Ó Phare Program HU-94.05.         Nem sokszorosítható jegyzet.

---

6. Környezeti fizika

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

Valamikor régen az ősember félt a villámoktól, melyek lecsapva lángra lobbantották a fákat. Nem ismerte a villám és a keletkező tűz eredetét. Később rájött, hogy utánozni tudja a természetet kicsiben az ő léptékében, és fadarabok gyors dörzsölésével, vagy kovakövek összeütésével maga is tüzet csiholt egy barlang bejáratánál.Ez a tűz többszörösen megkönnyítette az életét. Egyrészt meleget tudott csinálni a hűvös napokon, másrészt megsütötte az elejtett vadak húsát, és így sokkal könnyebben 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, felhasználni a meleget szabályozott tevékenységek során. Voltak azonban tűzvészek, melyek pusztítottak, jelezve azt, hogy a tűznek saját törvénye van, ha nem gondosan bánunk vele, nem figyelünk oda mi van a környezetünkben - száraz erdő, vagy üde rét - könnyen a visszájára fordulhat.

Az tűz elsődleges szerepe az, hogy energiát ad, az anyagban rejlő belső energiákat szabadítja fel, és teszi az emberi társadalom számára felhasználhatóvá. A tűz vizet melegít, forral fel, energiáját más testeknek át tudja adni felmelegítve azokat. A vízzel főzni lehet, tisztítani, különböző anyagokat kikészíteni számtalan felhasználása ismeretes. A történelem során az ember szokásai is egyre több energiát követelnek, és a technika fejlődésével egyre több és egyre tökéletesebb gépet kezdett használni. 1767-ben jutott el a technika fejlődése oda, hogy James Watt forradalmi újításai alapján elkezdődött a kondenzációs gőzgép használata. Ennek jelentősége az, hogy a tűz energiáját forgássá - azaz mechanikai energiává - alakította. A forgással gépeket lehet mozgatni, hajót meglökni, mozdonyokat meghajtani. Ezzel az ember új távlatokat nyitott, a távolságok elérhetőbbek lettek. Azóta a tudományos-technikai forradalom egyre jobban felgyorsult, hatására óriási erőművekben tartjuk kordában, és használjuk fel a földi erőforrások adta lehetőségeket, kijutottunk Földünk légteréből, néhány óra alatt kontinenseket lehet átszelni, mára az információ teljesen behálózta Földünket. Mindezek energiát igényelnek és a civilizált társadalmunk elválaszthatatlan részét alkotják a megtermelt energiával együtt. 

Az energia forrásaa természetben keresendő, kéznél van. Az őskorban a fa, majd a koksz, szén, olaj, földgáz kimeríthetetlen erőforrásoknak látszottak az elmúlt korokban. Azonban ezen ún. fosszilis energiaforrások évmilliók alatt alakultak ki az akkori növények maradványaiból, és a technika évszázadai sokkal rövidebb idő alatt felhasználják. Napjaink egyik legfontosabb üzenete, hogy az erőforrások nem kifogyhatalanok, a földi szén- és olajkészletek a becslések szerint néhány száz év múlva teljesen kimerülnek. 

Az energiafelhasználásnak van egy másik, talán még fontosabb, árnyoldala is. Ez abban áll, hogy az energiatermelés rohamos növekedése mostmár a nem elhanyagolható hatással van a Föld globális természeti rendszerére. Az energiatermelés nemcsak kimeríti a fosszilis forrásokat, hanem gyakran környezetszennyezéssel jár, megváltoztatja a légkört, ezzel visszahat Földünkre, annak természeti folyamataira és a társadalomra is. Gondolkodásunk ezen ismeretek birtokában nem lehet pusztán ember- és társadalomcentrikus. Ki kell terjesztenünk szemléletmódunkat úgy, hogy az az egész Földünket egybefoglaló rendszert vizsgálja.

Az energiatermelés korunk egyik legfontosabb kérdése, nem világos, hogy a jövőben milyen energiaforrásokat lesz érdemes felhasználni a növekvő igények mellett. Melyek azok az energiatermelési módok, amelyek képesek az energiaigényeket kiszolgálni, és amiket a Föld nagy egységében gondolkozva is biztonsággal kezelhetünk, és nem okoznak Földi méretű ,,tűzvészeket''. Ehhez a felhasznált folyamatok, és azok hatásainak minél pontosabb ismerete szükséges. Egy biztosnak látszik, a korábbi fosszilis energiaforrások sok problémát vetnek fel a jövő számára, ezért kell gondolkodnunk, mind újabb megoldásokat keresve. 

6.1.1. Az energia a fizikában. (Alapfogalmak.) 

Ha gyorsan összedörzsölünk két fémlapot fel tudjuk melegíteni őket, energiát tudunk közölni. De az energiatranszferhez munkát kellett végeznünk, valamely erő (itt az izomban keletkező erő) hatását kell felhasználnunk. Az erő hagyományos fogalom, könnyen el lehet képzelni, amint egy emelő erőt fejt ki, és a magasba emel egy tárgyat, amely ha leesik nagy sebességre és energiára tehet szert. Kérdés, hogy az energia ezen formáját, amit a felemelt tárgy hordoz, át lehet-e alakítani más energiává, például ezzel a fajta energiával lehet-e vizet melegíteni. A meteorok néha bekerülnek a Föld légterébe és a levegővel súrlódva felhevülnek, a földre érkezve kisebb vagy nagyobb lyukakat ,,ásnak''. Számtalan jelenség mutatja, hogy az energia átalakítható, de először ismerjük meg az egyes formáit, és vizsgáljuk meg, mi a közös az energiafogalmakban. 

A munka a fizikában

Az energia fizikai megfogalmazása az erőfogalomhoz és az erő által végzett munkához kapcsolódik. Az erő nagyon szemléletes fogalom, és sok erőfajtát ismerünk. Említsünk két hétköznapi mechanikai példát. A kötélben ébredő erő egy lengő test sebességének az irányát képes megváltoztatni, vagy a súrlódási erő egy csúszó test sebességének nagyságát lassítja. A testek mozgásállapotának (lendületének) megváltozását mindig valamilyen erőnek tulajdonítjuk. Ha egy erő egy testet felgyorsít, akkor azt mondjuk, hogy a test nagyobb energiára tett szert.Minden energianövekedéshez tartozik egy erő, amely munkát végez. Az agyú elsütésekor a robbanás miatt nagy nyomású gáz keletkezik a csőben, és ennek a nyomóereje gyorsítjaa golyót nagyobb energiára, a csúzliban a megfeszített rugó összehúzódása gyorsítja a követ. Ha egy testre akármekkora erő hat, de a test nem mozdul el, fizikai szempontból munkavégzés nem történik. Ha egy nehéz csomagot felemelünk és hosszabb ideig tartjuk, akkor természetesen egyre nehezebbnek érezzük. A súly tartásához biológiai rendszerünk energiát mozgósít ugyan, de fizikai munkát nem végzünk a csomagon, legfeljebb kimelegszünk. A munka fizikai meghatározása az, hogy egy F erő s út megtétele során W=F×s munkát végez, ha az F erő párhuzamos az elmozdulással. Ha nem, akkor az erőnek csak az elmozdulással párhuzamos komponense számít.

Ez igazából csak állandó erőre vonatkozik, de változó erő munkája is hasonlóan számolható ki, a megtett út pici darabokra osztása után. Ebből a meghatározásból az is következik, hogy a lengő inga esetében, ahol a kötélerő mindig sugárirányú, az erő a mozgás minden pillanatában merőleges az elmozdulásra, ezért az általa végzett munka zérus. Általában mondhatjuk, hogy a sebességre merőleges erők nem végeznek munkát, azok mindig az elemi elmozdulásokra is merőlegesek lesznek. Ha azonban az erő ellentétes irányú az elmozdulással (így a sebességgel) akkor a munka negatív, az erő nem gyorsítja a testet, hanem lassítja, elvesz tőle energiát.

Egyszerű példaként vizsgáljuk meg a nehézségi erő esetét. Egy m tömegű testre hatónehézségi erő nagysága mg, ahol g a nehézségi gyorsulás értéke, ami a földfelszín közelében állandó, szélességi körtől függően kicsit változik. Ha egy m tömegű testet függőlegesen felemelünk h magasságba és utána leejtjük, akkor a nehézségi erő függőlegesen lefele mutat, akárcsak ejtéskor az elmozdulás vektora. Így a h magasságú esés során mgh munkát végez a testen. Megjegyezzük, hogy felemeléskor a nehézségi erő ellentétes irányú az elmozdulással, ezért a munkája -mgh, ilyenkor egy külső erő szükséges, ami felemeli a testet a h magasságba, és egyben kívülről energiát ad a testnek. 

Az energia fogalma, fajtái

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

.

Egy kiterjedt 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. 

Vegyünk például egy forgó kereket, amelyik w szögsebességgel forog egy rögzített tengely körül, és osszuk fel sok kis részre. Ilyenkor minden m_i tömegű kicsi részére a keréknek felírható, hogy a sebessége , ahol i jelöli, hogy hányadik tömegelemről van szó, de w minden ilyen rész esetén ugyanakkora. Így az elemi mozgási energiák összege:

.

A test tömegközéppontja nem mozog, mégis tárol energiát a kerék a forgási energia formájában. A Q neve tehetetlenségi nyomaték. Figyelemre méltó a formai hasonlóság az előző mozgási energia képlettel: a tömeg helyére forgáskor a tehetetlenségi nyomaték kerül, a sebesség helyére pedig a szögsebesség. A forgási energia a mozgási energia egyik speciális formája. 

Az energia mértékegységét mostmár megadhatjuk a tömeg és a sebesség SI egységeiből: 

Ha egy test sebességét, ezzel mozgási energiáját megváltoztatjuk, akkor gyorsulást hozunk létre, amihez erő kell. Az erő által végzett munka változtatja meg a test energiáját. Ha egy rugót kifeszítünk, akkor a végére helyezett tömeg a rugó összehúzódásakor felgyorsul. Ha tehát a rugó kinyújtásakor külső erő által munkát fektetünk be, azt később mozgási energia formájában visszakaphatjuk. A kifeszített rugóban potenciálisan energia van, pontosan annyi, amennyi munkát a külső erő végzett kifeszítéskor. Az energiáknak ezen másik nagy családját helyzeti vagy potenciális energiának hívjuk. Ezek mindig valamilyen (megfelelő tulajdonságokkal rendelkező, egyszóval potenciálos) erőhöz kapcsolódnak. Ilyen például a nehézségi erő is. Ha egy testet felemelünk h magasságba, akkor abban potenciálisan (helyzeténél fogva) mgh energia van, hiszen elengedvén ekkora mozgási energiára tesz szert, és a felemeléséhez a külső erőnek mgh munkát kellett végezni (mint láttuk). Ugyanígy van helyzeti energiája az eddig nem említett elektrosztatikus erőnek, és a bolygók között ható gravitációs erőnek is. Példaként tekintsük a kondenzátort. A konzdenzátor lemezei között E elektromos térerősség van, amiatt, hogy a fegyverzetek fel vannak töltve, az egyiken sok negatív töltés van felhalmozva, a másikon pedig ugyanannyi pozitív töltés található. Amikor a kondenzátort feltöltjük, akkor töltéseket választunk szét, a köztük ható vonzó elektrosztatikus erővel szemben. Így a kondenzátor feltöltésekor energiát viszünk a rendszerbe, a kondenzátor azt tárolni fogja elektromos helyzeti energia formájában. A kondenzátor energiája 

. 

Itt C a kondenzátor kapacitása, másnéven töltéstároló képessége, U pedig a kondenzátorra kapcsolt feszültség.Ellenkező dolog történik, ha egy szabad elektron jut az egyik fegyverzetről a fegyverzetek közé.Erre qE erő hat, ami felgyorsítja az elektront, az elektrosztatikus erő munkát végez, a kondenzátor elektromos energiája cserébe csökken, mert a kondenzátor egy kicsit kisül (egy elektronnyit). A kondenzátor elektrosztatikus energiája a helyzeti energia egy speciális esete. (Megemlítjük, hogy a induktív tekercsben a mágneses 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!)

Összefoglalva azt mondhatjuk, hogy az energia munkavégző képesség. A mozgási energiával rendelkező gyors kalapács munkát tud végezni, mert lassulásakor erővel hat például egy szögre, amit elmozdít az erő irányában. Egy magas hegyen levő golyó, vagy hótömeg munkát tud végezni azáltal, hogy leesvén felgyorsul, mozgási energiára tesz szert, és az előbbiekhez hasonlóan munkát végez. Ilyenkor az addigi helyzeti energiája átalakul, átadódik a környezetének. A helyzeti energia mozgási energiává alakulását energiafelszabadulásnak hívjuk. Ez az energia átalakulásának egyik gyakori esete. 

