როგორ მუშაობს ბირთვული რეაქტორი — ყველაფერი ატომური ენერგიის შესახებ

0 წაკითხვა 0 კომენტარი 0 გაზიარება

რა არის ბირთვული ენერგია?

1945 წლის 6 აგვისტოს იაპონიის ქალაქ ჰიროსიმაში ციდან 3 მეტრი სიგრძის მქონე ატომური ბომბი ჩამოვარდა. ამ მომენტიდან ერთი წუთის გასვლაც არ გამხდარა საჭირო იმისათვის, რომ ყველაფერი, რაც ბომბის აფეთქებიდან 2 კილომეტრის მანძილზე იყო, განადგურებულიყო და იმისათვის, რომ ამ 3-მეტრიან ბომბს ათიათასობით ადამიანის სიკვდილი გამოეწვია. 1986 და 2011 წლებში ამას დაემატა ორი ყველაზე ძლიერი ბირთვული კატასტროფა ჩერნობილსა და ფუკუშიმაში, რასაც ასევე დიდი მსხვერპლი მოჰყვა, თუმცა გაჟონილი რადიაციით გამოწვეული გარდაცვალების შემთხვევათა ზუსტი რაოდენობა დღემდე უცნობია. ამიტომ, ალბათ არ არის გასაკვირი, რომ საზოგადოებისთვის ბირთვული ენერგია ცუდ ასოციაციებს იწვევს, თუმცა ფაქტია, რომ მსოფლიოში 441 ატომური ელექტროსადგურია და ბირთვული ენერგია ელექტროენერგიით მსოფლიოს 15%-ს ამარაგებს. გარდა ამისა, ის ყველაზე სუფთა ენერგიის წყაროდაც ითვლება. ამიტომ, მოდი უფრო დეტალურად შევისწავლოთ, რა არის და საიდან მოდის ბირთვული, ან იგივე ატომური ენერგია.

ოთხი ნუკლონის (პროტონები და ნეიტრონები) მასა ცალ-ცალკე უფრო მეტია ვიდრე მათი შეკვრის შედეგად წარმოქმნილი ატომბირთვის მასა, რაც გამოწვეულია იმით, რომ მასის გარკვეული ნაწილი ენერგიაში გადადის, რომელიც დაკარგული მასისა და სინათლის სიჩქარის ნამრავლის ტოლია. ეს ენერგია ციცქნა ატომბირთვში ინახება. თუ ნუკლონების შემკვრელ ბირთვულ ძალას "მოვერევით" და ატომბირთვიდან პროტონს ან ნეიტრონს მოვხლეჩთ, ის გამოასხივებს გარკვეულ ენერგიას, ხოლო ყველა ნუკლონის მოხლეჩის შემთხვევაში (ანუ თუ ატომბირთვს სრულად დავშლით პროტონებად და ნეიტრონებად, რაც ძალიან რთულია) ეს ენერგია დაახლოებით მათი შეკვრისთვის გამოყენებული ენერგიის ტოლი იქნება. ანუ ატომური ენერგია ატომის გახლეჩვისას გამოსხივებული ენერგიაა.

რა და როგორ იხლიჩება?

ფოტო: ჯაჭვური რეაქცია

ბირთვული ენერგიის წყაროდ უნდა შევარჩიოთ მძიმე და არასტაბილური ატომები, რათა მარტივად შევძლოთ მისი გახლეჩა. მართალია, მიზანი არ არის საწვავად მაინცდამაინც რადიოაქტიური ელემენტების გამოყენება, თუმცა ამ ნიშნით შერჩეული ნივთიერება თავისთავად იქნება რადიოაქტიურიც. გარდა ამისა, ის უნდა მოიპოვებოდეს ბუნებაში და არ უნდა დაგვჭირდეს ხელოვნურად შექმნა (რადგან ეს პროცესი დიდ ხარჯებს მოითხოვს). ამ მოთხოვნებს კი ყველაზე კარგად ურანი აკმაყოფილებს. სამყაროში ურანი 6.6 მილიარდი წლის წინ სუპერნოვებში წარმოიქმნა. ის დედამიწაზე თითქმის ყველგანაა და კლდეების დაახლოებით სამ მემილიონედამდე ნაწილს შეადგენს. ურანი რადიოაქტიურია და მას 16 იზოტოპი გააჩნია, თუმცა აქედან მხოლოდ სამია ყველაზე გავრცელებული და მნიშვნელოვანი. ერთ-ერთია U-238, რომლის ნახევარდაშლის პერიოდია 4.5 მილიარდი წელი, ანუ ჩვენი პლანეტის დაბადებიდან დღემდე დედამიწაზე არსებული U-238-ის, დაახლოებით, ნახევარი იქნება დაშლილი. U-235-ს დაშლისთვი 700 მილიონი წელი სჭიედება, ხოლო U-234-ს – 245 500, თუმცა ეს უკანასკნელი ბუნებაში მხოლოდ U-238-ის რადიოაქტიური დაშლის შედეგად წარმოიქმნება.

