U zadnja tri desetljeća nuklearna energija ima značajnu ulogu u proizvodnji električne energije. Trenutačno pomoću nuklearne energije generiramo oko 16% ukupno proizvedene električne energije u svijetu

Jaki proboj nuklearne energije može se zahvaliti njezinoj čistoći i gotovo nikakvoim ispuštanju stakleničnih plinova. Dobro konstruirane nuklearne elektrane pokazale su se pouzdanima, sigurnima, ekonomski prihvatljivima i ekološki dobroćudnima. Dosad se u svijetu nakupilo više od 9000 reaktor-godina rada, pa se skupilo i potrebno iskustvo u iskorištavanju nuklearne energije.

Otkriće
Nuklearna energija, odnosno atomska energija, općenito je energija koja se oslobađa ili troši u nuklearnim pretvorbama i reakcijama. Nuklearne pretvorbe zbivaju se na znatno manjim udaljenostima od kemijskih, pa su, po zakonima kvantne fizike, nuklearne energije znatno veće, čak i milijun puta. U užem energetskom smislu, pod nuklearnom energijom podrazumijevamo energiju koja se oslobađa u reakcijama spajanja lakih jezgara, fuziji, i cijepanju teških jezgara, fisiji. U oba slučaja, novonastale jezgre bliže se području najčvršće vezanih jezgara masenog broja 50 do 60, pa se u tim reakcijama oslobađa dodatna energija vezanja atomske jezgre. Fuzija je osnovni proces stvaranja energije u zvijezdama, a odvija se na temperaturama od stotina milijuna K. Nekontrolirana nuklearna fuzija ostvarena je u zemaljskim uvjetima eksplozijom atomske bombe, pri čemu su razvijene “zvjezdane” temperature. Kontrolirana nuklearna fuzija izotopa vodika, znatno teži znanstveni problem, ostvarena je tek nakon desetljeća istraživanja u nekoliko istraživačkih uređaja, ali je komercijalno korištenje fuzijskom energijom za sada udaljeno više desetljeća, pa i upitno, barem sa sada dominantnim fuzijskim uređajima. Treba reći i to da je zbog vrlo intenzivne radioaktivnosti inducirane u konstruktivnim materijalima fuzijskim neutronima, kao i zbog velikih količina tricija, predodžba o “čistim” fuzijskim uređajima nasuprot “prljavim” fisijskim pogrešna.

Nuklearna fisija na uranu izazvana bombardiranjem s neutronima otkrivena je krajem 1938., a objavljena u siječnju 1939.godine neposredno pred II. svjetski rat. Već i prije otkrića fisije na uranu (1934) mađarski fizičar L. Szilard predvidio je mogućnost lančane nuklearne reakcije ukoliko se nađe reakcija izazvana neutronima u kojoj bi neutroni bili i proizvod reakcije. Fizičari su odmah prepoznali da je fisija urana takova reakcija, te da postoji mogućnost širenja lančane reakcije u makroskopskim količinama urana uz oslobađanje golemih količina energije, po jedinici mase i milijun puta više nego u konvencionalnim kemijskim eksplozivima. Hoće li se lančana reakcija razviti i odvijati kontrolirano ovisi o bilanci nastajanja i gubitaka neutrona u nakupini fisibilnih jezgara. Nakupina mora biti dovoljno velika da bijeg neutrona u okolinu ne bi prevladao, što određuje minimalnu masu, tzv. kritičnu masu potrebnu da se lančana reakcija može održati. Za uran ona iznosi, ovisno o izotopnom sastavu urana i njegovom okruženju, od desetak kilograma do nekoliko desetaka tona.

Nuklearna energija i II. svjetski rat
Ubrzo nakon otkrića fisije urana, već u ratnim uvjetima, L. Szilard zajedno s A. Einsteinom uputio je pismo američkom predsjedniku Rooseveltu s upozorenjem da postoji mogućnost izrade nuklearnog fisijskog eksploziva ogromne snage, kao i da će nacistička Njemačka vjerojatno ići u taj razvoj. Potrebno je predusresti takovu mogućnost, koja bi mogla ugroziti opstojnost demokratskih zemalja.