Eddig egy testről beszéltünk, most vizsgáljuk meg, hogy milyen mozgási energiája van egy sok testből álló rendszernek. Legyen a rendszer egy adott térfogatú gáz, aminek atomjai vagy molekulái rendezetlenül mozognak a tartályban. Minden egyes részecskének van sebessége, és mozgási energiája. A rendezetlen mozgás során a részecskék ütközhetnek egymással a mechanika szabályai szerint. Ilyenkor egyik átad egy kis mozgási energiát a másiknak. Az összes részecske rendezetlen mozgási energiájának összegét belső energiának hívjuk. Ez adódhat a részecskék haladó mozgásából, de kétatomos molekuláknál már forgás is elképzelhető, sőt a molekula a tengelye mentén rezeghet is. A forgás, a haladás a koordinátarendszer egyes irányaiba (x, y, z), valamint a rezgés mind az energia tárolásának egy egy lehetséges módja (6.1. ábra). Ezeket szabadsági fokoknak hívjuk, a szabadsági fokok számát f-fel jelöljük. Egy termodinamikai tétel kimondja, hogy minden szabadsági fokra átlagosan azonos energia jut. Ez az ekvipartíció tétele. Azaz ha egy héliumgáz atomjainak x irányú átlagos mozgási energiája E_x=1/2 mv_x², akkor az y irányú sebességekből származó mozgási energia is pont ennyi lesz átlagosan. Kérdés, hogy milyen makroszkópikus paraméterrel lehet ezt a belső energiát meghatározni. Egyszerű, de itt nem részletezendő, számolások azt mutatják, hogy a belső energia értéke:

Itt N a tartályban lévő részecskék száma, k a Boltzmann állandó, és T pedig a gáz hőmérséklete. Azaz a hőmérséklet az anyag részecskéinek rendezetlen mozgásából származik. Azt a következtetést is levonhatjuk az ekvipartíció alapján, hogy egy részecske egy szabadsági fokára 1/2 kT energia jut.A belső energiában nincs benne az egész rendszer (a tartály) közös rendezett mozgása. Ha a tartály és a benne lévő részecskék is ugyanazzal a sebességgel mozognak, akkor ebből nem származik a tartály falára nyomóerő, és a pV=NkT összefüggés (az ideális gáz állapotegyenlete) alapján következésképpen ebből hőmérséklet sem származhat, így a belső energiába sem számolhatjuk bele. A belső energiának lényeges tulajdonsága, hogy a rendszer részecskéinek rendezetlen mozgásának mozgási energiáját összesíti. Egy tartály levegő belső energiája, így hőmérséklete tehát nem nő meg azáltal, hogy feltesszük egy száguldó vonatra, csak a rendezett mozgás energiája nő meg ekkor. 

6.1. ábra. Az energiatárolási lehetőségek szemléltetése. 

Fontos eset egy felmelegített fém esete. Ennek is van belső energiája, és ezt a belső energiát is rendezetlen mozgási energia alkotja. A fémben az elektronok mozoghatnak csak szabadon, a rácsban az ionok rögzítve vannak. Az elektronok azonban csak áramvezetéskor mozognak. A belső energia nem tárolódhat valamilyen haladó sebesség formájában. Egy fémes rácsban a rácspontokon ülő ionok rezeghetnek! A rezgésnek is van mozgási és helyzeti energiája. (A helyzeti energia onnan adódik, hogy ha a rácsion nem a pontosan megfelelő helyén tartózkodik, akkor egy visszatérítő elektrosztatikus erő hat rá, és ennek az atomi elektrosztatikus erőnek van helyzeti energiája.) A rezgés energiája e két energia összege. A rácsionok tudnak rezegni a tér minden irányába rendezetlenül, egyik irányba kisebb amplitúdóval, a másikba nagyobbal. (A rezgésük frekvenciája azonban meghatározott.) A nagyobb amplitúdójú rezgés nagyobb energiát képvisel, így a felmelegített fémben az ionok rezgése gyorsul meg. Egy fémlap hőátadását úgy képzelhetjük el, hogy a rezgő rácsionok ütköznek a levegő vagy a másik test molekuláival, így egyszerű mechanikai ütközéssel - mint két biliárdgolyó ütközése - adódik át a hőmennyiség, miközben a rács rezgése lassul. 

Enegiaátalakulások

Egy rendszer, vagy egy test energiája erő (valamilyen kölcsönhatás) hatására alakul át. Ezt láttuk a fentiekben. Azt is tudjuk, hogy mi az energia felszabadulása: valamilyen helyzeti energia formájában tárolt, korábban befektetett munka mozgási energiává alakul. 

Sokszor emlegetett példánkban, amikor h magasságból egy test leesik, az mgh helyzeti energiája átalakul mozgási energiává. Ha a mozgási energiát 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 légellenállásából adódik, de ez szobai méreteknél nem jelentős. Ha az m tömegű test egy teljesen rugalmas labda, ami a földről visszapattan, akkor a mozgási energia vissza is tud alakulni helyzeti energiává az emelkedés szakaszában. Úgy tűnhet, hogy egy teljesen súrlódásmentes esetben a pattogás végtelen ideig fennmaradhat. Teljesen rugalmas és súrlódásmentes esetek a valóságban azonban nem megvalósíthatók. A matematikai inga is lelassul, a mechanikus órákat mindig fel kell húzni. 

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

Nézzük a legegyszerűbb esetet a gázláng a tartály alatt ég, a tartály fala jó hővezető fém, és a lángban az égést egy magányos szénatom égése szimbolizálja. Ekkor a C+O₂®CO₂ reakció megy végbe, azaz szén-dioxid keletkezik. Az energia forrásának megértéséhez képzeljük el az atomokat, amint az elektronok megfelelő pályákra álltak az elektronfelhőben. Amikor a szén-dioxid kialakul kémiai kötés jön létre, az oxigénatom és a szénatom elektronjainak térbeli szerkezete átrendeződik, néhány elektron az egész molekulát átfogó molekulapályára áll. Így összességében az elektronok közelebb kerülnek az egyes atommagokhoz (a vegyértékelektronok zártabb pályára tudnak állni).Az atommag 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 energia formájában. (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 molekula egyenes láncszerű szerkezete, a szénatom nem a legmélyebb energiájú helyen van. Az elektronburok azonban behúzza a molekula egyenesébe, közben felgyorsítja, és eleinte a molekulát alkotó atomok rezgésbe jönnek, esetleg forgásba jön a rendszer, ha a szénnek volt számottevő kezdősebessége. Később a széndioxid molekula egyes atomjai másik molekulával ütközvén valamely irányban fel is gyorsulhatnak, haladási mozgási energiájuk is lesz, a rezgés lelassul. Amikor kialakul az egyensúly a láng szélén az egyes szabadsági fokokra már azonos energia jut, az ekvipartíciónak megfelelően. A lángból kijutva a gyors (meleg helyről származó) szén-dioxid molekulák azután ütköznek a levegő és a tartály falának részecskéivel. Meglökik azokat, és mozgási energiájukat átadják. A tartály falának atomjai ezáltal intenzívebb, nagyobb sebességű rezgésbe jönnek. (A hőmozgásuk miatt, a fémrácsban ülő ionok addig is rezgést végeztek.) Így melegszik fel a tartály fala, ami aztán átadja az ő rendezetlen mozgási energiáját a benne lévő gáznak is. Ugyanis a tartályban rendezetlenül szaladgáló molekulák ezek után gyorsabban rezgő atomoknak ütköznek, amikor a fallal ütköznek, ezért ők is felgyorsulnak, ki kicsit ki nagyobb mértékben. Egyensúlyban ismét az ekvipartíció tétele érvényesül. Minden szabadsági fokra ugyanannyi energia jut. A fal atomjai rezgéseiben, a gázmolekulák egyes irányokban történő mozgásában, mint szabadsági fokokban, egyaránt a megnövekedett energia 1/2 kT tárolódik. A megnövekedett átlagos sebesség miatt a hőmérsékletet is melegebbnek érezzük.Összességében az atomi elektronok elektromos helyzeti energiája szabadult fel (égéshő) és a molekulák mozgási energiája rendezetlenül ütközések során adódott át a gázrészecskéknek, növelve az ő mozgási energiájukat. Egy sokrészecskés rendszer mozgási energiájának rendezetlen módon történő megnövekedését nevezzük hőátadásnak, hőmennyiségnek vagy röviden hőnek. 

Hőátadásra általában akkor kerül sor, ha egy melegebb test (vagy rendszer) kölcsönhatásba kerül egy hidegebb testtel. Ilyenkor az energia rendezetlenül, a hővezető részecskéinek rendezetlen rezgése által közvetítve, kerül át a hidegebb részbe.

Az energiaátalakulások egyik a hétköznapokban leggyakoribb felhasználási módja az autók motorjában történik. A belső égésű motorok működésének alapja az, hogy egy természetben található kibányászott és felhasználásra alkalmassá tett szénhidrogén molekula vízre és szén-dioxidra ég el. Az atomok átrendeződnek a kémiai folyamatban, az elektrosztatikus erő végzi a munkát, mint a másik égési példában is. A felszabaduló energia az égéstermékek mozgási energiájává alakul, ez olyan nagy, hogy ezeket a motorokat robbanómotoroknak is hívják. A robbanás a motor dugattyúját meglöki, ami egy hajtókaron keresztül forgási energiává alakítható. Így használjuk fel a kémiai energiát a kerekek forgatására. A benzinnel a motorban a négy ütem során (négyütemű motorok) egy termodinamikai körfolyamat történik, melynek során a bezárt gáz több munkát végez táguláskor, mint rajta a környezet az összehúzódás fázisában (amikor a dugattyú visszafele mozog). 

Az energiaátadással 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 fázisátalakulásnak nevezzük. 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 szabadsági fokok jelennek meg, ahol a befektetett energia tárolódik és megváltozik a részecskék közötti kölcsönhatás is. Ugyanez a helyzet a forráskor is, amikor az atomok teljesen szabaddá válnak, a gőz fázisban már kitöltik a rendelkezésükre álló teret. A jég felolvasztásához szükséges hőmennyiség a jég tömegével arányos, az arányossági tényező a kJ/kg egységekben kifejezett olvadáshő (L). Más szilárd testek megolvasztásakor ugyanígy megállapítható az olvadáshő. Az olvadáshővel azonos mennyiségű energia szabadul fel kilogrammonként, amikor ugyanaz a folyadék megfagy. Ilyenkor a molekulák kristályrácsba rendeződnek, az atom-, molekula-, vagy fémes rácsokat a részecskék között fellépő elektrosztatikus vonzás tartja össze a kémiában megtanult módon. Amikor a rács kialakul ez az elektrosztatikus erő végez munkát, melynek eredményeként az energia felszabadul, és a környezet molekuláinak, atomjainak mozgási energiájaként távozik. Egy természetből ellesett példa, hogy havazáskor a fagyáshő a környező levegőt melegíti, amit egyéb körülmények hiányában (pl. erős hidegfront) meg is lehet figyelni, enyhe hőmérsékletemelkedés formájában. Ezen fázisátalakulások során a hőátadásra felírható összefüggés:

,

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

Ha egy anyag rendezetlen mozgását hőközléssel felgyorsítjuk, akkor hőmérséklete emelkedik. Vannak anyagok, amelyek könnyen melegíthetők, mások azonban nehezen. Ez függ attól, hogy mekkora a szabadsági fokok száma és hogy milyen az anyag halmazállapota. Gázok esetén minél több módon mozoghatnak a molekulák atomjai annál több a szabadsági fokok száma, annál több átadott hőmennyiség szükséges a gáz hőmérsékletének 1°C-os növeléséhez. Természetesen a befektetett hő ismét arányos a gáz tömegével, így a részecskék számával. Egy m tömegű adott halmazállapotú rendszer hőmérsékletének DT -vel történő megváltoztatásához 

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

Érdekes példa az elektrosztatikus energia hővé alakulására a kénsav oldódásának esete. A kénsavat ha oldunk vízben óvatosan kell eljárnunk, mert az elegy felmelegszik. Valahonnan hő keletkezik, amely az oldat molekuláinak mozgási energiáját növeli. Kérdés, hogy milyen erő végez munkát. Ennek megválaszolásához át 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 töltések súlypontja szétválik. Ezt elektromos dipól-momentumnak nevezzük. Ugyanígy a vízmolekulának is van elektromos dipól-momentuma, itt az oxigénatom húzza el az elektronokat. Elegyedéskor a kétfajta molekula dipól-momentumai rendeződnek be. A negatív töltésű rész a másik molekula pozitív töltésű végéhez vonzódik. Annak ellenére van elektromos erő, hogy mindkét molekula összességében semleges. Ekkor az elektrosztatikus kölcsönhatás munkát végez. A dipól-dipól kölcsönhatást a másodlagos elektrosztatikus kölcsönhatások csoportjába soroljuk, mert két egyenként összességében semleges molekula között jön létre, így ezen kölcsönhatás erőssége is nagyságrendekkel kisebb. 

