Povijest nuklearne energije

Povijesni razvoj nuklearne energije i njezine primjene moguće je podijeliti u četiri osnovna perioda:

• Period od 1895. godine do 1938. godine obilježen je nizom znanstvenih otkrića vezanih uz radioaktivno zračenje, atomsku strukturu i promjene atomske strukture te nuklearne reakcije,
• Period od 1939. godine do 1945. godine, koji je obilježen intenzivnim istraživanjima vezanima uz razvoj atomske bombe,
• U periodu od 1945. godine do 1956. godine istraživanja vezana uz nuklearnu energiju prvenstveno su usmjerena k iskorištenju nuklearne energije iz kontrolirane fisijske reakcije za pogon plovila i proizvodnju električne energije,
• Od 1956. godine primarni je cilj nuklearnih istraživanja tehnološki razvoj pouzdanih nuklearnih reaktora.

Početkom nuklearnih istraživanja i razumijevanja nuklearne energije smatra se 1895. godina i otkriće X zraka (Rontgenskih zraka) Wilhelma Roentgena. Već sljedeće godine Henri Becquerel opažanjem nevidljivih zraka koje je emitirala uranova rudača, a eksponirale su filmsku ploču u potpunom mraku, otkrio je i imenovao pojam „radioaktivnosti“. Sljedećih dvadesetak godina obilježila su brojna otkrića vezana uz radioaktivno zračenje. Tako 1898. godine Pierre Curie i njegova supruga Marie Sklodowska Curie otkrivaju polonij i radij. Iste godine Samuel Prescott dokazuje da radioaktivno zračenje ubija bakterije u hrani. 1902. godine Ernest Rutherford pokazuje da spontana emisija α i β čestica rezultira nastankom novog elementa. Njegova istraživanja kulminiraju 1919. godine kada bombardirajući jezgru dušika α česticama dobiva kisik i proton, na taj način ostvarujući prvu nuklearnu reakciju u povijesti. 1911. godine Frederick Soddy otkrio je da prirodni radioaktivni elementi imaju više izotopa (radionuklida) s istim kemijskim svojstvima. Veliki doprinos razumijevanju atomske prirode tvari dao je i Niels Bohr definirajući 1913. godine, po njemu nazvan, Bohrov model vodikovog atoma. 1932. godine James Chadwick otkrio je neutron, a iste godine Cockcroft i Walton eksperimentiraju bombardirajući atome ubrzanim protonima što rezultira nuklearnim transformacijama. Dvije godine kasnije, Irene Curie i Frederic Joliot pokazuju da takve transformacije mogu rezultirati nastankom umjetnih radionuklida. 1935. godine Enrico Fermi otkriva da je veću raznovrsnost umjetnih radionuklida moguće postići upotrebom neutrona umjesto protona. Fermi nastavlja svoja istraživanja, uglavnom generirajući teže elemente od onih koje bombardira, no kada koristi kao ciljnu metu uran, dobiva lakše elemente. 1938. godine Otto Hahn i Fritz Strassman pokazuju da novonastali elementi u slučaju bombardiranja urana imaju masu otprilike upola manju, na taj način dokazujući fisiju. Lise Meitner i Otto Frisch objašnjavaju taj fenomen uhvatom neutrona koji uzrokuje vibracije tako formirane jezgre i njezin raspad na dva, ne potpuno ista dijela. Prvo teoretski, a zatim i eksperimentalno (1939. godine) pokazuju da se na taj način oslobađa energija od približno 200 MeV. To je ujedno i prva eksperimentalna potvrda poznate Einsteinove teze iz 1905. godine o jednakosti mase i energije (E = mc²).

Otkriće nuklearne fisije intenziviralo je nuklearna istraživanja u mnogim svjetskim laboratorijima. Tako Hahn i Strassman 1939. godine pokazuju da fisija urana ne samo da oslobađa veliku količinu energije, već da pri fisiji nastaju i dodatni neutroni koji mogu izazvati fisiju okolnih atoma urana, odnosno ukazuju na mogućnost samoodržavajuće lančane fisijske reakcije uz oslobađanje velike energije. Joliot i njegovi suradnici u Parizu, te Szilard i Fermi u New Yorku uskoro i eksperimentalno potvrđuju te pretpostavke. Uskoro Bohr sugerira da je izotop urana ²³⁵U podložniji fisiji nego izotop ²³⁸U, posebno sa sporim neutronima. To potvrđuju Szilard i Fermi te predlažu upotrebu moderatora za usporenje neutrona. Francis Perrin uvodi i koncept kritične mase urana potrebne za samo-održavajuću fisijsku reakciju, a njegova grupa u Parizu razvija i ideju o neutronskom apsorbirajućem materijalu pomoću kojeg bi se mogao ograničiti broj neutrona, odnosno kontrolirati nuklearnu fisijsku reakciju, što je osnova rada današnjih nuklearnih reaktora. Perrinovu teoriju o kritičnoj masi proširuje Rudolf Peierls koji zajedno s Frischom u ožujku 1940. godine sastavlja i tzv. Frisch-Peierls memorandum, trostrani dokument s osnovnim konceptom atomske bombe. Od tada, pa sve do 1945. godine fokus nuklearnih istraživanja usmjeren je na razvoj atomske bombe, kako u SAD-u (anhattan projekt), tako i u tadašjem SSSR-u.

