Ó Phare Program HU-94.05.        Nem sokszorosítható jegyzet.

6.Környezeti fizika

6.1.Az energiatermelés környezetfizikai vonatkozásai (szerzők: Kiss Ádám Horváth Ákos)

Valamikorrégen az ősember félt a villámoktól, melyek lecsapva lángra lobbantottáka fákat. Nem ismerte a villám és a keletkező tűz eredetét. Később rájött,hogy utánozni tudja a természetet kicsiben az ő léptékében, és fadarabokgyors dörzsölésével, vagy kovakövek összeütésével maga is tüzet csiholtegy barlang bejáratánál.Ez a tűztöbbszörösen megkönnyítette az életét. Egyrészt meleget tudott csinálnia hűvös napokon, másrészt megsütötte az elejtett vadak húsát, és így sokkalkönnyebben jól lakott, több ideje maradt vadászni, közösséget formálni.Ez volt az első tudatos energiatermelő folyamat. Később az ember rájött,hogyan lehet a tűz melegét a ház falain belül megtartani, felhasználnia meleget szabályozott tevékenységek során. Voltak azonban tűzvészek, melyekpusztítottak, jelezve azt, hogy a tűznek saját törvénye van, ha nem gondosanbánunk vele, nem figyelünk oda mi van a környezetünkben -száraz erdő, vagy üde rét -könnyen a visszájára fordulhat.

Aztűz elsődleges szerepe az, hogy energiát ad, az anyagban rejlő belső energiákatszabadítja fel, és teszi az emberi társadalom számára felhasználhatóvá.A tűz vizet melegít, forral fel, energiáját más testeknek át tudja adnifelmelegítve azokat. A vízzel főzni lehet, tisztítani, különböző anyagokatkikészíteni számtalan felhasználása ismeretes. A történelem során az emberszokásai is egyre több energiát követelnek, és a technika fejlődésévelegyre több és egyre tökéletesebb gépet kezdett használni. 1767-ben jutottel a technika fejlődése oda, hogy James Watt forradalmi újításai alapjánelkezdődött a kondenzációs gőzgép használata. Ennek jelentősége az, hogya tűz energiáját forgássá -azaz mechanikai energiává -alakította. A forgással gépeket lehet mozgatni, hajót meglökni, mozdonyokatmeghajtani. Ezzel az ember új távlatokat nyitott, a távolságok elérhetőbbeklettek. Azóta a tudományos-technikai forradalom egyre jobban felgyorsult,hatására óriási erőművekben tartjuk kordában, és használjuk fel a földierőforrások adta lehetőségeket, kijutottunk Földünk légteréből, néhányóra alatt kontinenseket lehet átszelni, mára az információ teljesen behálóztaFöldünket. Mindezek energiát igényelnek és a civilizált társadalmunk elválaszthatatlanrészét alkotják a megtermelt energiával együtt. 

Azenergia forrásaa természetben keresendő,kéznél van. Az őskorban a fa, majd a koksz, szén, olaj, földgáz kimeríthetetlenerőforrásoknak látszottak az elmúlt korokban. Azonban ezen ún. fosszilisenergiaforrások évmilliók alatt alakultak ki az akkori növények maradványaiból,és a technika évszázadai sokkal rövidebb idő alatt felhasználják. Napjainkegyik legfontosabb üzenete, hogy az erőforrások nem kifogyhatalanok, aföldi szén- és olajkészletek a becslések szerint néhány száz év múlva teljesenkimerülnek. 

Azenergiafelhasználásnak van egy másik, talán még fontosabb, árnyoldala is.Ez abban áll, hogy az energiatermelés rohamos növekedése mostmár a nemelhanyagolható hatással van a Föld globális természeti rendszerére. Azenergiatermelés nemcsak kimeríti a fosszilis forrásokat, hanem gyakrankörnyezetszennyezéssel jár, megváltoztatja a légkört, ezzel visszahat Földünkre,annak természeti folyamataira és a társadalomra is. Gondolkodásunk ezenismeretek birtokában nem lehet pusztán ember- és társadalomcentrikus. Kikell terjesztenünk szemléletmódunkat úgy, hogy az az egész Földünket egybefoglalórendszert vizsgálja.

Azenergiatermelés korunk egyik legfontosabb kérdése, nem világos, hogy ajövőben milyen energiaforrásokat lesz érdemes felhasználni a növekvő igényekmellett. Melyek azok az energiatermelési módok, amelyek képesek az energiaigényeketkiszolgálni, és amiket a Föld nagy egységében gondolkozva is biztonsággalkezelhetünk, és nem okoznak Földi méretű ,,tűzvészeket''. Ehhez a felhasználtfolyamatok, és azok hatásainak minél pontosabb ismerete szükséges. Egybiztosnak látszik, a korábbi fosszilis energiaforrások sok problémát vetnekfel a jövő számára, ezért kell gondolkodnunk, mind újabb megoldásokat keresve. 

6.1.1.Az energia a fizikában. (Alapfogalmak.) 

Hagyorsan összedörzsölünk két fémlapot fel tudjuk melegíteni őket, energiáttudunk közölni. De az energiatranszferhez munkát kellett végeznünk, valamelyerő (itt az izomban keletkező erő) hatását kell felhasználnunk. Az erőhagyományos fogalom, könnyen el lehet képzelni, amint egy emelő erőt fejtki, és a magasba emel egy tárgyat, amely ha leesik nagy sebességre és energiáratehet szert. Kérdés, hogy az energia ezen formáját, amit a felemelt tárgyhordoz, át lehet-e alakítani más energiává, például ezzel a fajta energiávallehet-e vizet melegíteni. A meteorok néha bekerülnek a Föld légterébe ésa levegővel súrlódva felhevülnek, a földre érkezve kisebb vagy nagyobblyukakat ,,ásnak''. Számtalan jelenség mutatja, hogy az energia átalakítható,de először ismerjük meg az egyes formáit, és vizsgáljuk meg, mi a közösaz energiafogalmakban. 

Amunka a fizikában

Azenergia fizikai megfogalmazása az erőfogalomhoz és az erő általvégzett munkához kapcsolódik. Az erő nagyon szemléletes fogalom, és sokerőfajtát ismerünk. Említsünk két hétköznapi mechanikai példát. A kötélbenébredő erő egy lengő test sebességének az irányát képes megváltoztatni,vagy a súrlódási erő egy csúszó test sebességének nagyságát lassítja. Atestek mozgásállapotának (lendületének) megváltozását mindig valamilyenerőnek tulajdonítjuk. Ha egy erő egy testet felgyorsít, akkor azt mondjuk,hogy a test nagyobb energiára tett szert.Mindenenergianövekedéshez tartozik egy erő, amely munkát végez. Az agyú elsütésekora robbanás miatt nagy nyomású gáz keletkezik a csőben, és ennek a nyomóerejegyorsítjaa golyót nagyobb energiára,a csúzliban a megfeszített rugó összehúzódása gyorsítja a követ. Ha egytestre akármekkora erő hat, de a test nem mozdul el, fizikai szempontbólmunkavégzés nem történik. Ha egy nehéz csomagot felemelünk és hosszabbideig tartjuk, akkor természetesen egyre nehezebbnek érezzük. A súly tartásáhozbiológiai rendszerünk energiát mozgósít ugyan, de fizikai munkát nem végzünka csomagon, legfeljebb kimelegszünk. A munka fizikai meghatározásaaz, hogy egy F erő s út megtétele során W=F×munkátvégez, ha az F erő párhuzamos az elmozdulással. Ha nem, akkor azerőnek csak az elmozdulással párhuzamos komponense számít.

Ezigazából csak állandó erőre vonatkozik, de változó erő munkája is hasonlóanszámolható ki, a megtett út pici darabokra osztása után. Ebből a meghatározásbólaz is következik, hogy a lengő inga esetében, ahol a kötélerő mindig sugárirányú,az erő a mozgás minden pillanatában merőleges az elmozdulásra, ezért azáltala végzett munka zérus. Általában mondhatjuk, hogy a sebességre merőlegeserők nem végeznek munkát, azok mindig az elemi elmozdulásokra is merőlegeseklesznek. Ha azonban az erő ellentétes irányú az elmozdulással (így a sebességgel)akkor a munka negatív, az erő nem gyorsítja a testet, hanem lassítja, elvesztőle energiát.

Egyszerűpéldaként vizsgáljuk meg a nehézségi erő esetét. Egy m tömegű testrehatónehézségi erő nagysága mg,ahol g a nehézségi gyorsulás értéke, ami a földfelszín közelében állandó,szélességi körtől függően kicsit változik. Ha egy m tömegű testetfüggőlegesen felemelünk h magasságba és utána leejtjük, akkor anehézségi erő függőlegesen lefele mutat, akárcsak ejtéskor az elmozdulásvektora. Így a h magasságú esés során mgh munkát végez atesten. Megjegyezzük, hogy felemeléskor a nehézségi erő ellentétes irányúaz elmozdulással, ezért a munkája -mgh, ilyenkor egy külső erő szükséges,ami felemeli a testet a h magasságba, és egyben kívülről energiátad a testnek. 

Azenergia fogalma, fajtái

Amozgó testnek energiája van. A gyorsabban mozgó testet nagyobb munka áránlehetlelassítani, ebből már sejthető,hogy az energiája a sebességével van kapcsolatban. Az első energiafogalomaz az energia ami a testnek pusztán a mozgása miatt is van. Ez a mozgásienergia. Egy test mozgási energiája arányos a test sebességének négyzetével,és a test tehetetlen tömegével. 

.

Egykiterjedt test minden részeleme rendelkezhet valamekkora mozgási energiával,ilyenkor a rendszer összenergiája a kis részek mozgási energiáinak összege.Máris előtűnik az energia egyik jó tulajdonsága, hogy skaláris mennyiség.Nincs iránya, mint az erőnek, pusztán számként kezelhető additív mennyiség.Ha például egy merev test energiáját akarjuk kifejezni -amelyben a tömegelemek távolsága időben nem változik -,akkor minden tömegelem mozgási energiáját össze kell adnunk. 

Vegyünkpéldául egy forgó kereket, amelyik wszögsebességgel forog egy rögzített tengely körül, és osszuk fel sok kisrészre. Ilyenkor minden mi tömegű kicsi részére a keréknekfelírható, hogy a sebessége ,ahol i jelöli, hogy hányadik tömegelemről van szó, de wminden ilyen rész esetén ugyanakkora. Így az elemi mozgási energiák összege:

.

Atest tömegközéppontja nem mozog, mégis tárol energiát a kerék a forgásienergia formájában. A Qneve tehetetlenségi nyomaték. Figyelemre méltó a formai hasonlóság az előzőmozgási energia képlettel: a tömeg helyére forgáskor a tehetetlenségi nyomatékkerül, a sebesség helyére pedig a szögsebesség. A forgási energia a mozgásienergia egyik speciális formája. 

Azenergia mértékegységét mostmár megadhatjuk a tömeg és a sebesség SI egységeiből: 

Haegy test sebességét, ezzel mozgási energiáját megváltoztatjuk, akkor gyorsulásthozunk létre, amihez erő kell. Az erő által végzett munka változtatjameg a test energiáját. Ha egy rugót kifeszítünk, akkor a végére helyezetttömeg a rugó összehúzódásakor felgyorsul. Ha tehát a rugó kinyújtásakorkülső erő által munkát fektetünk be, azt később mozgási energia formájábanvisszakaphatjuk. A kifeszített rugóban potenciálisan energia van, pontosanannyi, amennyi munkát a külső erő végzett kifeszítéskor. Az energiáknakezen másik nagy családját helyzeti vagy potenciális energiának hívjuk.Ezek mindig valamilyen (megfelelő tulajdonságokkal rendelkező, egyszóvalpotenciálos) erőhöz kapcsolódnak. Ilyen például a nehézségi erő is. Haegy testet felemelünk h magasságba, akkor abban potenciálisan (helyzeténélfogva) mgh energia van, hiszen elengedvén ekkora mozgási energiáratesz szert, és a felemeléséhez a külső erőnek mgh munkát kellettvégezni (mint láttuk). Ugyanígy van helyzeti energiája az eddig nem említettelektrosztatikus erőnek, és a bolygók között ható gravitációs erőnek is.Példaként tekintsük a kondenzátort. A konzdenzátor lemezei között Eelektromos térerősség van, amiatt, hogy a fegyverzetek fel vannak töltve,az egyiken sok negatív töltés van felhalmozva, a másikon pedig ugyanannyipozitív töltés található. Amikor a kondenzátort feltöltjük, akkor töltéseketválasztunk szét, a köztük ható vonzó elektrosztatikus erővel szemben. Ígya kondenzátor feltöltésekor energiát viszünk a rendszerbe, a kondenzátorazt tárolni fogja elektromos helyzeti energia formájában. A kondenzátorenergiája 

IttC a kondenzátor kapacitása, másnéven töltéstároló képessége, Upedig a kondenzátorra kapcsolt feszültség.Ellenkeződolog történik, ha egy szabad elektron jut az egyik fegyverzetről a fegyverzetekközé.Erre qE erő hat, amifelgyorsítja az elektront, az elektrosztatikus erő munkát végez, a kondenzátorelektromos energiája cserébe csökken, mert a kondenzátor egy kicsit kisül(egy elektronnyit). A kondenzátor elektrosztatikus energiája a helyzetienergia egy speciális esete. (Megemlítjük, hogy a induktív tekercsben amágneses tér tudja az energiát tárolni, melynek nagysága 1/2 LI2,ahol L a tekercs induktivitása, I az átfolyó áramerősség.Jegyezzük meg, az energiaképletek formai hasonlóságát!)

Összefoglalvaazt mondhatjuk, hogy az energia munkavégző képesség. A mozgásienergiával rendelkező gyors kalapács munkát tud végezni, mert lassulásakorerővel hat például egy szögre, amit elmozdít az erő irányában. Egy magashegyen levő golyó, vagy hótömeg munkát tud végezni azáltal, hogy leesvénfelgyorsul, mozgási energiára tesz szert, és az előbbiekhez hasonlóan munkátvégez. Ilyenkor az addigi helyzeti energiája átalakul, átadódik a környezetének.A helyzeti energia mozgási energiává alakulását energiafelszabadulásnakhívjuk. Ez az energia átalakulásának egyik gyakori esete. 

Eddigegy testről beszéltünk, most vizsgáljuk meg, hogy milyen mozgási energiájavan egy sok testből álló rendszernek. Legyen a rendszer egy adott térfogatúgáz, aminek atomjai vagy molekulái rendezetlenül mozognak a tartályban.Minden egyes részecskének van sebessége, és mozgási energiája. A rendezetlenmozgás során a részecskék ütközhetnek egymással a mechanika szabályai szerint.Ilyenkor egyik átad egy kis mozgási energiát a másiknak. Az összes részecskerendezetlen mozgási energiájának összegét belső energiának hívjuk.Ez adódhat a részecskék haladó mozgásából, de kétatomos molekuláknál márforgás is elképzelhető, sőt a molekula a tengelye mentén rezeghet is. Aforgás, a haladás a koordinátarendszer egyes irányaiba (x, y, z), valaminta rezgés mind az energia tárolásának egy egy lehetséges módja (6.1. ábra).Ezeket szabadsági fokoknak hívjuk, a szabadsági fokok számát f-feljelöljük. Egy termodinamikai tétel kimondja, hogy minden szabadsági fokraátlagosan azonos energia jut. Ez az ekvipartíció tétele. Azaz ha egy héliumgázatomjainak x irányú átlagos mozgási energiája Ex=1/2mvx2, akkor az y irányú sebességekbőlszármazó mozgási energia is pont ennyi lesz átlagosan. Kérdés, hogy milyenmakroszkópikus paraméterrel lehet ezt a belső energiát meghatározni. Egyszerű,de itt nem részletezendő, számolások azt mutatják, hogy a belső energiaértéke:

IttN a tartályban lévő részecskék száma, k a Boltzmann állandó,és T pedig a gáz hőmérséklete. Azaz a hőmérséklet az anyag részecskéinekrendezetlen mozgásából származik. Azt a következtetést is levonhatjuk azekvipartíció alapján, hogy egy részecske egy szabadsági fokára 1/2 kTenergia jut.A belső energiában nincsbenne az egész rendszer (a tartály) közös rendezett mozgása. Ha a tartályés a benne lévő részecskék is ugyanazzal a sebességgel mozognak, akkorebből nem származik a tartály falára nyomóerő, és a pV=NkT összefüggés(az ideális gáz állapotegyenlete) alapján következésképpen ebből hőmérsékletsem származhat, így a belső energiába sem számolhatjuk bele. A belső energiánaklényeges tulajdonsága, hogy a rendszer részecskéinek rendezetlen mozgásánakmozgási energiáját összesíti. Egy tartály levegő belső energiája, így hőmérsékletetehát nem nő meg azáltal, hogy feltesszük egy száguldó vonatra, csak arendezett mozgás energiája nő meg ekkor. 

6.1.ábra. Az energiatárolási lehetőségek szemléltetése. 

Fontoseset egy felmelegített fém esete. Ennek is van belső energiája, és ezta belső energiát is rendezetlen mozgási energia alkotja. A fémben az elektronokmozoghatnak csak szabadon, a rácsban az ionok rögzítve vannak. Az elektronokazonban csak áramvezetéskor mozognak. A belső energia nem tárolódhat valamilyenhaladó sebesség formájában. Egy fémes rácsban a rácspontokon ülő ionokrezeghetnek! A rezgésnek is van mozgási és helyzeti energiája. (A helyzetienergia onnan adódik, hogy ha a rácsion nem a pontosan megfelelő helyéntartózkodik, akkor egy visszatérítő elektrosztatikus erő hat rá, és ennekaz atomi elektrosztatikus erőnek van helyzeti energiája.) A rezgés energiájae két energia összege. A rácsionok tudnak rezegni a tér minden irányábarendezetlenül, egyik irányba kisebb amplitúdóval, a másikba nagyobbal.(A rezgésük frekvenciája azonban meghatározott.) A nagyobb amplitúdójúrezgés nagyobb energiát képvisel, így a felmelegített fémben az ionok rezgésegyorsul meg. Egy fémlap hőátadását úgy képzelhetjük el, hogy a rezgő rácsionokütköznek a levegő vagy a másik test molekuláival, így egyszerű mechanikaiütközéssel -mint két biliárdgolyó ütközése -adódik át a hőmennyiség, miközben a rács rezgése lassul. 

Enegiaátalakulások

Egyrendszer, vagy egy test energiája erő (valamilyen kölcsönhatás) hatásáraalakul át. Ezt láttuk a fentiekben. Azt is tudjuk, hogy mi az energiafelszabadulása: valamilyen helyzeti energia formájában tárolt, korábbanbefektetett munka mozgási energiává alakul. 

Sokszoremlegetett példánkban, amikor h magasságból egy test leesik, azmgh helyzeti energiája átalakul mozgási energiává. Ha a mozgásienergiát és a helyzeti energiát összeadjuk, akkor egy állandó értéket kapunk,ez a mechanikai energia. Eséskor a helyzeti energia teljesen át tud alakulni,fel tud szabadulni. Egy kis veszteség természetesen van, ami a levegő légellenállásábóladódik, de ez szobai méreteknél nem jelentős. Ha az m tömegű testegy teljesen rugalmas labda, ami a földről visszapattan, akkor a mozgásienergia vissza is tud alakulni helyzeti energiává az emelkedés szakaszában.Úgy tűnhet, hogy egy teljesen súrlódásmentes esetben a pattogás végtelenideig fennmaradhat. Teljesen rugalmas és súrlódásmentes esetek a valóságbanazonban nem megvalósíthatók. A matematikai inga is lelassul, a mechanikusórákat mindig fel kell húzni. 

Másodikpéldaként vizsgáljuk meg, hogy az égés során hogyan alakul át az energia,hogyan tud egy egyszerű gáztűzhely egy edény vizet, vagy egy tartály gáztfelmelegíteni. Egyszerűen összefoglalva: az égéskor energia szabadul fel,ami miatt a gázláng meleg lesz. A melegebb helyről az energia átadódika hidegebb helyre, és melegíti a vizet.

Nézzüka legegyszerűbb esetet a gázláng a tartály alatt ég, a tartály fala jóhővezető fém, és a lángban az égést egy magányos szénatom égése szimbolizálja.Ekkor a C+O2®CO2reakció megy végbe, azaz szén-dioxid keletkezik. Az energia forrásánakmegértéséhez képzeljük el az atomokat, amint az elektronok megfelelő pályákraálltak az elektronfelhőben. Amikor a szén-dioxid kialakul kémiai kötésjön létre, az oxigénatom és a szénatom elektronjainak térbeli szerkezeteátrendeződik, néhány elektron az egész molekulát átfogó molekulapályáraáll. Így összességében az elektronok közelebb kerülnek az egyes atommagokhoz(a vegyértékelektronok zártabb pályára tudnak állni).Azatommag elektrosztatikus vonzó ereje munkát tudott végezni az elektronokon,és az addig elektromos helyzeti energiaként az atomban tárolt energia,a vonzó erő hatása miatt fel tud szabadulni a molekula mozgási energiaformájában. (Mint amikor egy megfeszített rugó kicsit összébb húzódik.)Egyszerűsítve szemléljük úgy a dolgot, hogy a szén közelíti az oxigéneket,elektronburkuk átfedésbe jön. Egyből nem alakul ki a széndioxid molekulaegyenes láncszerű szerkezete, a szénatom nem a legmélyebb energiájú helyenvan. Az elektronburok azonban behúzza a molekula egyenesébe, közben felgyorsítja,és eleinte a molekulát alkotó atomok rezgésbe jönnek, esetleg forgásbajön a rendszer, ha a szénnek volt számottevő kezdősebessége. Később a széndioxidmolekula egyes atomjai másik molekulával ütközvén valamely irányban felis gyorsulhatnak, haladási mozgási energiájuk is lesz, a rezgés lelassul.Amikor kialakul az egyensúly a láng szélén az egyes szabadsági fokokramár azonos energia jut, az ekvipartíciónak megfelelően. A lángból kijutvaa gyors (meleg helyről származó) szén-dioxid molekulák azután ütközneka levegő és a tartály falának részecskéivel. Meglökik azokat, és mozgásienergiájukat átadják. A tartály falának atomjai ezáltal intenzívebb, nagyobbsebességű rezgésbe jönnek. (A hőmozgásuk miatt, a fémrácsban ülő ionokaddig is rezgést végeztek.) Így melegszik fel a tartály fala, ami aztánátadja az ő rendezetlen mozgási energiáját a benne lévő gáznak is. Ugyanisa tartályban rendezetlenül szaladgáló molekulák ezek után gyorsabban rezgőatomoknak ütköznek, amikor a fallal ütköznek, ezért ők is felgyorsulnak,ki kicsit ki nagyobb mértékben. Egyensúlyban ismét az ekvipartíció tételeérvényesül. Minden szabadsági fokra ugyanannyi energia jut. A fal atomjairezgéseiben, a gázmolekulák egyes irányokban történő mozgásában, mint szabadságifokokban, egyaránt a megnövekedett energia 1/2 kT tárolódik. A megnövekedettátlagos sebesség miatt a hőmérsékletet is melegebbnek érezzük.Összességébenaz atomi elektronok elektromos helyzeti energiája szabadult fel (égéshő)és a molekulák mozgási energiája rendezetlenül ütközések során adódottát a gázrészecskéknek, növelve az ő mozgási energiájukat. Egy sokrészecskésrendszer mozgási energiájának rendezetlen módon történő megnövekedésétnevezzük hőátadásnak, hőmennyiségnek vagy röviden hőnek. 

Hőátadásraáltalában akkor kerül sor, ha egy melegebb test (vagy rendszer) kölcsönhatásbakerül egy hidegebb testtel. Ilyenkor az energia rendezetlenül, a hővezetőrészecskéinek rendezetlen rezgése által közvetítve, kerül át a hidegebbrészbe.

Azenergiaátalakulások egyik a hétköznapokban leggyakoribb felhasználási módjaaz autók motorjában történik. A belső égésű motorok működésének alapjaaz, hogy egy természetben található kibányászott és felhasználásra alkalmassátett szénhidrogén molekula vízre és szén-dioxidra ég el. Az atomok átrendeződneka kémiai folyamatban, az elektrosztatikus erő végzi a munkát, mint a másikégési példában is. A felszabaduló energia az égéstermékek mozgási energiájáváalakul, ez olyan nagy, hogy ezeket a motorokat robbanómotoroknak is hívják.A robbanás a motor dugattyúját meglöki, ami egy hajtókaron keresztül forgásienergiává alakítható. Így használjuk fel a kémiai energiát a kerekek forgatására.A benzinnel a motorban a négy ütem során (négyütemű motorok) egy termodinamikaikörfolyamat történik, melynek során a bezárt gáz több munkát végez táguláskor,mint rajta a környezet az összehúzódás fázisában (amikor a dugattyú visszafelemozog). 

Azenergiaátadással járó folyamatok egyik szemléletes példája a jég olvadása,vagy a víz forrása. Ezekben az esetekben az anyag halmazállapota megváltozik,de közben a hőmérséklete nem. Az ilyen jelenséget fázisátalakulásnaknevezzük. A szilárd fázisból a folyadék fázisba történő átmenet során,tehát olvadáskor, a befektetett energia a kristályrács felbontására fordítódik.Az addig a rácsban helyhez kötötten lévő atomok mozoghatnak, új szabadságifokok jelennek meg, ahol a befektetett energia tárolódik és megváltozika részecskék közötti kölcsönhatás is. Ugyanez a helyzet a forráskor is,amikor az atomok teljesen szabaddá válnak, a gőz fázisban már kitöltika rendelkezésükre álló teret. A jég felolvasztásához szükséges hőmennyiséga jég tömegével arányos, az arányossági tényező a kJ/kg egységekben kifejezettolvadáshő (L). Más szilárd testek megolvasztásakor ugyanígy megállapíthatóaz olvadáshő. Az olvadáshővel azonos mennyiségű energia szabadul fel kilogrammonként,amikor ugyanaz a folyadék megfagy. Ilyenkor a molekulák kristályrácsbarendeződnek, az atom-, molekula-, vagy fémes rácsokat a részecskék közöttfellépő elektrosztatikus vonzás tartja össze a kémiában megtanult módon.Amikor a rács kialakul ez az elektrosztatikus erő végez munkát, melynekeredményeként az energia felszabadul, és a környezet molekuláinak, atomjainakmozgási energiájaként távozik. Egy természetből ellesett példa, hogy havazáskora fagyáshő a környező levegőt melegíti, amit egyéb körülmények hiányában(pl. erős hidegfront) meg is lehet figyelni, enyhe hőmérsékletemelkedésformájában. Ezen fázisátalakulások során a hőátadásra felírható összefüggés:

,

aholL az olvadás-, fagyás-, forrás- vagy lecsapódási hő, m azanyag tömege. Példaként a víz fagyás- és olvadáshője 333,7 kJ/kg, forrás-és lecsapódási hője 2256 kJ/kg. 

Haegy anyag rendezetlen mozgását hőközléssel felgyorsítjuk, akkor hőmérsékleteemelkedik. Vannak anyagok, amelyek könnyen melegíthetők, mások azonbannehezen. Ez függ attól, hogy mekkora a szabadsági fokok száma és hogy milyenaz anyag halmazállapota. Gázok esetén minél több módon mozoghatnak a molekulákatomjai annál több a szabadsági fokok száma, annál több átadott hőmennyiségszükséges a gáz hőmérsékletének 1°C-osnöveléséhez. Természetesen a befektetett hő ismét arányos a gáz tömegével,így a részecskék számával. Egy m tömegű adott halmazállapotú rendszerhőmérsékletének D-veltörténő megváltoztatásához 

hőmennyiségszükséges. Itt c az anyag fajhője, mely anyagi tulajdonság.A C neve hőkapacitás. Az előző példánál maradva, a levegő fajhőjenormál nyomáson és 0°Cmellett 996 J/(kg×°C),a víz fajhője szobahőmérsékleten 4183 J/(kg×°C),azaz a vizet nehezebb melegíteni, és hűteni is.

Érdekespélda az elektrosztatikus energia hővé alakulására a kénsav oldódásánakesete. A kénsavat ha oldunk vízben óvatosan kell eljárnunk, mert az elegyfelmelegszik. Valahonnan hő keletkezik, amely az oldat molekuláinak mozgásienergiáját növeli. Kérdés, hogy milyen erő végez munkát. Ennek megválaszolásáhozát kell tekinteni az oldódás mechanizmusát. A kénsav molekulája (H2SO4)poláros molekula, a szulfát ion jobban vonza magához a molekula elektronjait,mint a hidrogének, ezért a molekulában a pozitív és a negatív töltéseksúlypontja szétválik. Ezt elektromos dipól-momentumnak nevezzük. Ugyanígya vízmolekulának is van elektromos dipól-momentuma, itt az oxigénatom húzzael az elektronokat. Elegyedéskor a kétfajta molekula dipól-momentumai rendeződnekbe. A negatív töltésű rész a másik molekula pozitív töltésű végéhez vonzódik.Annak ellenére van elektromos erő, hogy mindkét molekula összességébensemleges. Ekkor az elektrosztatikus kölcsönhatás munkát végez. A dipól-dipólkölcsönhatást a másodlagos elektrosztatikus kölcsönhatások csoportjábasoroljuk, mert két egyenként összességében semleges molekula között jönlétre, így ezen kölcsönhatás erőssége is nagyságrendekkel kisebb. 

Arendezett mozgási energia is tud hővé (rendezetlen mozgási energiává) alakulni.Gyorsan forgó fémből készült alkatrészek mindig kicsit súrlódnak egymáshoz.Ilyenkor a súrlódás csökkenti a mozgó rész mozgási energiáját, és cserébemelegíti a fémet vagy a környező levegőt. A mozgási energiának a súrlódásierő segítségével történő hővé alakulását energia-disszipációnaknevezzük. Például a meteorológiában egy ciklon forgási sebessége is lassula levegő belső súrlódása miatt (ami egyébként elég kicsi). Ilyenkor a disszipálódóhő a levegőt melegíti. Vannak még más típusai is az energiadisszipációnak.Egy magasról leejtett fémhenger, ha nagy tömegű alátámasztásba (mondjuka földbe) ütközik, akkor az ő mozgási energiája is átalakul. Egy részerugalmas energiaként tárolódhat egy ideig, de rövid idő alatt a fém felmelegedésérefordítódik ez is. Másik lehetőség, a rugalmatlan alakváltozás. Ilyenkora fémhenger, vagy a padló szerkezetében történik energiát igénylő átalakulás(rendszerint visszafordíthatatlan) pl. eltörik, vagy deformálódik. Ekkortermészetesen már nem hővé alakult a mozgási energia, hanem az anyagotösszetartó kötések feltörésére, tehát elektrosztatikus helyzeti energiakeletkezett. Ez sajnos nem nyerhető vissza pusztán azáltal, hogy az eltörtrészeket egymáshoz illesztjük, mert nem tudunk minden atomot pontosan azeredeti helyéhez illeszteni. 

Azanyag belső energiája (rendezetlen mozgási energia) is át tud alakulnirendezett mozgási energiává. (Az előző eset iránya megfordítva.) A gőzgépegy tipikus példa erre. A forró gőzben a gyorsan mozgó molekulák vannak.Ezek ütköznek a dugattyúval és meglökik azt, a rendezetlen mozgási energiamakroszkópikus test rendezett mozgásává alakul. Nagyon sok ilyen példavan az ipari alkalmazások során, ezek a hőerőgépek. Ilyenkor egytermodinamikai körfolyamat során a felvett hő alakul át a gáz, gőz nyomásasegítségével munkává. 