A rendezett 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 cserébe melegíti a fémet vagy a környező levegőt. A mozgási energiának a súrlódási erő segítségével történő hővé alakulását energia-disszipációnak nevezzük. Például a meteorológiában egy ciklon forgási sebessége is lassul a levegő belső súrlódása miatt (ami egyébként elég kicsi). Ilyenkor a disszipálódó hő a levegőt melegíti. Vannak még más típusai is az energiadisszipációnak. Egy magasról leejtett fémhenger, ha nagy tömegű alátámasztásba (mondjuk a földbe) ütközik, akkor az ő mozgási energiája is átalakul. Egy része rugalmas energiaként tárolódhat egy ideig, de rövid idő alatt a fém felmelegedésére fordítódik ez is. Másik lehetőség, a rugalmatlan alakváltozás. Ilyenkor a fémhenger, vagy a padló szerkezetében történik energiát igénylő átalakulás (rendszerint visszafordíthatatlan) pl. eltörik, vagy deformálódik. Ekkor természetesen már nem hővé alakult a mozgási energia, hanem az anyagot összetartó kötések feltörésére, tehát elektrosztatikus helyzeti energia keletkezett. Ez sajnos nem nyerhető vissza pusztán azáltal, hogy az eltört részeket egymáshoz illesztjük, mert nem tudunk minden atomot pontosan az eredeti helyéhez illeszteni. 

Az anyag belső energiája (rendezetlen mozgási energia) is át tud alakulni rendezett mozgási energiává. (Az előző eset iránya megfordítva.) A gőzgép egy tipikus példa erre. A forró gőzben a gyorsan mozgó molekulák vannak. Ezek ütköznek a dugattyúval és meglökik azt, a rendezetlen mozgási energia makroszkópikus test rendezett mozgásává alakul. Nagyon sok ilyen példa van az ipari alkalmazások során, ezek a hőerőgépek. Ilyenkor egy termodinamikai körfolyamat során a felvett hő alakul át a gáz, gőz nyomása segítségével munkává. 

A termodinamikai körfolyamatok egyik nagyon sok háztartásban felhasznált példája a hűtőgép, fagyasztó vagy légkondíciónáló berendezés. Egy kompresszoros hűtőben mechanikai energia befektetésével hőmennyiséget lehet elvonni rendszertől. A termodinamika második főtétele értelmében a hő magától csak a melegebb helyről megy a hidegebb helyre, tehát egy nem túl meleg szobát tovább hűteni hidegebb hőtartály nélkül nem könnyű feladat. A hűtőgépben egy adott mennyiségű gáz vagy folyadék van, amin egy olyan körfolyamatot végzünk, hogy közben lehűl, mert kitágítjuk, azután felmelegszik, mert összenyomjuk. Arra kell csak vigyázni, hogy lehűléskor legyen a hűtési térfogatban, összenyomáskor pedig attól elszigetelve legyen. Összességében a berendezés hőt termel, több hő keletkezik összenyomáskor, mint amennyire lehűl táguláskor. Ezért melegszik a hűtőszekrény hátoldala, és ezért kell a légkondícionáló berendezés külső hőtartályát az épületen kívülre tenni. 

James P. Joule (eredeti foglalkozása sörfőzdetulajdonos Manchesterben) a XIX. században számos kísérletet végzett az egyes energiafajták egymásba alakítása terén. 1840-ben az elektromos áram hőhatását vizsgálta. Az már korábban ismert volt, hogy nagy áram átfolyása esetén túlmelegednek az áramköri elemek. Joule nagysága a mérések precíz elvégzésében volt. Az áram által t idő alatt egy ellenálláson keltett hő nagyságát a róla elnevezett törvényben foglalta össze:

A Q hő egyenlő az átfolyt áram erősségének és az ellenállásra eső feszültségnek és az eltelt időnek a szorzatával. Ennek az energiaátalakulásnak a neve Joule-hő. Az elektronok vezette egyenáram esetét képzeljük most el. Az ellenálláson belül (pl. hosszú vezetőben) a rákapcsolt U feszültség elektromos térerősséget kelt, ami az elektronokat gyorsítja folyamatosan. Azonban az elektronok nem tudnak sokáig gyorsulni, mert beleütköznek a vezető anyagának atomjaiba (a fémes rács ionjaiba), ezzel az elektronok lelassulnak, az ionok pedig meglökődnek intenzívebb rezgésbe jönnek, azaz az ellenállás anyaga felmelegszik, minden rácsion nagyobb rezgésben tárolt mozgási energiára tesz szert. Ha nagyobb feszültséget adunk az ellenállásra, akkor két ion közötti úton nagyobb sebességre gyorsul, így nagyobb mozgási energiát ad át az ionrezgésnek. Ha nagyobb áramerősség halad át, akkor pedig 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 kondenzátor esetén veszít fegyverzeteinek töltéséből - kicsit kisül - így csökken az elektromos energia a rendszerben a Joule-hőért cserébe. (A galvánelem is egyfajta kondenzátor. Elektródái felületén elektromos kettősréteg alakul ki az eddig nem ismertetett kémiai potenciál kiegyenlítődése miatt.) 

A Joule-hő egyértelműen mutatja, hogy az elektromosság is tárol magában energiát. Az elektromos áram képes motorokat hajtani, sőt a hétköznapi életünk legtöbb energiát igénylő eszközét elektromos energia táplálja. Az elektromos energia szerencsés akkor, amikor nagy távolságra van a fogyasztó az erőműtől. Az elektromos energia (igazából elektromágneses energia) átalakítható mechanikai energiává. Ennek legismertebb alapesete az elektromos motor, melyben forgási energiává alakul egy akkumulátor, vagy galvánelemben tárolt energia. A villanymotor elvét M. Faraday már 1821-ben felismerte, Jedlik Ányos Győrben már 1829-ben szerkesztett villanymotort. Az első igazán elterjedt villanymotort 1834-ben Moritz Jacobi német mérnök Pétervárott építette meg. Az 1/4 lóerős motorral egy csónakot tudott hajtani, amely 12 utassal a Néván árral szemben is tudott haladni. A villanymotor elve az áram mágneses terének felismerésén alapul. Ha szerkesztünk egy U-alakhoz hasonló alakban meghajlított áramjárta tekercset, annak végei között mágneses tér alakul ki (a tekercsben is kialakul mágneses tér). Ebbe a térbe helyezünk egy permanens mágnest (rúdmágnest), akkor az beáll az áram irányának megfelelően északi 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 energiára tesz szert. A forgás nem tud hirtelen leállni, és kicsit továbbfordul a rúd 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 megváltoztatásait kommutátorokkal érik el. Ez a villanymotor elve. 

A jelenség 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 a forgási energiát alakítjuk át elektromos árammá, tehát elektromos energiává. Itt a mágnessel a mágneses tér is forgott. A mágneses indukció tiszta esetét kapjuk akkor, ha egy állandó, nem mozgó mágneses térben egy vezető keretet forgatunk. Ekkor a keretben lévő elektronokra a mozgásuk és a mágneses tér miatt eltérítő erő hat (Lorentz-erő), és ha az elektronok szabadon elmozdulhatnak, akkor megindul az áram. Ekkor is mozgási energia alakul át elektromos energiává. Az elektromos áramokat kondenzátorokban, akkumulátorokban vagy váltóáramú áramkör segítségével lehet tárolni. Az egyenáramú körben maga az áramvezetés során az energia hamar Joule-hővé alakul, nem lehet sokáig fenntartani, csak a modern szupravezető tekercsekben. Az energia akkor alakul át az elektromos helyzeti energiává, ha az áramkörrel akkumulátort, vagy kondenzátort töltünk. Hasonló elven működnek az erőművek turbinái is, ahol a forgást alakítják át elektromos árammá

Az energiamegmaradás tétele

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

Joule azután, hogy az elektromos energia hőhatását kimutatta, amechanikai energiát próbálta hővé (rendezetlen mozgási energiává) alakítani. Egy ügyes szerkezetben egy kötélen leereszkedő súly lapátokat forgatott meg, amelyek folyadékba merültek. (6.2. ábra) Így a nehézségi erő helyzeti energiája alakult 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 szükséges hőmennyiség egysége a kalória. Megadja 1 kg szobahőmérsékletű standard állapotú víz 1 °C-kal történő felmelegítéséhez szükséges energiát. A kérdés az volt, hogy 1 kalória hőmennyiség mennyi mechanikai energiának felel meg. (Akkoriban a mechanikai energia egysége nem a J volt!). Joule megállapította 1 kcal hőmennyiség mechanikai munka egyenértékét. Számszerűen bizonyította, hogy a mechanikai energia hővé alakulhat, és fordítva. Ez mutatta meg, hogy mindkettő ugyanazon fogalom, az energia más megvalósulása. Ma már mindkettőt joule egységekben mérjük. Joule kísérleteivel egyidőben Robert Mayer (eredeti szakmáját tekintve hajóorvos) tett alapvető észrevételeket, melyekből az energiamegmaradás törvényének gondolatához jutott. A tétel végleges kimondása azonban csak Joule precíz kísérletei és H. Helmholtz munkássága nyomán születhetett meg. Az energiamegmaradás tétele kimondja, hogy zárt rendszerben energia nem vész el, nem keletkezik, csak átalakul az energia tárolásának különböző formái között.

Az energia megmaradásának tételét a termodinamikában az első főtétel fejezi ki. Ez kimondja, hogy egy adott mennyiségű gáz belső energiájának megváltozása két okból történhet: vagy hőközlés vagy külső munkavégzés során.

A Q a rendszerrel közölt hőmennyiség, W a külső erők által a gázon végzet munka, ami a gáz által végzett munka mínusz 1-szerese. Nézzük meg mekkora egy külső erőnek a gázon végzett munkája, ha egy elzárt tartály dugattyúját s-úthosszal lassan beljebb nyomjuk. W_külső=Fs=pAs=-pDV. A bezárt gáz nyomása p, a dugattyú keresztmetszete A, a gáz térfogatváltozása DV. Akkor végzünk munkát a gázon, ha összenyomjuk, DV negatív. Ha a gáz kitágul, az ő munkája pozitív, a külső erő munkája ebben az esetben negatív. 

A teljesítmény

A személygépkocsik egyik legfontosabb paramétere a teljesítményük. Hétköznapi szemléletben ez azt jelenti, hogy az adott tömegű autót milyen gyorsan lehet egy adott sebességű, azaz mozgási energiájú, állapotra hozni. Az energiafelszabadulás sebessége tehát a lényeges. A teljesítmény az adott idő alatt felszabaduló energia (DE) és az átadáshoz szükségesidő (Dt) hányadosa, vagy energiaátadáskor az átadott energia és az idő hányadosa: 

, 

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

, 

ez azt jelenti, hogy egy erő teljesítménye egyenlő az erő és mozgatott test sebességének szorzatával. Erre példa a kerékpáros. Hegymenetben nagyobb teljesítményt kell kifejteti, mert hamarabb emelkedik a biciklis és a kerékpár együttesen h magasságot. Mindezt a pedálokra kifejtett erővel éri el a kerékpáros, így ha nagyobb átmérőjű fogaskerékre (áttételre) teszi a váltót, a lába gyorsabban pöröghet, ezért nagyobb teljesítményt nyújt ugyanakkora erővel. Más kérdés, hogy 1 méter megtételéhez többet kell tekernie a pedálon, a végzett munka nem csökkent, csak kisebb teljesítmény mellett végezte a kerékpáros. Előfordul azonban, hogy nagy erő kifejtése már lehetetlenné válik az ember biológiai rendszere számára. Ugyanez a helyzet az autók váltója esetén is. A teljesítmény nagyobb kisebb váltófokozat esetén. A motor teljesítménye azonban még a fordulatszámától is függ. 

A teljesítmény mértékegysége a watt (a gőzgép kifejlesztőjéről):

.

Az energia mértékegységei 

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

1 kWh = 3,6 MJ = 3,6 millió joule

1 kcal (kilo-kalória) = 4,187 kJ

Az atomfizikai mikro méretek világában egy-egy részecskének nagyon kicsi energiája van. Ilyen kis energiák jellemzésére használatos egy másik mértékegység az elektronvolt. 1 eV a mozgási energiája annak az elektronnak, melyet 1 V feszültséggel gyorsítottunk fel nyugalomból. Az E=qU összefüggés alapján

.