Kao rezultat navedenog, nastao je povijesni tzv. Manhattan projekt u kojem su sudjelovali najznačajniji europski fizičari izbjegli pred nacističkim progonima, zajedno sa američkim fizičarima i drugim stručnjacima te snažnom državnom i tehničkom podrškom. U okviru projekta pod vodstvom talijanskog fizičara E. Fermija, ostvarena je 2. prosinca 1942. godine u improviziranom nuklearnom reaktoru prva kontrolirana lančana reakcija. U nastavku projekta proizvedene su dvije atomske bombe. Njihovo bacanje na Japan (6. i 9. kolovoza 1945.) izazvalo je brzu kapitulaciju Japana i dovelo do završetka II. Svjetskog rata. Demonstracija strahovite razornosti atomskih bombi rezultirala je važnim inicijativama sila pobjednica, najprije Washingtonskom deklaracijom predsjednika SAD, Velike Britanije i Kanade (15.11.1945.) da se nuklearna energija može koristiti samo u miroljubive svrhe, a zatim (14.06.1946.), tzv Baruchovim planom, koji su SAD podnijele Organizaciji ujedinjenih naroda. Plan je predlagao stvaranje međunarodne organizacije velikih ovlasti, za miroljubivo iskorištavanje nuklearne energije (International Atomic Development Authority- IADA) u sklopu UN.

Radilo se o velikodušnom prijedlogu jedine sile koja je u to vrijeme posjedovala atomsko oružje i nuklearnu tehnologiju. Nažalost, Sovjetski Savez odbio je prijedlog, tada već intenzivno razvijajući vlastitu atomsku bombu, koja je eksplodirala 1949. godine. Umjesto svjetske suradnje na iskorištavanju nuklearne energije počeo je Hladni rat i utrka u nuklearnom naoružanju, koja se razvila do potpuno iracionalnih dimenzija, ugrožavajući postojanje ljudske civilizacije, ako ne i vrste, na planetu.

Razvoj nuklearne energetike
Poticaj za miroljubivo korištenje nuklearne energije bila je prva Konferencija o miroljubivoj upotrebi atomske energije u Ženevi 1955., kada SAD, a i druge zemlje stavljaju na opće raspolaganje dotad nedostupna znanja iz nuklearne znanosti i tehnologije. Širok raspon zemalja deklarira svoje potrebe za nuklearnom energijom. Ubrzo, 1956. godine, UN osnivaju posebnu organizaciju, Međunarodnu agenciju za atomsku energiju (International Atomic Energy Agency-IAEA) sa zadaćom da potiče i pomaže mirnodobsku upotrebu nuklearne energije. Intenzivniji razvoj nuklearnih reaktora za proizvodnju energije pada u 60-te i 70-te godine, nakon što su prvi energetski reaktori sagrađeni u SSSR-u (Obninsk 1954. godine), Velikoj Britaniji (Calder Hall 1956. godine) i SAD (Shippingport 1957. godine). Tehnologija se dijelom nastavlja na vojnu, razvijenu za propulziju brodova. To su vodom hlađeni reaktori s obogaćenim uranom kao gorivom. Reaktori s teškom vodom i prirodnim uranom (Kanada) nemaju vojnih prethodnika, dok su plinom hlađeni reaktori (Velika Britanija) bili razvoj reaktora koji su služili za proizvodnju plutonija za vojne potrebe.

Utjecaj na okoliš i spremanje radioaktivnog otpada
Kao i svi procesi proizvodnje energije iz neobnovljivih izvora, i nuklearne elektrane proizvode otpad. Kod njih je to radioaktivni otpad i vruća voda. Budući da nuklearne elektrane ne proizvode ugljični dioksid, njihovom upotrebom se ne povećava efekt staklenika. Radioaktivni otpad dijeli se na dvije osnovne kategorije: nisko-radioaktivni i visoko-radioaktivni otpad. Većina nuklearnog otpada je nisko radioaktivni otpad. To su: obično smeće, alati, zaštitna odijela i ostalo. Taj se otpad kontaminirao malom razinom radioaktivnog praha ili čestica, a mora se čuvati na način da ne dođe u kontakt s predmetima izvana.