Atermodinamikai körfolyamatok egyik nagyon sok háztartásban felhasználtpéldája a hűtőgép, fagyasztó vagy légkondíciónáló berendezés. Egy kompresszoroshűtőben mechanikai energia befektetésével hőmennyiséget lehet elvonni rendszertől.A termodinamika második főtétele értelmében a hő magától csak a melegebbhelyről megy a hidegebb helyre, tehát egy nem túl meleg szobát tovább hűtenihidegebb hőtartály nélkül nem könnyű feladat. A hűtőgépben egy adott mennyiségűgáz vagy folyadék van, amin egy olyan körfolyamatot végzünk, hogy közbenlehűl, mert kitágítjuk, azután felmelegszik, mert összenyomjuk. Arra kellcsak vigyázni, hogy lehűléskor legyen a hűtési térfogatban, összenyomáskorpedig attól elszigetelve legyen. Összességében a berendezés hőt termel,több hő keletkezik összenyomáskor, mint amennyire lehűl táguláskor. Ezértmelegszik a hűtőszekrény hátoldala, és ezért kell a légkondícionáló berendezéskülső hőtartályát az épületen kívülre tenni. 

JamesP. Joule (eredeti foglalkozása sörfőzdetulajdonos Manchesterben) a XIX.században számos kísérletet végzett az egyes energiafajták egymásba alakításaterén. 1840-ben az elektromos áram hőhatását vizsgálta. Az már korábbanismert volt, hogy nagy áram átfolyása esetén túlmelegednek az áramkörielemek. Joule nagysága a mérések precíz elvégzésében volt. Az áram általt idő alatt egy ellenálláson keltett hő nagyságát a róla elnevezetttörvényben foglalta össze:

AQ hő egyenlő az átfolyt áram erősségének és az ellenállásra eső feszültségnekés az eltelt időnek a szorzatával. Ennek az energiaátalakulásnak a neveJoule-hő. Az elektronok vezette egyenáram esetét képzeljük most el. Azellenálláson belül (pl. hosszú vezetőben) a rákapcsolt U feszültségelektromos térerősséget kelt, ami az elektronokat gyorsítja folyamatosan.Azonban az elektronok nem tudnak sokáig gyorsulni, mert beleütköznek avezető anyagának atomjaiba (a fémes rács ionjaiba), ezzel az elektronoklelassulnak, az ionok pedig meglökődnek intenzívebb rezgésbe jönnek, azazaz ellenállás anyaga felmelegszik, minden rácsion nagyobb rezgésben tároltmozgási energiára tesz szert. Ha nagyobb feszültséget adunk az ellenállásra,akkor két ion közötti úton nagyobb sebességre gyorsul, így nagyobb mozgásienergiát ad át az ionrezgésnek. Ha nagyobb áramerősség halad át, akkorpedig időegység alatt több elektron mozog, többen lökik meg az ionokat,ezért adódik át nekik nagyobb mozgási energia, így lesz nagyobb a Joule-hő.A Joule-hő keletkezése során a körben az áramot fenntartó telep (galvánelem,nagy kapacitású kondenzátor) veszít elektromotoros erejéből vagy a kondenzátoresetén veszít fegyverzeteinek töltéséből -kicsit kisül -így csökken az elektromos energia a rendszerben a Joule-hőért cserébe.(A galvánelem is egyfajta kondenzátor. Elektródái felületén elektromoskettősréteg alakul ki az eddig nem ismertetett kémiai potenciál kiegyenlítődésemiatt.) 

AJoule-hő egyértelműen mutatja, hogy az elektromosság is tárol magában energiát.Az elektromos áram képes motorokat hajtani, sőt a hétköznapi életünk legtöbbenergiát igénylő eszközét elektromos energia táplálja. Az elektromos energiaszerencsés akkor, amikor nagy távolságra van a fogyasztó az erőműtől. Azelektromos energia (igazából elektromágneses energia) átalakítható mechanikaienergiává. Ennek legismertebb alapesete az elektromos motor, melyben forgásienergiává alakul egy akkumulátor, vagy galvánelemben tárolt energia. Avillanymotor elvét M. Faraday már 1821-ben felismerte, Jedlik ÁnyosGyőrben már 1829-ben szerkesztett villanymotort. Az első igazán elterjedtvillanymotort 1834-ben Moritz Jacobi német mérnök Pétervárott építettemeg. Az 1/4 lóerős motorral egy csónakot tudott hajtani, amely 12 utassala Néván árral szemben is tudott haladni. A villanymotor elve az áram mágnesesterének felismerésén alapul. Ha szerkesztünk egy U-alakhoz hasonló alakbanmeghajlított áramjárta tekercset, annak végei között mágneses tér alakulki (a tekercsben is kialakul mágneses tér). Ebbe a térbe helyezünk egypermanens mágnest (rúdmágnest), akkor az beáll az áram irányának megfelelőenészaki pólusával az U-tekercs egyik vége felé. Ha az áramirányt megváltoztatjuk,akkor a rúd elfordul 180°-ot,hogy felvegye az egyensúlyi helyzetét. Amikor megfordul forgási energiáratesz szert. A forgás nem tud hirtelen leállni, és kicsit továbbfordul arúd a 180°-on.Ha ebben az időpillanatban az áramirány már éppen az ellenkező irányú,akkor a mágneses tér ellenkező irányú lesz, és a rúd ismét továbbfordul.A megfelelő geometriai elrendezésben az áramirány szabályos megváltoztatásaitkommutátorokkal érik el. Ez a villanymotor elve. 

Ajelenség fordítottja is megfigyelhető. Ha egy permanens mágnest forgatunk,akkor a körülötte megfelelően feltekercselt vezetőben áram indukálódik.Pontosan úgy, ahogy a kerékpár dinamója áramot termel a lámpája számára.A dinamó elvét Jedlik Ányos fedezte fel 1861-ben. A dinamóban aforgási energiát alakítjuk át elektromos árammá, tehát elektromos energiává.Itt a mágnessel a mágneses tér is forgott. A mágneses indukció tiszta esetétkapjuk akkor, ha egy állandó, nem mozgó mágneses térben egy vezető keretetforgatunk. Ekkor a keretben lévő elektronokra a mozgásuk és a mágnesestér miatt eltérítő erő hat (Lorentz-erő), és ha az elektronok szabadonelmozdulhatnak, akkor megindul az áram. Ekkor is mozgási energia alakulát elektromos energiává. Az elektromos áramokat kondenzátorokban, akkumulátorokbanvagy váltóáramú áramkör segítségével lehet tárolni. Az egyenáramú körbenmaga az áramvezetés során az energia hamar Joule-hővé alakul, nem lehetsokáig fenntartani, csak a modern szupravezető tekercsekben. Az energiaakkor alakul át az elektromos helyzeti energiává, ha az áramkörrel akkumulátort,vagy kondenzátort töltünk. Hasonló elven működnek az erőművek turbináiis, ahol a forgást alakítják át elektromos árammá

Azenergiamegmaradás tétele

 

6.2.ábra. Joule berendezése, mellyel a mechanikai energia hőhatását vizsgálta.

Jouleazután, hogy az elektromos energia hőhatását kimutatta, amechanikaienergiát próbálta hővé (rendezetlen mozgási energiává) alakítani. Egy ügyesszerkezetben egy kötélen leereszkedő súly lapátokat forgatott meg, amelyekfolyadékba merültek. (6.2. ábra) Így a nehézségi erő helyzeti energiájaalakult át a lapátok forgásának közvetítésével a folyadék áramlásának energiájává.Ez utána a belső súrlódás miatt a folyadék belső energiájává disszipálódott.Joule mérte a folyadék melegedését. A folyadékok felmelegítéséhez szükségeshőmennyiség egysége a kalória. Megadja 1 kg szobahőmérsékletű standardállapotú víz 1 °C-kaltörténő felmelegítéséhez szükséges energiát. A kérdés az volt, hogy 1 kalóriahőmennyiség mennyi mechanikai energiának felel meg. (Akkoriban a mechanikaienergia egysége nem a J volt!). Joule megállapította 1 kcal hőmennyiségmechanikai munka egyenértékét. Számszerűen bizonyította, hogy a mechanikaienergia hővé alakulhat, és fordítva. Ez mutatta meg, hogy mindkettő ugyanazonfogalom, az energia más megvalósulása. Ma már mindkettőt joule egységekbenmérjük. Joule kísérleteivel egyidőben Robert Mayer (eredeti szakmáját tekintvehajóorvos) tett alapvető észrevételeket, melyekből az energiamegmaradástörvényének gondolatához jutott. A tétel végleges kimondása azonban csakJoule precíz kísérletei és H. Helmholtz munkássága nyomán születhetettmeg. Az energiamegmaradás tétele kimondja, hogy zárt rendszerben energianem vész el, nem keletkezik, csak átalakul az energia tárolásának különbözőformái között.

Azenergia megmaradásának tételét a termodinamikában az első főtétel fejeziki. Ez kimondja, hogy egy adott mennyiségű gáz belső energiájának megváltozásakét okból történhet: vagy hőközlés vagy külső munkavégzés során.

AQ a rendszerrel közölt hőmennyiség, W a külső erők általa gázon végzet munka, ami a gáz által végzett munka mínusz 1-szerese. Nézzükmeg mekkora egy külső erőnek a gázon végzett munkája, ha egy elzárt tartálydugattyúját s-úthosszal lassan beljebb nyomjuk. Wkülső=Fs=pAs=-pDV. Abezárt gáz nyomása p, a dugattyú keresztmetszete A, a gáztérfogatváltozása DV.Akkor végzünk munkát a gázon, ha összenyomjuk, DVnegatív. Ha a gáz kitágul, az ő munkája pozitív, a külső erő munkája ebbenaz esetben negatív. 

Ateljesítmény

Aszemélygépkocsik egyik legfontosabb paramétere a teljesítményük. Hétköznapiszemléletben ez azt jelenti, hogy az adott tömegű autót milyen gyorsanlehet egy adott sebességű, azaz mozgási energiájú, állapotra hozni. Azenergiafelszabadulás sebessége tehát a lényeges. A teljesítmény az adottidő alatt felszabaduló energia (DE)és az átadáshoz szükségesidő (Dt)hányadosa, vagy energiaátadáskor az átadott energia és az idő hányadosa: 

aholP a teljesítmény (az angol power szóból). Ha egy állandó erő gyorsítegy állandó tömegű testet, akkor az gyorsul, tehát mozgási energiája nő.Ezért egy erőnek meghatározhatjuk a teljesítményét:

ezazt jelenti, hogy egy erő teljesítménye egyenlő az erő és mozgatott testsebességének szorzatával. Erre példa a kerékpáros. Hegymenetben nagyobbteljesítményt kell kifejteti, mert hamarabb emelkedik a biciklis és a kerékpáregyüttesen h magasságot. Mindezt a pedálokra kifejtett erővel ériel a kerékpáros, így ha nagyobb átmérőjű fogaskerékre (áttételre) teszia váltót, a lába gyorsabban pöröghet, ezért nagyobb teljesítményt nyújtugyanakkora erővel. Más kérdés, hogy 1 méter megtételéhez többet kell tekerniea pedálon, a végzett munka nem csökkent, csak kisebb teljesítmény mellettvégezte a kerékpáros. Előfordul azonban, hogy nagy erő kifejtése már lehetetlennéválik az ember biológiai rendszere számára. Ugyanez a helyzet az autókváltója esetén is. A teljesítmény nagyobb kisebb váltófokozat esetén. Amotor teljesítménye azonban még a fordulatszámától is függ. 

Ateljesítmény mértékegysége a watt (a gőzgép kifejlesztőjéről):

.

Azenergia mértékegységei 

Awatt bevezetésével az 1 J kifejezhető 1 Ws-ként is, de átszámolható Wh-ba,azaz watt-órába. Az energia mértékegysége megegyezik az energia változásánakmértékegységével is, ezért a hőmennyiséget is J-ban lehet kifejezni. Történetiokokból elterjedt a kalória mértékegysége, ami 1 kg víz 1 °C-szaltörténő felmelegítéséhez szükséges energia standard körülmények között.A kalória (cal) az SI mértékegységrendszer bevezetése óta kevésbé használatos.Azátszámítások:

1 kWh = 3,6MJ = 3,6 millió joule

1 kcal (kilo-kalória)= 4,187 kJ

Azatomfizikai mikro méretek világában egy-egy részecskének nagyon kicsi energiájavan. Ilyen kis energiák jellemzésére használatos egy másik mértékegységaz elektronvolt. 1 eV a mozgási energiája annak az elektronnak, melyet1 V feszültséggel gyorsítottunk fel nyugalomból. Az E=qU összefüggésalapján

.

Azenergiatermelés során a kérdés mindig az, hogy hány kilogramm adott minőségűszenet kell elégetni ahhoz, hogy egy adott energiát meg tudjunk termelni.Ezért az energetikában szokásos egység az egyezményes tüzelőanyag-tonna,az ETAt. 

1 ETAt = 7×106kcal = 8140 kWh = 29310 MJ

Azegyik gyakran használt energiaforrás az olaj 1 tonnájának elégetésekor1,5 ETAt energia szabadul fel. Ez tájékoztató adat, az energia függ azolaj finomításának részleteitől is. 

Azátváltásokkor és a nagyságrendek jelölésekor jó ismerni a prefixumokat:k = kilo = 103, M = mega =106, G = giga = 109,T= tera = 1012, P =peta = 1015, E = exa = 1018.

Ahagyományos angolszász vidékeken esetleg más egységben adják meg az energiatermelésértékeit. Ez a British Thermal Unit, a BTU. Ez 1 font (0,4536 kg) víz 1fahrenheit fokkal történő felmelegítéséhez szükséges energia 59°Ffokos víz esetén. 

1QUAD energia 1015 BTU-val egyenlő, ami körülbelül 1018J, azaz 1 exa joule. 1 QUAD/év teljesítmény pedig 31,7 GW-nak felelmeg.

Ateljesítmény régi egysége a lóerő: 1 LE=735,5 W.

Ahatásfok 

Azenergia átalakulásának során nem mindig a kivánt energiaformává alakulát. Például amikor egy tartály vizet melegítünk, akkor a befektetett energia(a városi gáz elégésekor keletkező energia) egy része a levegőt és a tűzhelyetmelegíti. Ez számunkra nem hasznos energia. Hőerőgépekben a rendezetlenmozgási energia a melegebb helyről áramlik mindig a hidegebb felé, ha körfolyamatothajtunk végre egy adott mennyiségű gázzal, akkor a külső munka hatásárahőmennyiséget tud leadni, de ahhoz, hogy a végén az eredeti helyzetbe kerüljöna rendszer a leadás után hőt kell felvegyen általában. A hőerőgépek eseténa leadott hőmennyiség nagyobb mint a felvett. A hasznosítható energia azonbanmindig csak a leadott és a felvett hőmennyiség különbsége lesz. 

Ahatásfok definíciója:

Atechnika fejlődése során egyre modernebb anyagokat, egyre tökéletesebbeljárásokat dolgoztak ki, melyek egyfelől a gépek hatásfokának növelésétcélozták, melynek során a termék vagy a szolgáltatás olcsóbb lehetett.Ezért a technológiai folyamatok egyik fontos paramétere a hatásfok. A hatásfoknakvannak fizikai korlátai is, termodinamikai hőerőgépekben például. Egy hőerőgépnekminimum van két hőtartálya, egy T1 és egy T2 hőmérsékletű.Ezeket mérjük az abszolút hőmérsékleti skála szerint kelvin fokokban, akkor 

Avilág hatalmas energiafogyasztásának egyik lehetséges csökkentése a hatásfoknövelésével, és az előállított termékek újrafelhasználásával érhető el. 

Azenergia modern értelmezése

Mintláttuk az energia átalakulásai mögött mindig valamilyen erőt fedezhetünkfel. A klasszikus fizika keretei között ezek az erők két általános érvényűerő a gravitáció és az elektromágnesség egyes speciális megnyilvánulásaivoltak. A nehézségi erő például a newtoni gravitáció speciális esete aföldfelszín közelében, a molekulákat összetartó erő az elektromágnességegyik legszebb példája. Newton a gravitáció törvényét az 1680-as évekbendolgozta ki, és a jelentősége abban áll, hogy a fáról leeső almára hatóerő ugyanazon kölcsönhatás, mintabolygókat a pályájukon tartó erő: az egyetemes gravitáció. Az elektromosságés a mágnesség is két különálló erőnek tűnik első pillanatban. A Faraday-féleindukciós törvény azonban már kapcsolatot állított fel a kettő között,és a modern fizika kísérletei kiderítették, hogy az elektromos és a mágneseserők egy közös kölcsönhatás az elektromágnesség különböző formái, melynekgyönyörű szép rendszerét 1862-ben J.C. Maxwell alkotta meg négy alapegyenletével.Az általános ervényű erőket ezentúl alapvető kölcsönhatásoknak hívjuk.Eddig két ilyenről (a gravitáció és az elektromágnesség) beszéltünk. 

AXX. század kezdetén a fizika szemléletmódja nagyot változott. A sok kísérletitapasztalatot jobban és szebben lehetett értelmezni a klasszikus fizikántúlmutató szemléletben. Ez az új szemlélet a modern fizika szemlélete.Beletartozik az anyag kvantumos viselkedése, az atomfizika, a relativitáselméletés az újfajta hullámjelenségek megértése. 1911-ben E. Rutherford kísérleteialapján derült ki, hogy az atomoknak van egy nagyon kicsi magjuk, melybena tömegük 99,9%-a be van sűrítve az atom méreténél 10000-szer kisebb gócpontba.Az atom többi részén találhatók az elektronok. Az atom korántsem homogénszerkezetű. Később kiderült, hogy az atommagban protonok és neutronok találhatók(1932). Felmerül a kérdés hogy például a szén atommagjában elhelyezkedőhat proton közötti elektrosztatikus taszítás miért nem veti szét az atommagot.Az elektrosztatikus erőről már Coulomb belátta, hogy a távolság csökkentésévela töltött részecskék közötti erő rohamosan nő. Mint tudjuk két pozitívtöltésű proton taszítja egymást, így kétprotonegy atommagnyi igen pici helyre bezsúfolva nagy erővel kell hogy taszítsákegymást. A szén (12-es legelterjedtebb izotópjának) atommagja mégis stabil.Az elektromágneses taszítást a semleges neutronok nem tudják elektromosanellensúlyozni. A megoldás az, hogy létezik egy újfajta erő, amely a protonokill. a proton és a neutron között hat, ami sokkal nagyobb intenzitású ilyenkis távolságtartományokon az elektromos taszításnál. Ezen új erő neve:magerő. Sokkal intenzívebb az elektromágneses kölcsönhatásnál, decserébe nagyon rövid a hatótávolsága. Két atommag-méret távolságban a magerőkmár nem tudnak vonzást biztosítani. Ez a magerő tartja össze az atommagot,és ez a magerő reprezentálja a harmadik alapvető kölcsönhatást, amit atermészetben eddig felismertünk. (Összesen négy alapvető kölcsönhatástismerünk. Az eddig elmondottakon túl a negyedik az atommagok béta-bomlásáértfelelős gyenge kölcsönhatás. Egyenlőre nem mutat kísérleti tapasztalatafelé, hogy lenne ötödik.)

Számunkraaz egyes erők, kölcsönhatások munkavégzése a fontos. Hogyan tud a magerő(a most megismert újfajta erő) munkát végezni? Ehhez az szükséges, hogyaz atommagot alkotó nehéz elemi részecskék (nukleonok=proton vagy neutron)egymáshoz képesti szerkezete megváltozzon. Ilyenre magátalakulásoksorán van mód. Ha egy atom minősége nem változik, akkor maximum az elektronszerkezeteváltozik meg (kémia), az atommag szerkezete változatlan marad. A modernfizika egyik legérdekesebb témaköre, hogyan tudnak az egyes atommagok egymásbaátalakulni. Az egyik természetes mód az atommagok bomlása. Három fajtabomlást ismerünk: alfa-, béta- és gamma-bomlás. Az alfa-bomlás során egyhélium atommagja szakad ki az atommagból, ez hívjuk alfa-részecskének:két proton és két neutron kötött rendszere. A béta-bomlás során könnyebbelektronok szabadulnak ki az atommagból rendszerint azért, mert az atommagonbelül az egyik proton neutronná alakul, vagy fordítva (ilyenkor az elektronpozitív töltésű párja, a pozitron, keletkezik). Meglepő tény, de a neutronátalakulhat egy protonná és egy elektronná (plusz egy nagyon kicsi semlegesrészecske is keletkezik, ez a neutrínó), és a neutron mégsem egy protonbólplusz egy elektronból álló rendszer. Amikor az atommagon belül egy protonneutronná alakul, akkor nem elektron, hanem annak pozitív töltésű testvérekeletkezik, a pozitron (anti-elektron). Az atommagok bomlásának harmadiktípusa a gamma-sugárzás, ilyenkor egy nagy frekvenciájú elektromágnesessugárzás viszi el a felszabaduló energiát. Ezt a három bomlástípust (valaminta neutronsugárzást is) radioaktív sugárzásoknak hívjuk. 

Azatommagátalakulások másik esete, amikor nem magától alakul át az atommag,hanem két atommag ütközése során. Napjainkban ez nukleáris módszerek alkalmazásakor,gyorsítók mellett tudományos kísérletekben, számos alkalommal a légkörfelső rétegeiben a kozmikus sugárzás hatására, atomreaktorokban vagy aNap belsejében természetes környezetben történik. Atommagátalakulások sorána magszerkezet változik meg. Az atommagot alkotó protonok és neutronokszáma megváltozik, ezért egymáshoz képesti elhelyezkedésük átalakul. Ilyenkorvégez munkát a magerő. Mivel a magerő sokkal intenzívebb mint az elektromágneseserők, ilyen esetben kevesebb atommag átalakításával nyerhetünk ugyanannyienergiát, összehasonlítva a kémiai égéssel.

Amodern fizika egyik legmeglepőbb teóriája a relativitáselmélet. A speciálisrelativitáselméletet A. Einstein dolgozta ki és 1905-ben tette közzé egytudományos folyóiratban. Az elmélet kísérleti alapokon nyugszik. Az egyikilyen kísérleti alapkő, hogy a fénysebesség vákuumban ugyanakkora egy állólaboratóriumból mérve, mint egy gyorsan mozgóból mérve. Ezt a kísérleteta század elején elvégezték, és azóta sok jegy pontosságra ellenőrizték.Az elmélet érdekesnél érdekesebb állításai és paradoxonai közül csak egyállítását emeljük ki, ami az energiával kapcsolatos. Ez a híres

formula.Ennek tartalma az, hogy minden olyan dolog aminek tömege van, annak egybenenergiája is van. Fordítva, hogyha egy test energiája megnő, mert példáulgyorsabban mozog, akkor a tömege is megnövekszik. A meglepő állítást napjainkbansok alkalmazott technikai fejlesztés felhasználja, és mind alátámasztja.Napjaink részecskegyorsítói által felgyorsított részecskék tömege észrevehetőenmegnő a nagyobb sebességük miatt. Szerencsére a hétköznapi életben ez atömegnövekedés nem számottevő, észre sem vesszük. Az atommagok átalakulásaisorán felszabaduló energia mérésével, azonban direkt módon következtetnilehet a keletkező részecskék tömegére. Amennyi energia keletkezik, akkoraa tömegcsökkenés szorozva a c2-tel. Ez a tömegdefektus egyikmegfogalmazása. Einstein egyenletéből adódó tömegváltozást a precíz tömegspektrométerekhajszál pontosan kimérték és igazolták. Másik érdekes következmény, hogya fénysugárzásnak is van tömege, hiszen energiája is van. Ezt is sikerültbelátni akkor, amikor a fénysugarak nagy csillagok (vagy még nehezebb feketelyukak) melletti eltérülését felfedezték. 

Azatommagátalakulások közül az energiatermelésben legfontosabb két esetea hasadás és a fúzió. A jelen és a jövő energiakérdésében jelentős szerepetjátszanak. A hasadás során egy atommag két kisebb és eltérő tömegűatommagra esik szét, és a hasadás során általában néhány szabad neutronis keletkezik. A hasadás a nehéz atommagok tulajdonsága (urán, plutónium)Ez az átalakulás azért történik, mert a nehéz magokban sok proton van összezsúfolva,ezek taszítása gyengíti az atommag kötését. Amikor szétválasztjuk két kisebbmagra, akkor ez az elektrosztatikus taszítás válik kisebbé, de a magerőkváltozatlan intenzitással hatnak. Hasadáskor azt mondhatjuk egyszerűsítve,hogy a magon belüli intenzív elektrosztatikus taszítás löki szét a keletkezőmagokat, így keletkezik mozgási energia. Természetesen a magszerkezet isátalakul, tehát a folyamat a magerők nélkül nem mehetne végbe. A fúziósorán más a helyzet. A fúzió a kis rendszámú elemek során működik.Ilyenkor két atommag -például a hidrogén 2-es és 3-as tömegszámú izotópjai a deutérium és a trícium -összeütközik. A deutériumban csak a proton és a neutron vonza egymást amagerővel, a tríciumban egy proton és két neutron. Ha ezek összeütköznekegy alfa-részecske és egy neutron keletkezik (ellenőrizni lehet a rendszámés a tömegszám megmaradását). Az alfa- részecskében négy elemi részecskevan, mindegyik a másik hárommal tud magerő-kötést kialakítani, ezért sokkaleffektívebb benne a magerő, sokkal jobban kötött rendszer az alfa-részecske,mint a kiindulási magok, még egy felszabaduló neutron esetén is. A magfúziónemcsak ebben az esetben valósulhat meg, hanem pl. 3He+2Hreakcióban is, amikor az alfa-részecske mellett nem a leárnyékolást igénylőneutron keletkezik, hanem egy proton, ami a hidrogénatom magja. Ez a reakciómegy végbe többek között a csillagok belsejében. A magfúzió során a magerőkvégzik a munkát, ami az energiafelszabadulást biztosítja. A magfúzió energetikaialkalmazását az is kívánatossá teszi, hogy nincs (vagy alig van) radioaktívmellékterméke, ellentétben a hasadás hasadványtermékekkel. A természetsok fúziós erőművet működtet. Egy kellemes estén ha az égboltra nézünkrengeteg csillagot látunk. Ezekben az energiatermelés mind a fúzió segítségéveltörténik. (Nappal is találhatunk az égbolton egy ilyen ,,erőművet'', deabba nem jó közvetlen belenézni.) Laboratóriumi körülmények között nagyerőkkel folyik a magfúzió megoldásának technikai fejlesztése, de még nemsikerült olyan magas hőmérsékletet megfelelő ideig, és megfelelő feltételekmellett létrehozni, hogy az energiatermelésre alkalmas legyen. 

6.1.2.Az energiafelhasználás és az emberi civilizáció

Azelőzőekben az energia fogalmát próbáltuk egy kicsit körüljárni, és megmutatni,hogy mit jelent az energia, milyen szorosan kötődik a technikához, technológiához.A továbbiakban azt fogjuk vizsgálni, hogy mi az energiafelhasználás kapcsolataaz emberi társadalomhoz, a civilizációhoz. Ez egy kétirányú kapcsolat.A társadalom igényli az egyre több energiát, az egyre nagyobb energiatermelésa technika gyors fejlődésével karöltve viszont megváltoztatja a társadalomproblémáit, visszahat rá. Napjaink egyik legfontosabb felismerése, hogyaz energiakérdés nemcsak közvetlenül hat vissza a társadalomra (gyorsabbközlekedés, új gyárak, új gépek, új munkahelyek, felhalmozódott tudásanyag),hanem közvetetten is. Ez abban áll, hogy az energiatermelés egyrészt melléktermékekethagy hátra, amit közvetlen környezetünkben kell elhelyezni, másrészt atermészetes környezetünket képesek vagyunk már globálisan is megváltoztatni.Ahol folyó folyt, ott vízhiányt teremteni, a légkör szerkezetét megváltoztatni,ezzel a Föld energiaháztartását, ha csekély mértékben is módosítani azózonlyuk és a légköri szén-dioxid tartalom változásán keresztül. 

Azenergiafogyasztás és az emberi civilizáció fejlődése 

Azenergiakérdés azért nyer ekkora fontosságot, mert az energiafelhasználásaz utóbbi évszázadokban közel exponenciálisan növekszik. Egyrészt a Földönélő emberek száma növekszik gyorsan, de ennél sokkal lényegesebb, hogya Föld nagy részén az élet minősége fejlődik a technika vívmányainak köszönhetően.Amíg a kevésbé szervezett vadász társadalmakban az alapvető élelemszükségletétaz ember megtalálta a környezetében, addig 2000 kcal energiát fogyasztottegy átlagos ember naponta. A vadászat hátránya az esetlegessége. A történelmifejlődés iránya az ember által kontrollált élelemtermelés felé mutatott,kialakultak a földművelő társadalmak. A szükséges élelem előállítása tapasztalatokonalapult, de nem volt annyira bizonytalan, habár néha véletlen természeticsapások tizedelték a termés egy részét, az állatokat.

Aföldművelő és állattenyésztő társadalmak energiafogyasztása már két részbőláll. Egyrészt az élelemmel elfogyasztott energia, ami a létszükségletünketfedezi, de megjelent a társadalom fejlettségét jelző kereskedelem, és aháztartásokban is elkezdődött az energiafogyasztás az életkörülmények mindstabilabbá tétele céljából. A középkorban megjelentek a gépek, melyek különösúj energiafogyasztóknak bizonyultak az ember mellett. Cserébe, hogy nememberi vagy állati erővel kell a gépeket hajtanimegkellett találni a módját, hogyan lehet a természetes környezetünkben találhatóenergiát átalakítani. A döntő fordulatot szokás a Watt-féle gőzgéphez kötni,de igazából a technika fejlődése folyamatos. A gőzgépben a felforralt gőzkondenzátorral történő visszaalakítása (ami Watt egyik találmányának lényege)azonban tényleg forradalmasította a gőzgép alkalmazásának területeit. Azipar energiafelhasználása robbanásszerűen nőtt meg. A kémiai energia forgásienergiává alakítása lehetővé tette azt is, hogy gyorsabban el lehetettjutni Londonból Párizsba, egyre erőteljesebb energiafogyasztóként jelentmeg a szállítás.Az elektromosságfelfedezése, törvényeinek feltérképezése után gyorsan az egyik legfontosabbés univerzálisan felhasználható energiaforma lett az elektromos energia.Könnyen juttatható el vezetékrendszerek segítségével nagyobb távolságra,ezzel az energiatermelést nagy centrumokba lehet összpontosítani.

6.1.Táblázat. A társadalmak egy főre és egy napra eső energiafogyasztásánaknagyságrendi áttekintése az őskortól napjainkig. Az első négy oszlopbanenergiafogyasztás értékei 1000 kcal/(fő×nap)egységben értendők. Az ötödik oszlopban az adott társadalom népességénekrelatív nagyságát tüntettük fel a vadász társadalomakhoz viszonyítva.