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

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

Az egyik gyakran használt energiaforrás az olaj 1 tonnájának elégetésekor 1,5 ETAt energia szabadul fel. Ez tájékoztató adat, az energia függ az olaj finomításának részleteitől is. 

Az átváltásokkor 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.

A hagyományos angolszász vidékeken esetleg más egységben adják meg az energiatermelés értékeit. Ez a British Thermal Unit, a BTU. Ez 1 font (0,4536 kg) víz 1 fahrenheit fokkal történő felmelegítéséhez szükséges energia 59°F fokos víz esetén. 

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

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

A hatásfok 

Az energia átalakulásának során nem mindig a kivánt energiaformává alakul át. Például amikor egy tartály vizet melegítünk, akkor a befektetett energia (a városi gáz elégésekor keletkező energia) egy része a levegőt és a tűzhelyet melegíti. Ez számunkra nem hasznos energia. Hőerőgépekben a rendezetlen mozgási energia a melegebb helyről áramlik mindig a hidegebb felé, ha körfolyamatot hajtunk végre egy adott mennyiségű gázzal, akkor a külső munka hatására hőmennyiséget tud leadni, de ahhoz, hogy a végén az eredeti helyzetbe kerüljön a rendszer a leadás után hőt kell felvegyen általában. A hőerőgépek esetén a leadott hőmennyiség nagyobb mint a felvett. A hasznosítható energia azonban mindig csak a leadott és a felvett hőmennyiség különbsége lesz. 

A hatásfok definíciója:

A technika fejlődése során egyre modernebb anyagokat, egyre tökéletesebb eljárásokat dolgoztak ki, melyek egyfelől a gépek hatásfokának növelését célozták, melynek során a termék vagy a szolgáltatás olcsóbb lehetett. Ezért a technológiai folyamatok egyik fontos paramétere a hatásfok. A hatásfoknak vannak fizikai korlátai is, termodinamikai hőerőgépekben például. Egy hőerőgépnek minimum van két hőtartálya, egy T₁ és egy T₂ hőmérsékletű. Ezeket mérjük az abszolút hőmérsékleti skála szerint kelvin fokokban, akkor 

A világ hatalmas energiafogyasztásának egyik lehetséges csökkentése a hatásfok növelésével, és az előállított termékek újrafelhasználásával érhető el. 

Az energia modern értelmezése

Mint láttuk az energia átalakulásai mögött mindig valamilyen erőt fedezhetünk fel. A klasszikus fizika keretei között ezek az erők két általános érvényű erő a gravitáció és az elektromágnesség egyes speciális megnyilvánulásai voltak. A nehézségi erő például a newtoni gravitáció speciális esete a földfelszín közelében, a molekulákat összetartó erő az elektromágnesség egyik legszebb példája. Newton a gravitáció törvényét az 1680-as években dolgozta ki, és a jelentősége abban áll, hogy a fáról leeső almára ható erő ugyanazon kölcsönhatás, minta bolygókat a pályájukon tartó erő: az egyetemes gravitáció. Az elektromosság és a mágnesség is két különálló erőnek tűnik első pillanatban. A Faraday-féle indukciós törvény azonban már kapcsolatot állított fel a kettő között, és a modern fizika kísérletei kiderítették, hogy az elektromos és a mágneses erők egy közös kölcsönhatás az elektromágnesség különböző formái, melynek gyönyörű 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. 

A XX. század kezdetén a fizika szemléletmódja nagyot változott. A sok kísérleti tapasztalatot jobban és szebben lehetett értelmezni a klasszikus fizikán túlmutató szemléletben. Ez az új szemlélet a modern fizika szemlélete. Beletartozik az anyag kvantumos viselkedése, az atomfizika, a relativitáselmélet és az újfajta hullámjelenségek megértése. 1911-ben E. Rutherford kísérletei alapján derült ki, hogy az atomoknak van egy nagyon kicsi magjuk, melyben a tömegük 99,9%-a be van sűrítve az atom méreténél 10000-szer kisebb gócpontba. Az atom többi részén találhatók az elektronok. Az atom korántsem homogén szerkezetű. Később kiderült, hogy az atommagban protonok és neutronok találhatók (1932). Felmerül a kérdés hogy például a szén atommagjában elhelyezkedő hat proton közötti elektrosztatikus taszítás miért nem veti szét az atommagot. Az elektrosztatikus erőről már Coulomb belátta, hogy a távolság csökkentésével a töltött részecskék közötti erő rohamosan nő. Mint tudjuk két pozitív töltésű proton taszítja egymást, így kétproton egy atommagnyi igen pici helyre bezsúfolva nagy erővel kell hogy taszítsák egymást. A szén (12-es legelterjedtebb izotópjának) atommagja mégis stabil. Az elektromágneses taszítást a semleges neutronok nem tudják elektromosan ellensúlyozni. A megoldás az, hogy létezik egy újfajta erő, amely a protonok ill. a proton és a neutron között hat, ami sokkal nagyobb intenzitású ilyen kis távolságtartományokon az elektromos taszításnál. Ezen új erő neve: magerő. Sokkal intenzívebb az elektromágneses kölcsönhatásnál, de cserébe nagyon rövid a hatótávolsága. Két atommag-méret távolságban a magerők már nem tudnak vonzást biztosítani. Ez a magerő tartja össze az atommagot, és ez a magerő reprezentálja a harmadik alapvető kölcsönhatást, amit a természetben eddig felismertünk. (Összesen négy alapvető kölcsönhatást ismerünk. Az eddig elmondottakon túl a negyedik az atommagok béta-bomlásáért felelős gyenge kölcsönhatás. Egyenlőre nem mutat kísérleti tapasztalat afelé, hogy lenne ötödik.)

Számunkra az egyes erők, kölcsönhatások munkavégzése a fontos. Hogyan tud a magerő (a most megismert újfajta erő) munkát végezni? Ehhez az szükséges, hogy az atommagot alkotó nehéz elemi részecskék (nukleonok=proton vagy neutron) egymáshoz képesti szerkezete megváltozzon. Ilyenre magátalakulások során van mód. Ha egy atom minősége nem változik, akkor maximum az elektronszerkezete változik meg (kémia), az atommag szerkezete változatlan marad. A modern fizika egyik legérdekesebb témaköre, hogyan tudnak az egyes atommagok egymásba átalakulni. Az egyik természetes mód az atommagok bomlása. Három fajta bomlást ismerünk: alfa-, béta- és gamma-bomlás. Az alfa-bomlás során egy hélium atommagja szakad ki az atommagból, ez hívjuk alfa-részecskének: két proton és két neutron kötött rendszere. A béta-bomlás során könnyebb elektronok szabadulnak ki az atommagból rendszerint azért, mert az atommagon belül az egyik proton neutronná alakul, vagy fordítva (ilyenkor az elektron pozitív töltésű párja, a pozitron, keletkezik). Meglepő tény, de a neutron átalakulhat egy protonná és egy elektronná (plusz egy nagyon kicsi semleges részecske is keletkezik, ez a neutrínó), és a neutron mégsem egy protonból plusz egy elektronból álló rendszer. Amikor az atommagon belül egy proton neutronná alakul, akkor nem elektron, hanem annak pozitív töltésű testvére keletkezik, a pozitron (anti-elektron). Az atommagok bomlásának harmadik típusa a gamma-sugárzás, ilyenkor egy nagy frekvenciájú elektromágneses sugárzás viszi el a felszabaduló energiát. Ezt a három bomlástípust (valamint a neutronsugárzást is) radioaktív sugárzásoknak hívjuk. 

Az atommagátalakulások 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 légkör felső rétegeiben a kozmikus sugárzás hatására, atomreaktorokban vagy a Nap belsejében természetes környezetben történik. Atommagátalakulások során a magszerkezet változik meg. Az atommagot alkotó protonok és neutronok száma megváltozik, ezért egymáshoz képesti elhelyezkedésük átalakul. Ilyenkor végez munkát a magerő. Mivel a magerő sokkal intenzívebb mint az elektromágneses erők, ilyen esetben kevesebb atommag átalakításával nyerhetünk ugyanannyi energiát, összehasonlítva a kémiai égéssel.

A modern fizika egyik legmeglepőbb teóriája a relativitáselmélet. A speciális relativitáselméletet A. Einstein dolgozta ki és 1905-ben tette közzé egy tudományos folyóiratban. Az elmélet kísérleti alapokon nyugszik. Az egyik ilyen kísérleti alapkő, hogy a fénysebesség vákuumban ugyanakkora egy álló laboratóriumból mérve, mint egy gyorsan mozgóból mérve. Ezt a kísérletet a század elején elvégezték, és azóta sok jegy pontosságra ellenőrizték. Az elmélet érdekesnél érdekesebb állításai és paradoxonai közül csak egy állítását emeljük ki, ami az energiával kapcsolatos. Ez a híres

formula. Ennek tartalma az, hogy minden olyan dolog aminek tömege van, annak egyben energiája is van. Fordítva, hogyha egy test energiája megnő, mert például gyorsabban mozog, akkor a tömege is megnövekszik. A meglepő állítást napjainkban sok alkalmazott technikai fejlesztés felhasználja, és mind alátámasztja. Napjaink részecskegyorsítói által felgyorsított részecskék tömege észrevehetően megnő a nagyobb sebességük miatt. Szerencsére a hétköznapi életben ez a tömegnövekedés nem számottevő, észre sem vesszük. Az atommagok átalakulásai során felszabaduló energia mérésével, azonban direkt módon következtetni lehet a keletkező részecskék tömegére. Amennyi energia keletkezik, akkora a tömegcsökkenés szorozva a c²-tel. Ez a tömegdefektus egyik megfogalmazása. Einstein egyenletéből adódó tömegváltozást a precíz tömegspektrométerek hajszál pontosan kimérték és igazolták. Másik érdekes következmény, hogy a fénysugárzásnak is van tömege, hiszen energiája is van. Ezt is sikerült belátni akkor, amikor a fénysugarak nagy csillagok (vagy még nehezebb fekete lyukak) melletti eltérülését felfedezték. 

Az atommagátalakulások közül az energiatermelésben legfontosabb két esete a hasadás és a fúzió. A jelen és a jövő energiakérdésében jelentős szerepet játszanak. A hasadás során egy atommag két kisebb és eltérő tömegű atommagra esik szét, és a hasadás során általában néhány szabad neutron is 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 kisebb magra, akkor ez az elektrosztatikus taszítás válik kisebbé, de a magerők változatlan intenzitással hatnak. Hasadáskor azt mondhatjuk egyszerűsítve, hogy a magon belüli intenzív elektrosztatikus taszítás löki szét a keletkező magokat, így keletkezik mozgási energia. Természetesen a magszerkezet is átalakul, tehát a folyamat a magerők nélkül nem mehetne végbe. A fúzió során 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 a magerővel, a tríciumban egy proton és két neutron. Ha ezek összeütköznek egy alfa-részecske és egy neutron keletkezik (ellenőrizni lehet a rendszám és a tömegszám megmaradását). Az alfa- részecskében négy elemi részecske van, mindegyik a másik hárommal tud magerő-kötést kialakítani, ezért sokkal effektívebb benne a magerő, sokkal jobban kötött rendszer az alfa-részecske, mint a kiindulási magok, még egy felszabaduló neutron esetén is. A magfúzió nemcsak ebben az esetben valósulhat meg, hanem pl. ³He+²H reakcióban is, amikor az alfa-részecske mellett nem a leárnyékolást igénylő neutron keletkezik, hanem egy proton, ami a hidrogénatom magja. Ez a reakció megy végbe többek között a csillagok belsejében. A magfúzió során a magerők végzik a munkát, ami az energiafelszabadulást biztosítja. A magfúzió energetikai alkalmazását az is kívánatossá teszi, hogy nincs (vagy alig van) radioaktív mellékterméke, ellentétben a hasadás hasadványtermékekkel. A természet sok fúziós erőművet működtet. Egy kellemes estén ha az égboltra nézünk rengeteg csillagot látunk. Ezekben az energiatermelés mind a fúzió segítségével történik. (Nappal is találhatunk az égbolton egy ilyen ,,erőművet'', de abba nem jó közvetlen belenézni.) Laboratóriumi körülmények között nagy erőkkel folyik a magfúzió megoldásának technikai fejlesztése, de még nem sikerült olyan magas hőmérsékletet megfelelő ideig, és megfelelő feltételek mellett létrehozni, hogy az energiatermelésre alkalmas legyen. 