ბირთვული ჯაჭვური რექციებისთვის ყველაზე ხელსაყრელია U-235. მისი ბირთვი არასტაბილურია, რაც მას მარტივად გახლეჩვადს ხდის. U-235-ის ატომში 143 ნეიტრონი და 92 პროტონია. ჯაჭვური რეაქციის დასაწყებად მისი ატომბირთვი უნდა "დაიბომბოს" თავისუფალი ნეიტრონით. ნეიტრონის მოხვედრისთანავე ის U-236-ად გადაიქცევა. U-236 კი იმდენად არასტაბილური იზოტოპია, რომ თითქმის დაუყონებლივ იყოფა ორ ახალ, შედარებით უფრო სტაბილურ ატომებად. გაყოფისა და ახალი ატომების შექმნის პროცესს თან ახლავს ატომში თავმოყრილი ენერგიის გამოსხივება და მასთან ერთად ორი ან სამი ნეიტრონის გამოტყორცნა. თითოეული მათგანი ახლა სხვა U-235 ატომებს ეჯახება და ჯაჭვური რეაქციით აგრძელებს ანალოგიურ პროცესს. ბირთვული დაშლისას გამოყოფილი ენერგია 50 მილიონჯერ აღემატება იმავე რაოდენობის ქვანახშირის წვისას გამოყოფილ ენერგიას.

გარდა იმისა, რომ U-235 არასტაბილურია და ხელსაყრელია ბირთვული დაშლისათვის, უნდა აღინიშნოს, რომ დაშლის რეაქციებისთვის რეაქტორებში იშვიათად (რადგან ის ბუნებაში არ მოიპოვება და ხელოვნურად მიღება ეკონომიკურად მომგებიანი არ არის), მაგრამ პლუტონიუმ-239 იზოტოპიც გამოიყენება.

ჯაჭვური რეაქციისთვის საჭიროა ბირთვისთვის ნეიტრონის სწორი სიჩქარით დაჯახება, ზედმეტად სწრაფად ნასროლი ნეიტრონი შესაძლოა შეწოვის ნაცვლად ბირთვმა აისხლიტოს, ამიტომ საჭიროა მისი ცოტათი შენელება და ასეთ ნეიტრონებს თერმულს უწოდებენ. ზოგადად, ბირთვული რეაქტორის მუშაობისთვის გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს ნეიტრონების როგორც რაოდენობას, ისე სიჩქარეს.

კიდევ ერთი საინჟინრო გამოწვევაა სწორი ფორმისა და მატერიისგან ისეთი კონტეინერის შექმნა, რომელსაც შიგნით მომხდარი ბირთვული დაშლის შედეგად წარმოქმნილი ნეიტრონები გარეთ ვერ გაექცევა, არამედ იმოძრავებს მის შიგნით და დარჩენილი ატომების გახლეჩას განაგრძობს. ასეთ დროს მნიშვნელოვანია კონტეინერში მოსათავსებელი დასაშლელი ნივთიერების სწორი რაოდენობის განსაზღვრა.

ფოტო: მარცხნივ ქვეკრიტიკული, ხოლო მარჯვნივ — კრიტიკული მასა

მარცხენა სურათზე ნაჩვენებია "ქვეკრიტიკული მასა", რომელიც ძალიან მცირე და არასაკმარისია ჯაჭვური რეაქციის შესანარჩუნებლად, რადგან ნეიტრონების დიდი პორცია ტოვებს კონტეინერის საზღვრებს, ხოლო დარჩენილი რაოდენობა ბირთვული რეაქციების გასაგრძელებლად საკმარისი აღარაა. გამოტყორცნილი პროტონების რაოდენობა ნელ-ნელა იკლებს და პროცესი ჩერდება, ხოლო მარჯვენა სურათზე ნაჩვენებია "კრიტიკული მასა". ამ მოცულობიდან ნეიტრონების დიდი რაოდენობა ვერ აღწევს თავს და რჩება მასში საკმარისად დიდხანს, რათა წარიმართოს ჯაჭვური რეაქცია. ხოლო "სუპერკრიტიკული მასის" შემთხვევაში დაშლების რაოდენობა და გამოსხივებული ენერგია, ექსპონენციალურად, უკონტროლოდ იზრდება. ბირთვული რეაქტორებისთვის საჭიროა ჯაჭვური რეაქციის კრიტიკულ დონეზე შენარჩუნება (როდესაც ბირთვული დაშლებისა და გამოსხივებული ენერგიის რაოდენობა სტაბილურია, არც უკონტროლოდ იზრდება და არც სწრაფად მცირდება). ქვეკრიტიკულ დონეზე მუშაობის შემთხვევაში დაშლების რაოდენობა ნელ-ნელა შემცირდება და საბოლოოდ, რეაქცია შეწყდება, ხოლო სუპერკრიტიკულის შემთხვევაში შესაძლოა რეაქციაზე კონტროლი საერთოდ დაიკარგოს. იმისათვის, რომ რეაქცია "კრიტიკულად" მიმდინარეობდეს, საჭიროა ურანის "კრიტიკული მასა".

როგორ მუშაობს ბირთვული რეაქტორი?

ფოტო: ბირთვული რეაქტორი

ამერიკაში მოხმარებული ელექტროენერგიის 20%-ს სწორედ ბირთვული რეაქტორები გამოიმუშავებს. 1951 წელს პირველმა ბირთვულმა რეაქტორმა აიდაჰოს შტატში ოთხი 200-ვატიანი ნათურა აანთო. 2021 წლის ოქტომბრის მონაცემებით ამერიკას მსოფლიოში ყველაზე მეტი — 93 ბირთვული რეაქტორი გააჩნია.