Problem kod nuklearnih elektrana je ostatak iskorištenog goriva koji je visoko-radioaktivni otpad i mora se skladištiti u specijalnim bazenima (voda ohlađuje nuklearno gorivo i ponaša se kao štit od radijacije) ili u suhim kontejnerima. Starije i manje radioaktivno gorivo skladišti se u suhim skladištima. Tamo se zatvara u specijalne betonske armirane kontejnere.
Nuklearne elektrane bezazlene su za okoliš ako se sve radi po pravilima, no velika je prijetnja okolišu mogućnost katastrofe prilikom nepravilnog korištenja. Do sad su se prilikom mirnodopskog iskorištavanja nuklearne energije desile dvije velike havarije: Černobilj i Otok Tri Milje. Najveća havarija u nuklearnim elektranama dogodila se 26.04.1986. godine u Černobilju u tadašnjem SSSR-u, a današnjoj Ukrajini (ove godine obilježena je dvadeset godišnjica havarije). Eksplodirao je reaktor broj četiri u nuklearnoj elektrani formiravši radioaktivni oblak koji se proširio na veliki dio Europe. Do sada je oboljelo oko 27% spasilaca koji su 26. 04. 1986. ušli u kontaminirano područje, a bilo ih je oko 200 000. Prilikom eksplozije razrušena je aktivna zona reaktora i u toku 10 dana i noći trajao je aktivni stupanj havarije, praćen intenzivnim oslobađanjem radioaktivnih elemenata. Oslobađanje radioaktivnih elemenata konačno je zaustavljeno tek kad je u, studenom 1986. godine, reaktor stavljen u betonski “sarkofag”. Ukupna radioaktivnost pod sarkofagom premašuje dva milijuna kirija.

Manje štetna za ljude i okolicu bila je havarija na Otoku tri milje 28. 03. 1979. godine u Pensilvaniji, SAD. Ondje se zbog niza pogrešaka i sigurnosnih propusta pregrijao i djelomično rastopio jedan od nuklearnih reaktora, što je rezultiralo manjim ispuštanjem radioaktivnih tvari u atmosferu. Zasad još nije dokazana nikakva štetna posljedica te radijacije za ljude, ali je taj događaj znatno utjecao na predodžbu o sigurnosti nuklearne energije. U danima koji su slijedili dogodio se veliki interes medija za tu nezgodu, a borci protiv nuklearne energije konačno su dobili dobar razlog za veliku medijsku anti nuklearnu kampanju. Ta kampanja dobila je dodatni medijski učinak zbog filma Kineski sindrom (China syndrom), koji se počeo prikazivati samo nekoliko tjedana prije havarije na Otoku tri milje. U tom filmu se zbog niza sigurnosnih propusta skoro rastopio nuklearni reaktor, pa se i danas otapanje nuklearnog reaktora kolokvijalno naziva “kineski sindrom”. Cijeli taj niz događaja potaknuo je vladu SAD-a da poveća sigurnost nuklearnih postrojenja, ali i da smanjuje broj novoizgrađenih nuklearnih elektrana.

Princip rada
Nuklearne elektrane kao gorivo upotrebljavaju izotop urana U-235, koji je vrlo pogodan za fisiju. U prirodi se može naći uran sa više od 99% U-238 i samo oko 0,7% U-235. Dok U-238 apsorbira brze neutrone, U-235 se u sudarima sa sporim neutronima raspada na vrlo radioaktivne, fisijske produkte, a pri tom se oslobađa još brzih neutrona (slika). Usporavanjem tih brzih neutrona u sudarima s molekulama teške vode, koja se pri tome zagrijava, ostvaruje se lančana reakcija. Oslobođena toplina jest toliko željena energija. U nuklearnim reaktorima taj se proces događa cijelo vrijeme u strogo kontroliranim uvjetima (izuzevši nekoliko trenutaka u Černobilju). Atomska bomba rezultat je namjerno izazvane prevelike koncentracije slobodnih neutrona, koji se tada sudaraju sa fisijski osjetljivim atomima i na taj način ostvaruju nekontroliranu eksploziju energije. Iako urana u prirodi ima relativno puno (sto puta više od srebra) izotopa U-235 ima malo. Zbog toga se provodi postupak obogaćivanja urana. U konačnoj upotrebljivoj fazi, nuklearno gorivo biti će u formi tableta dugih oko dva i pol centimetra. Jedna takva tableta može dati otprilike istu količinu energije kao i jedna tona ugljena. Energija koja se oslobađa sudaranjem neutrona s uranom koristi se za zagrijavanje vode. Ta voda (para) tada pokreće generator, a nakon toga treba je rashladiti i ponovo vratiti u reaktor. Za to je potreban stalan i veliki protok vode oko jezgre reaktora. Na primjer nuklearna elektrana Krško koristi se rijekom Savom za hlađenje.

Ankica ČIŽMEK