6.1.2. Az energiafelhasználás és az emberi civilizáció

Az előzőekben 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 kapcsolata az emberi társadalomhoz, a civilizációhoz. Ez egy kétirányú kapcsolat. A társadalom igényli az egyre több energiát, az egyre nagyobb energiatermelés a technika gyors fejlődésével karöltve viszont megváltoztatja a társadalom problémáit, visszahat rá. Napjaink egyik legfontosabb felismerése, hogy az energiakérdés nemcsak közvetlenül hat vissza a társadalomra (gyorsabb közlekedés, új gyárak, új gépek, új munkahelyek, felhalmozódott tudásanyag), hanem közvetetten is. Ez abban áll, hogy az energiatermelés egyrészt melléktermékeket hagy hátra, amit közvetlen környezetünkben kell elhelyezni, másrészt a természetes 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 az ózonlyuk és a légköri szén-dioxid tartalom változásán keresztül. 

Az energiafogyasztás és az emberi civilizáció fejlődése 

Az energiakérdés azért nyer ekkora fontosságot, mert az energiafelhasználás az utóbbi évszázadokban közel exponenciálisan növekszik. Egyrészt a Földön élő emberek száma növekszik gyorsan, de ennél sokkal lényegesebb, hogy a Föld nagy részén az élet minősége fejlődik a technika vívmányainak köszönhetően. Amíg a kevésbé szervezett vadász társadalmakban az alapvető élelemszükségletét az ember megtalálta a környezetében, addig 2000 kcal energiát fogyasztott egy átlagos ember naponta. A vadászat hátránya az esetlegessége. A történelmi fejlődés iránya az ember által kontrollált élelemtermelés felé mutatott, kialakultak a földművelő társadalmak. A szükséges élelem előállítása tapasztalatokon alapult, de nem volt annyira bizonytalan, habár néha véletlen természeti csapások tizedelték a termés egy részét, az állatokat.

A földművelő és állattenyésztő társadalmak energiafogyasztása már két részből áll. Egyrészt az élelemmel elfogyasztott energia, ami a létszükségletünket fedezi, de megjelent a társadalom fejlettségét jelző kereskedelem, és a háztartásokban is elkezdődött az energiafogyasztás az életkörülmények mind stabilabbá tétele céljából. A középkorban megjelentek a gépek, melyek különös új energiafogyasztóknak bizonyultak az ember mellett. Cserébe, hogy nem emberi vagy állati erővel kell a gépeket hajtanimeg kellett találni a módját, hogyan lehet a természetes környezetünkben található energiát átalakítani. A döntő fordulatot szokás a Watt-féle gőzgéphez kötni, de igazából a technika fejlődése folyamatos. A gőzgépben a felforralt gőz kondenzátorral történő visszaalakítása (ami Watt egyik találmányának lényege) azonban tényleg forradalmasította a gőzgép alkalmazásának területeit. Az ipar energiafelhasználása robbanásszerűen nőtt meg. A kémiai energia forgási energiává alakítása lehetővé tette azt is, hogy gyorsabban el lehetett jutni Londonból Párizsba, egyre erőteljesebb energiafogyasztóként jelent meg a szállítás.Az elektromosság felfedezése, törvényeinek feltérképezése után gyorsan az egyik legfontosabb és 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 energiafogyasztásának nagyságrendi áttekintése az őskortól napjainkig. Az első négy oszlopban energiafogyasztás értékei 1000 kcal/(fő×nap) egységben értendők. Az ötödik oszlopban az adott társadalom népességének relatív nagyságát tüntettük fel a vadász társadalomakhoz viszonyítva.

	élelem	háztartás + kereskedelem	ipar + mezőgazdaság	szállítás + hírközlés	népesség relatív nagysága
vadász társadalmak  (i.e. 8000)	2				1
földművelő társadalmak  (i.e. 3000)	3	2			2,5
Középkor  (XV.-XVI. század)	6	12	7	1	13
ipari társadalom (Anglia 1900)	7	32	24	14	38
modern társadalom (USA 1985)	10	66	91	63	115

A XX. század végére az USA-ban az energiafogyasztás teljes egy főre és napra eső értékéneka 230 ezer kcal-nak már csak töredéke, 10 ezer kcal, jut az alapvető szükségletünkre a táplálkozásra, a további 220 ezer kcal az élet minőségét emeli. 

Az emberi társadalmak energiaigénye, a felhasználás szerkezetének jellemzői

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

A világ energiafelhasználása térben is nagy különbségeket mutat, az egyes országok gazdasági fejlettségének függvényében. Egyes afrikai vagy óceániai országok nem igénylik az ipari forradalom gyümölcseit, a társadalmuk nagymértékben eltér a fejlett ipari országok társadalmi és gazdasági szerkezetétől. 

A 6.3. ábrán összehasonlítjuk néhány ország egy főre jutó energiafelhasználását millió BTU/fő egységekben mérve az ország gazdasági potenciálját jellemző GNP-vel, ami a nemzeti össztermék dollárban kifejezve egy főre vonatkoztatva. (Gross National Product, az év során előállított végtermékek és szolgáltatások összességének pénzbeli kifejezése.) Ezek az adatok az 1970-es évből származnak, de a következtetés azóta is helytálló. Az energiafelhasználásban úgymint a GNP-ben kimagaslóan vezet az USA. Érdekes azonban, hogy az energiafogyasztás/nemzeti össztermék arány körülbelül azonos az említett országokra. Egy dollár nemzeti összterméket a szegény India, vagy a szintén kis gazdasági potenciált képviselő Brazília ugyanannyi energia befektetésével termel meg, minta nagy USA vagy Kanada. Ezt az arányosságot fejezi ki a pozitív meredekségű szaggatott vonal. Azt állapíthatjuk meg, hogy 

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

Vannak országok, melyek a szaggatott felett vannak. Itt fajlagosan kicsit nagyobb energia befektetésével érik el ugyanazt a GNP-t, míg a vonal alatti országok energiatakarékosabbnak mondhatók (Finnország, Új Zéland), vagy csak természeti adottságaiknál fogva tudják az energiát effektívebben termékké alakítani. Befolyásoló tényező az adott ország gazdaságának belső szerkezete, például az energiaigényes nehézipar és a kevesebb energiát igénylő könnyűipar aránya. 

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

Érdemes az abszolút számokra is figyelmet fordítani. Az USA-ban 175 millió BTU energiát használnak fel egy főre vonatkoztatva, ami kb. 50 MWh, ezzel szemben Indiábankb. 1,5 MWh esik egy főre. 

Ha összeadjuk az egyes országok energiafogyasztását (már nem egy főre vonatkoztatva), akkor a világ energiafogyasztására kb 1,1×10¹⁰ ETAt energia érték adódik. Ebből 8,8×10⁹ ETAt energiát az OEDC államok termelnek (80%), melyek a világ népességének csak 25%-át teszik ki. A népesség 75%-át kitevő többi országok az világ energiaterméléséből csak 20%-kal veszik ki a részüket. Az energia országonkénti felhasználása tehát nagyon egyenlőtlen. Ez az oka annak, hogy az utóbbi években rendezett csúcsértekezleteken (Rio, Kyoto) a fejlett országokra hárítják a az energiatermelés globális környezeti hatásainak kezelésének nagyobb költségeit és fáradtságát. 

Az egy főre eső energiafelhasználás (ami közel megegyezik az energiatermeléssel) volumene az utóbbi 20 évben tehát kb. 1975-óta visszaesni látszik, ami nem a népszaporulat következménye, hanem inkább az alacsonyabb energiaigényű technológiák kifejlesztésének következménye. Az 1 dollár nemzeti össztermékre eső energiafogyasztás a táblázat szerint országonként nem nagyon eltérő adat, az USA-ban és a többi fejlett országban (Japán, Nyugat-Európa) csökkenést mutat, míg a fejlődő országokban, amelyek iparosítása még kisebb mértékű, stagnálás ill. enyhe emelkedés tapasztalható. Ezekben az országokban számottevő a népszaporulat, viszont energiafelhasználásuk a világ összes felhasználásához csak kis résszel járul hozzá.

A világ energiatermelésének volumene láttuk exponenciálisan nőtt a századok alatt, miközben szerkezete megváltozott. A társadalmi szükségletek kielégítésére az ipar energiaéhsége egyre nagyobb. A növekvő energiafelhasználásnak nem fő oka a népszaporulat, a világ népességének rohamos növekedése. Az energia inkább az életszinvonal emelésére fordítódik. A fejlett társadalmak energiaéhsége rohamosan emelkedik. 

Vizsgáljuk meg az USA 1987-es energiafelhasználását. Abban az évben az energiatermelés nagysága80,6 exa J volt. Ebből az egyes energiaforrások a következők szerint veszik ki részüket (minden adat EJ-ban értendő): 

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

Látható a fosszilis energiahordozók döntő többsége. A megtermelt energiát közvetenül fel lehet használni, ez történik az iparban és a közlekedésben. Másrészről közvetett felhasználás céljából az áramszolgáltatókon keresztül lehet felhasználni az energiát. Ez a lakóházak energiaellátására ill. az ipar kisebb részére fordítódik, ill. egy része veszteségbe megy. 1988-ban az USA-ban 29,2 exa J energiát termeltek az áramszolgáltatók, ami a teljes termelés 36%-a, valamint 51,4 exa J-t termeltek közvetlen felhasználásra. A villamosenergia-termlés minden 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 22,4 EJ energiát a közlekedés. A további 20,3 EJ energia a veszteségeknek tudható be. Ezt a 21,9 EJ energiát az ipar átlagosan 56% hatásfokkal dolgozza fel, míg a közlekedésben a hatásfok kb. 20%. Megállapíthatjuk, hogy a megtermelt 80 EJ energia kicsit több mint fele kb. 51% fordítódott hasznos felhasználásra. 

Egy másik példa Németország (akkor NSZK) 1984-es energiafelhasználását (millió ETAt-ban, (METAt)). 

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

Ez összesen 376 millió METAt, azaz 11 EJ. A 376 METAt energiából 104 METAt veszteség, csak 246 METAt energia kerül végenergiaként felhasználásra, 26 METAt nem energetikai felhasználásra került. A felhasznált energiából 59 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, ami 54%. A közlekedés 10 METAt hasznos energiafelhasználása során 48 METAt veszteség termelődött, ami 17%-os hatásfokot jelent. Ez átlagosan 45%-os energiafelhasználási hatásfok, ami a végfelhasználókhoz érve tovább csökken, összesen 30%-ra. 

Az energiatermelés és a társadalom energiafelhasználásának időbeli változása is érdekes kérdés. Az energiaigénynek van egy erős évszakos változása. A téli félév során nagyobb az energiaéhség, a tavaszi és nyári hónapokban kisebb. Például Magyarországon ez a szezonális váltakozás (a 90-es évek elején): 68% télen, 32% nyáron. Ez a változás főként a lakosság fűtési felhasználásának szezonális jellegéből adódik. Az energiafelhasználás napi ingadozása is jelentős. A háztartásokban az esti csúcsfelhasználás mindig nagyobb terhelést jelent az energiaellátóra nézve. A gyárak munkaidő beosztása sem mindig fedi le a nap 24 óráját, így ott nappal - éjjel váltakozásról beszélhetünk. Látható, hogy az energiát egészen változó igények szerint kell a fogyasztókhoz eljuttatni. Az energiatermelés üteme azonban nem követi ezt a változó igényt. Egy vizierőmű vízhozamát és egy atomerőmű teljesítményét nem lehet gyorsan változtatni. A fosszilis energiaforrások égetésével dolgozó hőerőművek teljesítménye könnyebben szabályozható, de ott sem lehet követni azt a kiszámíthatatlan fogyasztást, amit a társadalom igényel. A megoldás az energiatárolás, illetve az energia villamos energiára történő konvertálása, majd ennek a megfelelő szétosztása.

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

Az energiatermelés során felhasznált fűtőanyag (az energiahordozók) összetétele is változott az idők folyamán. A 6.4. ábrán láthatjuk, hogy a XIX. századtól kezdve hogyan változott a kornak megfelelő energiaforrás. A XX. századba lépve a korábban egyeduralkodó fa teljesen kiszorul, helyét átveszi a szén. Ez a szén lelőhelyek tudományos alaposságú megkeresésével, és a bányaipar fellendülésével magyarázható. Az 1900-as évek második felére az olajipar kibontakozása a jellemző, felfedezték a világ nagy olajlelőhelyeit. Az arab országokban, Európa mellett a tengerek alatt rengeteg kőolaj és földgáz került kitermelésre. Az 1970-es évek elejére ez a két fosszilis energiaforrás lett a domináns. Ennek gazdasági következménye volt az 1972 körüli olajárrobbanás. A XX. század utolsó negyedére egy teljesen újfajta energia kezdett előtérbe kerülni, és ez a nukleáris energia. A vízenergia százalékos súlya állandó a század során, ami egyben egy állandó volumen-növekedést is jelent. Sok ország épített vízierőművet a területén, néha olyan monumentális betonépítmények születtek, mint a Jenyiszejen épült erőmű Oroszországban, vagy a Hoover-gát az USA-ban.