ატომურ ელექტროსადგურებსა და წიაღისეულ საწვავზე მომუშავე ელექტროსადგურებს ბევრი საერთო მახასიათებელი აქვთ. ორივე მათგანს სჭირდება სითბო ორთქლის წარმოსაქმნელად, რომელიც მართავს ტურბინებსა და გენერატორებს. თუმცა ატომურ ელექტროსადგურში ნახშირის ან გაზის წვას ურანის ატომების დაშლა ანაცვლებს. რეაქტორი ისეა მოწყობილი, რომ მასში შესაძლებელია ურანის კონტროლირებადი დაშლის ჯაჭვური რეაქციის წარმართვა. U-235-ის ატომების გახლეჩის შედეგად წარმოქმნილი სითბო გამოიყენება ორთქლის შესაქმნელად, რომელიც ატრიალებს ტურბინას გენერატორის სამართავად. შედეგად, მექანიკური ენერგია ელექტრულ ენერგიად გარდაიქმნება.

რეაქტორის ბირთვში ხდება მთავარი პროცესი — ურანის (უმეტეს შემთხვევაში) დაშლისა და ბირთვული რეაქციის შედეგად წარმოქმნილი სითბო აცხელებს მასში ჩასხმულ წყალს, რომელიც (სურათზე წითელი მილით) შედის ბირთვში. მილი შეკრულია და წყალს ტუმბოების დახმარებით ციკლურად აბრუნებს. ეს მილი ბირთვის მარჯვნივ არსებულ კონტეინერშიც გაივლის, რომელშიც მუდმივად შედის ცივი წყალი (თუმცა ამ წყალთან ბირთვის შიგნით მოძრავ წყალს კონტაქტი არ აქვს, რადგან ბირთვში გამავალი წყალი რადიოაქტიურადაა დაბინძურებული). ცივ წყალში ჩადგმული გავარვარებული მილი წყალს ადუღებს და ორთქლს წარმოქმნის, რომელიც ტურბინას ატრიალებს. ტურბინა გენერატორს ამოძრავებს და შედეგად ელექტროენერგია წარმოიქმნება. ამის შემდეგ ორთქლი კონდენსატორში გაივლის, სადაც სურათზე ნაჩვენები ლურჯი მილით ცივი წყალი მოძრაობს, რომელიც ორთქლს აციებს და წყლად გარდაქმნის. შედეგად, მისი ხელახალი გამოყენებაა შესაძლებელი. გარდა ამისა, იმისათვის, რომ ბირთვში მოძრავი წყალიც არ ადუღდეს და ორთქლად არ გარდაიქმნას, მილზე მიმაგრებულია წნევის კონდენსატორი (Pressurizer) რომელიც წყალს მაღალი წნევის ქვეშ ინახავს და ადუღების საშუალებას არ აძლევს.

ურანის ატომებისთვის ნასროლი ნეიტრონი შეგვიძლია განვიხილოთ როგორც პირველი თაობის ნეიტრონი, მის მიერ გახლეჩილი ატომებიდან გამოტყორცნილი ნეიტრონები მეორე თაობის, რომელიც მესამე თაობის ნეიტრონებს წარმოქმნის და ა.შ. რეაქტორში მნიშვნელოვანია ნეიტრონების რაოდენობის კონტროლი, რითვისაც "ნეიტრონების გამრავლების კოეფიციენტს" განსაზღვრავენ, რომელიც მოცემულ თაობაში ნეიტრონების რაოდენობის ფარდობისა წინა თაობის ნეიტრონების რაოდენობის ტოლია და ამ სიდიდეს K ასოთი აღნიშნავენ. თუ K < 1, ანუ რეაქტორის მუშაობა ქვეკრიტიკულია და ნეიტრონების რაოდენობა ყოველ მომდევნო თაობაში წინასთან შედარებით იკლებს, ასეთ შემთხვევაში გარკვეული პერიოდის შემდეგ ჯაჭვური რეაქცია შეწყდება. თუ K = 1, ვიტყვით, რომ რეაქტორის მუშაობა კრიტიკულია და ეს არის სტაბილური დონე (ნეიტრონების რაოდენობა ყველა თაობაში თითქმის თანაბარია), რომელიც რეაქტორმა უნდა შეინარჩუნოს. ხოლო, როდესაც K > 1, ნეიტრონების რაოდენობა ყოველ თაობაში წინაზე მეტია. ასეთ დროს რეაქტორის მუშაობა სუპერკრიტიკულია და თუ სტაბილიზაციისკენ არ წავა, შესაძლოა აფეთქებაც გამოიწვიოს. ამიტომ, K კოეფიციენტის სამართავად "საკონტროლო ღეროებს" და "ნეიტრონების მოდერატორს" იყენებენ.

ფოტო: რეაქტორის ბირთვში ჩაწყობილი საწვავის (როგორც წესი, ურანის) ღეროები - Fuel rod, საკონტროლო ღეროები - Control rod და ნეიტრონების მოდერატორი - Moderator.

საკონტროლო ღერო დამზადებულია ისეთი ნივთიერებისგან, რომელსაც ნეიტრონის შეწოვის უნარი გააჩნია. ასეთი შეიძლება იყოს ბორი, კადმიუმი, ვერცხლი ან სხვა. საკონტროლო ღეროების რაოდენობა და მათი ბირთვში ჩაწევა-ამოწევა არეგულირებს ნეიტრონების რაოდენობას და შესაბამისად, ჯაჭვურ რეაქციას. მაგალითად, რეაქტორის მუშაობის დაწყებისას საკონტროლო ღეროები ამოწეულია ვიდრე რეაქტორის სიმძლავრე საკმარისად არ გაიზრდება. სუპერკრიტიკულ დონეზე მომუშავე რეაქტორის დასტაბილურებისთვის კი საჭიროა ღეროების ჩაწევა.