Razvoj nuklearnog oružja tijekom Drugog svjetskog rata rezultirao je iznimnim napretkom u razumijevanju nuklearne fisije i razvojem tehnologije, te je njegovim završetkom omogućen i početak mirnodopske primjene nuklearne energije, prvenstveno za pogon plovila i za proizvodnju električne energije. Prvi nuklearni reaktor koji je proizvodio električnu energiju, iako iznimno male količine, bio je eksperimentalni brzi reaktor EBR-1 u SAD-u koji je pokrenut 1951. godine, a proizvodio je električnu energiju dovoljnu za napajanje jedne žarulje. Prvi nuklearni reaktor namijenjen prvenstveno proizvodnji električne energije, električne snage 5 MW, s radom je započeo 1954. godine u Obninsku u tadašnjem SSSR-u. Glavni pokretač razvoja danas najraširenijeg tipa reaktora – tlakovodnog reaktora ( PWR) bio je američki admiral Hyman Rickover. Reaktor je prvotno bio namijen za pogon plovila, prvenstveno podmornica, no već 1957. godine, samo 4 godine nakon početka rada prototipnog mornaričkog reaktora u Idahu, SAD, s radom je započela demonstracijska nuklearna elektrana za proizvodnju električne energije u Pensilvaniji, SAD, električne snage 60 MW.

Od 1956. godine, pa sve do danas, istraživanja vezana uz nuklearnu energiju i njezinu primjenu za proizvodnju električne energije prvenstveno su usmjerena prema poboljšanju tehnologije i unaprijeđenju sigurnosti nuklearnih elektrana. U SAD-u je Westinghouseov prvi komercijalni tlakovodni reaktor (PWR) - nuklearna elektrana Yankee Rowe, električne snage 250 MW, započeo s radom 1960. godine (radio je do 1992. godine). Iste je godine s radom započeo i prvi komercijalni kipući reaktor ( BWR) tvrtke General Electric. Prototipno BWR postrojenje u Vallecitosu radilo je od 1957. godine do 1963. godine. Druga grana nuklearnih istraživanja kanadski je nuklearni program usmjerila na prirodno uranovo gorivo i tešku vodu kao moderator te je rezultiralo CANDU dizajnom. Prvi CANDU reaktor s radom je započeo 1962. godine. Monopol SAD-a na obogaćeni uran usmjerio je Veliku Britaniju na reaktore koji kao gorivo koriste prirodni uran, grafit kao moderator te plin kao rashladno sredstvo, tzv. Magnox reaktore. Prvi, električne snage 50 MW, s radom je započeo 1956. godine, a u pogonu je bio sve do 2003. godine.

I Francuska je izgradila reaktor sličan Magnoxu koji je s komercijalnim radom započeo 1959. godine. U tadašnjem SSSR-u prve dvije nuklearne elektrane započele su s radom 1964. godine, kipući reaktor, kanalski, grafitom moderirani, snage 100 MW i sovjetski PWR (VVER) snage 210 MW. Prvi veliki reaktor tipa RBMK u SSSR-u a s radom je započeo 1973. godine. Prototip prvog svjetskog brzog nuklearnog reaktora (BN-350) započeo je s radom 1972. godine u SSSR-u.

Od kraja 70-tih godina prošlog stoljeća do početka novog milenija, nuklearna industrija prolazila je kroz fazu stagnacije uz relativno mali broj novoizgrađenih postrojenja, da bi od 2004. godine i prve narudžbe nove III generacije reaktora, ušla u fazu „nuklearne renesanse“.

Prema podacima iz 2008. godine u svijetu je 439 komercijalnih nuklearnih elektrana, uglavnom PWR (265), BWR (94) i CANDU (44) tipa. Ukupna instalirana električna snaga iznosi 384,6 GW.