Magyarország energiagazdálkodásának néhány eleme

Magyarország energiagazdálkodását az utóbbi évtizedekben az jellemezte, hogy a hazai energiatermelés mellett nagy részt tett ki a nemzetközi együttműködésben való részvételből származó energia behozatal. A Magyarországi energiatermelés hőerőművekre és atomerőművekre épül első sorban. Az 1980-as évek végén bekövetkezett politikai változások hatással voltak az energiaszektorra. Mind az energiatermelés, mind a behozatal lecsökkent. Az alábbi táblázatban összesítettük néhány év adatait, melyek a behozatal és a hazai termelés arányait mutatják meg.

6.2. Táblázat. Az elmúlt évtizedek energiatermelésének alakulása, az energiaértékek PJ=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

A magyarországi termelés összetétele azt mutatja, hogy hazánkban jelentős afosszilis (szén és szénhidrogének) felhasználása. Az értékek PJ-ban értendők.

év	Szén	CH	ebből  olaj	ebből földgáz	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 

A hazai villamosenergia-termelő erőművek közül a Paksi Atomerőmű 14 TWh energiát termel évente. 1 TWh évi termelés felett van még a fosszilis energiát felhasználó Dunamenti 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 vízerőművek energiatermelése ezekhez képest elhanyagolható néhány GWh évente. 

Ha az erőművek teljesítményeit vizsgáljuk, akkor 1999 januári adatok szerint a hazai villamosenergia-rendszer teljesítőképessége 7800 MW, melyből 3826 MW (49%) szénhidrogének égetésével nyeri az energiát, 1840 MW (23%) az atomerőmű 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, a valóban kitermelt villamosenergia mennyiségét az utóbbi évek áttekintésében a 6.5.ábrán láthatjuk. 

A Föld energiaháztartása

6.6. ábra. A Föld energiaháztartásában résztvevő folyamatok áttekintése. 

A Föld nyílt rendszer, kívülről energiát kap leginkább a Naptól, nagyon kis részben a Hold gravitációja által. A napsugárzás folyamatosan energiával látja el bolygónkat, ez a legjelentősebb megújuló energiaforrásunk. A Nap sugárzása fehér színűnek látszik, de nemcsak a látható fény tartományában sugároz a Nap! A Nap folytonos frekvenciatartományban a feketetest sugárzásának eloszlása szerinti frekvenciaeloszlásban sugároz elektromágneses hullámokat. Felszíni hőmérséklete 6000 K, ezért a sugárzásának intenzitása kb. 400 nm-es hullámhossz esetén maximális. Azt mondhatjuk, hogy a Nap kék, lila és UV-sugárzása a legintenzívebb. A Föld légköre azonban ezeket a sugárzásokat különbözőképpen nyeli el. A rövid hullámú UV-sugárzást a légkör felső rétegei visszaverik, és megvédik a szerves molekulákat ettől a sugárzástól. Ezért főként a magaslégköri ózon a felelős. A látható fény bejut a Föld alsóbb légkörébe, és ott szóródik a levegő sűrűségingadozásain, meglöki a levegő atomjait direkt hővé alakul a sugárzás egy része. A másik része lejut a felszínre, és a kőzetet, a talajt vagy a vizeket melegíti. A földfelszín kb. 20°C-os átlaghőmérsékletének megfelelően a Föld is sugároz vissza a világűrbe, de az alacsonyabb hőmérsékletnek megfelelően hosszabb hullámhosszon történik. 

A Föld energiaháztartásának folyamatait a 6.6. ábrán szemléltettük. A napsugárzás intenzitása 1,73×10¹⁸ W, amelyből 5,2×10¹⁷ W, tehát kb. 30% verődik direktben vissza, a légkörbe jutott sugárzás mint említettük egyrészt melegíti a légkört, ez az energiaátadás 8,1×10¹⁷ W teljesítményt ad le, és a levegőmolekulák rendezetlen mozgásában tárolódik a továbbiakban. Ez a bejövő eredeti sugárzás 47%-a. A további 23% 4×10¹⁷ W a vizek párologtatására, csapadék képzésére, a földfelszín melegítésére fordítódik. Ez az energia a levegőben lévő vízpára belső energiája és a vízmolekulák helyzeti energiája formájában tárolódik, hiszen a víz nehezebb a levegőnél, így maguktól a vízmolekulák nem maradnak a magasban, a levegő molekuláival történő ütközések nem tartják fenn őket, mint a többi gáznemű anyag molekuláit. A felhők élettartama sem végtelen. A felmelegített levegő nem egyenletes hőmérsékletű lesz, hol jobban süt a Nap, hol kevésbé a felhők miatt, vagy más okokból. A hőmérséklet-különbségek nyomáskülönbségeket hoznak létre a légkör alsó részében, és ez a levegő irányított mozgását indítja be, ezek a szelek.A felhők egymáshoz súrlódva elektromos feltöltődést hozhatnak létre, mely elektromos energia tárolását jelenti, ez is a légkör melegítéséből származó energia és a napsugárzás energiája táplálja. Ezekben a másodlagos hatásokban 3,7×10¹⁴ W teljesítmény tárolódik, ami 3 nagyságrenddel kisebb már. A napsugárzás a felszínen a zöld növények leveleire érve fotoszintézist indít el. Ebben a folyamatban energiaraktározó (energiafelvevő, endoterm) kémiai folyamatok játszódnak le. Nagyon leegyszerűsítve az égés fordított folyamata játszódik le: a levegő széndioxid-tartalmából oxigéngáz keletkezik, ami a levegő oxigéntartalmát növeli, és szén, ami persze más molekulákban felhasználódik A napsugárzás energiája kémiai energiává alakul. A fotoszintézis másodpercenként 4×10¹³ J energiát épít be. Ez a kémiai energia a növényekben tárolódik. Amikor egy állat megeszi a növényt szervezete a növényi molekulákat lebontja és ebből energiát szerez magának. A lebontás során a növényi molekulában a napsugárzás és a fotoszintézis hatására felépült kémiai energiában gazdag molekula kémiai energiája csökken, a kémiai kötések szorosabbá válnak. Az élőlények így közvetett módon használják a Nap energiáját. Amely molekulákat az 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 biztosítják a felszíni hőmérsékletet, ami a hosszú hullámú sugárzás által energialeadást jelent. 

Vessünk egy pillantást arra,hogy a Föld hogyan lehet egyensúlyban. A napsugárzás intenzitása a hőmérsékletének a függvénye, a Nap hőmérséklete pedig életútja során változik. Ha egy r sugarú bolygó a Naptól R távolságban van, akkor akkor a Nap sugárzásának intenzitása csak r²p/R² térszögben éri a bolygót. Minél kisebb a távolság, annál nagyobb a bolygó által 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, azaz ha nagyobb energiát nyel el a bolygó, többet kell kisugározni, azaz melegszik. (Feltettük, hogy alégkörről történő direkt visszaverődés állandó.) A Nap hőmérséklete egyre csökken az évmilliók folyamán, és az emberiség éppen abban az időszakban alakulhatott ki, amikor a Föld egyensúlyi hőmérséklete ezt lehetővé tette. Összehasonlításként a Mars sugarával és távolságával számolva ez az optimális hőmérséklet még nem érkezett el, későbbi időkre tehető. (Természetesen a Mars visszaverőképességétől is függ ez.)

Van a földi energiaháztartásnak még egy inputja. Ez a Föld forgási energiája és a Hold gravitációja segítségével csapolható meg. A Föld és a Hold keringenek egymás körül. Ez a Naprendszer kialakulásakor felszabadult nagy energiák maradványa. A Hold vonzza a Földön a vízrétegeket, ennek hatása az hogy a Holdhoz közeli részen a víztömegek megemelkednek, a Hold magához vonzza őket, a Holddal átellenes oldalon pedig kevésbé vonzza a deformálható víztömegeket, mint a földgolyót átlagosan, így ott eltávolodik a víz a felszíntől. Mindkét eset vízállás növekedést jelent, amit dagálynak hívunk. Ez a dagályhullám a Föld forgása miatt állandóan körbejár a Földön. Ez az árapály jelensége. Az árapályhullám mindig mozgási energiát jelent a Földön, és ez a Föld forgási energiáját csökkenti, mert az árapályhullám a szárazföldnek ütközve a Föld forgását is lassíthatja. Az árapály jelensége a Föld belső energiáját 3×10¹² W teljesítménnyel növeli. 

A Föld felszíne lényegében megszilárdult. Tudjuk, hogy a kőzetlemezek mozognak, és ez arra enged következtetni, hogy a kéreg alatt még nem teljesen megszilárdult geológiai rétegek vannak. Ahogy megyünk a Föld közepe felé, a tapasztalat szerint a hőmérséklet annál inkább növekszik. Mindezek azt támasztják alá, hogy a Föld magjában energiatermelő folyamatok zajlanak. Ezek a Föld keletkezésekor kialakult anyag, amely még nem jutott el a nukleárisan teljesen stabil állapotba, átalakulásából származnak. A jelenlegi elmélet szerint a Föld középpontja körül az anyag radioaktív, és a radioaktív bomlások során felszabaduló energia melegíti a Föld magját. A magma áramlása feszültséget kelt a földkéregben, és amikor a repedéseken ez lehetővé válik, akkor a forró anyag a felszínre tör. Ezek a vulkánok, szintén szállítanak hőmennyiséget, így energiát, a Földfelszínre. Ennek eredete, ezek szerint a radioaktivitás. A gejzírek is közvetítik a Föld mélyebb rétegeienek hőmérsékletét. Összefoglalóan ezeket az energiaformákat geotermikus energiának nevezzük. A geotermikus konstans 0,063 W/m² , azaz a geotermikus folyamatok 0,063 J energiát hoznak fel a felszínre másodpercenként és négyzetméterenként. Ugyanez az állandó a napsugárzásra, a szoláris konstans: 1,395 kW/m²jóval nagyobb érték. Ez azt mondja meg, hogy a légkörbe jutó napsugárzás, mekkora energiát hagy a Föld belső rendszerében. 

A Föld mélye még rejti az évmilliókkal ezelőtt elpusztult növényekben a Nap energiája segítségével felépült molekulákat, illetve ezek a szenet tartalmazó molekulák 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 keletkezett fosszíliák kitermelése és felhasználása nagy sebességgel történt a XX. században, ezért ezek a készletek inkább kimerülők. A világ kőolajtartalékait a 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 másodlagos energiaformák. 

6.1.3. Az energiatermelés fosszilis energiahordozók segítségével, és a környezeti hatásai

Fosszilis energiahordozóknak nevezzük a szenet és a szénhidrogéneket. Ezen energiahordozók azonos módon keletkeztek. Az évmilliókkal ezelőtti korokban élt növények és szerves anyagok bekerültek a földbe, lerakódások befedték őket, és az évmilliók alatt levegőtől elzárt térben bomlottak a szerves molekulák egyre mélyebben egyre nagyobb nyomáson és hőmérsékleten. Az idők folyamán egyre jobb minőségű szénné kristályosodtak, illetvefolyékony vagy légnemű szénhidrogének keletkeztek a szerves molekulák bomlásából. A fosszilis energiahordozókat azután el lehet égetni, ahol nagy mennyiségű energia szabadul fel. Az energia koncentrálódik a fosszilis molekulákban. Ez az energia a korábbi élettevékenységek során a napenergia felhasználásával épült be a növényekbe. 

Földünk legelterjedtebb energiatermelési módja a fossziliák égetése. Ha csak a közvetlen környezetünkben nézünk körül, akkor a fűtéskor és a konyhai tűzhelyen fossziliát, a földgázt használjuk fel. Az autók motorjában a kőolaj megfelelően finomított terméke az üzemanyag. A repülőgépek használják a legjobban finomított benzint, a kerozint. Az ipar rengeteg energiát emészt. Nemcsak robbanómotorok, de gőzgépek meghajtásához is a fosszilis energiahordozók elégetése adja az energiát. Az energiatermelés a lakosságot leginkább kiszolgáló része a villamosenergia-termelés. Ez hőerőművekben zajlik. A fosszilis energia vagy más energiahordozó elégetésével nyert energiával gőzt lehet fejleszteni, ami aztán turbinalapátokat hajt meg. A turbina pedig az elektromágneses indukció elve alapján áramot fejleszt (generátor). A 6.7. ábrán nemcsak a fossziliák, hanem más fűtőanyagok felhasználásával megvalósuló energiatermelési folyamatokat szemléltetjük. 

6.7. ábra. Az energiatermelés során alkalmazott folyamatok.