როგორც ზემოთ აღვნიშნეთ, ნეიტრონი, რომელიც ურანის ბირთვს გახლეჩს, უნდა იყო ნელი (რათა, ბირთვმა შეიწოვოს და არა — აისხლიტოს) ანუ თერმული ნეიტრონი. თუმცა ატომის გახლეჩის შედეგად წარმოქმნილი ნეიტრონი დიდი ენერგიის მატარებელი და შესაბამისად სწრაფია, ამიტომ იმისათვის, რომ გამოტყორცნილმა ნეიტრონებმა სხვა ბირთვები დაშალონ და ჯაჭვური რეაქცია განაგრძონ, საჭიროა მათი შენელება. ამ მიზნით იყენებენ მძიმე წყალს (მძიმე წყალში ნორმალურ წყალთან შედარებით დეიტერიუმის კონცენტრაცია მეტია), გრაფიტის ღეროებს, ან სხვა ნივთიერებას, რომლის ატომები ნეიტრონს არ შთანთქავს, არამედ აისხლიტავს, კოლიზიების შედეგად ენერგიას აკარგვინებს და სწრაფ ნეიტრონებს ანელებს. თუმცა, აღსანიშნავია, რომ არსებობს ისეთი ტიპის რეაქტორებიც (ჩქარი რეაქტორები), რომელიც მოდერატორს არ იყენებს.

ბირთვული კატასტროფები — ჩერნობილი და ფუკუშიმა

ბუნებრივია, ბირთვული რეაქტორი ძალიან დიდი რაოდენობით რადიოაქტიურ იზოტოპებს შეიცავს (მათ შორისაა დაშლის პროდუქტებიც). ამიტომ, თუ ეს რადიოაქტიური ნივთიერებები რეაქტორიდან გაჟონავს, მისი ზემოქმედება ახლოს მყოფ ადამიანებზე უმძიმესი იქნება. მაიონიზირებელი გამოსხივება შესაძლოა გახდეს კიბოს, უჯრედული დაზიანებების, ახალშობილებში მუტაციების ან მალევე სიკვდილის (დიდი რაოდენობით დასხივების შემთხვევაში) გამომწვევი მიზეზიც კი. ამიტომ, უბედური შემთხვევების თავიდან ასაცილებლად საჭიროა გარკვეული პრევენციული ზომების წინასწარ გატარება. თუ ყველა ნორმა დაცულია, ადამიანური შეცდომის გარეშე რეაქტორის მწყობრიდან თვითნებურად გამოსვლის ალბათობა თითქმის ნულის ტოლია. ჩერნობილის კატასტროფა კი კარგი მაგალითია თუ როგორი მძიმე შედეგები შეიძლება მოიტანოს პოლიტიკურმა ინტრიგებმა, არაპროფესიონალიზმმა და ჩინოვნიკების დილეტანტურმა ბრძანებებმა.

ფოტო: ჩერნობილში, ქალაქ პრიპიატში მიტოვებულ სკოლაში იატაკი დაფარულია აირწინაღებით, რომელიც კატასტროფის შემდეგ დაარიგეს.

იმ პერიოდში მიმდინარე ცივი ომის პირობებში საბჭოთა კავშირს სურდა ჩაეტარებინა ექსპერიმენტი, რომელიც აჩვენებდა მის მზადყოფნას იმ კრიტიკული მომენტისთვის, თუ მტერი ელექტროსადგურს გარე ელექტრომომარაგებისგან გათიშავდა. ეს ელექტროობა იმ ტუმბოებს სჭირდებოდა, რომელიც მილებში წყალს ციკლურად აბრუნებდა. ზოგადად, ელექტორმომარაგების გათიშვის შემთხვევაში რეაქტორებში გათვალისწინებულია დამზღვევი დიზელის გენერატორის ამუშავება, თუმცა მის ჩართვას დაახლოებით 40 წამი სჭირდებოდა და ექსპერიმენტის მიზანი სწორედ ამ 40 წამთან გამკლავება იყო. ამ პერიოდის განმავლობაში რეაქტორს ტუმბოები თავისსავე გამომუშავებული ენერგიით უნდა ემუშავებინა, ანუ 40 წამის განმავლობაში უნდა გამოეყენებინა ინერციით მოძრავი ის ტურბინა, რომელსაც აქამდე რეაქტორი ამოძრავებდა.

