė žengs panašiu tobulėjimo keliu ir po kelių dešimtmečių bus žymiai pakeitusi mūsų gyvenimo sąlygas. Taip manyti yra tvirto pagrindo.
(Bus daugiau)