A fosszilis energiatartalékok. 

Az ipari társadalmak növekvő energiaigénye mellett a bányászat szerepe is megnőtt. Ez biztosította azt a jelentős technikai fejlődést amit az ipari forradalom hozott. A föld mélyén rejtőző energiaforrások kibányászása is felgyorsult. 1870-től 1970-ig 19-szer annyi energiájú energiahordozót bányásztak ki, mint 1000-1870-ig kb. 9-szer hosszabb idő alatt. Az említett száz év során kb. 13×10¹⁰ tonna (130 milliárd tonna) szenet bányásztak ki. A kőolajkitermelés az elmúlt száz évben átlagosan évi 7%-kal növekedett, 1970-ig 227 milliárd hordó olajat termeltek ki. A növekedés ütemére jellemző, hogy 1857 és 1959 között ugyanannyi volt a termelés, mint 1959-1969 közötti évtizedben. Ezen erőforrások kitermelésével együtt a szén és kőolaj lelőhelyek megtalálásának technológiája is rendkívül fejlődött. Ez adta a lehetőséget, hogy a kitermelés exponenciális fejlődésnek induljon. A világ teljes szénkitermelése 1960-ban 2,6 milliárd tonna volt, ez 1990-re 4,7 milliárdra nőtt, tehát közel megduplázódott 30 év alatt. Meg kell jegyeznünk, hogy a bruttó széntermelés nem teljesen pontosan mutatja a kinyerhető energia mennyiségét, ennek oka a sokféle minőségű kibányászott szenekben van. A feketekőszén a legnagyobb fűtőértékű szén, az évmilliók során teljesen elszenesedett szerves anyag alkotja, a barnaszén rosszabb fűtőértékű és a leggyengébb a lignit. Cserébe a lignithez sok helyen (geológiai okokból) a felszín közelében is hozzá lehet férni, és a felszíni bányászás sokkal gazdaságosabb. A sokféle fűtőérték miatt a szén tömegét olajekvivalens tonnákba szokás átszámolni, amely így az összfűtőértékkel arányos. Így az olajkészletekkel is össze lehet hasonlítani a széntartalékokat, és ezzel az átfogó fosszilis energiakészletek mennyiségét is jól jellemezhetjük. Egy 1974-es felmérés szerint a Föld fosszilis energiatartaléka 900 milliárd tonna olajekvivalens energiahordozó. Ez nagyon inhomogén módon oszlik el a Föld országai között. Az 6.3. Táblázatban megtalálhatjuk néhány ország becsült fosszilis energiakészletét.

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

Európa  (a Szovjetunió nélkül)	201,6	Németország	66,6
Kanada	6,05	Nagy Britania	66,2
Egyesült Államok	243,5	Lengyelország	26,0
Latin Amerika	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	Csehország és Szlovákia	9,23
Közel Kelet	15,8	Magyarország	2,01

A tartalékok 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, de objektíven is minden ilyen módszernek van egy bizonytalansága. A várható készletre egy reális felső becslést adhatunk, ha számolunk azzal is, hogy a jövőben új lelőhelyeket fedeznek fel. A Föld területe elég jól feltérképezett, ezért nagyságrendi változás nem várható. A várható készlet így 3-4 ezer milliárd TOE. 

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

ország	olajkészlet  milliárd tonna	finomítókapacitás millió t/év	földgázkészlet  milliárd TOE
Szovjetunió	10,1	475	22,36
Közel Kelet	50,0	174	13,0
Japán	-	-	-
Kína	2,7	72	0,6
Afrika	8,1	76	5,0
Európa	3,7	1214	3,6
Latin Amerika	4,7	406	2,2
USA	4,8	829	5,2
Kanada	1,0	109	1,3

Nézzük meg az USA vagy a volt Szovjetunió olajtartalékokkal rendelkező régiót, itt a (többi) európai országokhoz képest relatívan kisebb finomítási kapacitás mellett a tartalékok kb. 50 évig tudják a jelenlegi ütemet biztosítani. A Közel-Kelet tartalékai nagyobbak, de azok sem képesek a fejlődés ütemének biztosítására. A legtovább tartó olajtartalékokkal Venezuela rendelkezik a 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 belül kimerülnek. 

Ezen táblázatok adataiból világos, hogy míg a világ (1990-ben) vezető hatalmai a fosszilis energiatermelésre építhettek, addig néhány ország Japán, Kanada, Franciaország és a Latin Amerikai országok nem alapozhatják energiaellátásukat elsődlegesen a fosszilis tartalékokra. Ezek az országok alternatívaként vizi- és atomerőművek építésével kompenzálthatják a kis fosszilis kapacitásukat.Nézzük megFranciaország és Kanada villamosenergia-termelésének (az energiatermelés közvetett felhasználású része, ami nagyrészt a lakosság energiaigényeit szolgálja) összetételét 1990-ben: 

	összes energia	vizi- és atomenergia	az össztermelés százalékában
Franciaország	407 kWh	355 kWh	87
Kanada	500 kWh	371 kWh	74

A világ összes villamosenergia-termelésében a vizi- és az atomenergia 34,7%-ot tesz ki. Látható, hogy a nem fosszilis energiatermelő erőművek megjelenése ezekben az országokban a készleteik mennyiségével magyarázhatók. További országokban, mint például Japánban, ahol szintén kis fosszilis készletek találhatók, és olajtüzelésű villamosenergia-termelése nincs is, ennek megfelelően sok atomreaktor működik. A világ 5. és 6. legnagyobb teljesítményű atomreaktora Japánban van. (Az első három Franciaországban és Kanadában található.) A latin-amerikai országok fosszilis készletekben szegény része a villamosenergia termelést a vizierőművekkel próbálta megoldani. Ennek jellemzésére mutatjuk be a világ legnagyobb vizierőművei közül néhány dél-amerikai teljesítményét. 

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

Összehasonlításképpen a legnagyob észak amerikai vizierőmű (Grand Coulee, USA) teljesítménye 6494 MW, a legnagyob szovjet (Szajan-Susenszki) 6400 MW teljesítményű. (Ezek az adatok az 1990-es állapotot mutatják. Forrás: Földrajzi Világatlasz, Kartográfia 1992.)

A világ 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 a termelés duplázódásának ideje kb. 10 év volt, addigazóta 20 év alatt nőtt a termelés a másfél szeresére. A kőolaj robbanásszerű kitermelése tehát már jó 20 éve megszakadt és mérsékelt fejődés tapasztalható ezen a téren. Ha megnézzük a világtermelés terület eloszlását, mely szerint 1987-ben az összes 2,8 Gt kőolajtermeléséhez az OPEC tagországok (főleg közel-keleti országok) 1,1 Gt-val járultak hozzá, és a készletek ezeken a 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 nemzetközi megegyezéseken határozzák el. A kőolaj szerepét támasztja alá, hogy a világ legjelentősebb monopóliumai közül többnek fő profilja a kőolaj.

Kérdés, hogy a Föld energiahordozó-tartalékai mennyi ideig képesek ezt a fejlődést kiszolgálni? Ha a fosszilis készletek becsült adatait összevetjük a világtermelés mai értékeivel, és a kitermelés fejlődési ütemét az utóbbi évtizedeknek megfelelően extrapoláljuk, akkor azt kapjuk, hogy a készletek egyes régiókban hamarabb, máshol később kifogynak. Az olajszármazékok esetén hamarabb kell a készlet kimerülésével számolni (20-30 év), mint a széntartalékok esetén (200-300 év). Ha összehasonlítjuk az 6.3. ábrát ezzel a becsléssel, akkor azt az eredményt kapjuk, hogy a kőolaj és a földgáz nagy arányú felhasználása nagyon gyorsan robbant be világunkba, mára a fejlődés lelassult, a kyotoi csúcsértekezlet alapján a termelés nemsokára visszaesik, és a következő század elején a tartalékok kifogynak. Az emberiség történetében az olaj egy rövid, de hozzánk nagyon közelálló, száz éves periódust dominál csak. Bizonyított tény tehát, hogy unokáink hétköznapjait jelentősen meghatározza és megváltoztatja majd a fosszilis energiaforrások kimerülése.

A fosszilis energiatermelés további problémái (a szennyezés és az üvegházhatás)

A jelen fosszilis energiatermelésének 98%-át a szén és szénhidrogének égetéséből kapjuk. Ezek ugyanazon kémiai alapfolyamatokat használják, a szén égését, ahol széndioxid is keletkezik. Az egyes energiahordozókat azonban nemcsak tiszta szén alkotja a legtöbb esetben. Azt elő kell készíteni, energiatermelésre alkalmassá kell tenni. Az egyes erőművi folyamatok emiatt speciális kémiai folyamatokat használnak fel, és így az energiatermelés környezetszennyezéssel jár. A kibocsátott szennyezések kémiai összetétele komplikált. Fontos összetevő általában a kén- és nitrogén-dioxid. Ezek a levegőnél nehezebb gázok a levegő minőségét rontják. Másik lényeges összetevő-csoportja a szennyezéseknek a nehézfémek (arzén, ólom, kadmium, higany, urán stb.). Ezek toxikus anyagok az élő szervezetbe jutva mérgezéseket okoznak. A földkéregben természetes módon előfordulnak radioaktív elemek. A fosszilis erőforrások kibányászásakor azzal keveredve természetes, hogy radioaktív anyagot is kibányásznak. Ezek az anyagok a feldolgozás során feldúsulnak, amikor az éghető anyagokat kivonják vagy elégnek, így a fosszilis alapú erőműveknek is van radioaktív kibocsátásuk. A fosszíliák másik árnyoldala az, hogy bányászatuk és szállításuk nehéz. Az egyes szénhidrogének vegyipari szempontból sok értékes műveletre felhasználhatók, túl értékesek ahhoz, hogy ,,csak'' hőt termeljenek belőlük. A szénégetés legnagyobb globális problémaköre a levegő széndioxid-tartalmának megnövekedése és ennek következményei a Föld globális rendszerére. 

Bőven van tehát nyitott kérdés. A fosszilis tüzelőkhöz hozzászoktunk, átjárják társadalmunkat. Mindenezek ellenére mára világos, hogy más energiahordozók fejlesztése és alkalmazása elengedhetetlen. Ezek szerint a szént és a kőolajat más energiahordozóval össze kell tudni hasonlítani. Ez nehéz és nagy körültekintést igényel. Az energiahordozók összehasonlításának korrekt módszere az, haa kitermeléstől a végső hulladékraktározásig, hulladék feldolgozásig minden folyamatot figyelembe veszünk. Ezek után azonos megtermelt energiaegységre vonatkoztatva kell összehasonlítani a teljes folyamat hatásait.

A nyitott kérdések sorát kezdjük a kéndioxid problémával. 1000 MWe energiából évente 20-30 kT kéndioxid kerül a légkörbe. Ez káros az emberi szervezetre, ha a tüdőbe kerül, és onnan a test további részeibe. Ekkora kibocsátásnak átlagosan 25 áldozata van évente, és 60 ezer légzőszervi megbetegedést okoz. A társadalmaknak összesen 12 millió US dollár káruk van az egészségügyi hatások miatt. Magyarországon a kéndioxid kihullás átlagos értéke 2,5 g/m²/év.

Egy GWév energia előállításához körülbelül 3,5 millió tonna szenet kell elégetni. A szén bányászata során a kőzet többi anyagát is kibányásszák. Az szén elégetése során ezek feldúsulnak. A 3,5 millió tonna szén elégetése során 5,25 tonna urán halmozódik fel. Ezek nagy részét felfogják a szűrők, de minden szénerőműnek van hamu kibocsátása! A hamuhoz tartozó urántartalom a szénerőművek radioaktív kibocsátása. Ez nem elhanyagolható tömeg, jó néhány kg tiszta urán 1 GWév-enként, ami sok TBq aktivitás. Ez a légkörből kihullik, és teríti az erőmű térségét, és észrevehetően emeli a terület természetes radioaktív sugárzását..