ექსპერიმენტის ჩატარება 1986 წლის 26 აპრილს ჩერნობილის ატომურ ელექტორსადგურზე მეოთხე რეაქტორში გადაწყდა. საჭირო იყო რეაქტორის სიმძლავრის შემცირება და დაბალ სიმძლავრეზე შენარჩუნება. ერთ საათში რეაქტორის სიმძლავრე ორჯერ, 1600 მეგავატამდე შემცირდა, შემდეგ ნელ-ნელა 500 მეგავატზე ჩამოვიდა და როდესაც რეაქტორი ავტომატური მართვის რეჟიმიდან ხელით მართვის რეჟიმზე უნდა გადასულიყო, სიმძლავრე მოულოდნელად 30 მეგავატამდე დაეცა. სიმძლავრის გაზრდის მიზნით, ცვლის უფროსმა ანატოლი დიატლოვმა საკონტროლო ღეროების ამოღება მოითხოვა, რასაც მთავარი ინჟინერი შეეწინააღმდეგა და აღნიშნა, რომ საკონტროლო ღეროების სრულად ამოღებით რეაქტორი უმართავი გახდებოდა და სჯობდა საკონტროლო ღეროების რეაქტორის აქტიურ ზონაში ჩაშვება და რეაქტორის გამორთვა, თუმცა დიატლოვმა მისი აზრი არ გაითვალისწინა. შედეგად, რეაქტორმა სიმძლავრე გაზარდა და ელექტრომომარაგების გათიშვიდან 34-ე წამზე ერთ-ერთმა ოპერატორმა რეაქტორის გათიშვის ღილაკს დააჭირა, თუმცა გასათიშად საჭირო საკონტროლო ღეროების ჩაშვებას 18 წამი სჭირდებოდა. გათიშვის ნაცვლად რეაქტორის სიმძლავრე იმატებდა და 37-ე წამზე პირველი აფეთქება მოხდა. გაზრდილმა წნევამ და ტემპერატურამ რეაქტორს სახურავი ააძრო. გრაფიტისგან დამზადებულმა ნეიტრონების მოდერატორმა წვა დაიწყო და ვინაიდან რეაქტორი შესაბამისი დამცავი სისტემით დახურული არ იყო, დიდი რაოდენობით რადიაციამ გარეთ მარტივად გაჟონა. შემთხვევის ადგილას რადიაციის დონის გაზომვა ვერ ხერხდებოდა, რადგან ყველა აპარატი მწყობრიდან გამოვიდა. ჩერნობილიდან გაჟონილი რადიაციის დონე 400-ჯერ აღემატებოდა ჰიროსიმაში ატომური ბომბის აფეთქების შედეგად წარმოქმნილი რადიაციის დონეს. ეს იყო ყველაზე ძლიერი ბირთვული კატასტროფა.

აღსანიშნავია, რომ ჩერნობილში 2019 წელს დასრულდა სარკოფაგის მშენებლობა, რომელმაც მეოთხე რეაქტორი დაფარა. მასში ამჟამად, დაახლოებით, 200 ტონა რადიოაქტიური ნივთიერებაა. სარკოფაგის სიმაღლე 110 მეტრს, ხოლო სიგანე 260 მეტრს უტოლდება და მისი აშენება 2.1 მილიარდი ევრო დაჯდა.

ფოტო: ხანძარი ფუკუშიმას ატომურ ელექტროსადგურზე

2011 წლის 11 მარტს ჩერნობილის შემდეგ რიგით მეორე ყველაზე მძიმე ბირთვული კატასტროფა იაპონიაში, ფუკუშიმას ბირთვულ ელექტროსადგურზე მოხდა. 9.0 მაგნიტუდიანი მიწისძვრის შედეგად წარმოქმნილმა ცუნამის 15-მეტრიანმა ტალღამ ოკეანის სანაპიროზე მდებარე 6 რეაქტორიდან 4 მწყობრიდან გამოიყვანა. რეაქტორების გათიშვის შემდეგ მის გასაგრილებლად დიზელის სათადარიგო გენერატორები ჩაირთო, თუმცა ისინიც სწრაფად დაიტბორა და ტუმბოებს ელექტროენერგიის მიწოდება შეუწყდა. მაღალი ტემპერატურის ორთქლი რეაქციაში შევიდა ცირკონიუმის შენადნობთან და წყალბადი წარმოქმნა. წყალბადის ჰაერთან შერევამ კი მრგვინავი (ფეთქებადი) აირი წარმოქმნა და აფეთქება გამოიწვია. კატასტროფის შემდეგ იაპონიამ 48-ვე რეაქტორი დახურა, თუმცა 2015 წლიდან მათი აღდგენა დაიწყო და ოქტომბრის მონაცემებით იაპონიას 33 მოქმედი რეაქტორი აქვს.

ბირთვული იარაღი — ატომური და წყალბადის ბომბები

ფოტო: ჰიროსიმაში ჩამოვარდნილი ატომური ბომბის ტიპი

უნდა ითქვას, რომ ატომური ბომბის მუშაობის პრინციპიც სწორედ ბირთვების დაშლის უკონტროლო ჯაჭვურ რეაქციას ეყრდნობა. ამ მიზნით ატომურ ბომბში ურან-235 ან პლუტონიუმ-239-ს ათავსებენ. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ბირთვული დაშლისთვის ბევრი ელემენტის გამოყენებაა შესაძლებელი, თუმცა ურანი, რომელშიც U-235 იზოტოპის U-238-თან ფარდობა დაახლოებით 1/139 ან უფრო მეტია (U-235 -ის წილი), უფრო მარტივად და სწრაფად იშლება. მსგავსი თვისება ახასიათებს პლუტონიუმ-239-საც. ამიტომ, ატომურ ბომბებშიც ამ ელემენტებს (უფრო მეტად ურანს) იყენებენ. თუმცა, რეაქციისთვის მნიშვნელოვანია ურანის მასა. მაგალითად თუ გვაქვს ურან-235-ის ქვეკრიტიკული მასა, მაგალითად 0.45 კგ, ჯაჭვური რეაქცია ვერ შენარჩუნდება, რადგან ბირთვების რაოდენობა ცოტაა და გამოთავისუფლებული ნეიტრონი შესაძლოა საერთო მასიდან სხვა ბირთვთან დაჯახების გარეშე გაიფანტოს. ამიტომ, საჭიროა ურანის რაოდენობის გაზრდა კრიტიკულ მასამდე. ამ დროს ნეიტრონს უფრო ბევრ ბირთვში გავლა უწევს, რაც რომელიმე მათგანთან შეჯახებისა და დაშლის ალბათობას ზრდის. ამასთან, ურანი უნდა იყოს გამდიდრებული და ძალიან სუფთა, მინარევებისაგან სრულად გაწმენდილი. ურანის გამდიდრება არის ძალიან რთული ტექნოლოგიური საკითხი და ნიშნავს ურანის დიდი მასიდან იზოტოპ U-235-ს გამოყოფას.