 
élelem
háztartás+ kereskedelem
ipar+

mezőgazdaság

szállítás+ hírközlés
népességrelatív nagysága
vadásztársadalmak 

(i.e.8000)

2
1
földművelőtársadalmak 

(i.e.3000)

3
2
2,5
Középkor 

(XV.-XVI.század)

6
12
7
1
13
iparitársadalom (Anglia 1900)
7
32
24
14
38
moderntársadalom (USA 1985)
10
66
91
63
115

AXX. század végére az USA-ban az energiafogyasztás teljes egy főre és napraeső értékéneka 230 ezer kcal-nakmár csak töredéke, 10 ezer kcal, jut az alapvető szükségletünkre a táplálkozásra,a további 220 ezer kcal az élet minőségét emeli. 

Azemberi társadalmak energiaigénye, a felhasználás szerkezetének jellemzői

Felismerhetőtehát a növekedés ténye mellett, az energiafogyasztás szerkezetének megváltozása,abból a szempontból, hogy mire is használjuk fel az energiát. 

Avilág energiafelhasználása térben is nagy különbségeket mutat, az egyesországok gazdasági fejlettségének függvényében. Egyes afrikai vagy óceániaiországok nem igénylik az ipari forradalom gyümölcseit, a társadalmuk nagymértékbeneltér a fejlett ipari országok társadalmi és gazdasági szerkezetétől. 

A6.3. ábrán összehasonlítjuk néhány ország egy főre jutó energiafelhasználásátmillió BTU/fő egységekben mérve az ország gazdasági potenciálját jellemzőGNP-vel, ami a nemzeti össztermék dollárban kifejezve egy főre vonatkoztatva.(Gross National Product, az év során előállított végtermékek és szolgáltatásokösszességének pénzbeli kifejezése.) Ezek az adatok az 1970-es évből származnak,de a következtetés azóta is helytálló. Az energiafelhasználásban úgyminta GNP-ben kimagaslóan vezet az USA. Érdekes azonban, hogy az energiafogyasztás/nemzetiössztermék arány körülbelül azonos az említett országokra. Egy dollár nemzetiösszterméket a szegény India, vagy a szintén kis gazdasági potenciált képviselőBrazília ugyanannyi energia befektetésével termel meg, minta nagy USA vagyKanada. Ezt az arányosságot fejezi ki a pozitív meredekségű szaggatottvonal. Azt állapíthatjuk meg, hogy 

Azegy főre eső energiafogyasztás az ország gazdasági fejlettségével arányos,minél fejlettebb az ország, annál nagyobb a nemzeti össztermék, és eztannál több energia felhasználásával tudja előállítani. Kardinális kérdéstehát egy ország életszínvonalára nézve, hogy mekkora az egy főre eső energiatermelése. 

Vannakországok, melyek a szaggatott felett vannak. Itt fajlagosan kicsit nagyobbenergia befektetésével érik el ugyanazt a GNP-t, míg a vonal alatti országokenergiatakarékosabbnak mondhatók (Finnország, Új Zéland), vagy csak természetiadottságaiknál fogva tudják az energiát effektívebben termékké alakítani.Befolyásoló tényező az adott ország gazdaságának belső szerkezete, példáulaz energiaigényes nehézipar és a kevesebb energiát igénylő könnyűipar aránya. 

6.3. ábra.Néhány ország egy főre jutó energiafelhasználása és a nemzeti össztermékösszehasonlítása (1970-es adatok).

Érdemesaz abszolút számokra is figyelmet fordítani. Az USA-ban 175 millió BTUenergiát használnak fel egy főre vonatkoztatva, ami kb. 50 MWh, ezzel szembenIndiábankb. 1,5 MWh esik egy főre. 

Haösszeadjuk az egyes országok energiafogyasztását (már nem egy főre vonatkoztatva),akkor a világ energiafogyasztására kb 1,1×1010ETAt energia érték adódik. Ebből 8,8×109ETAt energiát az OEDC államok termelnek (80%), melyek a világ népességénekcsak 25%-át teszik ki. A népesség 75%-át kitevő többi országok az világenergiaterméléséből csak 20%-kal veszik ki a részüket. Az energia országonkéntifelhasználása tehát nagyon egyenlőtlen. Ez az oka annak, hogy az utóbbiévekben rendezett csúcsértekezleteken (Rio, Kyoto) a fejlett országokrahárítják a az energiatermelés globális környezeti hatásainak kezeléséneknagyobb költségeit és fáradtságát. 

Azegy főre eső energiafelhasználás (ami közel megegyezik az energiatermeléssel)volumene az utóbbi 20 évben tehát kb. 1975-óta visszaesni látszik, aminem a népszaporulat következménye, hanem inkább az alacsonyabb energiaigényűtechnológiák kifejlesztésének következménye. Az 1 dollár nemzeti össztermékreeső energiafogyasztás a táblázat szerint országonként nem nagyon eltérőadat, az USA-ban és a többi fejlett országban (Japán, Nyugat-Európa) csökkenéstmutat, míg a fejlődő országokban, amelyek iparosítása még kisebb mértékű,stagnálás ill. enyhe emelkedés tapasztalható. Ezekben az országokban számottevőa népszaporulat, viszont energiafelhasználásuk a világ összes felhasználásáhozcsak kis résszel járul hozzá.

Avilág energiatermelésének volumene láttuk exponenciálisan nőtt a századokalatt, miközben szerkezete megváltozott. A társadalmi szükségletek kielégítéséreaz ipar energiaéhsége egyre nagyobb. A növekvő energiafelhasználásnak nemfő oka a népszaporulat, a világ népességének rohamos növekedése. Az energiainkább az életszinvonal emelésére fordítódik. A fejlett társadalmak energiaéhségerohamosan emelkedik. 

Vizsgáljukmeg az USA 1987-es energiafelhasználását. Abban az évben az energiatermelésnagysága80,6 exa J volt. Ebből azegyes energiaforrások a következők szerint veszik ki részüket (minden adatEJ-ban értendő): 


 
szén
21,3
vízenergia
2,8
földgáz
20,2
kőolaj
18,6
atomenergia
5,2
egyéb 
0,3
importenergia
14,4

Láthatóa fosszilis energiahordozók döntő többsége. A megtermelt energiát közvetenülfel lehet használni, ez történik az iparban és a közlekedésben. Másrészrőlközvetett felhasználás céljából az áramszolgáltatókon keresztül lehet felhasználniaz energiát. Ez a lakóházak energiaellátására ill. az ipar kisebb részérefordítódik, ill. egy része veszteségbe megy. 1988-ban az USA-ban 29,2 exaJ energiát termeltek az áramszolgáltatók, ami a teljes termelés 36%-a,valamint 51,4 exa J-t termeltek közvetlen felhasználásra. A villamosenergia-termlésminden fejlett országban napjainkban már nagy részét teszi ki az energiatermelésnek.A táblázat értékeiből 16,0 EJ energia jutott a lakóházak energiafelhasználására(télen fűtés, nyáron hűtés), 21,9 EJ energiát igényelt az ipar, és 22,4EJ energiát a közlekedés. A további 20,3 EJ energia a veszteségeknek tudhatóbe. Ezt a 21,9 EJ energiát az ipar átlagosan 56% hatásfokkal dolgozza fel,míg a közlekedésben a hatásfok kb. 20%. Megállapíthatjuk, hogy a megtermelt80 EJ energia kicsit több mint fele kb. 51% fordítódott hasznos felhasználásra. 

Egymásik példa Németország (akkor NSZK) 1984-es energiafelhasználását (millióETAt-ban, (METAt)). 


 
kőolaj
158
42%
szén
118
31,4%
földgáz
60
16%
atomerőmű
30
8%
vizierőmű
5
1,3%
import
5
1,3%

Ezösszesen 376 millió METAt, azaz 11 EJ. A 376 METAt energiából 104 METAtveszteség, csak 246 METAt energia kerül végenergiaként felhasználásra,26 METAt nem energetikai felhasználásra került. A felhasznált energiából59 METAt jutott hasznos energiaként a háztartásoknak, kisfelhasználóknak,emellett 51 METAt volt az 54%-os energiafelhasználási hatásfok miatti veszteség.Az ipar 42 METAt energiát hasznosított, 36 METAt veszteség mellett, ami54%. A közlekedés 10 METAt hasznos energiafelhasználása során 48 METAtveszteség termelődött, ami 17%-os hatásfokot jelent. Ez átlagosan 45%-osenergiafelhasználási hatásfok, ami a végfelhasználókhoz érve tovább csökken,összesen 30%-ra. 

Azenergiatermelés és a társadalom energiafelhasználásának időbeli változásais érdekes kérdés. Az energiaigénynek van egy erős évszakos változása.A téli félév során nagyobb az energiaéhség, a tavaszi és nyári hónapokbankisebb. Például Magyarországon ez a szezonális váltakozás (a 90-es évekelején): 68% télen, 32% nyáron. Ez a változás főként a lakosság fűtésifelhasználásának szezonális jellegéből adódik. Az energiafelhasználás napiingadozása is jelentős. A háztartásokban az esti csúcsfelhasználás mindignagyobb terhelést jelent az energiaellátóra nézve. A gyárak munkaidő beosztásasem mindig fedi le a nap 24 óráját, így ott nappal - éjjel váltakozásrólbeszélhetünk. Látható, hogy az energiát egészen változó igények szerintkell a fogyasztókhoz eljuttatni. Az energiatermelés üteme azonban nem követiezt a változó igényt. Egy vizierőmű vízhozamát és egy atomerőmű teljesítményétnem lehet gyorsan változtatni. A fosszilis energiaforrások égetésével dolgozóhőerőművek teljesítménye könnyebben szabályozható, de ott sem lehet követniazt a kiszámíthatatlan fogyasztást, amit a társadalom igényel. A megoldásaz energiatárolás, illetve az energia villamos energiára történő konvertálása,majd ennek a megfelelő szétosztása.

6.4.ábra. Az energiatermelésben felhasznált energiahordozók százalékos összetételeaz utóbbi 150 év során. 

Azenergiatermelés során felhasznált fűtőanyag (az energiahordozók) összetételeis változott az idők folyamán. A 6.4. ábrán láthatjuk, hogy a XIX. századtólkezdve hogyan változott a kornak megfelelő energiaforrás. A XX. századbalépve a korábban egyeduralkodó fa teljesen kiszorul, helyét átveszi a szén.Ez a szén lelőhelyek tudományos alaposságú megkeresésével, és a bányaiparfellendülésével magyarázható. Az 1900-as évek második felére az olajiparkibontakozása a jellemző, felfedezték a világ nagy olajlelőhelyeit. Azarab országokban, Európa mellett a tengerek alatt rengeteg kőolaj és földgázkerült kitermelésre. Az 1970-es évek elejére ez a két fosszilis energiaforráslett a domináns. Ennek gazdasági következménye volt az 1972 körüli olajárrobbanás.A XX. század utolsó negyedére egy teljesen újfajta energia kezdett előtérbekerülni, és ez a nukleáris energia. A vízenergia százalékos súlya állandóa század során, ami egyben egy állandó volumen-növekedést is jelent. Sokország épített vízierőművet a területén, néha olyan monumentális betonépítményekszülettek, mint a Jenyiszejen épült erőmű Oroszországban, vagy a Hoover-gátaz USA-ban.

Magyarországenergiagazdálkodásának néhány eleme

Magyarországenergiagazdálkodását az utóbbi évtizedekben az jellemezte, hogy a hazaienergiatermelés mellett nagy részt tett ki a nemzetközi együttműködésbenvaló részvételből származó energia behozatal. A Magyarországi energiatermeléshőerőművekre és atomerőművekre épül első sorban. Az 1980-as évek végénbekövetkezett politikai változások hatással voltak az energiaszektorra.Mind az energiatermelés, mind a behozatal lecsökkent. Az alábbi táblázatbanösszesítettük néhány év adatait, melyek a behozatal és a hazai termelésarányait mutatják meg.

6.2.Táblázat. Az elmúlt évtizedek energiatermelésének alakulása, az energiaértékekPJ=1015J-ban értendők. 


 
év 
termelés
behozatal
felhasználás
GJ/fő/év
1980
632
691
1261
120
1990
604
725
1244
119
1993
556
592
1067
104

Amagyarországi termelés összetétele azt mutatja, hogy hazánkban jelentősafosszilis (szén és szénhidrogének)felhasználása. Az értékek PJ-ban értendők.


 
év
Szén
CH
ebből 

olaj

ebbőlföldgáz
atom

energia

víz
tüzifa
1980
291
326
83
213
-
1,3
14
1990
188
264
78
160
137
1,8
12
1993
133
261
70
161
138
1,7
21

6.5.ábra. A magyarországi villamosenergia-termelés összetétele 1983-óta 

Ahazai villamosenergia-termelő erőművek közül a Paksi Atomerőmű 14 TWh energiáttermel évente. 1 TWh évi termelés felett van még a fosszilis energiát felhasználóDunamenti Hőerőmű (6 TWh), a Mátrai Hőerőmű (4,1 TWh) és a Tisza II. Erőmű(3 TWh). További erőműveink, melyek energiatermelése alacsonyabb: Tiszapalkonya,Bánhida, Pécs, Oroszlány, Inota, Ajka. A kiskörei és a tiszalöki vízerőművekenergiatermelése ezekhez képest elhanyagolható néhány GWh évente. 

Haaz erőművek teljesítményeit vizsgáljuk, akkor 1999 januári adatok szerinta hazai villamosenergia-rendszer teljesítőképessége 7800 MW, melyből 3826MW (49%) szénhidrogének égetésével nyeri az energiát, 1840 MW (23%) azatomerőmű kapacitás, 1954 MW (25%) a szénerőművek összes potenciális teljesítménye.A további két energiatípus a vizierőmű 48 MW (1%) és az ipari energiák(2%). Ezek az erőművek nem termelnek egész évben teljes kapacitással, avalóban kitermelt villamosenergia mennyiségét az utóbbi évek áttekintésébena 6.5.ábrán láthatjuk. 

AFöld energiaháztartása

6.6.ábra. A Föld energiaháztartásában résztvevő folyamatok áttekintése. 

AFöld nyílt rendszer, kívülről energiát kap leginkább a Naptól, nagyon kisrészben a Hold gravitációja által. A napsugárzás folyamatosan energiávallátja el bolygónkat, ez a legjelentősebb megújuló energiaforrásunk. A Napsugárzása fehér színűnek látszik, de nemcsak a látható fény tartományábansugároz a Nap! A Nap folytonos frekvenciatartományban a feketetest sugárzásánakeloszlása szerinti frekvenciaeloszlásban sugároz elektromágneses hullámokat.Felszíni hőmérséklete 6000 K, ezért a sugárzásának intenzitása kb. 400nm-es hullámhossz esetén maximális. Azt mondhatjuk, hogy a Nap kék, lilaés UV-sugárzása a legintenzívebb. A Föld légköre azonban ezeket a sugárzásokatkülönbözőképpen nyeli el. A rövid hullámú UV-sugárzást a légkör felső rétegeivisszaverik, és megvédik a szerves molekulákat ettől a sugárzástól. Ezértfőként a magaslégköri ózon a felelős. A látható fény bejut a Föld alsóbblégkörébe, és ott szóródik a levegő sűrűségingadozásain, meglöki a levegőatomjait direkt hővé alakul a sugárzás egy része. A másik része lejut afelszínre, és a kőzetet, a talajt vagy a vizeket melegíti. A földfelszínkb. 20°C-osátlaghőmérsékletének megfelelően a Föld is sugároz vissza a világűrbe,de az alacsonyabb hőmérsékletnek megfelelően hosszabb hullámhosszon történik. 

AFöld energiaháztartásának folyamatait a 6.6. ábrán szemléltettük. A napsugárzásintenzitása 1,73×1018W, amelyből 5,2×1017W, tehát kb. 30% verődik direktben vissza, a légkörbe jutott sugárzás mintemlítettük egyrészt melegíti a légkört, ez az energiaátadás 8,1×1017W teljesítményt ad le, és a levegőmolekulák rendezetlen mozgásában tárolódika továbbiakban. Ez a bejövő eredeti sugárzás 47%-a. A további 23% 4×1017W a vizek párologtatására, csapadék képzésére, a földfelszín melegítésérefordítódik. Ez az energia a levegőben lévő vízpára belső energiája és avízmolekulák helyzeti energiája formájában tárolódik, hiszen a víz nehezebba levegőnél, így maguktól a vízmolekulák nem maradnak a magasban, a levegőmolekuláival történő ütközések nem tartják fenn őket, mint a többi gázneműanyag molekuláit. A felhők élettartama sem végtelen. A felmelegített levegőnem egyenletes hőmérsékletű lesz, hol jobban süt a Nap, hol kevésbé a felhőkmiatt, vagy más okokból. A hőmérséklet-különbségek nyomáskülönbségekethoznak létre a légkör alsó részében, és ez a levegő irányított mozgásátindítja be, ezek a szelek.A felhőkegymáshoz súrlódva elektromos feltöltődést hozhatnak létre, mely elektromosenergia tárolását jelenti, ez is a légkör melegítéséből származó energiaés a napsugárzás energiája táplálja. Ezekben a másodlagos hatásokban 3,7×1014W teljesítmény tárolódik, ami 3 nagyságrenddel kisebb már. A napsugárzása felszínen a zöld növények leveleire érve fotoszintézist indít el. Ebbena folyamatban energiaraktározó (energiafelvevő, endoterm) kémiai folyamatokjátszódnak le. Nagyon leegyszerűsítve az égés fordított folyamata játszódikle: a levegő széndioxid-tartalmából oxigéngáz keletkezik, ami a levegőoxigéntartalmát növeli, és szén, ami persze más molekulákban felhasználódikA napsugárzás energiája kémiai energiává alakul. A fotoszintézis másodpercenként4×1013J energiát épít be. Ez a kémiai energia a növényekben tárolódik. Amikoregy állat megeszi a növényt szervezete a növényi molekulákat lebontja ésebből energiát szerez magának. A lebontás során a növényi molekulában anapsugárzás és a fotoszintézis hatására felépült kémiai energiában gazdagmolekula kémiai energiája csökken, a kémiai kötések szorosabbá válnak.Az élőlények így közvetett módon használják a Nap energiáját. Amely molekulákataz élő szervezet, anyagcsere felépít, azok a halálozás után elbomlanak,és ilyenkor energia szabadul fel. A biomassza is tárolja a napenergiát.Ezek a tárolt energiák végső soron a Földet melegítik egyszer, és biztosítjáka felszíni hőmérsékletet, ami a hosszú hullámú sugárzás által energialeadástjelent. 

Vessünkegy pillantást arra,hogy a Földhogyan lehet egyensúlyban. A napsugárzás intenzitása a hőmérsékleténeka függvénye, a Nap hőmérséklete pedig életútja során változik. Ha egy rsugarú bolygó a Naptól R távolságban van, akkor akkor a Nap sugárzásánakintenzitása csak r2p/R2térszögben éri a bolygót. Minél kisebb a távolság, annál nagyobb a bolygóáltal elnyelt intenzitás. Időegységenként amennyi energiát elnyel a bolygó,annyit kell a saját felszíni hőmérséklete miatt kisugározni egyensúly esetén.A kisugárzott energia a hőmérséklet negyedik hatványával arányos, azazha nagyobb energiát nyel el a bolygó, többet kell kisugározni, azaz melegszik.(Feltettük, hogy alégkörről történődirekt visszaverődés állandó.) A Nap hőmérséklete egyre csökken az évmilliókfolyamán, és az emberiség éppen abban az időszakban alakulhatott ki, amikora Föld egyensúlyi hőmérséklete ezt lehetővé tette. Összehasonlításkénta Mars sugarával és távolságával számolva ez az optimális hőmérséklet mégnem érkezett el, későbbi időkre tehető. (Természetesen a Mars visszaverőképességétőlis függ ez.)

Vana földi energiaháztartásnak még egy inputja. Ez a Föld forgási energiájaés a Hold gravitációja segítségével csapolható meg. A Föld és a Hold keringenekegymás körül. Ez a Naprendszer kialakulásakor felszabadult nagy energiákmaradványa. A Hold vonzza a Földön a vízrétegeket, ennek hatása az hogya Holdhoz közeli részen a víztömegek megemelkednek, a Hold magához vonzzaőket, a Holddal átellenes oldalon pedig kevésbé vonzza a deformálható víztömegeket,mint a földgolyót átlagosan, így ott eltávolodik a víz a felszíntől. Mindkéteset vízállás növekedést jelent, amit dagálynak hívunk. Ez a dagályhulláma Föld forgása miatt állandóan körbejár a Földön. Ez az árapály jelensége.Az árapályhullám mindig mozgási energiát jelent a Földön, és ez a Földforgási energiáját csökkenti, mert az árapályhullám a szárazföldnek ütközvea Föld forgását is lassíthatja. Az árapály jelensége a Föld belső energiáját3×1012W teljesítménnyel növeli. 

AFöld felszíne lényegében megszilárdult. Tudjuk, hogy a kőzetlemezek mozognak,és ez arra enged következtetni, hogy a kéreg alatt még nem teljesen megszilárdultgeológiai rétegek vannak. Ahogy megyünk a Föld közepe felé, a tapasztalatszerint a hőmérséklet annál inkább növekszik. Mindezek azt támasztják alá,hogy a Föld magjában energiatermelő folyamatok zajlanak. Ezek a Föld keletkezésekorkialakult anyag, amely még nem jutott el a nukleárisan teljesen stabilállapotba, átalakulásából származnak. A jelenlegi elmélet szerint a Földközéppontja körül az anyag radioaktív, és a radioaktív bomlások során felszabadulóenergia melegíti a Föld magját. A magma áramlása feszültséget kelt a földkéregben,és amikor a repedéseken ez lehetővé válik, akkor a forró anyag a felszínretör. Ezek a vulkánok, szintén szállítanak hőmennyiséget, így energiát,a Földfelszínre. Ennek eredete, ezek szerint a radioaktivitás. A gejzírekis közvetítik a Föld mélyebb rétegeienek hőmérsékletét. Összefoglalóanezeket az energiaformákat geotermikus energiának nevezzük. A geotermikuskonstans 0,063 W/m2 , azaz a geotermikus folyamatok 0,063 Jenergiát hoznak fel a felszínre másodpercenként és négyzetméterenként.Ugyanez az állandó a napsugárzásra, a szoláris konstans: 1,395 kW/m2jóvalnagyobb érték. Ez azt mondja meg, hogy a légkörbe jutó napsugárzás, mekkoraenergiát hagy a Föld belső rendszerében. 

AFöld mélye még rejti az évmilliókkal ezelőtt elpusztult növényekben a Napenergiája segítségével felépült molekulákat, illetve ezek a szenet tartalmazómolekulák az idők folyamán lesüllyedtek, és a nagy nyomás hatására átalakultak.Így keletkezett a kőolaj, földgáz, szén. Ezeket nevezzük fosszilis energiaforrásoknak.Ezek nem megújuló energiaforrások, hanem az évmilliók lassú terméként keletkezettfosszíliák kitermelése és felhasználása nagy sebességgel történt a XX.században, ezért ezek a készletek inkább kimerülők. A világ kőolajtartalékaita jelenlegi energiafogyasztási fejlődést figyelembe véve, akkorára becsülik,ami még körülbelül 50 évig elegendő. Ezért fontosak a megújuló energiaforrások,nevezetesen a napenergia, geotermikus energia, és a belőlük származó másodlagosenergiaformák. 

6.1.3.Az energiatermelés fosszilis energiahordozók segítségével, és a környezetihatásai

Fosszilisenergiahordozóknak nevezzük a szenet és a szénhidrogéneket. Ezen energiahordozókazonos módon keletkeztek. Az évmilliókkal ezelőtti korokban élt növényekés szerves anyagok bekerültek a földbe, lerakódások befedték őket, és azévmilliók alatt levegőtől elzárt térben bomlottak a szerves molekulák egyremélyebben egyre nagyobb nyomáson és hőmérsékleten. Az idők folyamán egyrejobb minőségű szénné kristályosodtak, illetvefolyékonyvagy légnemű szénhidrogének keletkeztek a szerves molekulák bomlásából.A fosszilis energiahordozókat azután el lehet égetni, ahol nagy mennyiségűenergia szabadul fel. Az energia koncentrálódik a fosszilis molekulákban.Ez az energia a korábbi élettevékenységek során a napenergia felhasználásávalépült be a növényekbe. 

Földünklegelterjedtebb energiatermelési módja a fossziliák égetése. Ha csak aközvetlen környezetünkben nézünk körül, akkor a fűtéskor és a konyhai tűzhelyenfossziliát, a földgázt használjuk fel. Az autók motorjában a kőolaj megfelelőenfinomított terméke az üzemanyag. A repülőgépek használják a legjobban finomítottbenzint, a kerozint. Az ipar rengeteg energiát emészt. Nemcsak robbanómotorok,de gőzgépek meghajtásához is a fosszilis energiahordozók elégetése adjaaz energiát. Az energiatermelés a lakosságot leginkább kiszolgáló részea villamosenergia-termelés. Ez hőerőművekben zajlik. A fosszilis energiavagy más energiahordozó elégetésével nyert energiával gőzt lehet fejleszteni,ami aztán turbinalapátokat hajt meg. A turbina pedig az elektromágnesesindukció elve alapján áramot fejleszt (generátor). A 6.7. ábrán nemcsaka fossziliák, hanem más fűtőanyagok felhasználásával megvalósuló energiatermelésifolyamatokat szemléltetjük. 

6.7.ábra. Az energiatermelés során alkalmazott folyamatok.

Afosszilis energiatartalékok. 

Azipari társadalmak növekvő energiaigénye mellett a bányászat szerepe ismegnőtt. Ez biztosította azt a jelentős technikai fejlődést amit az ipariforradalom hozott. A föld mélyén rejtőző energiaforrások kibányászása isfelgyorsult. 1870-től 1970-ig 19-szer annyi energiájú energiahordozót bányásztakki, mint 1000-1870-ig kb. 9-szer hosszabb idő alatt. Az említett száz évsorán kb. 13×1010tonna (130 milliárd tonna) szenet bányásztak ki. A kőolajkitermelés azelmúlt száz évben átlagosan évi 7%-kal növekedett, 1970-ig 227 milliárdhordó olajat termeltek ki. A növekedés ütemére jellemző, hogy 1857 és 1959között ugyanannyi volt a termelés, mint 1959-1969 közötti évtizedben. Ezenerőforrások kitermelésével együtt a szén és kőolaj lelőhelyek megtalálásánaktechnológiája is rendkívül fejlődött. Ez adta a lehetőséget, hogy a kitermelésexponenciális fejlődésnek induljon. A világ teljes szénkitermelése 1960-ban2,6 milliárd tonna volt, ez 1990-re 4,7 milliárdra nőtt, tehát közel megduplázódott30 év alatt. Meg kell jegyeznünk, hogy a bruttó széntermelés nem teljesenpontosan mutatja a kinyerhető energia mennyiségét, ennek oka a sokféleminőségű kibányászott szenekben van. A feketekőszén a legnagyobb fűtőértékűszén, az évmilliók során teljesen elszenesedett szerves anyag alkotja,a barnaszén rosszabb fűtőértékű és a leggyengébb a lignit. Cserébe a lignithezsok helyen (geológiai okokból) a felszín közelében is hozzá lehet férni,és a felszíni bányászás sokkal gazdaságosabb. A sokféle fűtőérték miatta szén tömegét olajekvivalens tonnákba szokás átszámolni, amely így azösszfűtőértékkel arányos. Így az olajkészletekkel is össze lehet hasonlítania széntartalékokat, és ezzel az átfogó fosszilis energiakészletek mennyiségétis jól jellemezhetjük. Egy 1974-es felmérés szerint a Föld fosszilis energiatartaléka900 milliárd tonna olajekvivalens energiahordozó. Ez nagyon inhomogén módonoszlik el a Föld országai között. Az 6.3. Táblázatban megtalálhatjuk néhányország becsült fosszilis energiakészletét.

6.3.Táblázat. A világ fosszilis energiatartalékai régiók és országok szerintibontásban milliárd olajekvivalens tonnában, TOE (1974). 


 
Európa 

(aSzovjetunió nélkül)

201,6
Németország
66,6
Kanada
6,05
NagyBritania
66,2
EgyesültÁllamok
243,5
Lengyelország
26,0
LatinAmerika
6,08
Belgium 
0,33
Szovjetunió
183,0
Hollandia 
2,48
Japán
5,78
Franciaország
0,943
Afrika
17,8
Olaszország
0,074
Kína
134,3
Ausztria 
0,099
Ausztrália
50,0
Csehországés Szlovákia
9,23
KözelKelet
15,8
Magyarország
2,01

Atartalékok becslése nem könnyű, az egyes becslések között eltérések mutatkozhatnak.A módszerek a próbafúrások adataiból és a geológiai ismeretekből következtetnek.A pontosságot befolyásolhatja a becslésre fordított pénz, a politika, deobjektíven is minden ilyen módszernek van egy bizonytalansága. A várhatókészletre egy reális felső becslést adhatunk, ha számolunk azzal is, hogya jövőben új lelőhelyeket fedeznek fel. A Föld területe elég jól feltérképezett,ezért nagyságrendi változás nem várható. A várható készlet így 3-4 ezermilliárd TOE. 

6.4.Táblázat A világ olajtartalékainak bizonyított értékei az InternationalPetroleum Encyclopedia (1987) szerint. 


 
ország 
olajkészlet 

milliárdtonna 

finomítókapacitás

millió t/év

földgázkészlet 

milliárdTOE

Szovjetunió
10,1
475
22,36
KözelKelet
50,0
174
13,0
Japán
-
-
-
Kína
2,7
72
0,6
Afrika
8,1
76
5,0
Európa
3,7
1214
3,6
LatinAmerika
4,7
406
2,2
USA
4,8
829
5,2
Kanada
1,0
109
1,3

Nézzükmeg az USA vagy a volt Szovjetunió olajtartalékokkal rendelkező régiót,itt a (többi) európai országokhoz képest relatívan kisebb finomítási kapacitásmellett a tartalékok kb. 50 évig tudják a jelenlegi ütemet biztosítani.A Közel-Kelet tartalékai nagyobbak, de azok sem képesek a fejlődés üteménekbiztosítására. A legtovább tartó olajtartalékokkal Venezuela rendelkezika Maracaiboi öböl körül fekvő lelőhelyével, de ez az olaj sűrű típusú,nehezen finomítható. Néhány országban eredendően nincs fosszilis energiahordozó,de az adatok azt jelzik, hogy a világ olajkészletei néhány évtizeden belülkimerülnek. 

Ezentáblázatok adataiból világos, hogy míg a világ (1990-ben) vezető hatalmaia fosszilis energiatermelésre építhettek, addig néhány ország Japán, Kanada,Franciaország és a Latin Amerikai országok nem alapozhatják energiaellátásukatelsődlegesen a fosszilis tartalékokra. Ezek az országok alternatívakéntvizi- és atomerőművek építésével kompenzálthatják a kis fosszilis kapacitásukat.NézzükmegFranciaország és Kanada villamosenergia-termelésének(az energiatermelés közvetett felhasználású része, ami nagyrészt a lakosságenergiaigényeit szolgálja) összetételét 1990-ben: 


 
összesenergia
vizi-és atomenergia
azössztermelés százalékában
Franciaország
407kWh 
355kWh
87
Kanada
500kWh 
371kWh
74

Avilág összes villamosenergia-termelésében a vizi- és az atomenergia 34,7%-ottesz ki. Látható, hogy a nem fosszilis energiatermelő erőművek megjelenéseezekben az országokban a készleteik mennyiségével magyarázhatók. Továbbiországokban, mint például Japánban, ahol szintén kis fosszilis készletektalálhatók, és olajtüzelésű villamosenergia-termelése nincs is, ennek megfelelőensok atomreaktor működik. A világ 5. és 6. legnagyobb teljesítményű atomreaktoraJapánban van. (Az első három Franciaországban és Kanadában található.)A latin-amerikai országok fosszilis készletekben szegény része a villamosenergiatermelést a vizierőművekkel próbálta megoldani. Ennek jellemzésére mutatjukbe a világ legnagyobb vizierőművei közül néhány dél-amerikai teljesítményét. 