პრაქტიკაში, სასურველი ეფექტის მისაღებად, დასაშლელი მასალის ქვეკრიტიკულიდან კრიტიკულ მდგომარეობამდე მიყვანა უკიდურესად მოულოდნელად და სწრაფად უნდა მოხდეს. ამიტომ, ატომურ ბომბში, ღრუ მილის ბოლოებში მოთავსებულია ორი ქვეკრიტიკული მასა. ერთ-ერთი მათგანის უკან ჩადებულია ასაფეთქებელი ნივთიერება. საჭირო მომენტში, ეს ნივთიერება, აფეთქების შედეგად გაისვრის მის წინ მოთავსებულ ქვეკრიტიკულ მასას, რომელიც მილის ბოლოში მეორე ქვეკრიტიკულ მასასთან შეერთების შედეგად წარმოქმნის კრიტიკულ მასას. აფეთქების დარტყმის ტალღა ეჯახება მილის ბოლოში მოთავსებულ პოლონიუმ-ბერილიუმის გრანულას. ბერილიუმი მყისიერად შეერევა პოლონიუმს, რაც პოლონიუმიდან ალფა ნაწილაკებს საშუალებას აძლევს შეაღწიონ ბერილიუმის ატომებში. ალფა ნაწილაკების დაბომბვაზე რეაგირებისას, ბერილიუმის ატომები ასხივებენ ნეიტრონებს, დაახლოებით 1 ნეიტრონს ყოველ 5-10 ნანოწამში. სწორედ ეს ნეიტრონები იწყებენ ჯაჭვურ რეაქციას. რეაქტორში მიმდინარე დაშლისგან განსხვავებით, რომელიც საკონტროლო ღეროებით კონტროლდება, ატომურ ბომბში მიმდინარე ჯაჭვური რეაქცია სრულიად უკონტროლოა და უზარმაზარი სიმძლავრე გააჩნია.

ფოტო: წყალბადის ბომბი

მოგვიანებით შეიქმნა კიდევ ერთი ტიპის, თერმობირთვული იარაღი — წყალბადის ბომბი. პირველი წყალბადის ბომბი ჰიროსიმაში ჩამოგდებულ ბომბზე 670-ჯერ უფრო მძლავრი იყო. განსხვავებით ზემოთ განხილული ატომური ბომბისგან, რომელიც ენერგიას ატომების დახლეჩით გამოიმუშავებდა, წყალბადის ბომბში ორი მსუბუქი ატომის შერწყმით მიიღება შედარებით მძიმე, ერთი ელემენტის ატომი, ამ პროცესს კი თერმობირთვული სინთეზი ეწოდება. თერმობირთვული სინთეზი ხდება ვარსკვლავებში, მათ შორის ჩვენი მზის შუაგულშიც და სწორედ ასე ასხივებს ენერგიას. წყალბადის ბომბი ენერგიას გამოიმუშავებს წყალბადის ორი იზოტოპის, დეიტერიუმისა და ტრიტიუმის შერწყმის შედეგად ჰელიუმის ატომის წარმოქმნით. შერწყმის პროცესში დიდი რაოდენობით ენერგია გამოსხივდება, რადგან ჰელიუმის ატომის ენერგია გაცილებით ნაკლებია ერთად აღებული ამ ორი იზოტოპის ენერგიაზე. ჩვეულებრივ, ორი ატომბირთვის შერწყმა შეუძლებელია, რადგან ორივე მათგანი დადებითადაა დამუხტული და ერთმანეთს განიზიდავენ. თუმცა თუ ტემპერატურას მილიონობით გრადუსით გავზრდით, ბირთვების შერწყმა მიღწევადია. მაგრამ ამისთვის დაახლოებით 100 მილიონამდე გრადუსი ცელსიუსია საჭირო. ასეთ ტემპერატურაზე ბირთვების ირგვლივ მოძრავი ელექტრონები შორდებიან ბირთვს და ბირთვები და ელექტრონები თავისუფლად ცურავენ მაღალ ტემპერატურიან "სუპში" (ასე ეძახიან გავარვარებულ პლაზმას). ამ დროს ბირთვებს შეუძლიათ ერთმანეთს ძალიან მიუახლოვდნენ და ბირთვული ძალები პროტონებსა და ნეიტრონებს ერთმანეთთან აკავშირებს, რათა შეიქმნას ჰელიუმის ატომი და თავისუფალი ნეიტრონი.

თუმცა, როგორ მივიღოთ 100 მილიონ გრადუსიანი ტემპერატურა? სწორედ აქ ჩნდება ჩვეულებრივი ატომური ბომბი წყალბადის ბომბის შიგნით. ანუ ვიყენებთ დაშლის რეაქციას რათა შერწყმის რეაქციისთვის გამოვიმუშაოთ საჭირო ტემპერატურა. ამგვარად, შეიძლება ითქვას, რომ წყალბადის ბომბი გაერთიანებული სამი ბომბია — ჩვეულებრივი ქიმიური ბომბი (ასაფეთქებელი), დაშლაზე დამყარებული და შერწყმაზე დამყარებული ბომბები. ასაფეთქებელი ნივთიერება ააქტიურებს დაშლის პროცესს ხოლო ეს უკანასკნელი — შერწყმის პროცესს.