 
1.Itiapu
Paraná
Brazília-Paraguay
12600MW
2.Guri
Caroni
Venezuela
10300MW
10.Tucurui 
Tocantins
Brazília
3960MW
12.Ilha Solteria 
Paraná
Brazília
3200MW

Összehasonlításképpena legnagyob észak amerikai vizierőmű (Grand Coulee, USA) teljesítménye6494 MW, a legnagyob szovjet (Szajan-Susenszki) 6400 MW teljesítményű.(Ezek az adatok az 1990-es állapotot mutatják. Forrás: Földrajzi Világatlasz,Kartográfia 1992.)

Avilág kőolajtermelése 1960-ban 1,05 milliárd tonna (Gt), 1970-ben 2,2 Gt,1987-ben 2,8 Gt és 1990-ben 3,1 Gt. Míg a 60-72 terjedő bő évtizedben atermelés duplázódásának ideje kb. 10 év volt, addigazóta20 év alatt nőtt a termelés a másfél szeresére. A kőolaj robbanásszerűkitermelése tehát már jó 20 éve megszakadt és mérsékelt fejődés tapasztalhatóezen a téren. Ha megnézzük a világtermelés terület eloszlását, mely szerint1987-ben az összes 2,8 Gt kőolajtermeléséhez az OPEC tagországok (főlegközel-keleti országok) 1,1 Gt-val járultak hozzá, és a készletek ezekena területeken a legnagyobbak érthetővé válik az 1972 körül kialakult olajárrobbanás,amely jelentős gazdasági tényezővé emelte az olajexportáló országokat.Azóta namcsak az olaj hordójának árát, de a kitermelés nagyságát is nemzetközimegegyezéseken határozzák el. A kőolaj szerepét támasztja alá, hogy a világlegjelentősebb monopóliumai közül többnek fő profilja a kőolaj.

Kérdés,hogy a Föld energiahordozó-tartalékai mennyi ideig képesek ezt a fejlődéstkiszolgálni? Ha a fosszilis készletek becsült adatait összevetjük a világtermelésmai értékeivel, és a kitermelés fejlődési ütemét az utóbbi évtizedeknekmegfelelően extrapoláljuk, akkor azt kapjuk, hogy a készletek egyes régiókbanhamarabb, máshol később kifogynak. Az olajszármazékok esetén hamarabb kella készlet kimerülésével számolni (20-30 év), mint a széntartalékok esetén(200-300 év). Ha összehasonlítjuk az 6.3. ábrát ezzel a becsléssel, akkorazt az eredményt kapjuk, hogy a kőolaj és a földgáz nagy arányú felhasználásanagyon gyorsan robbant be világunkba, mára a fejlődés lelassult, a kyotoicsúcsértekezlet alapján a termelés nemsokára visszaesik, és a következőszázad elején a tartalékok kifogynak. Az emberiség történetében az olajegy rövid, de hozzánk nagyon közelálló, száz éves periódust dominál csak.Bizonyított tény tehát, hogy unokáink hétköznapjait jelentősen meghatározzaés megváltoztatja majd a fosszilis energiaforrások kimerülése.

Afosszilis energiatermelés további problémái (a szennyezés és az üvegházhatás)

Ajelen fosszilis energiatermelésének 98%-át a szén és szénhidrogének égetésébőlkapjuk. Ezek ugyanazon kémiai alapfolyamatokat használják, a szén égését,ahol széndioxid is keletkezik. Az egyes energiahordozókat azonban nemcsaktiszta szén alkotja a legtöbb esetben. Azt elő kell készíteni, energiatermelésrealkalmassá kell tenni. Az egyes erőművi folyamatok emiatt speciális kémiaifolyamatokat használnak fel, és így az energiatermelés környezetszennyezésseljár. A kibocsátott szennyezések kémiai összetétele komplikált. Fontos összetevőáltalában a kén- és nitrogén-dioxid. Ezek a levegőnél nehezebb gázok alevegő minőségét rontják. Másik lényeges összetevő-csoportja a szennyezésekneka nehézfémek (arzén, ólom, kadmium, higany, urán stb.). Ezek toxikus anyagokaz élő szervezetbe jutva mérgezéseket okoznak. A földkéregben természetesmódon előfordulnak radioaktív elemek. A fosszilis erőforrások kibányászásakorazzal keveredve természetes, hogy radioaktív anyagot is kibányásznak. Ezekaz anyagok a feldolgozás során feldúsulnak, amikor az éghető anyagokatkivonják vagy elégnek, így a fosszilis alapú erőműveknek is van radioaktívkibocsátásuk. A fosszíliák másik árnyoldala az, hogy bányászatuk és szállításuknehéz. Az egyes szénhidrogének vegyipari szempontból sok értékes műveletrefelhasználhatók, túl értékesek ahhoz, hogy ,,csak'' hőt termeljenek belőlük.A szénégetés legnagyobb globális problémaköre a levegő széndioxid-tartalmánakmegnövekedése és ennek következményei a Föld globális rendszerére. 

Bővenvan tehát nyitott kérdés. A fosszilis tüzelőkhöz hozzászoktunk, átjárjáktársadalmunkat. Mindenezek ellenére mára világos, hogy más energiahordozókfejlesztése és alkalmazása elengedhetetlen. Ezek szerint a szént és a kőolajatmás energiahordozóval össze kell tudni hasonlítani. Ez nehéz és nagy körültekintéstigényel. Az energiahordozók összehasonlításának korrekt módszereaz, haa kitermeléstől a végső hulladékraktározásig,hulladék feldolgozásig minden folyamatot figyelembe veszünk. Ezekután azonos megtermelt energiaegységre vonatkoztatva kell összehasonlítania teljes folyamat hatásait.

Anyitott kérdések sorát kezdjük a kéndioxid problémával. 1000 MWe energiábólévente 20-30 kT kéndioxid kerül a légkörbe. Ez káros az emberi szervezetre,ha a tüdőbe kerül, és onnan a test további részeibe. Ekkora kibocsátásnakátlagosan25 áldozata van évente, és 60 ezer légzőszervi megbetegedést okoz. A társadalmaknakösszesen 12 millió US dollár káruk van az egészségügyi hatások miatt. Magyarországona kéndioxid kihullás átlagos értéke 2,5 g/m2/év.

EgyGWév energia előállításához körülbelül 3,5 millió tonna szenet kell elégetni.A szén bányászata során a kőzet többi anyagát is kibányásszák. Az szénelégetése során ezek feldúsulnak. A 3,5 millió tonna szén elégetése során5,25 tonna urán halmozódik fel. Ezek nagy részét felfogják a szűrők, deminden szénerőműnek van hamu kibocsátása! A hamuhoz tartozó urántartaloma szénerőművek radioaktív kibocsátása. Ez nem elhanyagolható tömeg, jónéhány kg tiszta urán 1 GWév-enként, ami sok TBq aktivitás. Ez a légkörbőlkihullik, és teríti az erőmű térségét, és észrevehetően emeli a területtermészetes radioaktív sugárzását..

Aszéndioxid-probléma. 1000 MWe energiatermelés évente 9 millió tonna széndioxidotjuttat a légkörbe. Az atmoszféra széndioxid-tartalma emiatt a természetesértékről elmozdult. Az iparosodás előtt a középkorban a levegő széndioxid-tartalma295±5ppmv (particle per million) volt. Ez napjainkban 320 ppmv körüli értékrenőtt meg. Ez 10%-os növekedés, már nem elhanyagolható hatás. A széndioxidterületi eloszlása olyan, hogy az egyenlítőtől az északi sarok felé nőa koncentráció. A déli féltekén általánosan kisebb a CO2 koncentrációmint az északin. Az időbeli változás azt mutatja, hogy mintegy 2 évvelkésve követi a déli félteke koncentrációja az északiét. A területi eloszlásegyik tényezője az, hogy a nagy kiterjedésű esőerdők az egyenlítő környékéntalálhatók. Az esőerdő nagy tömegű zöld levele fotoszintézis során a levegőszéndioxidját visszaalakítja szénné -amit beépít a szöveteibe -és oxigénmolekulává, ami a légkör oxigénháztartását kiegyenlíteni igyekszik.A széndioxid ilyen módon történő természetes lebontása endoterm folyamat,kell hozzá a külső energia, amit a napsugárzás szolgáltat. A széndioxidkoncentrációnak évszakos ingadozása is van. Tavasszal mindig nagyobb, ősszelmindig kisebb az éves átlagnál. Ez a növények zöldanyag-tartalmának szezonálisingadozása következtében zajlik így. Tavasszal, amikor a mérsékelt égövbenelkezdenek nyílni a növények, megindul a fotoszintézis, ami nyáron ériel a maximumát, a legtöbb levél ekkor virul. Az őszi lombhullatás idejénkezd visszaesni a levelek oxigéntermelése, ezért ilyenkor indul meg felfeléa széndioxid-tartalom, elhagyva a minimumát. Az évszakos trend a következőév tavaszán nem tér vissza az előző tavaszi koncentráció értékére, hanemazt meghaladja. Az éves átlag szépen araszol felfelé, évente kb. 1 ppmvnövekedés mellett. 1958 óta Hawaii szigetén folyamatosan monitorozzák alégköri széndioxidot. Ez a mérési pozíció azért alkalmas a légkör általánosszéndioxid-koncentrációjának jellemzésére, mert elegendően messze helyezkedikel mindenféle ipari területtől. A széndioxid-koncentráció itt a már kiegyenlítődöttátlagos szintet mutatja, nem egy adott ipari terület kibocsátására jellemző.Ezek a Hawaii-i mérések pontosan mutatják az évszakos változást, és azéves 1 ppmv-es növekedést. 

Alégkör széndioxid koncentrációjának fontos szerepe van a Föld felszínihőmérsékletének kialakításában. Mint azt a korábbi fejezetek során láttuk,a Föld energiaháztartása egyensúlyban van. Amennyi energiát nyel el a légköra napsugárzásból, annyi energiát sugároz ki a Föld felszíne elekromágnesessugárzás formájában. (A fekete-testek sugárzási törvényének megfelelően.)Az atmoszféra albedója (fényelnyelő képessége) 29%. Ha a napsugárzás mértértékének ennyi százalékát kellene kisugároznia a Földnek, akkor elég lenne,ha a felszíne -19°C-oslenne. Ez a fagyáspont alatti hőmérséklet lenne az egyensúlyi koncentráció.Ilyen körülmények között nehezen alakult volna ki az élet. A Föld hőmérsékletea megfigyelések szerint +15°C.A különbség oka a légkör fényelnyelő (általánosabban elektromágneses sugárzáselnyelő) képességének hullámhossz szerinti eloszlásában van. A láthatófény hullámhossztartománya 350 nm-től kb. 750 nm-ig terjed. A napsugárzásmajdnem teljesen követi ezt a tartományt, igaz a Napból jelentős UV-sugárzásis érkezik. A földi légkör a bejövő napsugárzás jelentős hullámhossz-tartományánakcsak 48%-ára átlátszó. A Föld által visszasugárzott hullámok azonban máshullámhossz szerinti eloszlást követnek, mint a bejövő napsugárzásé. Ahidegebb Föld hosszabb hullámhosszú sugárzást bocsát ki (ver vissza), döntőenvannak benne infravörös sugarak is. Ezek az infravörös sugarak azonbanelnyelődnek a légkör egyes molekuláin, ilyenek például a széndioxid, ózon(O3) és vízgőz molekuláin, miközben azokat rezgésre vagy forgásrakényszerítik. Az említett három molekula három különböző frekvencián (ígyhullámhosszon) nyeli el a sugárzást, ezek számszerűen 1013 Hzegységekben: CO2 1,8; ózon 3,1; vízgőz 4,0. A sugárzás energiája,ami elektromágneses energia, tehát átalakul mozgási energiává. Külön-különmolekulánként, tehát rendezetlen módon, azaz a légkör belső energiáját,így hőmérsékletét növeli. Ezen infravörös elnyelés miatt a kisugárzottenergiának csak a 20%-át engedi ki a légkör, a többi az említett módonbennmarad, és felmelegíti a légkört az ember számára optimális 15°C-ra.Ezt az effektust hívjuk üvegházhatásnak, mert teljesen hasonló történika fedett üvegházakban, ott a légkört az üvegtető, vagy fólia helyettesíti.Azt mindenképpen látjuk, hogy a széndioxid koncentráció a légkörben szorosösszefüggésben van a Föld átlaghőmérsékletével. Ezt az állítást mindenfélelégköri modell nélkül a geológiai mérési eredmények is alátámasztják ezeréves kőzetek vizsgálata nyomán.Ugyanígya légköri vízgőz (átlagos páratartalom) is fontos, ami szintén az átlaghőmérséklettelvan összefüggésben, ugyanis ettől függ, hogy az óceánok milyen gyorsanpárolognak. Az egyensúlyi vízgőz nyomása hőmérsékletfüggő, nagyobb hőmérsékleten,nagyobb, azaz több vízgőz kerül a levegőbe. Ettől azonban megnő az infravöröselnyelés és megváltozhat a teljes légkör fényvisszaverő képessége is. Eza két effektus versenyez, és nem lehet pontosan megjósolni, hogy a légkördinamikus rendszerében melyik hol diadalmaskodik. A három említett molekulátüvegház-gázoknak hívjuk. Vannak még nem említett üvegház gázok. Ilyen ametán, a nitrogén oxidok és a klorofluorokarbon (CFC) is. Ez utóbbi kettőinfravörös elnyelési képessége néhányszor meghaladja a széndioxidét, ezértnagyobb kárt képesek okozni. Az üvegház-gázok koncentrációja egyöntetűennövekszik a légkörben. A széndioxid említett 0,4%-os növekedése melletta metán 1,2%-kal a CFC pedig évi 1-6%-kal nő a légkörben. Földünk légkörekényes egyensúlyban van. Természetesen most egyszerűsített modellt vázoltunk.A légkörnek nagyon fontos a dinamikai viselkedése, a szelek, a hőmérsékletterületi eloszlása lényeges. Ezeket most nem részletezzük. A vízgőz megfelelőfigyelembe vételéhez a felhők elhelyezkedése is fontos. Ezen sok paramétertényleg komplexé teszi a problémát. Azonban abban az összes modell egybehangzókövetkeztetéssel szolgál, hogy a légköri széndioxid kétszereződése 2-3°Cátlaghőmérséklet növekedést jelent. Ennek aztán a civilizációra nézve isalapvető konzekvenciái vannak. A Földön a víz jelentős része ugyanis jégtakaróformájában található meg, ezek egy része elolvadhat, ezzel a tengerszintemelkedése jár együtt. Ennek egyik kikötővárosban sem örülnek, pedig ilyenvárosok előszeretettel alakultak ki és virágoznak napjainkban is. 

AFöld átlaghőmérsékletének szisztematikus évtizedeken át tartó növekedésétglobális felmelegedésnek nevezzük. Természetesen az átlaghőmérséklet évszázadosátlaga a geológiai korok során sokat változott -gondoljunk csak a jégkorszakokra -lehűlést felmelegedés követett és fordítva, ahogy a Föld légkörének ésegyéb komplex eseményeinek a sora azt meghatározta. A World MeteorologicalOrganization (WMO) 836-os kiadványában azonban pontosan lehet évről évrekövetni a Föld mért átlaghőmérsékletét. Az adatok azt mutatják, hogy 1865-1905-igkb. állandó érték körül ingadozott az átlag, addig az 1910-es évek ótafolyamatosan nő az átlaghőmérséklet. 1905-óta kb. 0,5-0,7°C-ot.Természetesen a növekedésnek vannak fluktuációi, egy-egy kicsit magasabbés alacsonyabb év is adódott. A globális melegedés okaként az infravörös-elnyelőgázok növekedését támasztja alá az a meteorológiai tény, hogy amíg a sztratoszférahőmérséklete nő, addig a felette elhelyezkedő troposzféra hőmérsékletecsökken. Oda már nem jut el ugyanis a Föld által kibocsátott sugárzás.A globális felmelegedés ténye mellett hangsúlyt kell fordítani az éghajlatváltozásrais. A felmelegedés ténye mellett elképzelhető, hogy egyes területek elsivatagosodnak,miközben egyes területeken megnövekszik a csapadék, szokatlan nagy árvizekkeletkeznek, tengeráramlások hatása megváltoztatja egyes régiók szokásosmeteorológiai viszonyait. A globális felmelegedés egyik, de fontos tényezőjeFöldünk éghajlatváltozásának. Az egyes országok kormányai felismervén aprobléma súlyát a széndioxid kibocsátás növekedésének csökkentését fogadtákel a kyotoi csúcsértekezleten. Ahhoz, hogy a széndioxid-kibocsátás stabilizálódjona XXI. század közepéig kb. 2000 fosszilis energiahordozóval működő erőművetkellene leállítani és más módon megoldani ezt az energiakiesést (közelegy erőmű hetente). A megoldás három elvi iránya: a) más energiafajta üzembeállítása a fosszilis tüzelő helyett, b) energiatakarékosság adott életszínvonalmellett, c) életszínvonalesés. 

Aza) esetre gondolva megadjuk a napjainkban legjelentősebb energiahordozókfelhasználásával megtermelt 1 GWh energia során kibocsátott széndioxidmennyiségét tonna egységekben (a Nuclear Issues 1995. januári számábanközöltek alapján.).
 
víz:4 tonna,
szél:7 tonna,
Atom:8 tonna,
gáz:500tonna
olaj:750t
szén:870 t

6.1.4.Az energiatakarékosság, egy alternatíva az energiaszolgáltatáshoz 

Láttuk,hogy századunk olajra és más fosszilis energiahordozóra épülő társadalmamilyen komoly kérdéseket vet fel. Ha a jövőre is gondolunk, saját természeteskörnyezetünkre is gondolunk, akkor a fosszilis tüzelők térhódítása nemtartható irány. Egyik megoldási lehetőség az energiatakarékosság, a másikúj energiaforrások keresése. A fosszilis tüzelő mellett a következő energiatermelésialternatívák léteznek napjainkban. Az egyik a megújuló energiaforrásokköre, melybe bele tartozik a napenergia közvetlen napelemes felhasználása,a napenergia közvetett felhasználása a szél- és vizierőművekben, valaminta geotermikus energia. Ezen kívül a másik módszer a nukleáris energia felhasználása.Ennek két része van. A hasadásos erőművek technikája egy már kidolgozottjól működő, de számos vitatott szemponttal rendelkező energiatermelésimód. A másik a technológiailag még nem beérett fúziós energiatermelés.Mindegyik alternatív mód elvi fizikai, gazdasági és politikai kérdéseksorát veti fel. Először az energiatakarékosság lehetőségeit járjuk körbeebben a fejezetben, majd az alternatív energiaforrásokat ismerhetjük mega következő fejezetben. 

Azenergiaválság

Azenergia felhasználásának tendenciáit és környezetszennyező hatásainak fontosságátaz 1970-es évek elején ismerték fel először. Ekkor vált széles körben ismertté,hogy az energiafogyasztásunk fejlődését az energiaforrások nem tudják követni,a készletek ki fognak merülni. Az érdeklődők számára világossá vált, hogyaz energiafogyasztás szerkezete és a termelés lehetőségei belátható időalatt feloldhatatlan ellentmondásba kerülnek. Ezekben az években vetődöttfel az a következtetés, hogy az energiahiány miatti összeomlás előbb-utóbbelkerülhetetlen. Ezek az ellentmondások jellemezték a kor ,,energiapánik''köré csoportosuló gondolatait. 

Akatasztrófajóslatok nem váltak be, de mára ténnyé szilárdultak ipari társadalmunkkörnyezetromboló hatásai. Ezen hatások felismerése a döntő ahhoz, hogykezelni tudjuk a kérdéskört, és az említett hasonlattal élve ,,ne gyújtsukmagunkra az erdőt''.

Azenergiaválság problémájából az említett három út vezethet ki. Az alacsonyenergiaszolgáltatásútársadalom nem lehet ütőképes alternatíva több szempontból sem. Egyrészta mindennapi élet számos eleme össze van kapcsolva a megszokott energiaszolgáltatással,ennek hiánya társadalmi konfliktusokhoz vezethet. Az új energiaforrásokkeresése nagyon fontos feladat, de csak a jövőben kamatoztatható. A kutatásokadhatják meg a jövő megoldásának mai alapjait. Jelen társadalmunkban aleginkább kivitelezhető út az energiatakarékosság. Azonos energiaszolgáltatástkevesebb energiafelhasználással is el lehet érni. 

Atársadalom energiaigénye több részből tevődik össze: 

energiaigény= energiaszolgáltatás/fő ´energia/szolgáltatás ´népesség létszáma. (6.1)

Anépesség létszáma a fejlett országokban stabil. Inkább kismértékű fogyásjellemző, mint a nagyarányú szaporodás, ami a fejlődő országok jellemzőtulajdonsága. Az adott szolgáltatáshoz szükséges energia a technikai fejlettségfokmérője. A lakosonként elfogyaszott energiát a társadalmi szokások ésa lehetőségek határozzák meg, ezt a szociális haladás jellemzi. A takarékosságkét részből tevődhet össze. Egyrészt megcélozzuk a nagyobb hatásfokú technológiákfejlesztését, üzembeállítását. A korábbi pazarló technológiákat lecseréljük.A másik oldalról a személyenkénti energiafogyasztást is korlátozhatjukjobb hatásfokú gépek használatával, a hulladékok újrafelhasználásával,a felesleges energiafelhasználás elkerülésével. A technikai és emberi oldalegymást kiegészítve tud jó eredményt elérni csak. 

Ajövő társadalmának mélyreható társadalmi, politikai, kulturális változásokatkell végrehajtania. Ezeknek egyik alappillére az hiteles és helyes információkörnyezetünk állapotáról. Nagy probléma, hogy a már felépített és kialakultkörnyezetre ártalmas rendszer átalakítása óriási beruházásokat igényel,és közgazdasági változásokat tesz szükségessé. Ezen változások melletta technikai színvonal emelése a legfontosabb összetevő a megoldás felé.Mindezeket optimálisan betartva a világ energiafelhasználása kis mértékbencsökkenhet. 

Azenergiatakarékosság lehetőségei

Azenergiatakarékosságnak technikai oldalról sok lehetősége van. Tekintsükát az energia hasznosulásának folyamatát az energiaforrástól a végfelhasználóig.Legyen 100% az az energia ami a kibányászott nyersanyagban átalakítás előttvan. Például vegyük egy tonna olaj fűtőértékét 100%-nak. Az olaj elégetésesorán egy hőerőműben (például) gőzt melegítünk fel, és a gőz turbinákathajt meg, ami elektromos áramot termel. A kémiai energia átalakul villamosenergiává. Az átalakulás során a befektetett energia 30%-a átlagosan elveszik.Ez a hő hasztalanul a környezet levegőjét melegíti. (Ez nem okoz meteorológiailagjelentős felmelegedést!) A megmaradt 70% energia elektromos formában azutánel kell hogy jusson a fogyasztókig távvezetékek rendszerén keresztül. Másesetben a megtermelt forró gőzt is el lehet vezetni rövid távon a fűtendőlakásokig. Egy azonos hatás van, az energia egy része útközben disszipálódikés felhasználásra alkalmatlan formába alakul át. A fogyasztóknál megjelenőfelhasználható villamos energia az eredetinek csupán 63%-a. Ennek az energiánakis csak kb. az 50%-a, azaz az eredeti 30%-a használható a kívánt formábana kívánt berendezésben fel. Ezután még meg kell vizsgálni, hogy a berendezésbenaz eredetileg kívánt szolgáltatás mekkora energiát igényelt, és mekkoravolt a berendezés egyéb működtetési energiaigénye, ami nem közvetlenüla célt szolgálta. Az átlagot vizsgálva a felhasznált gépekben ez rendkívülalacsony, csak 20%. Így az eredeti 1 tonna olaj fűtőértékének pusztán 6%-afordítódott a cél-szolgáltatásra. Ennek a sok momentumból fakadó veszteségneka csökkentése reális feladat. Természetesen a cél nem 80-90%-os energiaátalakítás,hanem a jelenlegi 6% két háromszorosa, azaz 13-15% már lényeges eredménylenne. 

Nézzükmeg az egyes lépéseket. Az energiaforrásban tárolt energia átalakításánakhatásfokát a modernebb, nagyobb hatásfokú erőművek bevezetésével lehetmegoldani. A kémiai vagy nukleáris energia felszabadulását újfajta szerkezetekkelés körülmények között kellene villamos energiává alakítani az erőművekfejlesztéséhez. Az energiaigény másik nagy része nem konvertálódik villamosenergiává. Az autók, repülők közvetlenül használják fel a szénhidrogéneket.A háztartások fűtésére szolgáló gáz is közvetlenül a felhasználónál alakulhővé. Ezen esetekben egy jobb hatásfokú modernebb (esetleg hőtároló képességű,szabályozható) kályha, a kívánt hatást: a szoba melegen tartását kevesebbolajekvivalens tonna felhasználásával is el tudja érni. Ezek mégis drágábbakés az árukat a piaci viszonyok is befolyásolják. Hogy a háztartásban milyentűzhelyet, kályhát használunk a szociális viszonyoktól is függ. Ez a példais illusztrálja, hogy az energiakérdés megoldása mennyire komplex probléma.Minden energiaforma felhasználása esetén a második lépés az energia elszállításaa fogyasztókhoz. Még ha egy nagy teljesítményű erőmű egy kisebb energiaigényűgyárnak juttatja az energiát, akkor is jelentős kérdés a szállítás soránelveszett energia. Ezt a gyár mint fogyasztó meg kell, hogy fizesse azenergiatermelő egységnek, és ezáltal az ő általa termelt áru (például péküzemnéla kenyér) árába ez bele lesz építve. A hatékonyabb energiaszállítás a takarékosságmásodik lépése. A jelenleg használatos energiaszállítási módokra példák:villamos hálózat, gázvezeték országok között, olajvezeték, tartálykocsi,tartályhajó stb. Érdekes példa a szállítási veszteség leküzdésére a lokálisenergiatermelő egységek esete. Például egy napelem a fogyasztó egységhezközvetlen közel elhelyezhető, a méretet inkább a napelem nagy kiterjedésenöveli. A lokális energiatermelés egy megoldás, de láttuk a 100%-nak viszonylagkis része (7%) vész itt el, ezért ezzel áll összhangban a fejlesztés jelentőségeis. 

Avégfelhasználóhoz (gyárhoz, háztartáshoz) kerülő energia kb. fele nem használhatófel. A mikrohullámúsütőben a hullámtérbeleadott energia mellett, a mikrohullámokat keltő áramkörök is vesznek felenergiát, minden elektromos gép felvesz olyan energiát amelyet nem a célnakmegfelelően hasznosít. A váltakozó árammal meghajtott berendezésekben fizikaioka van a felhasználható energia csökkenésének. Az egyes gépek szerkezetébőlis mindig adódik egyfajta energiafelhasználásbeli csökkenés. A következőlépés az, hogy az energia nem direktben a megcélzott tevékenységre fordítódik.Legyen egy példa most egy bútorgyár esete. A bútorok összeállításához szükségesfalemezeket fűrész és egyéb megmunkáló gépekkel állítják elő. Ezek melegednek,hűtésükhöz járulékos energia kell. Másik nagyon fontos útja az energiaelvesztésének az, ha melléktermék keletkezik. Ezeket a melléktermékeketa gyártási láncban minél jobban fel kell használni. A melléktermék környezetszennyezőlehet, ekkor külön energiákat igényel a feldolgozásuk. 

Egyesfogyasztói tevékenységek során az iparilag előállított termékeknek nemhasználjuk fel a bennük rejlő energiát. A szolgáltatás során a termék nemfeltétlenül semmisül meg, mindig vannak termelési és felhasználási hulladékok.Jó példa a papír esete.Maga a terméka felhasználás (például újság nyomtatása) után hulladékká válik, pedigbenne más papírok termelésének alapanyaga rejlik. Ez mutatja, hogy a végfelhasználássorán nem is akarjuk mindig az összes lehetséges energiát a rendszerbőlkivenni. Ilyenkor a hulladék újrafelhasználása jelentős megtakarításokatadhat. Figyeljül meg ebben a lépésben 30%-ról 6%-ra esett az átlagos célirányosenergiafelhasználás, és ez csak 20%-os hatásfok. Az újrafelhasználáskornem kell technológiát módosítani, csak kiegészíteni, ezért a nehézkes iparitermelésbe könnyebben illesztehető változást jelent. A világon a fejletttársadalmakban az újrafelhasználás mára már elterjedt tevékenység. Az újpapír előállítása átlagosan 18 MJ energiát igényel kg-onként. (Természetesenez papíronként változó, ezért itt átlagértékekkel dolgozunk.) Ha a papírtmár felhasznált hulladékpapírból újraprocesszálással készítjük, akkor ezaz energiaigény 5 MJ-kg-ra esik, azaz közel 36%-ra csökken a befektetettenergia. Másik nagyon gyakori példa az acél. 1 kg acél előállításához szükséges25-50 MJ energiához képest az újrahasznosított acél energiaigénye csakkb. 20 MJ. Az alumínium előállítása rendkívül energiaigényes folyamat.A bauxit bányászata, feldolgozása után az alumíniumot elekrolízissel állítjákelő az alumínium-oxidból. Nagy áramerősségek kellenek a nagy tömegek előállításához.Az alumínium energiaigénye 220-230 MJ/kg. Ellentétben az újrafelhasználtalumínium esetén nem kell bányászni, elektrolizálni. Az alapanyag nagyszázalékban tartalmaz fémalumíniumot. Az ilyen alumínium energiaigényecsupán 5 MJ/kg! A hétköznapokban leginkább elterjedt az üvegpalackok visszaváltásánakgyakorlata. Az egyszer használatos palackok előállítása 5,5 MJ az italliterjére vonatkoztatva átlagosan, míg visszaváltott üvegekkel 0,5 MJ/literenergiaigény adódik csak. 

Azegységnyi termékhez tartozó energiaigény 1960 és 1990 között 50%-kal csökkent,de még mindig sok tartalék van a takarékosságban. 

Avégfelhasználás egyik legelterjedtebb esete a világítás. Napjainkban márel sem tudjuk képzelniéletünketa megszokott világítás nélkül. Az utak mellett egész éjszaka, a lakásokbanaz este nagy részében állandóan működik a világítás. Közterületeken, épületekbena társadalom számára már elengedhetetlen ez az energiafelhasználás. A hagyományosizzók 100 W teljesítmény esetén adtak le adott fényerősséget, és 60 pénzegységbekerültek, élettartamuk 1000 óra. Az új technikailag fejlesztett izzó ezzelszemben 15 W teljesítményt fogyaszt csak, de 2000 egységbe kerül, és élettartama8000 óra.. Az új izzó élete során 120 kWh energiát igényelt, 6 pénzegység/kWhenergiaáron számolva ez a felhasználónak 2000 + 720 egységbe kerül. Ugyanennyivilágításért a hagyományos izzóval 800 kWh energiát használunk fel (majdnem7-szeres energiaigény), ami összesen 480 + 4800 pénzegységet visz el. Ebbenaz esetben egyértelműen látszik, az izzóba beépített kutatás, szellemitőke megtérül. A magasnak látszó 2000 egységnyi ár gazdaságos és egybenenergiatakarékos megoldás is egyben. 