წყალბადის ბომბის ზედა ნაწილში მოთავსებულია პატარა ატომური ბომბი. ბერილიუმის გარსაცმის სფეროს გარშემო შემორტყმული აქვს ასაფეთქებელი ნივთიერებები, რომლის შიგნით არის უფრო პატარა, დაახლოებით 4 -დან 6 ინჩამდე დიამეტრის ურანის ან პლუტონიუმის სფერო. ამ ატომური ბომბის ქვემოთ არის წყალბადის (შერწყმაზე დამყარებული) ბომბი. იგი შედგება ურანისგან დამზადებული ცილინდრისგან, შერწყმის რეაქციის საწვავი, ლითიუმის დეიტერიდი (LiH) კი ცილინდრის შიგნითაა მოთავსებული. ამ ცილინდრის ბირთვში კი პლუტონიუმის ღერო დგას. ზედა და ქვედა ბომბს შორის არის სტიროქაფი (polystyrene foam, C8H8).

აფეთქებისას, პირველ რიგში, "ზედა" ატომური ბომბი აფეთქდება, ქიმიური ბომბების თანმიმდევრობით აფეთქების შედეგად, რაც აიძულებს პლუტონიუმ-239-ს ან ურან-235-ს, რომ აფეთქდეს. შედეგად, მიიღება კრიტიკული მასა, რაც იწვევს ატომურ აფეთქებას. ეს აფეთქება წარმოქმნის მაღალი ენერგიის გამა და რენტგენის სხივებს, რომლებიც ათბობს სტიროქაფს და აქცევს მას პლაზმად. სხივებს ირეკლავს გარეთა ბერილიუმის კედელი და მათ ენერგიას ქვედა ცილინდრისკენ მიმართავს. რენტგენის სხივები სინათლის სიჩქარით მოძრაობენ, ამიტომ ისინი წყალბადის საწვავს უფრო მალე მიაღწევენ, ვიდრე ფიზიკური დარტყმის ტალღა "ზედა" ატომური ბომბიდან. ეს ძალიან მნიშვნელოვანია, რადგან თუ დარტყმის ტალღა უფრო მალე მიაღწევდა, შერწყმის რეაქციის დაწყებამდე ცივი მატერია უბრალოდ აფეთქდებოდა და დაიფლითებოდა. გავარვარებული პლაზმის სითბო და წნევა აწვება და კუმშავს ქვედა ცილინდრს. შედეგად, ლითიუმის დეიტერიდი რექციაში შედის ნეიტრონთან და წარმოიქმნება ტრიტიუმი (წყალბადის სამ ნეიტრონიანი იზოტოპი). ტრიტიუმის და დეიტერიუმის ბირთვები ერთმანეთს ერწყმის ჰელიუმის ატომისა და თავისუფალი ნეიტრონის წარმოქმნით. ნეიტრონები კი ურანისა და პლუტონიუმის ატომების დაშლის ჯაჭვურ რეაქციაში მონაწილეობენ, რაც კიდევ უფრო ზრდის წნევას ლითიუმის დეიტერიდზე (გარედან შიგნით ურანის წყალობით და შიგნიდან გარეთ პლუტონიუმის წყალობით). ეს იწვევს მეტ შერწყმას, მეტი ნეიტრონების წარმოქმნას, მეტ დაშლას და ასე გრძელდება შერწყმა-დაშლის ციკლი ვიდრე უმძლავრესი აფეთქება არ მოხდება, რომელიც ყველაფერს ანადგურებს. მთელი ეს პროცესი, დაახლოებით, წამის 600 მემილიარდედში ხდება (550 მემილიარდედი "ზედა", ხოლო 50 მემილიარდედი "ქვედა" ბომბისთვის).

ბირთვული ნარჩენები

ფოტო: ბირთვული ნარჩენების გზა რეაქტორიდან სამარხამდე

ენერგოსადგურები, რომლებიც წვავენ წიაღისეულ საწვავს, როგორიცაა ქვანახშირი და ბუნებრივი აირი, უზარმაზარი რაოდენობით გამოყოფენ ნახშირორჟანგს (CO2), რომელიც უმნიშვნელოვანეს როლს თამაშობს გლობალურ დათბობაში. შედარებისთვის, ატომურ ელექტროსადგურებში სითბოს წარმოსაქმნელად არაფრის დაწვა არ ხდება და ნახშირორჟანგიც არ გამოიყოფა (რეაქტორების თავზე რომ თეთრი ღრუბელი გინახავთ ეგ ორთქლია და არა რაიმე გამონაბოლქვი). თუმცა ბირთვულ ენერგიასაც აქვს სერიოზული ნაკლი — ბირთვული რეაქციების შედეგად წარმოქმნილი რადიოაქტიური ნარჩენები, რაც ყველაზე მეტად აზიანებს მის რეპუტაციას და ხელს უშლის მსოფლიოს მასშტაბით უფრო ფართოდ გავრცელებაში. ერთად აღებული ამერიკის ყველა რეაქტორი ყოველწლიურად 2 000 ტონა რადიოაქტიურ ნარჩენს წარმოქმნის.