Továbbitakarékossági lehetőségek is vannak a világításban. A fluoreszcens világítótestekkis fogyasztást tesznek lehetővé. 18 W teljesítményű világítótest felelmeg egy 75 W-os körtének. Az izzók és világító testek felhasználását islehet hatékonyabbá tenni. A fény irányát meg lehet adni irányító reflektorokalkalmazása esetén, így a nem kívánt irányban nem világít a körte. A térszögszűkítése a takarékosság egyik formája. A világítási idő a másik olyanmomentum, amely intelligens érzékelő eszközökkel, így technikai fejlesztésekkel,energiatakarékosságot eredményez. Folyosók világítása például csak akkorszükséges, ha valami mozgás van a folyosón (például). Ezért megfelelő mozgásérzékelőketalkalmazva az esti, éjjeli órákban az idő nagy részében jelentősen kisebbintenzitással világító biztonsági fény üzemelhet. Míg ha valaki arra jár,rövid időre bekapcsol a teljes intenzitás. Ilyen fejlesztéseknél az egyikszempont az energiamegtakarítás, a másik a gazdaságosság, a beruházás megterülésiideje. A nehézséget az jelenti, hogy az energiaigény csökkentése nem feltétlenüljelenti az olcsóságot is. 

Afosszilis energiahordozók az egyik kulcskérdés az energiaproblémában. Nézzükmeg a mindennapok során a lakosság figyelmének előterében lévő közlekedésrendszerint (de nem mindig) fosszilis eredetű energiaigényét. 


 
kJ/utas×km
autó(1 fő, utas nélkül)
3600
dieselvonat
1570
elektromosvonat
1730
repülő
5000
autóbusz
740
villamos
1000
elektromosautó
216

Akorunkban annyira elterjedt személygépkocsi nagy fosszilis enrgiaigényű,míg az elektromos autó hatékonyabb tudna lenni. Sajnos azonban a techikaifejlettség még nem tart ott, hogy az elektromos autók a hétköznapi forgalombakerüljenek. Látható, hogy a mobilitást forradalmian megújító légiközlekedésenergiaigénye nagy. Ez főként a felhasznált üzemanyag feldolgozása miattilyen nagy. 

Azenergiatakarékosságban nagy lehetőségek vannak. Ennek megbecsülésére összekell hasonlítanunk a napjainkban megszokott átlagos energiafelhasználást,az új modellek átlagával, valamint a legjobb modellel és a legjobb prototípussal.Ez utóbbi két kategória a piacon nem élhet meg, egyedi előállításuk miattnagyon drágák, de jól jellemzik a fejlődés következő, vagy következő utániállapotát. Az alábbi táblázatban az USA 1988-as energiafelhasználásra jellemzőadatait közöljük. 


 
gépkocsi

l/100km

fűtés

kJ/m2/nap

hűtőszekrény

kWh/nap

légkondicionáló

kWh/nap

1988-asátlag
13
190
4
10
újmodellek átlaga
8,7
110
3
7
legjobbmodell 
4,7
68
2
5
legjobbprototípus
3
11
1
3

Azautók fogyasztása lényeges vonása az energiafelhasználásnak. A személygépkocsikfogyasztása már napjainkban reálisan 5-6 liter/100 km-es szinten van. Azipar igénye azonban nagyobb volumenű a teherautók szállítási feladataimiatt, ezért az energiafelhasználás szempontjából a teherautók (buszok)fogyasztását kell csökkenteni. A fűtés (lakások és irodák) az egyik leginkábbcsökkenthető energiaigény a táblázat szerint. Több mint 10-szeres takarékosságotlehet megvalósítani ezen a téren. 

Atársadalom egyik legmeghatározóbb igénye, ami életünket alapvetően megváltoztatójavulást hozott, a hőmérséklet időjárástól független állandó értéken tartásaa lakásokban, munkahelyeken. Ez két dolgot igényel télen fűtést, nyáronhűtést. A fűtés már évszázadok óta az emberi kultúra része, ezért lényegesa belső terek fűtésének energiafelhasználását takarékosabbá tenni. A táblázatbanlátható, hogy 1 m2 átlagos szoba 1 napi fűtéséhez éves átlagban190 kJ energia szükséges. A korábbi évszázadokkal ezelőtti színvonalataz épületek anyaga, az ablakok technikája és a használt energiahordozó(a fa) határozta meg. Napjainkban a színvonal sokkal magasabban van a fejlettországokban. Érdekes módon sok fejlődő országnak ez nem jelent olyan nagyproblémát az éghajlati viszonyaik miatt. A komforthőmérséklet fenntartásáhozaz év nagyobb részében fűtésre van szükség, az év kisebb részében (a mérsékeltégövben) hűtés is előnyös. Az USA átlaghőmérsékleti viszonyai például olyanok,hogy a nyári hónapokban sok helyen elviselhetetlen meleg van, munkahelyikörnyezetnek nem igazán felel ez meg. Így érthető, hogy itt terjedt elleginkább a légkondicionáló berendezések lakossági felhasználása. Természetesengyárakban,vállalatoknál a technika,technológia is megkövetelheti a hűtést. A légkondicionáló berendezésekhasználata során is egy hármas fakort lehet javítani a szolgáltatásra jutóenergiafelhasználáson. Ezek a technikai, technológiai fejlesztések a fejezetelején az 6.1. egyenlet jobb oldalának második tagjába tartoznak bele. 

Atérfűtés fejlődésének és mind inkább hatékonyabbá válásának áttekintésesorán nézzük meg egy 150 m2-es lakás energiaigényét egy év alattolaj-literekbe átszámolva. Számoljuk mindig azt az energiát, ami a lakás20°C-ontartásához szükséges. Ha a ház ablakokkal szellőzik és nincs szigetelveakkor 8000 liter olajekvivalens energiát igényel évente. A fűtési és szellőztetésitapasztalatokból tanulva óránkénti rövid szellőztetéssel 6000 literre csökkenthetőaz igény. Még jobban növelhető a takarékosság, ha szellemi tőkét, munkátés energiát fektetünk be. A házat jól leszigetelve modern építési technológiáthasználva, a szigetelő anyagokat kifejlesztve, a szellőztetést érzékelőksegítségével számítógéppel vezérelve, modern nyílászárók használatával(kettős üveg vagy termoüveg, jó légzárás) az energiaigény 2000 literreszorítható. Ez ismét csak hosszabb idő alatt megtérülő befektetés, de globálisszemszögből nézve a Föld energiaproblémájára már rövid idő múlva hatékony.A belső cirkulációval megoldott szellőztetésnek van egy környezeti előnytelenoldala is. Ez a radon-probléma. A földkéregben mindenhol természetes módonmegtalálható urán bomlási sorában keletkező radioaktív nemesgáz a radon(3.2.4. alfejezet). Ez kb. 4 nap felezési idejű elem, és diffúzióval, áramlássaleljuthat a lakóterekbe. Gyenge szellőztetés esetén felhalmozódhat a házakban.A ház egyes szobáiban nagyon eltérő mennyiségű a radonfelhalmozódás. Apincében mindig nagyobb a radonkoncentráció, hiszen a radon egy nagy tömegszámúnemesgáz, könnyen ülepedik. A radon belélegezve a tüdőbe jutva ott elbomolhat,és így a tüdő szöveteit roncsolhatja. A természetes eredetű sugárterhelésünkfontos részét alkotja a radonból származó rész, ezért a fűtési rendszerekfigyelembe veszik a radon szellőztetését, és természetesen a beltéri radonkoncentrációnakvan egy elfogadott felső határa, ami felett gépészetileg, vagy építészetilegkell reagálni a problémára. Mindezek miatt az igazán jó térfűtés a jólizolált házakban valósítható meg, szabályozott hőcserérővel és napenergiasegítségével. Ilyen prototípus házak már működnek 300 liter/év olajekvivalensenergiafelhasználással.

AzUSA-ban a térfűtéshez használt energia változása az utóbbi 3 évben aztmutatja, hogy a lakások energiaellátása egyenletesen csökken. Ha az 1960-asátlagot vesszük 100%-nak, akkor ma vagyunk kb. 50%-nál és a mai technológiaiismereteink szerint legoptimálisabbra épített házak elterjedése eseténelérhető a 25%. Más a helyzet az irodaépületek fűtése esetén. Ezek energiafelhasználásaa 60-as évektől egyenletesen nőtt az olajárrobbanásig. 1973-ban a gazdaságiérdekek (olajárrobbanás miatti) alapján elindult az irodák fűtési energiafelhasználásánakcsökkenése, és azóta a lakásokéval hasonló ütemben csökken. Az új irodaépületekfűtési energiaigénye 20-22% az előző egységben. A fűtési energiafelhasználáslegoptimálisabban megépített nagyon jól szigetelt házakban az 1960-as átlaglakóház15%-aalá tud esni. 

Összefoglalvaaz energiakérdés megoldásának több összetevője is megvalósult már napjainkban,és az új kifejlesztett modellek alapján remény van jelentős energiaigénycsökkenésre a befektetett szellemi tőkéért cserébe:

-a hatékonyabb felhasználást az energia és anyagtakarékos viselkedésre váltásteszi lehetővé

-a termékek technológiai fejlesztések révén hosszabb élettartamúak, jobbminőség, kevesebb kopás, kisebb korrózió, 

-az újrafelhasználás rendkívül sok energiát tud megtakarítani egyes területeken,ahol így az alapanyagok drága előállítása sokkal olcsóbbá válik, kevesebbhulladék marad

-egyes anyagfajtákat új modernebb, jobb tulajdonságú, kisebb energiaigényűanyagokkal lehet helyettesíteni

-a térfűtés energiaigénye az 1/2-ed részére csökkenthet az eddigi tapasztalatokés az új fejlesztések alapján

-a közlekedés energiaigénye 1/10-részére csökkenhet új technológiák alkalmazásával

-az elektromos rendszerek energiafelhasználása kb. 1/5-részére csökkenhet

-az energetikai rendszerek optimális csatolásával (összehangolásával) újabb2-es faktor csökkenés érhető el. 

6.1.5.Az energiatermelés nem fosszilis biztosítása, ezek környezeti hatásai. 

Afosszilis erőforrások kémiai formában tárolják az évmilliók alatt a növényekáltal beépített napsugárzási energiát. A geológiai időtávlatok ezen termékétegy két rövid évszázad alatt felemésztjük. A fosszilis energia uralja ajelenlegi energiafelhasználást, az ezen kívüli energiahordozókat nevezzükalternatív energiának. A fosszilis energiahordozók tárgyalása során kiderült,hogy egyrészt a készletek kimerülése miatt a jövő energiatermelésének szükségevan más energiaforrásokra, másrészt a fosszilis energiatermelés környezetihatásai jelentősen szennyezik környezetünket és ezen belül befolyásoljáka földi légkör jelenlegi globális állapotát. 

Azalternatív energiahordozók a napenergia direkt és indirekt felhasználása,a geotermikus energia, a nukleáris energia és az árapály energia. A napenergiadirekt felhasználása a napsugárzás energiáját napelemekkel alakítja másodlagosenergiahordozóvá. A nem direkt napenergia alatt értjük 

-a vizierőművekben felhasznált energiát, mert a vizet a tengerekből a napsugárzáspárologtatja el a magasba, ahonnan csapadék formájában leesve helyzetienergiára tesz szert, 

-a szélerőművekben felhasznált energiát, ami a légkör hely szerint különbözőmértékű felmelegedése után létrejövő nyomáskülönbség hatására kialakulószél rendezett mozgási energiáját használja fel, 

-a meteorológiai folyamatokban jelentős energiák mozognak, ennek egyik fajtájaa hullámenergia, ami a tengerek hullámzásának mozgási energiáját használjafel, 

-a biotömegben tárolt energia is a napsugárzás segítségével alakul ki, abiotömegből alakulhatnak ki geológiai idők alatt a szénhidrogének, de ezekneka ,,friss" formája is felhasználható, ha kisebb intenzitással is. 

Adirekt és indirekt napenergia, mint energiaforrás egyik nagy hátránya,hogy nem koncentrált. Sok szélerőmű turbinát kell telepíteni, nagy felületűnapelemeket kell megfelelően elhelyezni és tisztán tartani ahhoz, hogyaz átlagos erőművi teljesítményt elérjék. A vizierőművek képesek nagy teljesítményleadására, de ha beleszámítjuk a felduzzasztott víz által elfoglalt területet,akkor ezzel együtt ezek sem koncentrálhatók kis helyre. Ráadásul a felduzzasztottvíz okozta természetes környezetváltozás is számottevő. Az árapály energiával(nem napsugárzásból származik) működő vizierőmű ez utóbbi előnytelen hatássalnem rendelkezik. 

Anukleáris erőművek sokkal koncentráltabbak bármilyen más erőműnél. Területilegis lokalizáltak, és az általuk felhasznált fűtőanyag tömege is sokkal kisebbmint például a szénerőművek esetén (azonos energia kitermelésére vonatkoztatva).Ennek fizikai oka van, az, hogy az égetéssel a kémiai energiát szabadítjukfel, míg a nukleáris reaktorban a sokkal intenzívebb magerők energiájaszabadul fel (mint azt a 6.1.1. alfejezetben láttuk). 

Azalternatív energiaforrások felhasználása is sok problémát vet fel. Többesetben az elvi megvalósítás kérdése sem megoldott még. Ilyenek a geotermikuserőművek, árapály-erőmű, nagyteljesítményű energetikai naperőmű (direktnapenergia), fúziós erőmű. Egyedül a vizierőművek és az atomerőművek működneksok éve kidolgozott technikai és technológiai feltételek mellett. A másikprobléma az, hogy az új technológiák felvételére csak erősebb nemzetgazdasággalrendelkező országok képesek. Új technológiák kikísérletezésére pedig csaka legfejlettebb országok, vagy nemzetközi együttműködések alkalmasak. 

Ezenfejezetben röviden végignézzük az alternatív energiatermelési módok fizikaiés technikai alapjait. Arra a kérdésre próbálunk választ keresni, hogymelyik energiaforrás lehet a fosszilis energiákat helyettesítő energiaforrása növekvő gyakorlati energetikai alkalmazások során. 

Anapenergia direkt felhasználása (napelemek)

Anapenergia direkt felhasználása elvileg biztosan megvalósítható technika.Napjainkban már kifejlesztett napelemek segítségével alakítjuk át a napsugárzásenergiáját elektromos energiává. A napelemek félvezető lapok, melyekbennapsugárzás hatására elektromos áram indul el. Egyre nagyobb felületű lapotalkalmazva egyre nagyobb áramot indukál egy adott intenzitású napsugárzás.A napelem működésének alapja a napelem kristályának szerkezetében rejlik.A napelem anyaga félvezető egykristály kell legyen. 

Azenergia átalakulása során a Napból érkező látható fénysugárzás kölcsönhatásbalép a kristály elektronjaival. A fény-elektron kölcsönhatást az atomfizikaikutatásokból ismerjük. Ilyenkor a napsugárzás modellezhető az ún. fotonképpel,melyben a napsugárzást kis energiaegységeknek képzeljük el. Egy energiaegységnagysága arányos a fény frekvenciájával, tehát a kék fény energiaadagjanem ugyanakkora, mint a vörös fényé. A napelemben a lényeges effektus afotoeffektus. Ilyenkor egy fénykvantum -afoton -nekiütközik egy elektronnak és teljes energiáját átadja neki, és a fotonmegsemmisül. Ezen energia birtokában az elektron a korábban vezetésre nemképes kristályban mozgásképessé válik, feszültség indukálódik a lapon ésmegindul az áram. Az energia forrása tehát a sugárzási energia, az átadásifolyamat a fotoeffektus. Honnan származik a napsugárzás energiája, amiMagyarországona felszínre átlagosan 170 W teljesítményt szállít m2-ként? Azenergia eredeti forrása a Nap, melynek a felszíne kb. 6000 K hőmérsékletű.A Nap belsejében az energiát magfúzió termeli. A Nap sugara kb. 1,4 milliókm. A sugár kb. 1/4-éig terjed az a zóna, amit a Nap magjának nevezünk.Ebben hidrogén és hélium található a felszíninél sokkal nagyobb hőmérsékleten(15 millió K) és rendkívül nagy nyomáson (300 milliárd bar), hiszen azégitest külső része ránehezkedik a magra. Az anyag sűrűsége a vízének kb.155-szöröse. Ilyen körülmények között az atomok ionizálódnak és az atommagokés az elektronok gáza alakul ki, ezt hívjuk plazmaállapotnak. A részecskékhőmozgása során a mozgási energiájuk a hőmérsékletükkel arányos (3/2 kT).Ez az átlagos mozgási energia elég nagy ahhoz, hogy a hidrogén atommagok(protonok) egy része elérje egymást vagy hélium atommagokat az ütközéseksorán. Kisebb energiánál a magok pozitív töltéseinek taszítása miatt azegyes atommagok nem érnek össze. Itt az ütközésnél olyan közel kerülnekegymáshoz, hogy a magerők hatótávolságán belül lesznek, és a két atommagössze tud olvadni, létrejön a magfúzió. Egy egy ilyen fúzió során milliószornagyobb energia szabadul fel, mint egy molekula égése során. Ez a folyamattermeli az energiát a Napban. A Napban sok minden történik a termelt energiával,de erre most nem térünk ki részletesen. A lényeges momentum, hogy az energialeadásának legnagyobb intenzitású része a felszín elektromágneses sugárzása.Ez teljesen olyan sugárzás, mint az abszolút fekete testek sugárzása (pediga Nap nem is fekete). A feketetest-sugárzás törvényeit Max Planck 1900-banismerte fel, és a modern fizika alapvető lépése volt. Planck törvényeimeghatározzák, hogy az ilyen elektromágneses sugárzásnak milyen a hullámhossz(vagy frekvencia) szerinti eloszlása. Megadhatjuk, hogy egy ismert hőmérsékletűtestből milyen frekvenciákon lesz a sugárzás maximális intenzitású. Példáula 6000 K hőmérséklethez a maximális intenzitás éppen a látható fény tartományábanvan, de jelentős része esik az ultraibolya tartományba is (200-370 nm).A Föld légköre a benne lévő molekulák szerkezete miatt a fénysugárzásnaknagy részét elnyeli, de éppen a zöld fényt és a többi látható fényt engediát leginkább. Ezt hasznosítják a fotoszintetizáló (zöld) növények, és anapelem is. A napsugárzás energiája végső soron az atommagok kötési energiájánakmegváltozásából származik. 

Anapsugárzás által egységnyi területre egy másodperc alatt beérkező fényenergiaéves átlaga a szoláris konstans. Ez 145 és 310 W/m2 között változika szélességi fokoktól függően. Magyarországon 170 W/m2. Az egyenlítőközelében meredekebben süt le a Nap, így kevesebb utat tesz meg a fénya légkörben, kevésbé gyengül. Ez az állandó a Nap működésének megváltozásasorán változik, de ez csak évmilliós időskálán észrevehető. Az emberi léptékűidők alatt ez egy állandó, megújuló energiaforrás. A szoláris konstanssegítségével ki lehet számolni, hogy egy 1 GW teljesítményű naperőmű mekkorafelületet igényel. A napelemek nem 100%-os hatásfokkal alakítják át azenergiát árammá, hanem általában 20-30% a hatásfokuk. Így az 1 GW-hoz szükségesterület kb. 20-30 km2, ami nem elérhetetlen nagyság. Egy adotthelyen történő felállítása, stabilizálása az időjárás viszontagságaivalszemben és tisztítása nagyon nehezen megoldható feladat, még sokkal kisebbméretekben is. Jelenleg a földfelszíni napelemek a néhányszor tíz - százm2 felületet érik el. Ezek a kisléptékű napelemek. Házak fűtésérejól alkalmazhatók, vagy egy egy szivattyút lehet vele meghajtani, esetlegkisebb akkumulátorokat fel lehet tölteni vele, amivel aztán mindenféleelektromos gép működni tud egy meghatározott ideig. A házak fűtése mellettegy másik példa a kerti világítólámpák esete. Néhány négyzetméteres napelemmelnappal feltöltenek egy kis akkumulátort, amely éjszaka bekapcsol egy kertilámpát, ha a mozgásérzékelője mozgást észlel a közelben. Ilyen kerti lámpákmár a piacon vannak, és jól példázzák a napelemek tulajdonságait. A kisléptékűföldi napelem csak bizonyos időszakokban termel energiát, nappal, amikornem takarja el a felszínt egy felhő. Az energiafogyasztás időbeli szerkezetéheznem tud alkalmazkodni, ezért energiatárolókat kell vele feltölteni, mintegy tölthető akkumulátor (nagy kondenzátor).Anapelem energiatermelő képessége fokozható parabolatükrök segítségével,de nagyságrendi változást nem hoz. Egy működő példa a szolártermikus farmerőmű.Ebben a napsugárzást tükrökkel egy fogadó tartályra koncentrálják, amelybenolajjal megoldott hőátadás segítségével gőzt lehet előállítani. Ez máregy nagyberendezés, ezzel 0,15-0,2 USA dollár/kWh áron állítható elő azenergia. 

Anapelem drága energiaforrás. A félvezető lapok előállítása és az elektromosenergia tárolásának megoldása nagy költségekkel jár. Amíg a hagyományosfűtés 10 dollár/m2, addig napelemmel 50-100 dollár/m2értékek adódnak. (Ilyen napelemekkel működő házak az USA-ban találhatókegyenlőre leginkább.)Ha Magyarországonegy millió lakást átalakítanának napelemmel működő fűtésre, akkor ez 3-5milliárd dolláros befektetés lenne. Ez akkora összeg, hogy nagy méretekbennem lehet alkalmazható. napelemes házak lesznek, de nem lehet döntő részarányaaz energiafelhasználásban. A napelemek alkalmazása főleg a 35. szélességifokig hatásos. Nagy sivatagokban, ahol sok a napsütés és nagyterületekállnak rendelkezésre elképzelhető az alkalmazásuk, de ez még nem jutottel a gyakorlati technika szintjére. 

Anapelemek másik felhasználási módja a nagy léptékű alkalmazás. Erre vanpélda az űrhajózás témakörében. A hosszú ideig Föld körüli pályán keringőűrállomások napelemeket használnak. Egy lehetséges kidolgozott megoldása nagy méretű napelemre a Föld körüli pályán keringő kb. 50 km2felületű napelem rendszer, ami 9,3 GW teljesítményt tudna előállítani.Tömege 18 ktonna lenne, melyből a napelemek 12000 tonnát tennének ki. Ez3,6 kg/kW fajlagos tömeget jelent. Az ilyen űrerőmű egy nagy teljesítményűmikrohullámú adón keresztül elektromágneses sugárzás formájában küldenéle az energiát a felszínre (mint a tv-műholdak). Sok megoldatlan problémavan még ezügyben. Az űrerőmű feljuttatásához 100-300 alkalommal kelleneaz űrrepülőgépet elindítani, ehhez sok energia kell, sok környezeti ártalommal.Kevés a tapasztalat, és nincs kidolgozott technológia nagy intenzitásúmikrohullámokra. A napszél és a kozmikus sugárzás hatásai miatt rendszereskarbantartást igényel, nem bizonyított technológiák felhasználása szükséges.Mindösszesen az ilyen erőmű ára kW-onként 1500 dollár. 

Anapenergia fontos energiaforrás, speciális célokat meg lehet vele oldani,de társadalmi méretekben az energiakérdés megoldására nem alkalmas. 

Avizienergia

Avizienergia a villamos energiatermelésnek világátlagban a 6%-át teszi ki,működő,már megoldott technika, 4000 éve hasznosított energiaforrás. 

Avizierőművek sematikus felépítése az, hogy a felduzzasztott folyókban avízszint méterekkel felemelkedik, és a duzzasztógátnál lezúdul majd turbinalapátokathajt meg, amik a dinamó elv alapján elektromos energiát termelnek kb. 30%energiaátalakítási hatásfokkal. Ez minél nagyobb esésű folyóknál alkalmazható,amelyek egyben nagy vízhozamúak is. (Hegyi patak nem jó, nagy az esése,de nincs hozama.) A működő vizierőművek kisebb esésű folyók (a lehetőségekhezképest minél nagyobb) kilométerekre történő felduzzasztásával dolgoznak. 

Avizierőműben tehát a víz helyzeti energiája alakul át mozgási energiává,majd elektromos energiává. A tengerek vizét azonban a víz földi körforgásasorán valaminek mindig ismét a magasba kell emelni ahhoz, hogy valamilyenesésű folyókon le tudjanak folyni újra a tengerekbe. A víz molekulánkéntemelkedik újra fel, a tengerek párolgása során a vízmolekulák kijutnaka levegőbe, minek során a víz kicsit lehűl.Azígy keletkezett pára diffúzióval kitölti a légteret, és a felső légrétegekbenahol hidegebb cseppekbe kondezálódik. Felhők keletkeznek, melyből a csapadékkalismét a felszínre kerül a víz. A párolgás leállna, ha a tengerek közbenfolytonosan hűlnének és a napenergia nem biztosítaná az utánpótlást. Avizierőművek tehét szintén a napsugárzás során a Földön hagyott energiáthasználják fel, azaz eredendően a Napban működő magfúzió az energia forrása. 

AFöldön a megfelelő esésű és vízhozamú folyókat ismerve megbecsülhető avizierőművek összteljesítménye. Ez potenciálisan 20 TW lehet, ebből a legfeljebbhasznosítható 2,2 TW teljesítmény, ami 6.9 EJ/év. A napjainkban legnagyobbműködő vizierőmű 12,6 GW-os és Brazíliában a Paraná folyón épült, a második10,3 GW-os Venezuelában a Caroni folyón található. A többi vizierőmű 7GW alatti, csak az első tíz van 3,6 GW felett. Főleg a fejlődő országokbannagy a vizierőműben termelt energia mennyisége. 

Avizierőművekkel kapcsolatban vannak nehézségek.Nagya beruházási igény, erős építőipari szektor szükséges. Jelentős ökológiaiproblémákat ismertek fel az elmúlt évtizedek tapasztalataiból. A vízszintmegváltozása a duzzasztógát előtt és után is befolyásolja az élő környezetet.A duzzasztás területén a talajvíz megemelkedik, felborítja az egyensúlyt.

Avizierőművek sok országban fontosak, de nem igazán jelentősek. Az energiakérdésteljes megoldásához képest a vizierőművek túl kicsi kapacitást képviselnek. 

Aszélenergia

Aszélkerekeket már a XII. században felfedezték és a szélmalmokban már sokév óta használják a szél energiáját. A modern szélerőművek két lapátosszerkezetek, néhány méteres lapát fesztávolsággal. Általában sok ilyenszéllapát sorakozik egymás mellett amikor másodlagos energiatermelésrehasználják őket. 

Aszélerőmű a levegő rendezett mozgási energiáját alakítja át, először alapátok forgási energiájává, majd elektromos árammá. Ha a lapátok teljesátmerőjét 10 méternek a szél sebességét 10 m/s-nak vesszük, akkor 1 s alatt628 m3 levegő fúj át a kerekek által kifeszített körön. A levegősűrűsége (normál körülmények között) 1,3 kg/m3, így ebben atérfogatban 816 kg levegő volt. Ennek teljes mozgási energiája kb. 40 kJ.Azonban nem a teljes térfogat a hasznos, hanem csak az a rész lassul leés ad át energiát a lapátnak ezáltal, amelyik ütközik vele. A lapátok kb.10°-osszögűek, így a teljes szög kb. 1/18-ad része számít, a 40 kJ mozgási energiábólmaximum 2,2 kJ forgatja a lapátot. Úgy számoltunk, mintha a lapát teljesenlelassítaná a beleütköző levegőt. Ez a legnagyobb energiaátadású eset,a valóság az, hogy ennél kisebb energiaátadás történik. 1 másodperc alattvégzett munkát számoltuk, tehát a szélkerék teljesítményét kaptuk meg:2,2 kW. Egy 1 km hosszú útszakaszon max. 100 ilyen szélkerék állíthatófel, ezek összteljesítménye 220 kW. Ilyen szélenergia-felhasználásra példaa holland tengerparton több helyen felállított szélkerék-sor. 

Aszél azért keletkezik, mert a levegő nyomása térben nem egyenletes. A nyomáskülönbségáltalában a hőmérsékletkülönbség következménye. Egy terület jobban felmelegszik,nyomása megnő és a légtömegeket elnyomja a kisebb nyomású hely felé. Szélkeletkezik természetesen a légköri frontokban is. Ezeket a ciklonokat vagyanticiklonokat a légtömegek mozgásai és a Föld forgásának hatása alakítjaki. (A Föld forgásának hatása a légtömegek sebességének irányát változtatja,energiát nem tud velük közölni.) Az egyenlőtlen légköri felmelegedéskorismét a napsugárzás energiája adódott át a légkörnek. Ezért nevezzük aszélenergiát is nem direkt napenergiának.

Aszélenergia felhasználása még alig elterjedt, lokálisan kisebb régiókbanhasznos lehet, ahol az időjárás tendenciái olyanok, hogy erős állandó szelekfújnak. A szél sebessége időben előre nehezen meghatározhatóan változik,ezért a szélkerekek energiatermelése is időben nagyon ingadozó véletlenszerűenváltozó energiát ad. A világ összes energiatermelésében a szélenergia elhanyagolhatómennyiségű, fizikai meghatározottságainál fogva várhatóan nem fog jelentősszerepet betölteni a továbbiakban sem, mert kis koncentráltságú energiaforrás. 

Ahullámenergia és a biotömeg

Rövidenmegemlítünk két kevéssé használt energiaformát is. Az egyik a tengerekhullámzását használja ki, ez a hullámenergia. A tengeri hullámok a partokközelébe érve felgyorsulnak. Ennek az az oka, hogy a vízhullám sebességefügg a vízmélységtől. A felgyorsult hullámok a parttal párhuzamosan rendeződveperiódikusan érkeznek. A vízhullám igazából nem anyagáramlás, hanem csakaz energia áramlik benne. A partra érő hullámzás a távolabbi felszínmozgásokenergiáját gyújti össze. A Külső Hebridáknál épült egy hullámerőmű, melynekteljesítménye 70 kW/m. Minél hosszabb partszakaszt fed le, annál nagyobbteljesítményre képes. 

Amásik ritkán használt energiahordozó a biotömeg. A fotoszintézis a napsugárzásenergiáját építi be a növényekbe. Az állatok a növényi anyagokat bontják,és ezek energiáját építik be saját szervezetükbe. Összességében az élőszervezet szerves molekulákat épít fel. Ezen molekulákban tárolt kötésienergia (elektrosztatikus energia) felhasználható a növények, vagy állatokelhalálozása után. Ez a biotömeg energia. 10 tonna biotömeg kb. 50 MWhenergiát tud szolgáltatni.

Ageotermikus energia

AFöld mélye felé haladva a hőmérséklet egyre nő. Ezt a természeti tapasztalatotmindenki ellenőrizheti a barlangokban sétálva. A szárazföldi területekenátlagosan 30 °C-temelkedik a hőmérséklet kilométerenként. Ez a felszín közelében igaz, haez az ütem igaz volna a Föld közepéig, akkor 180 ezer K hőmérséklet lennea Föld magjában. Ekkora azonban nincs, de már ez is jelzi hogy nagy hőmérsékletreszámíthatunk a mélységben. A Föld magjában lévő forró anyag a Naprendszerkeletkezésekor alakult ki, egyfajta meleg hőtartály, melynek hatására afelszínen energia áramlik kifelé. A belső meleget az ott található radioaktívelemek bomlása, tehát a magenergia egyik formája tartja fenn folyamatosan. 

Agejzírek érdekes természeti jelenség. Periódikusan meleg gőz és víz áramlikki gyorsan függőlegesen felfelé természetes kutakból, melynek az alja ageológiai helyzete miatt meleg kőzet környezetében van. A víz lenn felmelegszikés kitágul, kinyom egy kis vizet a felszínen, ezért a kút alján lecsökkena nyomás. A nyomás csökkenése a víz forráspontjának a csökkenéséhez vezet,ezért elkezd egyre több réteg forrni. A végén az alsó felforrt rétegekokozzák a kitörést. Ezután a víz lehűl, visszafolyik és kezdődik az egészelőről. Izlandon sok gejzír mutatja, hogy egyes szerencsés helyeken a Földbelső melegét is fel lehet használni energiatermelésre. Az említett gejzíreka hidrotermikus energia típusába esnek. Ezek a kutak maximálisan 3 km mélységűek.A hidrotermikus energia másik változata, amikor egyes törésvonalak menténmeleg vizek törnek fel. Ezek általában gyógyászati célokra is alkalmasak,de előfordul, hogy pusztán a feltörő víz melegét is lehet hasznosítani. 

Ageotermikus energia másik felhasználási formája a geotermikus zónák keresése.Ez több km mély fúrásokat jelent. Meleg kőzettel körülvett mélységi vizeka nagy nyomás mellett, ami a nagy mélység miatt uralkodik ott, több százfokra fel tudnak melegedni. Az energia kinyerésének módja a következő.Egy csövön nagy nyomású kevésbé meleg vizet pl. 65 °C-osatnyomnak le a mélyben található geotermikus zónába. Egy másik csövön a mélybőla nagy nyomás hatására az ott felmelegedett víz fog visszaérkezni, amihőcserélő berendezéssel vizet tud forralni, és így a további felhasználásraa hőerőművekben megszokott módon alkalmas. A nyomócsövekben 100-140 barnyomás uralkodik, a feljövő víz hőmérséklete 250 °Cis lehet. 

Ageotermikus energia szempontjából Magyarország szerencsés helyet foglalel. Itt a Földkéreg keskenyebb az átlagosnál, és km-enként nem 30°Chanem 50-70 °Ca hőmérséklet emelkedés. Ez az oka a hazánkban gyakori gyógyvizeknek, gyógyfürdőknek,hévizeknek és általában a feltörő meleg vizeknek. Az országban több helyenépültek geotermikus kutak. Azegyikilyen terület Szentes-Szeged környéke, ahol 1500 l/perc vízhozammal 80-100 °C-osvíz érkezik a mélyből. Egy egy ilyen geotermikus kút átlagosan 2,8 MW teljesítménytad le. Magyarországon a melegvízek felhasználása főként lokális fűtésre,szárításra, fürdők, ipari folyamatok ellátására és halastavak, melegházakmelegítésére fordítódott, és 1965-óta kb. 800 ezer tonna olajat kiváltott,de társadalmi méretű energiaigényt nem tudott megoldani. A geotermikusenergia sem képes a fosszilis tüzelők energiakiesését megnyugtatóan a jövőbenpótolni. 



6.2.A jelenlegi nukleáris ipar jellemzése és a sugárvédelem feladatai(Kiss Ádám, Horváth Ákos, Cziffrus Szabolcs, Zagyvai Péter)

6.2.1.A nukleáris energia 

Azatommagokon belül ható magerők, vagy más néven nukleáris kölcsönhatás,tartják össze az atommagokat. Hatótávolságuk nagyon kicsi, körülbelül egyproton átmérőjével egyezik meg. A magerők intenzívek és kis hatótávolságúak.Ha az atommagokat sorba rakjuk a tömegszámuk szerint akkor a proton a legkisebb,azután jönnek a könnyű atommagok mint például a szén, alumínium, kalcium.A nehéz atommagokban több mint 200 proton és neutron van. Középtájon foglalhelyet a vas, legstabilabb izotópjának tömegszáma 56. Ha egy atommagotösszeállítunk az őt felépítő (de eleinte egymástól messze lévő) protonokbólés neutronokból, akkor energia szabadul fel, ez a kötési energia. A magerőkvégeznek munkát, ezt kapjuk vissza az energiafelszabaduláskor. Az egységnyitömegszámra jutó kötési energia jellemző arra, hogy az adott atommag mennyirekötött. Ahol ez a legnagyobb, az a lestabilabb izotóp mind közül. Ez atermészetben található izotópok közül a vas, 56Fe. A könnyűatommagok egy részecskére (tömegszámra, vagy más néven nukleonra) jutókötési energiája azért kisebb, mert a nukleonoknak kevés szomszédjuk van,amelyekkel a vonzó kölcsönhatást kiépíthetnék. A nehéz atommagoknál pediga magban található protonok taszítása gyengíti a kötést. Az egy nukleonrajutó kötési enegia a tömegszámmal először növekszik a vasig, majd onnanlassan csökken a legnehezebb izotópokig. A magenergia felszabadítása soránkét úton járhatunk: vagy felülről vagy alulról közelítjük a vasat. Ennekmegfelelően két folyamat van, amelyik magenergia felszabadítására nagyonjól használható, a fúzió és a hasadás. 

Afúzió során könnyű atommagok egyesülnek, és egyre több kötést hoznak létrea szomszédos nukleonok között. Ez csak természetesen egy bizonyos tömegszámigenergianyereséges. A csillagokban, mint ahogy említettük a Napban is, ahidrogén-hélium fúziója szolgáltatja az energiát. 

Ahasadás során a nehéz mag, például az urán, két nem egyenlő tömegű atommagraesik szét, és keletkezik még néhány neutron. Ilyenkor az egy atommagbabezsúfolt protonok száma csökken, ezért nő a kötési energia. A természetbenilyen nem fordul elő. A kutatás az 1930-as évek végén ismerte fel a maghasadást(O. Hahn, F. Strassmann), és a 40-es évek elején dolgozták ki a hasadásenergiatermelésre is használható technikáját. Egyes tapasztalatok arrautalnak (az urán különböző izotópjainak előfordulási aránya alapján), hogyvolt a földkéregben olyan hely, ahol spontán beindult egy természetes reaktor. 

Ahasadásos energiatermelés technikája 50 év óta kidolgozott működő eljárás,a fúziós energiatermelés azonban még a kutatás stádiumában van. Úgy tűniktechnikailag nehéz előállítani olyan, vagy hasonló körülményeket, mintami a Nap belsejében van. 

Másatommag-folyamatokban is felszabadul energia. Ezek a radioaktív bomlások(alfa, béta és a gamma), de ezek során két nagyságrenddel kisebb energiaszabadul fel mint a fúzióban ill. a hasadásban. (Ezt a magenergia formáta geotermikus energia forrásaként említettük már.)

Anukleáris energiatermelés napjainkban hasadásos atomerőművekben hasznosítjaaz intenzív magerők hatásait. A hasadásos atomerőművek fizikai alapgondolataa maghasadáson kívül a láncreakció felismerése (Szilárd Leo, 1941). Vannakatommagok melyek spontán is elhasadnak kis valószínűséggel, ilyen példáula 252Cf(kalifornium).Energiatermelésre azonban ilyen kis valószínűségű folyamat nem alkalmas.A hasadást azonban előidézi a lassú neutronok befogása. A semleges neutronkönnyen be tud jutni egy atommagba, ott ütközik az atommagot alkotó nukleonokkal(protonokkal és neutronokkal) és átad nekik energiát. Ettől az atommagrezegni kezd, először piskóta alakúra nyúlik, majd ketté hasad. A hasadásvalószínűsége függ a besugárzott atommag szerkezetétől. Az urán két természetbenmegtalálható izotópja a 238U és a 235U hajlamos ilyenhasadásra. A különbség az, hogy a 235-ös urán termikus, azaz lassú, neutronokhatására tud elhasadni, és a gyors neutronok csak átrepülnek rajta, addiga 238-as urán a gyors neutronok befogásakor hasad el. A láncreakció azértlehetséges, mert a hasadáskor átlagban 3 neutron is felszabadul, és ezekpotenciálisan a következő lépésben újabb magokat képesek hasítani. Ígyműködik a láncreakció. A hasadásos erőművekben önfenntartó, szabályozottláncreakció megy végbe. A szabályozott láncreakció létrehozásához azt kellelérnünk, hogy a hasadásonként átlagosan keletkező kb. 3 neutronból kettőelnyelődjön, vagy kidiffundáljon a zónából, a harmadik pedig lelassuljontermikus energiákra (ilyenkor a mozgási energiája 0,025 eV). Azt a közeget,ami a lassítást végzi moderátornak hívjuk, a többlet neutronok elnyelésétpedig általában neutronelnyelő rudak behelyezésével oldják meg. Sokszorozásitényezőnek hívjuk azt a számot, ami megadja a termikus neutronok számánakarányát két egymást követő lépés között. Ha a sokszorozási tényező nagyobbmint 1, akkor a neutronok száma (a neutronfluxus) időben nő, ha kisebbmint 1, akkor csökken. Fizikailag ugyanezt a jelenséget le lehet írni areaktivitás fogalmának felhasználásával. A reaktivitás definíciója (Niaz i. lépésben a neutronok száma):

.

Haa reaktivitás nagyobb 0-nál, akkor azt mondjuk, hogy a reaktor szuperkritikus.Ilyenkor a neutronfluxus nő. A reaktivitás nagysága dönti el, hogy milyengyorsan növekszik a neutronok száma a reaktorzónában. Ha a reaktivitásnegatív értékű, akkor a neutronfluxus csökken, a reaktor szubkritikus.A szabályzott működés során a reaktor reaktivitása 0, ezt hívjuk kritikusállapotnak. Ezt kell fenntartani a biztonságos energiatermeléshez. Természetesena reaktivitás néha eltérhet a 0-tól, ilyenkor kell a reaktort szabályozni.Erre több mód is nyílik. Az egyik a szabályzó rudak mozgatása. Az újabbtípusú vízmoderátoros reaktorokban egy természetes folyamat is vigyáz areaktor kritikus értéken tartására. Ha a reaktivitás kicsit megnő, többhő keletkezik, a víz kitágul a hőtágulás miatt, ezzel sűrűsége lecsökkenés kevesebb neutront tud lelassítani termikus energiára. A következménytehát a sokszorozás és a reaktivitás csökenése. A reaktivitás értékénekhirtelen megugrására több biztonsági eljárás van beépítve minden reaktorba.Például ilyen a bóros víz bejuttatása. A bór nagy hatásfokkal nyeli elugyanis a neutronokat. A nukleáris energiatermelés részleteiről és környezetihatásairól a következőkben részletesebben is szólunk. 

Atomreaktortípusok

Azatomerőmű olyan berendezés, amelyben az energiát atomreaktor termeli. Azatomreaktorban az üzemanyag atommagjai szabályozott láncreakcióban hasadnakel. Az atomreaktorok legfontosabb részei a következők: (a) az üzemanyag,amely legtöbbször uránt tartalmaz és valamilyen burkolattal van a külvilágtólelválasztva; (b) a moderátor, amely a hasadásban keletkező neutronok lassításátvégzi; (c) a hűtöközeg, amely sok esetben megegyezik a moderátorral ésaz üzemanyagban keletkező hő elvezetésére szolgál; (d) a szabályozó rendszer.A reaktorokat sokféleképpen lehet csoportosítani. A leggyakoribb ezek közüla moderátor, illetve hűtőközeg anyagán és/vagy halmazállapotán alapul. 

6.8. ábra.A legelterjedtebb reaktortípusok szerkezeti felépítése. A felső ábrán aforralóvizes reaktor-típus (BWR) látható, az alsó ábrán a nyomottvizesreaktor (PWR). A sötétre szinezett csőszakaszokon áramlik a gőz, és juta turbinákba. 

Avilágon jelenleg üzemelő atomerőművi reaktorok döntő része (több, mint80%-a) két csoportba sorolható. Mindkét típus esetében mind a moderátor,mind a hűtőközeg természetes víz. A különbség a két típus között az, hogymíg az úgynevezett nyomottvizes reaktorok (Pressurized Water Reactor, PWR)esetébena hűtővíz az üzemanyaggal történő érintkezés során nem forr fel, vagyiskeringése során végig víz halmazállapotú marad, addig az ún. forralóvizesreaktorokban (Boiling Water Reactor, BWR) az üzemanyagot elérő víz felforrés gőzzé alakul (a merülőforralóhoz hasonlóan). Az 6.8. ábra a) és b) részéna kétféle reaktorral működő atomerőművek leegyszerűsített elvi felépítéselátható. Mindkét sémában közös, hogy megtalálható a reaktortartály, amelybeaz üzemanyagot általában ún. kötegekben helyezik bele. Szintén közös alkotórésza turbina és a generátor, melyek a forró gőz energiáját alakítják elektromosenergiává (a gőz megforgatja a turbinát, amelynek tengelye közös a generátortengelyével, ez utóbbi pedig a forgási energiát elektromos árammá alakítja).A kondenzátor a turbinát elhagyó forró gőz lecsapatására, újból vizzé alakításáraszolgál. Fontos különbség, hogy a forralóvizes reaktorok esetében egy zárthurokban áramlik a hűtőközeg (víz, majd gőz), míg a nyomottvizes reaktorokesetében két zárt kört különböztethetünk meg, az ún. primer és a szekunderkört. A primer körben lévő víz olyan nagy nyomáson áramlik, hogy nem tudfelforrni (kuktafazék elve). A gőz a hőcserélőben (vagy más néven gőzfejlesztőben)keletkezik, ahol a primerköri forró víz csövecskékben áramolva felforraljaa csövecskék külsejét elérő vizet. A paksi atomerőműben ilyen nyomottvizesreaktorok működnek.

Mintmár említettük, a világon üzemelő reaktorok többsége a fent leírt két típusvalamelyikéhez tartozik. Azonban érdemes összefoglalni, hogy ezeken kívülmég milyen elveken működő reaktorok léteznek. Az egyik típusba azok a reaktoroktartoznak, melyeknél a hűtőközeg és a moderátor különbözik egymástól. Ilyenekpl. a grafit moderátoros és gáz- (általában széndioxid) vagy vízhűtésselműködő reaktorok. Az előbbiekből (Gas Cooled Reactor, GCR) több működikaz Egyesült Királyságban, míg az utóbbiak jellegzetes típusa az ún. RBMK.Ilyen típusú volt a csernobili atomerőmű reaktora is. A gázhűtéses reaktorokújabb generációi (High Temperature Gas-cooled Reactor, HTGR) igen magashőmérsékleten működnek, ezért hatásfokuk magasabb a többi típusénál. 

Azeddig említett vizen és grafiton kívül még nehézvíz moderátorral is épülnekreaktorok. Ezeket Kanadában fejlesztették ki, és ma már a világ több országábanműködnek CANDU néven. Lényegében ezek is nyomottvizes reaktorok, azonbana nagynyomású nehézvíz csövekben áramolva hűti a csövekbe helyezett fűtőelem-kötegeket,míg a neutronok lassítását egy nagy tartályban (kalandria) lévő nehézvízvégzi. 

Említéstérdemel, hogy a világon jelenleg üzemelnek olyan reaktorok is, melyek nemtartalmaznak moderátor anyagot. Ezek azon az elven működnek, hogy a hasadásbankeletkező gyors neutronok is képesek hasítani. Ezért ezeket gyors reaktoroknaknevezzük. Fontos és értékes tulajdonságuk, hogy egy üzemciklus során abehelyezett üzemanyagban lévő hasadóanyag mennyisége nem csökken, hanemnő. (Ez nem mond ellen a fizika törvényeinek, mert az urán 238-as izotópjapl. nem hasadóképes, azonban neutronok befogásával és magátalakulásokkalplutónium keletkezik belőle, amely már hasadóképes.) Az ilyen reaktorokatszokás szaporító reaktornak is nevezni (Liquid Metal Fast Breeder Reactor,LMFBR). Ezekben az üzemanyagban keletkező hő elvezetését szokás valamilyenfolyékony fém, pl. nátrium segítségével megoldani.

Avilágon jelenleg valamivel kevesebb, mint félszáz atomerőművi blokk üzemel.Igen érdekes, hogy bizonyos országokban a felhasznált elektromos energiának70-80%-át atomerőművek termelik (pl. Franciaország, Kanada), míg vannakországok, ahol egyáltalán nem működik atomerőmű (pl. Ausztria). Magyarországona paksi atomerőmű négy reaktora összesen az ország villamosenergia-szükségleténekkb. 45%-át szolgáltatja. 

Többekközött a dúsítási eljárások költségessége indokolta olyan reaktortípusokkifejlesztését, amelyek természetes urán üzemanyaggal is képesek működni.A fent említett reaktorok közül ilyen a CANDU.

Anukleáris energiatermelés

Anukleáris energiatermelés ipari folyamata az ércbányászattal kezdődik.Az uránércet (UF6) előkezelés és átalakítás után dúsítani kella legtöbb reaktortípus számára. Az urán természetes izotópösszetétele olyan,hogy 0,7% benne a 235-ös izotóp, a nagyrész pedig a 238-as tömegszámú urán.A dúsítás azt jelenti, hogy a 235-ös izotóp arányát valamivel 1% fölé kellvinni kémiai folyamatokkal az izotópeffektust felhasználva. A dúsításraalkalmas módszerek például a gázdiffúziót, vagy ultracentrifugákat használjákki. A következő lépés a fűtőelem készítése. Ezekben az urán külön errea célra kidolgozott kerámia kapszulákban van elhelyezve. Egy egy kapszuláttöbb évig is használnak a reaktorban. Az elektromos energiatermelő erőműfelépítése a következő lépés. Itt a nukleáris oldal forró gőzt termel,amit az elektromos energiatermelő oldalon turbinával és generátorral alakítanakárammá. A több éves felhasználás után a kiégett üzemanyagot reprocesszálják.A reaktor életidejének elteltével radioaktív hulladékok maradnak fenn.A felhasználás során felaktiválódott, vagy radioaktív anyagokkal érintkezetttárgyak a kis- és közepes aktivitású hulladékok. A reaktorzóna leszereltrészei képezik a nagy aktivitású hulladékot. A kisebb aktivitású hulladékok(melyek működés közben is keletkeznek) problémáját geológiai izolációvallehetmegoldani. A nagy aktivitású hulladékok ritkán keletkeznek, csak az energiatermelésután. Ezeket fel lehet kémiailag dolgozni úgy, hogy a radioaktív izotópoklehetséges mozgását megállítsuk. A feldolgozásának egyik módja a leaktiválása jelenlegi kutatások témája. Ezzel az eljárással a nagyaktivitású hosszúfelezési idejű izotópokat rövid felezési idejű izotópokká alakítják, ésez esetben az idő gyorsan megoldja a problémát. (A radioaktív hulladékokközé mindig csak a nagy felezési idejű izotópok tartoznak.) A radioaktívhulladékok kezelése általánosan is a mai alap-kutatások egyik front-témája.A reaktorok normál üzem során alig bocsátanak ki radioaktív anyagot. Amodern napjainban használatos erőművek (mint látni fogjuk) két egymástólelszeparált hűtővíz rendszerből állnak, ezek biztonsága sokkal nagyobbegykörös társaiknál. A reaktorok radioaktív anyagokat elenyésző mennyiségbenbocsátanak ki normál üzem során. Kibocsátásuk aktivitása a szénerőművekurán- és tóriumkibocsátásánál jóval kisebb. (Ott ezek az elemek nem kezeltmelléktermékek.) A következő táblázat mutatja a Paksi Atomerőmű légneműradioaktiv kibocsátási szintjeit 1998-ban. A kibocsátás nem haladja megsehol a hatósági határértékeket, sőt az erőmű teljes élettartama alatta legnagyobb kibocsátás is a hatósági megengedett érték 6%-a alatt marad.Ezek a kibocsátási szintek a természetes radioaktivitási szinteket nemhaladják meg. Ezt össze lehet hasonlítani a vegyipari üzemek által kibocsátottmelléktermékek és hulladékok és a hatósági határérték arányával. Ismerttény, hogy több üzem vállalja inkább a bírság fizetését, mintsem a drágaszennyezés-csökkentési eljárásokat bevezetné. 


 
kibocsátás
hatóságikorlát
radioaktívnemesgázok
60,4TBq/év
12760TBq/év
stroncium 
0,38MBq/év
37,6MBq/év
radioaktívjódok
0,24MBq/év
738,8MBq/év
radiaoktívaeroszolok
0,29MBq/év
738,8MBq/év

Anukleáris energiatermelés az energiatermelés egyik elterjedt formája napjainkban.A világon 420 darab reaktorblokk működik és 76 van építés alatt. Ezzel326 GWe teljesítményt tud fedezni a világ energiaigényéből. A hasadásoserőművekben felszabaduló magenergia az előző alternatív energiaforrásokkalellentétben képes a növekvő igények kielégítésére, mennyisége növelhető,és technológiailag jól kifejlesztett. A készletek sokkal tovább elegendőek,mint a fosszilis energiatermelés esetén. Az atomenergia azonban nem alkalmasjelenleg repülők és autók meghajtására, de így is jelentős a szerepe. Akövetkező táblázatban összefoglaljuk néhány ország atomenergia-termeléséneknagyságát és jelentőségét (az atomenergia részarányát az összes megtermeltenergia százalékában) 1997-ben. 


 
ország
energiatermelésTWh/év
részaránya megtermelt energiából %
ország
energiatermelésTWh/év
részaránya megtermelt energiából %
Litvánia
10,9
81,5
Franciaország
376,0
78,2
Belgium
45,1
60,1
Ukrajna
74,6
46,8
Svédország
67,0
46,2
Svájc
23,9
40,6
USA
629,4
20,1
Magyarország
13,9
39,9
Japán
318,1
35,2
Németország
161,4
31,8

Magyarországona Paksi Atomerőműben az ország energiaellátásának kb. 40%-át termelik meg.Ez az energia olcsó. Az atomerőmű leszerelésének és a radioaktív hulladékokkezelésének költségeivel együtt is a legolcsóbb villamosenergia-forráshazánkban.

Akimerülő fosszilis energiahordozók jó (ha nem az egyetlen) alternatívájaa nukleáris energia, amely az energiaigényekkel is lépést tud tartani.Ez az energiaforrás két járulékos problémát vet fel. Ezek az atomerőművekbiztonságának, és a hulladékok kezelésének kérdései. A nukleáris jövőképlehetőségei, a) bővül a hasadásos erőművek termelése; b) vagy elhal, ekkorazonban nem világos, hogy milyen energiaforrás képes helyette az energiaigényeketkielégíteni; c) a fúziós energiatermelést sikerül megvalósítani. Meg kellvizsgálnunk, hogy természetes környezetünkben mennyi és milyen szintű radioaktivitásfordul elő a nukleáris ipar nélkül, és ehhez mérten döntenünk kell, hogymilyen mértékben használjuk a hasadásos nukleáris energiát. A jövő nukleárisenrgiatermeléséhez elengedhetetlen a kíváló minőségű oktatás, intenzívkutatás, stabil társadalom és a döntésképes politikai rendszer. 

Anapjainkban használt és a közeljövőben lehetséges energiahordozók áttekintéseután megállapíthatjuk, hogy nincs és nem lesz többé olcsó olaj. A környezetvédelemközponti kérdéssé vált, és feladatai, súlya tovább növekednek. Az energiatermelésmegoldása során a társadalmi értékítélet döntő mozzanattá vált. Ezek alapjánúj típusú viszony jött létre a társadalmak (benne az ember) és az energiaközött. Az új viszonyt az jellemzi, hogy az energia drága lesz, a fejlődőországok potenciálisan óriási energiaigénye súlyos politikai feszültségeketteremthet, az energetika területén alapvető átalakulás várható, a környezetvédelemglobális problémakörré teljesedik ki. Az energiakérdésben nincs jó megoldás,a legkevésbé rossz kiválasztása is nagy feladatot jelent. 

6.2.2.A radioaktív sugárzások és az ember

Asugárvédelem alapfogalmai

Aradioaktív sugárzásokat alig száz éve fedezték fel, de gyorsan a felfedezéseután máris megszületett az első alkalmazása is. Egy emberi kéz csontjaitlehetett az első röntgensugarakkal már vizsgálni. Az ezt követő száz évrengeteg adatot szolgáltatott a sugárzás biológiai hatásairól. Egyrésztaz orvosi besugárzások, a természetes sugárzások, az iparban felhasználtradioaktivitás hatásai és sajnos a katonai alkalmazások valamint a balesetekalapján lehetett tapasztalatokat levonni. Mamár a sugárzások hatásai, hanem is molekuláris szinten, de diagnosztikai szinten ismertek. Nyitottkérdések természetesen vannak. A sugárvédelem mindazonáltal egy nagy tapasztalatanyagraépülő empírikus tudományág. Fő célja az, hogy az ember képes legyen előreeldönteni az egyes sugárveszélyes tevékenységek kockázatát, hogytudatos döntéseink megóvjanak minket a nem kívánt besugárzástól. 

Nemcsaka radioaktív sugárzásoknak van kockázata, ez csak egy a környezeti kockázatokközül. A mindennapi életben többször találkozunk kémiai kockázatokkal.Két kiragadott példát említve: szennyező anyagokkal találkozhatunk az élelmiszerekben,mérgező anyagokkal a vizekben. Vannak biológiai kockázatok, ha valamilyenbaktérium, vagy hasonló esetleg veszélyes biológiai anyag környezetébekerülünk. A kockázat fogalma minden veszélyes tevékenység leírásakor alapvető,mint azt az 5.1.5. alfejezetben már láttuk. 

Akockázat három tényezőből áll össze. Van egy káros esemény, ismernünk kellennek a valószinüségét (W). Ezeken felül csak akkor érdemes a kockázatotelvállalni, ha a tevékenységnek előnyös oldala is van. Kockázatról beszélünkminden olyan tevékenység esetén, amelyben valamilyen elérendő nyereséggeljáró cél érdekében vállaljuk egy káros esemény bekövetkezésének valószínüségét.A kockázat értéke R=K×Wmint láttuk. A nyereség nem feltétlen közvetlenül anyagi természetű. 

Példakéntemlítünk néhány nemcsak környezettel összefüggő, hanem az általános mindennapiéletünkben felbukkanó kockázatot. Az autóvezetésnek van káros hatása is,kis valószínüséggel balesettel jár. Mégis ha az ember autóba ül, hamarabbeljut a céljához, mobilitása megnő, a világból több információt tud összegyűjteni.Gondoljunk csak arra, hogy Magyarországon évente több, mint 1500 emberhal meg közúti balesetben (átlagosan). A legtöbbször azonban erre nem gondolunk,ami azt az egyszerű tényt jelzi, hogy ezt a fajta kockázatot teljesen elfogadhatónaktekintjük. Mivel Magyarországon 10 millió (107) ember él ésa halálesetek száma 1500/év, a K=1 kárértékkel bíró közúti halálozásivalószinűség 1,5×103/107= 1,5×10-4évente. A rizikó értéke ebbőlR=K×W=1×W=1,5×10-4=150mikrorizikó. Ha ismerjük azt az adatot, hogy egy ember egy év alatt hánykm-t utazik közúton, akkor abból derül ki, hogy 1 mikrorizikó hány km-nekfelel meg. Az 5.2 táblázat adataiból tudjuk, hogy ez 65 km autózás, vagy80 km buszozás.

Arraszinte soha sem gondolunk, hogy egy repülőgép a házunkra esik, vagy a munkahelyünképületét rombolja le. Pedig ilyen események is előfordultak már. Az okegyszerű:ezeknek az eseményeknek a valószínűsége - ezt mindenki érzi - sokkal kisebb,elhanyagolhatóan kicsi. 

Mindenember többfajta kockázatot vállal a hétköznapjai során. Aki repülőre száll,az számol azzal, hogy a gépek ritkán ugyan, de leesnek. Cserébe nem kéthét alatt lehet átjutni az Atlanti-óceán túlsó partjára, hanem 6 óra alatt.Utazás közben valószínűleg mindenkiben megfordul, hogy most akár le iszuhanhatunk. Azonban általában mindenki tudja, hogy egy kilométer repülőgéppelmegtett út több nagyságrenddel kisebb kockázatú, mint egy km autóval megtettút. Vagyis a repülés sokkal biztonságosabb (2000 km/mikrorizikó), mintaz autós közlekedés (65 km/mikrorizikó)

Havalakivel fogadunk, hogy a kockadobás során ha hatos jön ki, akkor fizetünkneki egy üveg pezsgőt, cserébe, ha nem hatos lesz, akkor ő fizet mondjukegy pohár szódát. Ebben a játékban nagy valószínüséggel ingyen olthatjuka szomjunkat, és 1/6 a kockázata, hogy nekünk kell fizetni. A kockázatnálfontos momentum, hogy legyen előnyös eredménye a tevékenységnek.

Akiátmegy egy forgalmas úton, számol azzal, hogy esetleg a gyorsan közeledőautó vezetője nem veszi észre. Vannak vonatszerencsétlenségek is. A cigarettázásismert módon káros az egészségre (biológiai kockázat), van aki jobban bírja,van aki hamarabb megbetegszik tőle. 

Vannakgazdasági kockázatok is. Kérdés hogy érdemes-e megvenni egy telket, arraházat építeni. Nagy befektetéssel járó tevékenység, de ha sikerül eladni,akkor még nagyobb haszonnal jár. Van kockázata azonban, hogy az árak leesnek,vagy valamilyen természeti csapás megrongálja a házat, és oda a befektetettösszeg. Tipikusan a kockázatos tevékenység a tőzsde. Az egyes részvényekértéke nemcsak a vállalat gazdasági teljesítménye függvényében változhat,esetleg politikai kérdések is befolyásolják a rendszert. Mégis sok pénztlehet nyerni és veszteni a tőzsdén.

Aszerencsejátéknak is van kockázata. Amikor megvesszük a szelvényt eleveveszteséggel kezdünk, és általában a nagy nyereménynek nagyon kicsi a valószinüsége,mégis sokan vállalják. 

Egyspeciális kockázat a munkahelyi kockázatok csoportja. Az ember amunkahelyén veszélyes tevékenységet végezhet, és általában ennek megfelelőenez financiális előnyökkel jár. A veszélyesebb munkahelyek nagyobb fizetésemagasabb életszinvonalat biztosíthat, ezért sokan vállalják az ilyen kockázatot.A kockázatot azonban célszerű mindig a minimumra szorítani, ami azt jelenti,hogy érdemes megismerni, feltérképzeni a vállalt veszélyt. Nem érdemesfelelőtlenül belemenni egy ismerten veszélyes tevékenységbe. A foglalkozásikockázatok mennyiségi megfogalmazásával a biztosítótársaságok is foglalkoznak.A kockázat (rizikó) értéke foglalkozási kockázatok során is

.