ნარჩენებს აქტიურობის დონის მიხედვით განასხვავებენ. ზოგიერთ მათგანს ძალიან დიდი ნახევარდაშლის პერიოდი აქვს და ათასობით წელი აქტიურობას ინარჩუნებს. ბირთვული ნარჩენების პრობლემის გადასაჭრელად რამდენიმე გზა არსებობს, მათ შორისაა გარდაქმნა ხელახალი გამოყენებისთვის, გადამუშავება და სხვა. თუმცა ყველაზე პოპულარული მეთოდი სპეციალურად აშენებულ მიწისქვეშა საცავებში დამარხვაა. ასეთი საცავის განთავსება დიდ ფიქრს მოითხოვს, რადგან როგორც აღვნიშნეთ, დაშლის პროცესი შესაძლოა ათასობით წელი გაგრძელდეს. ამრიგად, საცავი უნდა იყოს დაცული, როგორც ახლა, ისე შორეულ მომავალში. გათავალისწინებული უნდა იყოს სეისმური აქტივობების შესაძლებლობაც. მიწისძვრამ შესაძლოა ნარჩენები ზედაპირზე ამოყაროს. ასევე, სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია, რომ წყალს არ შეეძლოს რადიოაქტიურ მასალასთან კონტაქტი ახლა ან მომავალში. უნდა აღინიშნოს ისიც, რომ ძვირი და სარისკოა ნარჩენების სამარხამდე საჯარო გზებით ტრანსპორტირებაც.

ბირთვული ენერგია და საქართველო

ფოტო: "მცხეთის რეაქტორად" ცნობილი "მუხათგვერდის გამოყენებითი კვლევების ცენტრი"

საქართველოში "მცხეთის რეაქტორად" ცნობილი "მუხათგვერდის გამოყენებითი კვლევების ცენტრის" მშენებლობა 1957 წელს, საქართველოს მეცნიერებათა აკადემიის აკადემიკოსის, ელეფთერ ანდრონიკაშვილის ინიციატივით დაიწყო და ექსპლუატაციაში 1960 წელს შევიდა. 6 ჰექტარ ფართობზე რადიოქიმიური ლაბორატორიითა და სხვა საჭირო ნაგებობებით განთავსებულ რეაქტორში დაახლოებით 300 ადამიანი მუშაობდა. მცხეთის რეაქტორის ძირითადი მიმართულება დაბალტემპერატურიან მასალათმცოდნეობაში ექსპერიმენტების ჩატარება იყო. რეაქტორის 30 წლიანი შეუფერხებელი მუშაობის შემდეგ მისი გაუქმების მოთხოვნით 1988 წლიდან ქვეყანაში მასშტაბური აქციები იმართებოდა, 1990 წლის 30 მარტს კი რეაქტორის დემონტაჟი გადაწყდა. მართვის პუნქტში რეაქტორის გაჩერების დროა დაფიქსირებული. თუმცა მთლიანი დემონტაჟი ძალიან დიდ თანხებთან იყო დაკავშირებული და გარდა ამისა, დაგროვდებოდა დიდი რაოდენობით რადიოაქტიური ნარჩენები. ამიტომ, დემონტაჟის ნაცვლად გადაწყდა რეაქტორის იმ ნაწილების ბეტონირება, რომელიც მაღალი რადიაციით ხასიათდებოდა.

2007 წელს საქართველოს პრეზიდენტმა ფრანგ კოლეგასთან ბირთვული ენერგეტიკის სფეროში თანამშრომლობის შესაძლებლობა განიხილა და საფრანგეთის დახმარებით საქართველოში ატომური ელექტროსადგურის აშენების იდეა ჩამოყალიბდა, თუმცა მას რაიმე სერიოზული ნაბიჯები აღარ მოჰყოლია.

თუ საქართველოს მოსახლეობის ჰიდროელექტროსადგურების მშენებლობასთან დამოკიდებულებას გავითვალისწინებთ, ალბათ, უფრო მძიმედ ჟღერადი ატომური ელექტროსადგურის ჩვენს ქვეყანაში აშენება ახლო მომავალში რთულად წარმოსადგენია. თუმცა უნდა გვახსოვდეს, რომ ყველა ტიპის ენერგოსადგურს გააჩნია გარკვეული რისკები. ბირთვული კატასტროფების უმრავლესობა კი ადამიანის ხელითაა ჩადენილი. ამასთან, მართალია ჩვენს ქვეყანაში ბირთვული ელექტროსადგური არ ფუნქციონირებს, თუმცა თავად განსაჯეთ რამდენად დაცული ვართ ბირთვული კატასტროფისგან, როდესაც სომხეთის ბირთვული ელექტროსადგური, საქართველოს საზღვრიდან 108 კილომეტრითაა დაშორებული, ხოლო შედარებისთვის, ჩერნობილიდან საქართველომდე მანძილი დაახლოებით 2000 კილომეტრია.

კომენტარები

კვირის ტოპ-5

  1. ჩინელმა მეცნიერებმა უზარმაზარ ღრმულში უძველესი ტყე აღმოაჩინეს
  2. ისტორიაში პირველად, პაციენტს ორგანიზმში კიბოს სამკურნალო ვირუსი შეუყვანეს
  3. მეცნიერების აზრით, არსებობს "სარკისებური სამყარო", რომელიც ჩვენს გრავიტაციაზე ზემოქმედებს
  4. თუ თქვენი ლეპტოპი ნელა მუშაობს, შესაძლოა, ეს ნაკლებად ცნობილი მეთოდი დაგეხმაროთ
  5. Facebook-ზე პოსტის მომწონებელთა სია აღარ ჩანს — რა ხდება და რა მოვიმოქმედოთ

გირჩევთ