AzR a rizikó, K a kár súlya, 0 ha egyáltalán nem veszélyes,1 a halálozás esete, kisebb károsodás esetén a kettő közötti szubjektívenmegállapítható érték, W a káros esemény bekövetkezésének valószinüsége,ahogy az 5.1.5. alfejezetben láttuk. Ezzel a foglalkozás kockázatát egydimenziótlan számmal jellemezhetjük, ami általában időegységre vonatkoztatott,legelterjedtebben egy évre szokták vonatkoztatni. A rizikót tapasztalatiúton a munkahelyi balesetek számából lehet meghatározni. Ennek alapjánaz alábbi táblázatban foglaljuk össze néhány foglalkozás kockázatát azUSA-ban 1988-as adatok alapján. Meg kell említeni, hogy a foglalkozásikockázat országról országra eltérő lehet, az adott ország fejlettségének,amunkafegyelemnek, a munkavédelmi előírásoknak a függvényében. (Forrás:Sükösd Csaba: Magfizikai laboratóriumi gyakrolatok, ELTE TTK jegyzet.)

6.5.Táblázat. A munkahelyi kockázatok összehasonlítása. 


 
Foglalkozás
halálosüzemi baleset valószínüsége / év
rizikó/év,mikrorizikó egységben
ruha-és cipőipar
10-6- 10-5
1-10
textil-,papír- és élelmiszeripar
10-5- 10-4
10-100
fémipar,építőipar, szénbányászat
10-4- 10-3
100-1000
repülőgépszemélyzet,kokszégető
10-3- 10-2
1000-10000
mustárgázüzem,más veszélyes vegyipari üzem
>10-2
10000

Azitt megadott valószínüségi értékek természetesen nem mentesek a meghatározáshibáitól. A kis kockázatokat csak nagy populációt vizsgálva lehet pontosankimérni. Egy 10-6-os valószinűséget csak egy százmilliós populációnlehet 1% pontossággal meghatározni. Más bizonytalansági faktorok is vannak.A késői hatások kimutatása igen nehéz. Nem lehet egyértelműen tisztázniugyanis, hogy mi volt az ok-okozati összefüggés ha sok egymással keveredőhatásnak volt kitéve a populáció. Ezek alapján érthető, ha a kísérletiadatok értelmezésében az egyes kutatócsoportok vitatkoznak, de az is látható,hogy a kockázat sok vonatkozása objektív módon számszerüsíthető. 

Akockázatokat több féle módon lehet csoportosítani. Az egyik a munkahelyiill. nem munkahelyi kockázat. Másik lehetséges felosztás a vállalt és akényszerített kockázatok esete. Amikor az ember autóba ül döntésével vállaljaa közúti balesetek kockázatát. Azonban a közlekedési baleseteknek néhavétlen áldozatai is vannak. Az autó műszaki hiba miatt felhajthat a járdára,és az ott egy padon üldögélőkben kárt okozhat. Ilyenkor a padon lévő emberekrenézve az autózás kényszerített kockázat. Ugyanez a helyzet ha egy irodábandohányzók és nem dohányzók egyszerre dolgoznak. Nem tilos dohányozni, nemtilos autózni. A társadalom szabályait elvállalva az ember kényszerítettkockázatokat visel el. A társadalomnak kell mérlegelni, hogy milyen szabályokathoz, milyen tevékenységeket enged meg, egy adott nyereség érdekében. Azenergiatermelés is ilyen példa. Minden energiaformának megvan a maga kockázata,aki hivatásszerűen dolgozik benne az vállalja a kockázatot. Az egyénnekaz energiatermelésről hozott társadalmi döntés után vállania kell a számárais előnyös tevékenységből rá eső kényszerített kockázatot. 

Kérdésazonban, hogy mekkora kockázat vállalása elfogadható. Egy társadalombansok tevékenység jár kockázatokkal. Sok kockázattal már megtanultunk együttélni. A legtöbb tevékenység kockázata csökken az idők folyamán. Egy társadalmatjellemez az átlagos munkahelyi kockázat értéke RáM. Ezazt jelenti, hogy az egyes tevékenységeket foglalkozás szerűen űzők munkahelyikockázatát a számukkal súlyozva kell átlagolni. Ha egy új tevékenység ezenátlagos kockázatnál biztonságosabb, akkor a társadalomra nézve elfogadhatókockázatot jelent. Az USA-ban a munkahelyi kockázatokat hosszú évek ótafigyelik, nagy számú statisztika segíti az elemzést. Ezek alapjánRáMértéke 10-4-nek adódott. Egyre több helyen elfogadott szabály,hogy az átlagos kockázat tizedrésze feletti kényszerített kockázat értékekrefel kell hívni a figyelmet. (Ez az ismeret joga.) Ezért van a cigarettásdobozokon feltüntetve, hogy a ,,dohányzás káros az egészségre''. 

Dózisfogalmak

Aradioaktív sugárzások ionizálják a közeg részecskéit, amelyben haladnak.Az alfa- és béta sugárzások közvetlenül ionizálnak, a semleges részecskékbőlálló gamma-sugárzás és a neutronsugárzás közvetett módon ionizál. Ilyenkorelőször a gamma-foton meglök egy elektront, vagy a neutron meglök egy protont,és ezután már a töltött részecske ionizál tovább. Ezzel a fizikai és nemcsaka biológiai rendszerek szerkezetét, működését megváltoztathatják. (Pl.számítógép-chipek sugárkárosodása, szerkezeti anyagok tulajdonságának megváltozása.)Az egyes sugárzások intenzitásának meghatározására szolgál az aktivitásfogalma. Az aktivitás az 1 másodpercenkénti bomlások számát adja meg:

Itt DNaz elbomlott atommagok száma Dtidő alatt. Az aktivitás egysége a becquerel (ejtsd: bekerel): Bq. Abiológiaikárosodás első lépése is fizikai folyamat, az energialeadás. A sugárzásokannál több iont tudnak kelteni egy adott közegben, minél nagyobb az általukleadott energia. A sugárzások hatásainak meghatározásakor elsődleges fogalomtömegegységenként elnyelt energia az elnyelt dózis

Azelnyelt dózis egysége a gray: Gy, 1 Gy=1 J/kg. Az elnyelt dózis a sugárzásés a körülötte lévő anyag kölcsönhatásának eredménye, ezért egy adott sugárzásdózisa mindig függ attól milyen közegben nyelődött el. A sugárvédelmi összehasonlításokhozhasználhatjuk a testszövet-ekvivalens közeg fogalmát. A dózisok mérésekorugyanis az energia nem a testszövetben adódik le, hanem egy detektor anyagában.Ezt a leadott energiát kell átszámolni arra, hogy mekkora lett volna egytestszövetben, vagy egy azzal ekvivalens anyagban. Az elnyelt energia mérésévela dozimetria foglalkozik. A dózisok mérésére szolgáló műszer a doziméter,mindig kalibrálásra szorul az előbb említettek miatt. A dózisok értékétbecsülni is lehet. A már ismert tapasztalatokat összesíti az a törvénymely megadja egy pontszerű gamma-sugárforrástól r távolságban lévőemberi testszövet-ekvivalens anyag által elnyelt energiát t időalatt, ha a forrás aktivitása A. A Kgagamma-sugárzásdózisállandója,függ a sugárzás energiájától. 

Példakéntmegadjuk néhány gamma-sugárzó radioaktív izotóp dózisállandóját mGy×m2/GBq×óraegységben: 40K - 18,3; 60Co - 305,4; 137Cs- 75,9.

Azionizáló sugárzások által leadott energia molekuláris szintű változásokathoz létre az élő szervezetben, annak egységében a sejtben. A folyamatoknagyon komplexek és bonyolultak, ezért néhány szemléletes példát hozunkcsak elő. Az sugárzás ionizálhat például egy elektront egy fehérjemolekulában,ami kijutva néhány szomszédos elektront is meglök. Ezzel a fehérje alakjátmeghatározó másodlagos hidrogén-híd-kötések felszakadnak, a fehérje elvesztiszerkezetét, és így funkcióját nem tudja betölteni. A szervezet immunrendszereazonban működik és a javítóenzimek gyakran korrigálják a változásokat.Másik példa, hogy a sugárzás energiája a víz molekulájának adódik át, éstöbblet H+ és OH- ionokat kelt. Ezekből H2O2hidrogén-peroxid képződhet, ami oxidálószer és felborítja a kényes biokémiaiegyensúlyt a sejten belül. A sejt erre is immunreakcióval tud válaszolni,természetesen korlátozott intenzitással. A radioaktív sugárzások biológiaihatásai számottevően különböznek a sugárzás fajtájának függvényében. Azalfa-sugárzás például gyorsan fékeződik le (lassabban mozog), sokkal nagyobbaz egységnyi úton leadott energiája, mint egy azonos energiájú elektroné.Ennek megfelelően a sejtekben egységnyi úton sokkal több ion-elektron párttud létrehozni. Ezek hatását a javító enzimek már nehezebben tudják kijavítani.A neutronsugárzás is hasonlóan minőségileg más, mint a gammák. A biológiaihatás meghatározására használják a dózisegyenérték fogalmát. Ezmegmutatja, hogy az adott sugárzás milyen dózisú gamma-sugárzással egyenértékűbiológiai károsító hatást keltett. A jele a H, egysége a sievert (szívert):Sv.

AQ a minőségi faktor, a sugárzás típusára jellemző állandó. Értékegamma- és béta-sugárzásra 1. A természetes alfa-sugárzásokra Q=20,termikus neutronokra 2-3, gyors neutronokra 10. 

Atest egyes szövetei másképp reagálnak a radioaktív sugárzásokra. Néhánytestszövet besugárzása nem okoz nagy problémát az életműködésekben. Ilyenpéldául a kéz, kézfej bőre. Más szervek sokkal érzékenyebben reagálnak.Az egyik legérzékenyebb szövetünk a szem vagy a csontvelő. Ezért az egyesszerveket erő dózisegyenértékek különböző súllyal esnek latba az egyedegészségkárosodásakor, és így különböző kockázatnövelő hatásuk van. Azegésztest effektív dózisegyenérték az összes szövetre átlagolt dózisegyenérték.Jele HE.

Awt súlyfaktorokat a Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottságajánlása alapján kell számítani. Például a tüdőt ért sugárzás súlyfaktora0,12, az emlőket ért sugárzásé 0,15. 

Azondózisfogalmakat, melyek az időegységre vonatkoztatott egyes dózisokat adjákmeg, a (megfelelő) dózisteljesítménynek hívjuk. 

Asugárzások biológiai hatásait effektív dózisegyenérték függvényében lehetvizsgálni. Két fajta sugárkárosodást különböztetünk meg. Az egyik a nagydózisok esetén áll elő, néhány Gy elnyelt dózis, vagy néhány Sv effektívdózisegyenérték esetén. Ilyenkor a sugárzásnak akkut hatásai jelentkeznek,a károsodás súlyossága arányos azzal, hogy mekkora volt a dózis.Ezt hívjukdeterminisztikus sugárhatásnak. A félhalálos dózison azt a dózisegyenértéketértjük, amely 30 napon belül 50% valószinűséggel halálos. Emberre vonatkozóanaz értéke 4-5 Sv. Ilyen nagy sugárdózisok ritkán fordulnak elő. A csernobilireaktorbalesetnél a tűzoltók kaptak ekkora dózist, valamint a sugárterápiáskezelésben résztvevők is hasonló nagyságrendű sugárzást kapnak. Ez utóbbiesetben a megtervezett orvosi beavatkozás miatt a beteg állapota javulnifog. A félhalálos dózisoknál nagyságrendekkel kisebb dózisok egészen másjellegű hatást fejtenek ki az emberi szervezetre. Ilyenkor a dózis nagyságanem a súlyosságot növeli, hanem a betegség kialakulásának valószínűségétnöveli. Ezen utóbbi hatás neve sztochasztikus hatás. Ez a hatásfontos a munkahelyi kockázatok meghatározásakor. A sztochasztikus hatásnagyságát a hosszú idő után kialakuló halálozás gyakorisága adja meg. Anukleáris fegyverek bevetésének áldozatai volt az első nagy népességű csoport,akiken a sztochasztikus hatásokat nyomon lehetett követni. Ezen kívül azuránbányászok körében felfedezett tüdőrák gyakoriság, vagy a rádiumos festékkelfestők körében észlelt megbetegedések adatai alapján lehet meghatároznia dózisegyenérték - halálozási gyakoriság (vagy valószínűség) görbéjét.A tapasztalat azt mutatja, hogy ez a görbe egy egyenes. Annál nagyobbahalálozás valószínűsége, minél nagyobb effektív dózisegyenérték érte azegyedet. Az egyenes meredeksége, az átváltási tényező a dózisról valószínűségrejó közelítéssel: 20 mikrorizikó/mSv. Ezek szerint ha Magyarország mindenlakosa 1 mSv dózist abszorbeál, akkor 200 emberben fog kialakulni haláloskimenetelű betegség a sugárhatás miatt. A természetes sugárzások, melyekrőla következő alfejezetben szólunk, átlagosan 2 mSv dózisegyenértéket jelentenekévente. Az 1 mSv tehát alacsony érték. Az egyes tevékenységek kockázatánakvizsgálatakor, mint említettük a társadalmilag átlagos munkahelyi kockázattalkell összevetni. A Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottság ajánlása értelmébena sugárveszélyes munkakörben dolgozók éves megengedett dózisa 50 mSv,de sok éves átlagban csak 25 mSv engedhető meg. Továbbá az ilyen munkakörbendolgozóknak rendszeres orvosi vizsgálatokon kell résztvenniük. Ezeken felülkülön megszorítás, hogy az egyes szervek dózisegyenértéke ne érje el az500 mSv-et, és a szem dózisterhelése nem lehet 150 mSv-nél nagyobb. A lakosságravonatkozóan az effektív dózisegyenérték korlát 5 mSv. A kényszerített kockázatszintje egy tizes faktorral kisebb, mint a munkahelyi kockázaté. Azon lakosságicsoportok, amelyek rendszeresen kaphatnak dózisterhelést valamilyen nukleárisüzemből a kritikus csoportok. Ezekre az éves dózisterhelés megengedettértéke 1 mSv. Felhívjuk a figyelmet arra, hogy ezek a dózisok a természetessugárzások dózisán, és az egészségügyi vizsgálatok miatt kapott mesterségesdózisokon felül megkapott dózisegyenértékekre vonatkoznak. A természetesháttér 2 mSv-je feletti dózis számít tehát. 

Kéttámpontunk is van a sugárzások hatásainak megítélése céljából. A 2 mSvévente a temészetes sugárzások dózisa, 50 mSv a foglalkozási határ. E felettkezdődik a kimutatható egészségkárosodás, 1 Sv felett a súlyos determinisztikushatások, 4,5 Sv pedig az említett félhalálos dózis. 50 mSv alatt évenkéntidózisok sugárveszélyes munkakörben dolgozók esetén fordulhatnak elő, ellenőrzésmellett. A lakossági terhelések 5 mSv alatt kell maradjanak, ez alatt jöna 2 mSv természetes háttér. Az 1 mSv alatti dózisok már kicsinek számítanak,és kb. 10 mSv/évmár kimutathatatlan dózis. 

Asugárvédelem egyik alapelve az ALARA-elv. Ez kimondja, hogy minden indokoltsugárterhelést olyan alacsony szintre kell csökkenteni, amennyire az atevékenység célja megvalósíthatósága mellett, társadalmi és gazdasági szempontokfigyelembe vételévelésszerűen lehetséges. 

Azeddigiekben külső sugárzások hatásait említettünk. Előfordul, hogy a sugárveszélyestevékenység során nyílt izotóppal dolgozunk. Ezek a levegővel, aeroszolokratapadva vagy folyadékokkal bejuthatnak a szervezetünkbe. Ilyenkor egyesatomok beépülhetnek a szervezet molekuláiba. Például a hidrogén radioaktívtestvére, a trícium, beépülhet a hidrogénatomok helyére, mert kémiailagazonos vele, elektronszerkezetük megegyezik. Ugyanígy a 14Cis be tud épülni a szénatomok helyére, a 131I általában a pajzsmirigybentalálható stabil jódatomok helyére épül be. Az egyes izotópok feldúsulhatnakegyes szervekben, vagy eloszolhatnak az egész testben. Mindre jellemző,hogy a radioaktív felezési idejénél rövidebb biológiai felezési ideje van.A szervezetből ugyanis az anyagcsere folytán is kiürülhet, a radioaktívbomlással történő megszűnés mellett. A trícium felezési ideje például 12,3év, de a biológiai felezési ideje csak 12 nap. A radiokarbon a zsírszövetekbendúsul fel, és effektív felezési ideje 12 nap, a jódé 7,6 nap. A szervezetbebejutó izotópokra ún. másodlagos korlátokat állítottak fel. Az ÉFEK értékmegadja, hogy egy évben hány atom bejutása engedélyezett az adott izotópból.(Éves FElvételi Korlát.) Ezen korlátok betartása mellett, a belső sugárterhelésa külső sugárzásnál meghatározott határok alatt marad. A gyakorlatban ezeketaz éves bekerülési szinteket átszámolják szennyezettségi értékekre. ígyhatározzák meg a levegőben, vízben és az élelmiszerekben az egyes izotópokszármaztatott szennyezési korlátait, általában ezeket fajlagos aktivitásbanadják meg (Bq/liter, Bq/kg). 

Végülejtsünk szót az ionizáló sugárzás elleni védelemről. Az első az ALARA-elvszellemében végzett sugárzási tervezés. Ezen kívül két nagyon egyszerűmeggondolás betartásával minimálisra redukálhatjuk a dózist. Az egyik azidővédelem. Az elnyelt dózis egyenesen arányos az eltelt idővel,ezért az idő csökkentésével a dózis is csökkenthető. A másik még effektívebbeszköz a távolságvédelem. Egy külső pontszerű sugárforrás dózisaa távolság négyzetével fordítva arányos. Százszor kisebb dózist kapunktehát, ha egy izotópot 10 cm helyett csak 1 méterre közelítünk meg. Haez a két módszer nem alkalmazható, akkor a sugárforrást árnyékolnikell. Az ionizáló sugárzások minden közegben energiát adnak le, ezért azintenzitásuk gyengül. A gyengülés mértéke az árnyékoló fal vastagságánakexponenciálisfüggvénye. 

IttI0 a sugárzás kezdeti intenzitása, I a fal túlsóoldalán mért intenzitás, R a felezési vastagság. A gamma-sugárzásintenzitása nagy rendszámú közeggel árnyékolható le. Ilyen az ólom. A neutronokárnyékolására kis rendszámú közeg alkalmas. Ezek atomjaival ütközve tuda neutron energiájától hamar megszabadulni. Jó neutronlassító a víz. Aneutronok befogásávalis lehet őketárnyékolni. Jó neutronelnyelő atommag a bór és a kadmium. Ezért vannaka reaktorok biztonsági rudai általában kadmiumacélból, és használnak neutronfluxusnövekedés esetére bóros vizet. 

Nukleáriskörnyezetünk 

Azatommagok átalakulása természetes folyamat. Atommagátalakulások segítségévelkeletkeztek a Földet felépítő elemek, fúzió termeli az energiát a Napban,a radioaktivitás hője melegíti Földünk belsejét. A Naprendszerben és galaxiusunkbana Tejút-rendszerben folyamatosan keletkeznek radioaktív sugárzások. Földikörnyezetünk is gazdag radioaktív izotópokban, és ez már így volt az iparosodáselőtti időkben. Természetes környezetünk alapvető tulajdonsága a radioaktivitás,emberi érzékszervekkel azonban nem érekhető. Felfedezésére a XIX. századvégéig kellett várni. A földi természetes radioaktivitás több forrásbólérkezik. a) az űrből a kozmikus sugárzás, b) a kőzetekben lévő radioaktívizotópokból, c) élelmiszerek szennyezéseiből, d) az emberi testszöveteknekis van természetes radioaktivitása. 

Akozmikus sugárzás az űrből érkező nagyenergiájú részecskék árama.Egyik forrása galaktikus, vagy extra-galaktikus. Ez azt jelenti, hogy aTejút-rendszerből, vagy más távoli galaxisokból is érkezhetnek hozzánkgyors részecskék. Ezek energiája 100 MeV-től TeV nagyságrendig terjed.Összetétele 87%-ban protonok, 11% alfa-részecskék, a többi elektron vagynehéz-ionok. A kozmikus sugárzás másik forrása a Nap. Onnan 1 keV-tól 100MeV-ig terjedő energiájú protonok és kevés alfa-sugárzás indulnak ki. Eza napszél, ami az üstökösök csóváját is beállítja a Nappal ellentétes irányba.A Napból érkező kozmikus sugárzás a napfolttevékenységek periódusa szerintváltozó intenzitású, 11 éves periódussal. A napkitörések miatt is nagya fluktuációja. A kozmikus sugárzástól az atmoszféra véd minket. A kozmikussugárzáson kívül a napsugárzás nagy része is elhal benne. Ha egy a felszínen1cm2 alapterületűfüggőlegestérszögben megmérjük mennyi részecske van, akkor ezek tömege kb. 1 kg.Ha a levegő normál körülmények közötti sűrűségével számolunk akkor ez kb.10 km magas légoszlopnak felelne meg. De a levegő sűrűsége felfelé gyorsancsökken, a légkörnek nincs éles határa, így az 1000 g négyzetcentiméterenkéntsokkal magasabb légoszlopnak felel meg. A nagyenergiájú kozmikus részecskékmásodlagos részecskéket keltenek a légkör felső rétegeiben. Ezek neutronok,kisebb energiájú protonok, gamma-fotonok, müonok, vagy pi-mezonok lehetnekleginkább. A neutronok a légkör nitrogénjével kölcsönhatnak és egy protonkilökésével 14C izotóp keletkezik, vagy egyszerűen egy neutronegy trícium magot kilök a nitrogén magjából. (Így keletkeznek a szervesmolekulák alkotórészeinek radioaktív izotópjai a természetben.) Ezek keletkezésiés feleződési gyorsasága egy egyensúlyi koncentrációt tart fenn a légkörbenés így ez öröklődik az élő szervezetre is. A nagyenergiájú gamma-fotonokelektromágneses záporokat kelthetnek, melyben elektronok, pozitronok (azelektron antirészecskéi) és gamma-fotonok alakulnak át egymásba, egyretöbben lesznek, cserébe egyre kisebb lesz az energiájuk. A kozmikus sugárzásdózisegyenértéke a tengerszinten Budapest szélességében 0,3 mSv évente,az egyenlítőn 0,2 mSv/év. Ha a Mount Everest tetején élnénk egész évben,akkor az éves dózis 20 mSv volna. Ebből látszik a légkör árnyékolásánakfontos szerepe. Egy Budapest-New York repülőút alkalmával feljebb is emelkedika gép, de az ideje csak kb. 9 óra. Egy ilyen út alkalmával a többletdóziskb. 50 mSv.Egy Hold-utazás során abszorbeált többletdózis 3,6 mSv lenne. Magyarországona kozmikus sugárzásból eredő természetes dózisegyenérték 0,3mSv/év

Atalaj és a kőzetek is tartalmaznak radioaktív részecskéket. Ezekhosszú felezési idejű izotópok, melyeknek felezési ideje a Föld életkoránális hosszabb. A Föld keletkezése óta a többi radioaktív elem ugyanis lebomlottmegtalálta a stabil magszerkezetet. A talaj és a kőzetek radioaktivitásánakfő forrása az urán 238-as izotópja (felezési idő 4,5 milliárd év), a tórium232-es izotópja (14 milliárd év), a rubidium-87 (49 milliárd év) a kálium-40(1,3 milliárd év) és ezek bomlástermékei. Az urán és tórium bomlástermékeialkotják az urán és a tóriumcsaládot. Ezek radioaktív izotópok, melyeksoros bomlással keletkeznek az urántól egészen az utolső elemig az ólomig.Mint említettük az urán ritkább izotópja is megtalálható a földkéregben,ez a 235U és részaránya 0,7% az uránatomok között. Felezésiideje szintén milliárd éves nagyságrendű. A kálium-40 az öszes kálium atomokközött 0,01% részaránnyal van jelen. Ha figyelembe vesszük, hogy az emberisejtmembrán egyik fontos alkotóeleme a kálium, akkor azt állapíthatjukmeg, hogy a szervezetben sok radioaktív kálium található. Ennek 1,4 MeVenergiájú gamma-sugárzása az egész testet besugározza. A légkör argontartalmais a 40K-nek köszönhető, ebből béta-bomlással keletkezik. Aföldi eredetű természetes sugárzások dózisegyenértéke 0,2-0,4 mSv-etjelentenek évente. Ezek regionálisan változhatnak, attól függően, hogymilyen a közet összetétele. Indiában (Kerala tartomány) és Brazíliábanvannak olyan területek, ahol ennek sokszorosa is lehetséges. Ezeken a területekenugyanúgy biztonságban élnek emberek mint a Föld többi részén. A Föld hősugárzásánaknagy része is radioaktív eredetű (44 TW). 

Anövények a talajból veszik fel tápanyagukat, az állatok a növényeket eszikmeg, a talaj radioaktivitása és a légkörben lévő radioaktív anyagok bekerülnekaz élelmiszerekbe is. Naponta 2,5 liter viszet ha iszunk, 20000 liter levegőtlélegzünk be, akkor 2,5 g 40K-et, 1-1 mguránt és tóriumot veszünk magunkhoz. 100 gramm banánban 13 Bq aktivitásúkálium van, ez banánonként 0,1 mSvtöbbletdózist eredményez. A spenót is dús a káliumban, ezért 10 dkg spenót24 Bq aktivitású. Mindennapi életünkben teljesen hozzászoktunk ezekheza radioaktivitási szintekhez. Egyes tapasztalatok szerint, a nagyon kisdózisok egyenesen jó hatással vannak a szervezetre. Magyarországon a táplálkozássalfelvett természetes eredetű dózisegyenérték 0,4 mSv

Azemberi test is tartalmaz radioaktív izotópokat. Egy 70 kg-os emberben 140gramm kálium van, ebből 0,012% a radioaktív kálium, ez összesen 16 mg40K. Ez 0,17 mSv dózist jelent. A testünkbe beépülő tríciumaktivitása igen kicsiny, mert a légköri tríciumkoncentráció is elég kicsi.Minden 1018-dik hidrogén helyén ül egy trícium atom. A radiokarbonegyensúlyi aránya nagyobb, minden 5×1011-dik szénatom helyén ül egy 14C.Aszervezetben ezen izotópból származó abszorbeáltdózisegyenlérték0,01 mSv. A 87Rb dózisa 0,01 mSv/év, a további beépült atomokaz urán és a tórium radioaktív sorának termékei. A 210Po 0,12mSv, a 226Ra 0,04 mSv, az urán és tóriumizotópok maguk szintén0,04 mSv dózissal járulnak az emberi test összetételéből származóradioaktív sugárterheléshez, ami így összesen kb, 0,4 mSv évente.Ez a sugárzás belső sugárterhelést jelent. A rádium izotópok például akalciummal vannak egy kémiai oszlopban, így azokkal hasonló az elektronszerkezetük,azok helyére be tudnak épülni a csontba.

A238U egyik leányeleme (az 1620 éves felezési idejű rádium-226bomlásakor keletkező) a radon 222-es izotópja. Ez nemesgáz és 3,8 nap felezésiidővel bomlik el a polonium 218-as izotópba alfa-sugárzás kibocsátásával.Bomlástermékei közül a 218Po 3 perc felezési idejű, a 214Pb26,8 perc felezési idejű, a 214Bi 19,7 perc felezési idejű radioaktívleányelemek. (Utóbbi kettő béta- és gamma-sugárzást kibocsátó izotópok.)A következő leányelem a 214Po szintén alfa-sugárzó felzési idejea másodpercnél rövidebb. A radon kiszabadulva a kőzetbe zárt rádiumbólgáznemű anyagként a közetek pórusaiban diffundálva több nap alatt könnyena felszínre is tud érni. Törésvonalak mentén a diffúziója könnyebb, ottelőszeretettel jeletkezik. A talaj pórusaiban 10 kBq/m3 radonaktivitásis átlagosnak számít. A talajból kijutva a radon mivel nehezebb a levegőmolekuláinál a házakban zárt terekben fel tud halmozódni. ha a lakásokatnem szellőztetjük magas radonkoncentrációt állíthatunk elő. A talaj felett5-10 Bq/m3 aktivitás tapasztalható, a lakásokban a világátlagkb. 40-50 Bq/m3. Vannak különösen nagy radontartalmú helyek.Ilyen a Mátrában található Mátraderecske, ahol a radont már gyógyászaticélokra is próbálják alkalmazni. Minden uránban gazdag közetre épült lakásbanpotenciálisan magas légtéri radontartalom várható. A radon a légzésselbekerül a tüdőbe, ha ott elbomlik, akkor a keletkezett leányelemek ottragadnak,mivel ezek már nem gáz halmazállapotúak, hanem nagy mennyiségben fém képződnebelőlük. Ezek az atomok kiülnek a tüdő hörgőire, és ők és további leányelemeikalfa-,béta-, gamma-bomlásukkor a tüdő sejtjeit bombázzák. A természetes sugárzásokközül a radon és leányelemeinek dózisa a legszámottevőbb: 1,4mSv átlagosan. Ez az érték lakásról lakásra változhat, sőt a lakásokszobáiban is nagy eltéréseket mutathat. 1 mSv dózisegyenértéket az irodalomszerint 40-60 Bq/m3 radontartalmú lakáslevegő okoz (ha egészévben ott tartózkodunk). 

Összesena természetes eredetű külső sugárzások dózisegyenértéke átlagosan 2,4 mSvévente.Ezzel a dózissal évezredekóta együtt él az ember. 

Acivilizált XX.-századi ember (hátmég a XXI.-századi) nemcsak természeteseredetű radioaktív sugárzást kap. Az orvosi röntgendiagnosztika átlagosanévi 0,6 mSv többletdózist jelent a lakosság átlagára, pedig nem is mindenemberről készítenek röntgenfelvételt egy évben. Ez az eljárás a gyógyításminőségét javítja, ezért orvosilag is támogatott sugárterhelés. Gondoljunkcsak a fogröntgenre, a tüdőröntgenre, a töréskor felvett röntgenképekre.A modern tomográfiás eljárások között van olyan, amely radioaktív sugárzássaljár, vannak olyan diagnosztikai eljárások, amikor radioaktív izotópot fecskendeznekaz ember szervezetébe, az a kívánt helyen felhalmozódik, kötődik bizonyosmolekulákhoz, és így feltérképezhető a kívánt hatás az emberben. Ezek aterápiák további 0,1 mSv/év dózisegyenértéket jelentenek átlagosan. A sugárzásoknemcsak a rákbetegség keletkezésében játszhatnak szerepet, de az ellenükfelvett harcban is. A radioterápiás kezelések sok esetben hosszabbítjákmeg jelentősen az emberi életet. Ezen sugárzásokból származó átlagos dózisegyenérték0,2 mSv évente. Az egészségügyi mesterséges sugárterhelés összesen0,9 mSv lakossági átlagban. 

Anem természetes eredetű sugárzások második legnagyobb dózisú része a nukleárisfegyverkísérletekből származik. 1945-63 között a hidegháború a fegyverkezésiverseny időszakában volt. Később írták alá az ,,atomsorompó" és az ,,atomcsend"egyezményeket melyek azt mutaták, hogy a politikusok is felismerték a bombákóriási pusztító erejét. Ezek az egyezmények nukleáris egyensúlyt tartottakfenn a fegyverkezésben. A fegyverkezés fejlesztési időszakában azonbanlégköri és föld alatti atomrobbantásokra is sor került. Ezek alkalmávalszámos új technikát próbáltak ki, és ezzel a Föld légkörének radioaktivitásátemelték, mesterséges radioaktív szennyezők jutottak a levegőbe. A légkörtríciumtartalma ezekben az években eltávolodott a korábbi értékről, ezértezekből az évekből származó minták radioaktív kormeghatározása a tríciumizotópok segítségével lehetetlen. A légkörbe jutott még radioaktív jód,C-14, Sr-90 és Cs-137 izotóp is. A nukleáris fegyverkezés hatására világátlagbanmegjelenő többletdózis 0,01 mSv/év

Aszénerőművek, mint említettük, szintén urán- és tóriumkibocsátóforrások. 1 tonna szénben kb. 1,3 ppm urán található, és 3,2 ppm Th. Évente3 GT szenet égetnek el az erőművekben, ebből a levegőbe kerül a hamuvalkb. 3700 tonna urán és 9000 tonna tórium. A foszfátbányászat során 125ppm urán, és 4700 tonna tórium halmozódik fel melléktermékként évente.A geotermikus erőművek a Föld mélyéről hozzák a meleget, de ennekkísérője, hogy a radongázt is kiengedik a légkörinél jóval magasabb radontartalmúhelyekről. Ezen ipari technológiák többletdózisa 0,015 mSv évente. 

Azenergiaipar nukleáris szektora is bocsát ki természetesen radioaktivitást,de az előzőeknél meglepően sokkal kevesebbet. A nukleáris ipar normálüzemi kibocsátása 0,005 mSv/év. A nukleáris energiatermelés korábbielemzése során bemutattuk a légnemű radioaktív kibocsátásokat, melyek közülaz urán leányelemek vezettek a jód- és a stronciumkibocsátás előtt, minda megengedett határérték 10%-a alatt maradva.

Azipar által forgalmazott termékek is tartalmaznak radioaktív anyagokat.Régi edények urántartalmú mázzal készültek, kemping-lámpák tórium-oxidottartalmaztak, a füst-detektorok kb. 1 mCiaktivitású amerícium izotópot használnak fel, foszforeszkáló jelzőlámpákbantrícium izotópok vannak. Gyakran az iparban alacsony nátriumtartalmú anyagravan szükség, ezekben a sókban a kálium van bedúsítva, a kálium-40-nel együtt. 

Arepülőzés és űrhajózás is a kozmikus sugárzás dózisának magassággal történőemelkedése miatt sugárveszélyes tevékenység. a repülőgép személyzet évente5-8 mSv dózist kap átlagosan, míg egy Mars utazás alkalmával egy űrhajós1 Sv többletdózist kapna a becslések szerint. 

Mintláttuk a radioaktív sugárzások hozzátartoznak életünkhöz, környezetünktermészetes állapotához. Környezetünkben nemcsak természetes eredetű radioaktivitásvan már, hanem kiterjedt ipari és egészségügyi felhasználása is van a radioaktivitásnak.Sokszor ez a sokak számára korábban ismeretlen jelenség az emberi életszínvonalát javítja, de körültekintéssel és az ismereteinkre alapuló szabályokbetartása mellett lehet csak használni. 

6.2.3.A nukleáris ipar környezeti hatásai 

Atomreaktorokbiztonsága, az atomenergia kockázata

Acsernobili atomreaktor-baleset óta valószínűleg kevesen vannak a világon,akikben ne merülne fel az (az egyébként természetesen is felvetődő) kérdés,hogy vajon egy atomerőmű mennyire biztonságos. A sajtó és a tömegkommunikációseszközök gyakran homlokegyenest eltérő véleményeket közölnek, melyek azemberekben szükségtelen, túlzott félelmet és aggodalmat keltenek. Általábanelfogadott tény, hogy a félelem alapja az ismeretek hiánya vagy elégtelensége,más szavakkal: ha valamit nem ismerek, nyilvánvalóan félelemérzet töltel a dologgal kapcsolatban. Annak érdekében, hogymegvizsgáljuk,mekkora veszélyt jelent számunkra, hogy atomerőművek működnek a környezetünkben,hasonlítsuk össze az atomerőművek működésének kockázatát az életre veszélyesmás kockázatokkal.

Aközúti autózás kockázata 1,5×10-4.Ez a szám mintegy egy-tízezred. Ekkora kockázatot tehát az ember gondolkodásnélkül elviselhetőnek, szükségesnek tart. Hasonlítsuk ezt össze az atomerőmű-balesetekszámított kockázatával. 

AzEgyesült Államok legtöbb államában nukleáris létesítmény csak akkor helyezhetőüzembe, ha annak kockázata, hogy abban súlyos, tehát a lakosságot is érintőbaleset következik be, kisebb, mint 10-7/év. Ez a szám a fentbemutatott közúti balesetek kockázatának ezred része. Érdemes megjegyezni,hogy a paksi atomerőmű legsúlyosabb balesetének a valószínűsége is ilyenérték körül van. Hogyan lehet ilyen alacsony értéket elérni? A balesetekkét egymástól különböző okra vezethetőek vissza: emberi mulasztás és műszakihiba. Természetesen ezen felül egy esetleg bekövetkező baleset súlyosságáta rendszer tervezése, gondos kivitelezése nagyban befolyásolja. Gondoljunkcsak arra, hogy az autógyárak mennyit költenek arra, hogy az autókat alegmodernebb biztonsági felszerelések tömegével szereljék fel (légzsákok,stb.). Mindezek azt a célt szolgálják, hogy a bekövetkező balesetek súlyosságátcsökkentsék. A mai korszerű atomerőművek szinte mindegyikénél védőpajzskéntműködik egy úgynevezett konténment, amely egy igen erős, hermetikusan záróvasbeton szerkezet a reaktor körül és fölött. Ha pl. Csernobilban lettvolna ilyen konténment, a baleset környezetet érő hatásai nagyságrendekkelkisebbek lehettek volna. Ezen kívül, az újabb tervezésű atomreaktorok szintemindegyike rendelkezik az úgynevezett inherens biztonsággal, ami azt jelenti,hogy még a legnagyobb emberi gondatlanság esetében sem történhet túl nagybaj (a teljesítmény növekedését tekintve), ugyanis a fizika törvényei szerinta láncreakció egy bizonyos teljesítmény elérésekor “magától” leáll illetvekisebb szintre csökken. 

Afosszilis tüzelésű erőművek és minden energiatermelő tevékenység kockázattaljár. Az atomenergia kockázatának vizsgálatakor meg kell nézni, hogy milyenbalesetek történtek adott energiatermelési szint mellett. A következő táblázatezt hasonlítja össze az energiatermelési módok esetére az 1969-1986-osidőszakra. Ebbe a csernobili reaktorbaleset még éppen beleesik (40 év alattvolt 2 baleset, így az atomenergiánál minden bizonnyal felső becslést jelenteneka számok), a táblázat adatai ezt is tartalmazzák. A megtermelt energiamellett, a jelentős balesetek számát adjuk meg, majd a munkahelyi kockázatmiatti áldozatok számát balesetenként. A táblázat konklúziója az utolsóoszlop az egységnyi energiatermelésre eső 17 évre összeadott összkockázat.


 
energia(ezer GWév)
balesetekszáma
esetenkéntiáldozatok száma
összesáldozat
áldozat/

energia

szén
10
62
10-434
3600
0,34
olaj
21
63
5-1500
2070
0,10
gáz
8,6
24
6-452
1440
0,17
víz
2,7
8
11-2500
3839
1,41
hasadás
1,1
1
37
37
0,04

Azolaj felhasználásával termelt energia kockázata nagyrészt a szállítás sorántörtént balesetekből származik. Ilyenkor számos esetben a környezet isnagy károkat szenvedett el. A szénenergia kockázatát a bányaszerencsétlenségeknövelik meg, míg a gáz hasznosításakor a gázrobbanás és a mérgezések veszélyesek.Az atomenergia felhasználása során eddig két nagyobb baleset történt. Azelső Pennsylvania államban az USA-ban 1979-ben nem követelt halálos áldozatokat.A csernobili baleset 1986-ban 37 áldozatot követelt 10 év alatt, ebből28 közvetlen 3 hónapon belül halt meg, míg a továbbiak 3 hónap és 10 évközötti intervallumban. Az energiatermelésnek minden esetben vannak másodlagoshatásai. Ilyenek például a fosszilis tüzelők üvegházhatása, nagyobb szmogokkialakulása, savas esők; a vízierőművek ökológiai hatásai, a gázrobbanások,az atomenergia esetén a baleseti radioaktív kibocsátás. Ezek a káreseményeknincsenek benne a fenti táblázatban. 

Anagyobb balesetek polgári áldozatainak számát hasonlítsuk össze más balesetekés természeti katasztrófák áldozataival. Ezeket az adatokat a következőtáblázat tartalmazza. 


 
baleset 
összesáldozat
londoniszmog (1952 dec.)
4000
kínaigátszakadás (1976)
250000
Bhopal-iszennyezés (India, 1984 dec.)
3000
csernobilireaktorbaleset (1986 április)
20000
bangladesitájfun (1991)
100000
öngyilkosságMagyarországon 1 év alatt
5000
közlekedésibaleset hazánkban 1 év alatt
1500
dohányzásmiatti halálozás M.o.-on(1 év)
5000
balesetekEurópában
900000

Atáblázatból látszik, hogy a szénerőművek is okoznak nagy számú áldozatotkövetelő másodlagos hatást, a természeti csapások felsorolása nem is teljes,sok földrengés és vulkánkitörés is számos áldozattal jár. Ezekkel összehasonlítvaa reaktorbalesetek nem pusztítottak olyan jelentősen. A figyelmet éppenaz emberi tényező irányítja rájuk, és ebben rejlik a megoldásuk egyik kulcsais. Mindkét balesetről kiderült, hogy emberi mulasztás okozta őket. A jövőreaktorbiztonsága várhatóan egyre jobb lesz. Ez csak részben adódik azemberi oldalról megkövetelt biztonságosság miatt, a másik szempont a fizikaifolyamatok miatt egyre biztonságosabb reaktorok lehetősége. Nem kétséges,hogy a civilizációnak még számos kutatásra és fejlesztésre van szükségee téren a fenntartható fejlődés megvalósítása, és az energiaigények kielégítéseérdekében. 

Történnekkisebb balesetek is, melyekben nem hal meg annyi ember, és ezért nem figyelünkfel rájuk. A nukleáris létesítmények és a repülőszerencsétlenségek ilyenszempontból hasonlóak, ha történik valamilyen esemény, akkor sokan halnakmeg. A megítélést ellenkező irányba lendítő momentum pedig az, hogy kicsia balesetek valószínűsége. 

Akockázatotígy a balesetek valószínűségét lehet csökkenteni. Ezek mindig költségekeljárásokat vagy költséges berendezéseket jelentenek. A kockázat - költségösszefüggés meredeken emelkedik az alacsony kockázati értékek tartományában.Kérdés tehát, hogy mekkora költségeket érdemes ráfordítani a kérdéses kockázatcsökkentésre.Általános elv, hogy a legnagyobb kockázatot kell csökkenteni más tevékenységekkockázati szintjére. Ez az elv valósul meg a radioaktív dózisok korlátozásirendszere esetén is, ahol szinteket a társadalmilag átlagos kockázathozmérik. A kockázat és a költség optimalizálásakor egy másik tényezőt isfigyelembe kell venni. Ez az emberi hozzáállás, a társadalmi kockázatvállalásikészség. Az emberi tényező azoknál az eseteknél mindig sokkal nagyobb,mikor ismeretlen jelenségről van szó. Gyakran tapasztalható, hogy az eseményekvalószínűsége nem érzékelhető az emberek számára, ezért a kis valószínűségűbalesetet a puszta lehetőségével mérlegelik. Ilyenkor a kis valószínűségűkáros események túlhangsúlyozódnak. 

Összefoglalvaazatomenergia az egyik legbiztonságosabb energiatermelési mód, a jövőnövekvő energiaigényeinek kielégítésére a legjobb alternatívát mutatjanapjainkban. Felvetődnek természetesen megoldandó kérdések, melyeket napjainkkutatásai igyekeznek megoldani. 

Acsernobili reaktorbaleset

Annakérdekében, hogy képet kapjunk arról, miért is következhetett be a világtörténelemlegsúlyosabb reaktorbalesete, röviden vegyük szemügyre, hogy mi is történtés milyen okok játszottak közre a baleset bekövetkezésében. Először is,amint már említettük, a csernobili reaktor RBMK típusú volt. Ez a reaktortípusnem rendelkezik a fentebb leírt inherens biztonsággal. A reaktort a kisebbdúsítású (és ezért természetesen olcsóbb) üzemanyaggal való használhatóságérdekében úgynevezett felülmoderált reaktorként működtették, ami azt jelenti,hogy a hűtővíz elvesztése a teljesítmény automatikus növekedését vontamaga után. (Meg kell jegyeznünk, hogy a baleset után a többi, még működőRBMK típusú erőművet átállították nagyobb dúsítású üzemanyagra, így ezta veszélyforrást csökkentették.) De mi is történt? Az erőmű személyzeteegy - szerintük veszélytelen - kísérletet szeretett volna elvégezni, ráadásulanélkül, hogy ezt engedélyeztették volna a megfelelő hatósággal. Ezzelgyakorlatilag minden létező rendszabályt megszegtek. A kísérlet elvégzéseközben a reaktor elkezdett túlmelegedni, ennek következtében a szabályozórudak acél csövei a hő hatására eldeformálódtak. A szabályozó rendszertehát nem működött és a reaktor még tovább melegedett. A hűtővíz elforrt,elpárolgott, ami pozitív visszacsatolást eredményezett és a teljesítménymég tovább nőtt. Ekkor a folyamatot már nem lehetett megállítani, ráadásulaz igen magas hőmérsékleten a grafit (emlékezzünk vissza, hogy az RBMKreaktorban a moderátor grafit) elkezdett égni. A vízgőz találkozott a mintegy2500 °C-onégő grafittal és kémiai robbanás következett be. Ennek során a reaktorbantalálható nagy mennyiségű és igen erősen radioaktív anyag a környezetbekerült, hiszen nem volt konténment, ami visszatarthatta volna ezeket. Összefoglalvatehát a következőket mondhatjuk el:

·abaleset alapvetően súlyos emberi mulasztás miatt következett be;

·abaleset kivédhető vagy kevésbé súlyos lett volna egy átgondoltabb, biztonságosabbanmegtervezett rendszer esetében.

Acsernobili baleset során a légkörbe kerültek radioaktív izotópok. Ezeka meteorológiai viszonyok miatt először Svédország felé indultak, majdszétszóródnak Európa szerte. Az izotópok kihullással a felszínre érkeztek,és emiatt többlet dózisterhelést okoztak minden országban. Magyarországona kihullás miatti többletdózis 0,35 mSv egyedenként átlagosan. Ez területilegnem volt egyenletes az esők inhomogenitása miatt. A legtöbb egyedi dózisországon belüli területenként így is maximum 0,44 mSv volt átlagosan. Nálunknagyobb dózis hullot ki Romániában, Ausztriában, Svédországban itt is maximum0,7 mSv/egyed volt. 

Anukleáris környezetvédelem

Akörnyezetünkben felhasznált sugárzó anyagok, a légkörbe került izotópok,és ezek felismerése indokolja a nukleáris anyagok környezeti vizsgálatát,és ezek ésszerű kezelését. A nukleáris környezetvédelem célja nem a bioszférasugármentesítése, hiszen ez lehetetlen lenne. A cél a sugárzó anyagok olyankezelése, mely a bioszférát elfogadható módon terhelve hoz mérlegelt hasznotaz emberi társadalmaknak. 

Anukleáris környezetvizsgálatot több tényező hozta a figyelem középpontjába.Ezek a nukleáris fegyverkísérletek kibocsátásai, a bennük még jelen pillanatbanis tárolódó nukleáris anyagok megnyugtató kezelése. Fokozott kutatásokatigényel az a tény, hogy a radioaktivitást közvetlenül nem érzékeljük. Atársadalomban széles körű ismerethiány van a radioaktív folyamatokról ezérzelmi alapra helyezheti a társadalom megítélését. Más hasonló problémávalvaló összehasonlítás is hiányzik. 

Anukleáris környezetvédelem problémáinak megoldásához rendszerszintű gondolkodásszükséges, és társadalomlélektani vonatkozások helyes kezelése. 

Agyakorlati kérdések három csoportra oszthatók: a) nukleáris fegyverek problémái,b) atomerőművek baleseti biztonsága, c) nukleáris hulladékok hosszú idejűtárolása. A nukleáris fegyverekben elhelyezett nagy felezési idejű radioaktívhasadásra képes anyagok mennyisége nagyon nagy. Ez óriási veszélyeket rejtmagában, mindenképpen felelős politikai döntést igényel. Az egyik megoldásiút, hogy atomerőművekben rövidebb felezési idejű hulladékká lehet őketalakítani. Az atomerőmű normális működési viszonyok között az egyik legtisztábbenergiatermelési mód. Az atomerőművek baleseti biztonságát még tovább kellfokozni, mert kis valószínűséggel bekövetkező baleseteknek is nagy hatásalehet. A nukleáris biztonság egyre javul, a régi kevésbé biztonságos atomerőműveketleszerelik, és a reaktorok következő generációja a belső szerkezeténélfogva biztonságos erőművek lehetnek.

Radioaktívhulladékok kezelése és elhelyezésének kérdései 

Radioaktívhulladéknak azokat a radioaktivitást tartalmazó anyagokat tekintjük, amelyektovábbi felhasználásra már nem alkalmasak, illetve amelyek felhasználójának,birtokosának nincs szándékában azokat a távolabbi jövőben sem újrahasznosítani.Magyarországon az 1996-ban elfogadott CXVI. törvény, a “második atomtörvény”szerint a radioaktív hulladékok végleges elhelyezéséről való gondoskodásállami feladat, melynek költségeit – lehetőség szerint – a radioaktív hulladékkeletkezését előidéző létesítménynek kell viselnie. Igen fontos, hogy afenti megfogalmazás szerint nem radioaktív hulladék az atomreaktorok, atomerőművekhasznált, “kiégett” fűtőeleme, mert az még újrahasznosítható, bár a használtfűtőelemek feldolgozási eljárása, az úgynevezett reprocesszálás csak azatomfegyverekkel rendelkező országok előjoga. 

Aradioaktív hulladékokat igen sokféle kategóriába, csoportba sorolják, etekintetben a nemzetközi gyakorlat – némileg meglepő módon – távolról semegységes. A magyarországi szabályzás alapja a 14344. számú, 1989-ban megjelentszabvány, valamint a már említett atomtörvény végrehajtási utasításai közöttkiadott 23/1997. sz. népjóléti miniszteri rendelet. A szabvány az osztályzásalábbi szempontjait említi meg:

-halmazállapotszerint: szilárd, biológiai eredetű, folyékony és nem tűzveszélyes, folyékonyés tűzveszélyes, valamint légnemű radioaktív hulladékok;

-aktivitáskoncentrációszerint: kis, közepes és nagy aktivitású radioaktív hulladékok;

-ahulladékban jelenlévő radionuklidok felezési ideje szerint: rövid, közepesés hosszú élettartamú radioaktív hulladékok.

Ahulladék halmazállapota szerinti felosztás elsősorban a hulladékfeldolgozásés -elhelyezés szempontjait tükrözi. Megkülönbözteti a teljesen eltérőkezelést igénylő szerves és vizes alapú oldatokat, valamint kiemeli a biológiaieredetű hulladékokat, amelyek - elsősorban kísérleti állatok tetemei, használttáptalajok, tenyészetek – bomlásuk révén kémiailag agresszív, korrozívvegyületeket hoznak létre, és fokozott terhelést jelente(né)nek a hulladéktárolóanyagaira nézve.

Azaktivitáskoncentráció szerinti felosztás kategóriahatárai 500000 és 500millió kBq/kg. A kis aktivitású hulladék kategóriájának alsó korlátjátnem a szabvány, hanem egy magasabb rendű jogszabály határozza meg. Ez ebbenaz esetben az előbbiekben említett miniszteri rendelet, amely a gyakorlatbanelőforduló mesterséges és természetes eredetű radioaktív izotópokra mentességiszinteket állapított meg. A mentességi szintek fogalmi körének és számértékeinekmeghatározásakor a rendelet kidolgozói lényegében átvették a nemzetközi,ezzel együtt az európai gyakorlatban elfogadott sugárvédelmi ajánlásokat,azaz a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség által 1994-ben elkészített “NemzetköziBiztonsági Alapszabályzat – Az ionizáló sugárzások elleni védelem és asugárforrások biztonsága (IBSS #115.)” című kiadvány vonatkozó fejezeteit.A mentességi szint ennek értelmében kettős fogalom, aktivitásként (kBq)és aktivitáskoncentrációként (kBq/kg) is értelmezhető. Ha egy tárgy vagyanyag aktivitástartalma kisebb a mentességi szintnél, az kivonható az atomtörvényés minden, azzal összefüggő egyéb rendelkezés hatálya alól, tehát radioaktívhulladékként sem kell azt kezelni. A mentességi szint meghatározásánakalapja a sugárvédelem dóziskorlátozási rendszere. A mentességi szint alattimennyiségű radioaktivitás sem külső (a sugárzás veszélyének kitett embertestén kívüli), sem belső (belégzés vagy lenyelés révén inkorporált) sugárterheléskéntnem jelenthet reális egészségkárosító kockázatot a vele kapcsolatba kerülőegyénekre. Bár sem a rendelet, sem az IBSS nem tartalmazza ezt az explicitdózisszintet, a kockázattal nem járó dózisnak a mentességi szintek megállapításánálalkalmazott értéke évi 10 és 100 mSvközé tehető.

Aszabvány az aktivitáskoncentrációkat tartalmazó táblázata mellett egy hasonló,kifejezetten gyakorlati jellegű kiegészítést is közöl: a hulladékokat tartalmazógöngyölegek felületén mérhető gamma-dózisteljesítmény értéke alapján ismeghatározza a hulladékok osztályait. Eszerint kisaktivitású az a hulladék,amelynek felületétől 10 cm-re a dózisteljesítmény 300 mSv/h-nálkisebb, nagyaktivitású pedig az, amelynél a dózisteljesítmény 10000 mSv/h-nálnagyobb. E felosztás alapján természetesen nem minősíthetők az alfasugárzónuklidokat istartalmazó hulladékok,hiszen a kiemelkedően nagy egészségkárosító hatású alfasugárzás csekélyáthatolóképessége miatt agöngyölegfelületén át nem is lehet mérhető.

Afelezési idő alapján történő felosztás még az eddigieknél is szubjektívabb,azaz gyakorlatiasabb. Hosszú élettartamú hulladékok a 30 évnél hosszabbfelezési idejűek. Ennél (azaz a 137Cs felezési idejénél) hosszabbfelezési idejű nuklidok csak egyes kísérleti és oktatási laboratóriumokbanalkalmazott forrásokban, valamint nukleáris reaktorok kimerült fűtőelemeibenvannak jelen a mentességi szintet meghaladó mennyiségben.

Mintemlítettük, a nemzetközi gyakorlat számos más kategorizálási elvet és rendszertis ismer. Két ilyen, Magyarországon egyelőre nem hivatalosan használt esetetérdemes megemlíteni. A “vegyes hulladék” fogalmával számos országban aradioaktivitásán kívül egyéb, pl. kémiai okból is veszélyes hulladékokatjelölik. Több országban, így az USA-ban és Nagy-Britanniában a nagyaktivitásúhulladék fő ismérve nem az aktivitáskoncentráció, hanem az a sajátosság,hogy az ilyen nagy koncentrációjú radioaktív anyagban a bekövetkezett bomlásokmiatti hőfejlődés fűtőteljesítménye eléri a 2 kW/m3 értéket.

Aradioaktív hulladékok kezelése (angol kifejezéssel: management) igen szélesfogalomkört fog át, ennek csak egy része a hulladékok feldolgozása (processing).A teljes folyamat részei az alábbiak:

-ahulladékok összegyűjtése, előzetes minősítése és ideiglenes tárolása,

-ahulladékok szállítása,

-ahulladékfeldolgozás, melynek részlépései a halmazállapottól és a hulladékokosztályától függnek,

-afeldolgozott hulladék elszállítása és átmeneti tárolása,

-ahulladék végleges elhelyezése (temetése).

Ecsoportok közül a hulladékfeldolgozás és az átmeneti illetve végleges elhelyezésszámos, egymástól élesen különböző eljárást foglal össze. A hulladékfeldolgozásszilárd hulladékok esetén az alábbi eljárásokat jelentheti: tömörítés (préselés),égetés, rögzítés (kondicionálás, lásd később). Folyékony halmazállapotú,kis és közepes aktivitású hulladékok esetén az elhelyezési költségek csökkentésétcélzó térfogatcsökkentésre igen sok lehetőség van: alkalmazható az oldatokbepárlása, égetése, a radioaktív komponensek lecsapása, szűrése, extrakciója,ioncseréje is. Valamennyi eljárás közös jellemzője, hogy a keletkező radioaktívanyag kisebb térfogatú és nyilvánvalóan nagyobb aktivitáskoncentrációjúlesz, mint a kiindulási oldat, és az “inaktív” anyagáram meg kell feleljena mentességi kritériumoknak. A térfogatcsökkentést szilárdítás (kondicionálás)követi. Vizes alapú oldatokat általában cementezéssel, szerves alapúakatbitumenezéssel szilárdítanak. Bár a szilárdítás nyilvánvalóan térfogat-növekedésseljár, azaz rontja a későbbi elhelyezés gazdaságosságát, mégis szükséges,hiszen meg kell akadályozni a hulladék kikerülését a környezetbe. Újabb,elsősorban közepes- és nagyaktivitású hulladékoknál gazdaságos kondicionálásieljárás az üvegesítés (vitrifikáció). Ennek során a szilárd(ított) hulladékotolvasztott üvegmasszába keverik, amely megszilárdulva a többi eljárásnálsokszorta hatékonyabban rögzíti a radioaktív szennyezést. Igen fontos,hogy az üveg különleges szerkezete ellenáll a nagyaktivitású hulladékokesetében nem elhanyagolható hőfejlődésnek is.

Akiégett fűtőelemek feldolgozása, a reprocesszálás újrahasznosításra alkalmatlan,nagyaktivitású melléktermékei is hulladékként kezelendők. A fenti eljárásokonkívül ezen anyagokkal kapcsolatban egy különleges nukleáris reaktort igénylőfeldolgozási módszerrel is kísérleteznek, a transzmutációval, ami a hosszúfelezési idejű radionuklidok neutronbesugárzással történő átalakításátjelenti. 

Akiégett fűtőelemek újrahasznosításának területén további fejlődés várható.Még fokozottabban igaz ez a hulladékok viselkedésének, környezetbe valókikerülésének és ottani terjedésének tudományára. Ezért jelenleg a legtöbbállam nem tartja indokoltnak és gazdaságosnak a kiégett fűtőelemek véglegeseltemetését. A kiégett és újrahasznosításra egyelőre nem szánt fűtőelemeketezért a sugárvédelmi biztonságnak megfelelően kialakított, általában 50évre tervezett élettartamú átmeneti tárolókban helyezik el. A Földön keletkezőradioaktív hulladék térfogatának 99 %-a kis és közepes aktivitású, ezekvégleges elhelyezése igen jelentős és költséges feladat. A tárolók kéttípusa ismeretes: a felszínközeli (legfeljebb 15-30 m mélységű) és a felszínalatti (mélységi, geológiai, legalább 300 m mélységű) hulladéktemetők.Európa két legnagyobb tárolója, L’Aube (Franciaország, 1000000 m3)és Drigg (Anglia, 800000 m3) felszínközeli tároló. Magyarországezidőszerint egyetlen radioaktív hulladéktárolója Püspökszilágyon (5000m3) szintén felszínközeli. A paksi atomerőmű kis és közepesaktivitású hulladékainak elhelyezésére tervezett tároló valószínűleg felszínalatti lesz.

Asugárvédelem és a nukleáris biztonság szervezetei 

AzEgyesült Nemzetek Szövetsége 1957-ben megalapította a Nemzetközi AtomenergiaÜgynökséget (NAÜ, angol rövidítéssel IAEA). A szervezet elő kívánja segítenia nukleáris létesítmények biztonságos, balesetmentes működését és ezzelegyütt meg kívánja akadályozni a nukleáris fegyverkezésben felhasználható,nukleáris reaktorokban keletkező hasadóanyagok (elsősorban a 239Pu)ellenőrizetlen forgalmát, azaz újabb “atomhatalmak” jelentkezését. A NAÜ“safeguards” főosztálya nyilvántartja és rendszeresen ellenőrzi az energiatermelőés kutatóreaktorok fűtőelemeinek állapotát, a bennük található urán ésplutónium mennyiségét. (A nyilvántartandó legkisebb mennyiség urán esetében1 kg, plutóniumnál 1 g.) A reaktorok biztonsági színvonalát hasonló rendszerességgelés alapossággal vizsgálják A megfelelő biztonsági szint megtartatása különösenolyan országok esetében nehéz, amelyek általános fejlettségi színvonalalényegesen alacsonyabb, mint az ott üzemelő atomerőműveké.

Azutóbbi évtizedekben fokozatosan nőtt a NAÜ jelentősége a sugárvédelmi szabályzásterületén is. A sugárvédelemmel foglalkozó kutatók 1928 óta fennálló “akadémiája”,a Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottság (ICRP) ajánlásokat dolgoz ki a lakosság,a környezet és a sugárveszélyes munkakörben foglalkoztatottak számára.Ezeket az ajánlásokat a NAÜ szakértői irányelvekbe és szabályzatokba foglalják.A NAÜ tagállamaitól elvárják, hogy ezeknek megfelelően alakítsák sajátszabályozási és dóziskorlátozási rendszerüket.

Magyarországona nukleáris biztonsági és sugárvédelmi hatósági rendszert a korábban máremlített atomtörvény határozza meg. A felelősségi rendszer megosztott:öt szakhatóság rendelkezik különböző mértékű feladatokkal és felelősséggel.A reaktorok létesítésének, biztonságos üzemeltetésének, leszerelésének,a radioaktív hulladékok feldolgozásának és elhelyezésének kérdései a Kormányközvetlen irányítása alatt álló Országos Atomenergia Hivatal (OAH) hatáskörébetartoznak. Az Egészségügyi Minisztériumhoz rendelt Állami Népegészségügyiés Tisztiorvosi Szolgálat (ÁNTSZ) felelős a személyi sugárvédelem szabályozásáértés ellenőrzéséért. A Környezetvédelmi Minisztériumok felügyelőségei ellenőrzika környezetbe esetleg kikerülő radioaktivitást a nukleáris létesítményekszomszédságában, de környezeti ellenőrző méréseket végeznek a FöldművelésiMinisztérium szakhatóságai is. Végül a hazai és a határokon kívüli eredetű,nukleáris balesetekből származó légköri radioaktivitás folyamatos ellenőrzésea Belügyminisztérium által működtetett ONER-hálózat feladata. 

6.9.ábra. Az Országos Nukleárisbaleset-Elhárítási Rendszer vázlatos sémája.