A széndioxid-probléma. 1000 MWe energiatermelés évente 9 millió tonna széndioxidot juttat a légkörbe. Az atmoszféra széndioxid-tartalma emiatt a természetes értékről elmozdult. Az iparosodás előtt a középkorban a levegő széndioxid-tartalma 295±5 ppmv (particle per million) volt. Ez napjainkban 320 ppmv körüli értékre nőtt meg. Ez 10%-os növekedés, már nem elhanyagolható hatás. A széndioxid területi eloszlása olyan, hogy az egyenlítőtől az északi sarok felé nő a koncentráció. A déli féltekén általánosan kisebb a CO₂ koncentráció mint az északin. Az időbeli változás azt mutatja, hogy mintegy 2 évvel késve követi a déli félteke koncentrációja az északiét. A területi eloszlás egyik tényezője az, hogy a nagy kiterjedésű esőerdők az egyenlítő környékén találhatók. Az esőerdő nagy tömegű zöld levele fotoszintézis során a levegő széndioxidját 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 széndioxid koncentrációnak évszakos ingadozása is van. Tavasszal mindig nagyobb, ősszel mindig kisebb az éves átlagnál. Ez a növények zöldanyag-tartalmának szezonális ingadozása következtében zajlik így. Tavasszal, amikor a mérsékelt égövben elkezdenek nyílni a növények, megindul a fotoszintézis, ami nyáron éri el a maximumát, a legtöbb levél ekkor virul. Az őszi lombhullatás idején kezd visszaesni a levelek oxigéntermelése, ezért ilyenkor indul meg felfelé a széndioxid-tartalom, elhagyva a minimumát. Az évszakos trend a következő év tavaszán nem tér vissza az előző tavaszi koncentráció értékére, hanem azt meghaladja. Az éves átlag szépen araszol felfelé, évente kb. 1 ppmv növekedés mellett. 1958 óta Hawaii szigetén folyamatosan monitorozzák a légköri széndioxidot. Ez a mérési pozíció azért alkalmas a légkör általános széndioxid-koncentrációjának jellemzésére, mert elegendően messze helyezkedik el mindenféle ipari területtől. A széndioxid-koncentráció itt a már kiegyenlítődött átlagos szintet mutatja, nem egy adott ipari terület kibocsátására jellemző. Ezek a Hawaii-i mérések pontosan mutatják az évszakos változást, és az éves 1 ppmv-es növekedést. 

A légkör széndioxid koncentrációjának fontos szerepe van a Föld felszíni hőmérsékletének kialakításában. Mint azt a korábbi fejezetek során láttuk, a Föld energiaháztartása egyensúlyban van. Amennyi energiát nyel el a légkör a napsugárzásból, annyi energiát sugároz ki a Föld felszíne elekromágneses sugárzás formájában. (A fekete-testek sugárzási törvényének megfelelően.) Az atmoszféra albedója (fényelnyelő képessége) 29%. Ha a napsugárzás mért értékének ennyi százalékát kellene kisugároznia a Földnek, akkor elég lenne, ha a felszíne -19°C-os lenne. Ez a fagyáspont alatti hőmérséklet lenne az egyensúlyi koncentráció. Ilyen körülmények között nehezen alakult volna ki az élet. A Föld hőmérséklete a megfigyelések szerint +15°C. A különbség oka a légkör fényelnyelő (általánosabban elektromágneses sugárzás elnyelő) képességének hullámhossz szerinti eloszlásában van. A látható fény hullámhossztartománya 350 nm-től kb. 750 nm-ig terjed. A napsugárzás majdnem teljesen követi ezt a tartományt, igaz a Napból jelentős UV-sugárzás is érkezik. A földi légkör a bejövő napsugárzás jelentős hullámhossz-tartományának csak 48%-ára átlátszó. A Föld által visszasugárzott hullámok azonban más hullámhossz szerinti eloszlást követnek, mint a bejövő napsugárzásé. A hidegebb Föld hosszabb hullámhosszú sugárzást bocsát ki (ver vissza), döntően vannak benne infravörös sugarak is. Ezek az infravörös sugarak azonban elnyelődnek a légkör egyes molekuláin, ilyenek például a széndioxid, ózon (O₃) és vízgőz molekuláin, miközben azokat rezgésre vagy forgásra kényszerítik. Az említett három molekula három különböző frekvencián (így hullámhosszon) nyeli el a sugárzást, ezek számszerűen 10¹³ Hz egységekben: CO₂ 1,8; ózon 3,1; vízgőz 4,0. A sugárzás energiája, ami elektromágneses energia, tehát átalakul mozgási energiává. Külön-külön molekulánként, tehát rendezetlen módon, azaz a légkör belső energiáját, így hőmérsékletét növeli. Ezen infravörös elnyelés miatt a kisugárzott energiának csak a 20%-át engedi ki a légkör, a többi az említett módon bennmarad, és felmelegíti a légkört az ember számára optimális 15°C-ra. Ezt az effektust hívjuk üvegházhatásnak, mert teljesen hasonló történik a fedett üvegházakban, ott a légkört az üvegtető, vagy fólia helyettesíti. Azt mindenképpen látjuk, hogy a széndioxid koncentráció a légkörben szoros összefüggésben van a Föld átlaghőmérsékletével. Ezt az állítást mindenféle légköri modell nélkül a geológiai mérési eredmények is alátámasztják ezer éves kőzetek vizsgálata nyomán.Ugyanígy a légköri vízgőz (átlagos páratartalom) is fontos, ami szintén az átlaghőmérséklettel van összefüggésben, ugyanis ettől függ, hogy az óceánok milyen gyorsan párolognak. Az egyensúlyi vízgőz nyomása hőmérsékletfüggő, nagyobb hőmérsékleten, nagyobb, azaz több vízgőz kerül a levegőbe. Ettől azonban megnő az infravörös elnyelés és megváltozhat a teljes légkör fényvisszaverő képessége is. Ez a két effektus versenyez, és nem lehet pontosan megjósolni, hogy a légkör dinamikus rendszerében melyik hol diadalmaskodik. A három említett molekulát üvegház-gázoknak hívjuk. Vannak még nem említett üvegház gázok. Ilyen a metán, a nitrogén oxidok és a klorofluorokarbon (CFC) is. Ez utóbbi kettő infravörös elnyelési képessége néhányszor meghaladja a széndioxidét, ezért nagyobb kárt képesek okozni. Az üvegház-gázok koncentrációja egyöntetűen növekszik a légkörben. A széndioxid említett 0,4%-os növekedése mellett a metán 1,2%-kal a CFC pedig évi 1-6%-kal nő a légkörben. Földünk légköre kényes egyensúlyban van. Természetesen most egyszerűsített modellt vázoltunk. A légkörnek nagyon fontos a dinamikai viselkedése, a szelek, a hőmérséklet területi eloszlása lényeges. Ezeket most nem részletezzük. A vízgőz megfelelő figyelembe vételéhez a felhők elhelyezkedése is fontos. Ezen sok paraméter tényleg komplexé teszi a problémát. Azonban abban az összes modell egybehangzó következtetéssel szolgál, hogy a légköri széndioxid kétszereződése 2-3°C átlaghőmérséklet növekedést jelent. Ennek aztán a civilizációra nézve is alapvető konzekvenciái vannak. A Földön a víz jelentős része ugyanis jégtakaró formájában található meg, ezek egy része elolvadhat, ezzel a tengerszint emelkedése jár együtt. Ennek egyik kikötővárosban sem örülnek, pedig ilyen városok előszeretettel alakultak ki és virágoznak napjainkban is. 

A Föld átlaghőmérsékletének szisztematikus évtizedeken át tartó növekedését globális felmelegedésnek nevezzük. Természetesen az átlaghőmérséklet évszázados átlaga a geológiai korok során sokat változott - gondoljunk csak a jégkorszakokra - lehűlést felmelegedés követett és fordítva, ahogy a Föld légkörének és egyéb komplex eseményeinek a sora azt meghatározta. A World Meteorological Organization (WMO) 836-os kiadványában azonban pontosan lehet évről évre követni a Föld mért átlaghőmérsékletét. Az adatok azt mutatják, hogy 1865-1905-ig kb. állandó érték körül ingadozott az átlag, addig az 1910-es évek óta folyamatosan nő az átlaghőmérséklet. 1905-óta kb. 0,5-0,7°C-ot. Természetesen a növekedésnek vannak fluktuációi, egy-egy kicsit magasabb és alacsonyabb év is adódott. A globális melegedés okaként az infravörös-elnyelő gázok növekedését támasztja alá az a meteorológiai tény, hogy amíg a sztratoszféra hőmérséklete nő, addig a felette elhelyezkedő troposzféra hőmérséklete csökken. Oda már nem jut el ugyanis a Föld által kibocsátott sugárzás. A globális felmelegedés ténye mellett hangsúlyt kell fordítani az éghajlatváltozásra is. A felmelegedés ténye mellett elképzelhető, hogy egyes területek elsivatagosodnak, miközben egyes területeken megnövekszik a csapadék, szokatlan nagy árvizek keletkeznek, tengeráramlások hatása megváltoztatja egyes régiók szokásos meteorológiai viszonyait. A globális felmelegedés egyik, de fontos tényezője Földünk éghajlatváltozásának. Az egyes országok kormányai felismervén a probléma súlyát a széndioxid kibocsátás növekedésének csökkentését fogadták el a kyotoi csúcsértekezleten. Ahhoz, hogy a széndioxid-kibocsátás stabilizálódjon a XXI. század közepéig kb. 2000 fosszilis energiahordozóval működő erőművet kellene leállítani és más módon megoldani ezt az energiakiesést (közel egy erőmű hetente). A megoldás három elvi iránya: a) más energiafajta üzembe állítása a fosszilis tüzelő helyett, b) energiatakarékosság adott életszínvonal mellett, c) életszínvonalesés. 

Az a) esetre gondolva megadjuk a napjainkban legjelentősebb energiahordozók felhasználásával megtermelt 1 GWh energia során kibocsátott széndioxid mennyiségét tonna egységekben (a Nuclear Issues 1995. januári számában közöltek alapján.).

víz: 4 tonna,

szél: 7 tonna,

Atom: 8 tonna,

gáz:500 tonna

olaj:750 t

szén: 870 t

6.1.4. Az energiatakarékosság, egy alternatíva az energiaszolgáltatáshoz 

Láttuk, hogy századunk olajra és más fosszilis energiahordozóra épülő társadalma milyen komoly kérdéseket vet fel. Ha a jövőre is gondolunk, saját természetes környezetünkre is gondolunk, akkor a fosszilis tüzelők térhódítása nem tartható irány. Egyik megoldási lehetőség az energiatakarékosság, a másik új energiaforrások keresése. A fosszilis tüzelő mellett a következő energiatermelési alternatívák léteznek napjainkban. Az egyik a megújuló energiaforrások köre, melybe bele tartozik a napenergia közvetlen napelemes felhasználása, a napenergia közvetett felhasználása a szél- és vizierőművekben, valamint a geotermikus energia. Ezen kívül a másik módszer a nukleáris energia felhasználása. Ennek két része van. A hasadásos erőművek technikája egy már kidolgozott jól működő, de számos vitatott szemponttal rendelkező energiatermelési mód. A másik a technológiailag még nem beérett fúziós energiatermelés. Mindegyik alternatív mód elvi fizikai, gazdasági és politikai kérdések sorát veti fel. Először az energiatakarékosság lehetőségeit járjuk körbe ebben a fejezetben, majd az alternatív energiaforrásokat ismerhetjük meg a következő fejezetben. 

Az energiaválság

Az energia felhasználásának tendenciáit és környezetszennyező hatásainak fontosságát az 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, hogy az energiafogyasztás szerkezete és a termelés lehetőségei belátható idő alatt feloldhatatlan ellentmondásba kerülnek. Ezekben az években vetődött fel az a következtetés, hogy az energiahiány miatti összeomlás előbb-utóbb elkerülhetetlen. Ezek az ellentmondások jellemezték a kor ,,energiapánik'' köré csoportosuló gondolatait. 

A katasztrófajóslatok nem váltak be, de mára ténnyé szilárdultak ipari társadalmunk környezetromboló hatásai. Ezen hatások felismerése a döntő ahhoz, hogy kezelni tudjuk a kérdéskört, és az említett hasonlattal élve ,,ne gyújtsuk magunkra az erdőt''.

Az energiaválság problémájából az említett három út vezethet ki. Az alacsony energiaszolgáltatású társadalom nem lehet ütőképes alternatíva több szempontból sem. Egyrészt a mindennapi élet számos eleme össze van kapcsolva a megszokott energiaszolgáltatással, ennek hiánya társadalmi konfliktusokhoz vezethet. Az új energiaforrások keresése nagyon fontos feladat, de csak a jövőben kamatoztatható. A kutatások adhatják meg a jövő megoldásának mai alapjait. Jelen társadalmunkban a leginkább kivitelezhető út az energiatakarékosság. Azonos energiaszolgáltatást kevesebb energiafelhasználással is el lehet érni. 

A társadalom energiaigénye több részből tevődik össze: 

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

A népesség létszáma a fejlett országokban stabil. Inkább kismértékű fogyás jellemző, mint a nagyarányú szaporodás, ami a fejlődő országok jellemző tulajdonsága. Az adott szolgáltatáshoz szükséges energia a technikai fejlettség fokmérője. A lakosonként elfogyaszott energiát a társadalmi szokások és a lehetőségek határozzák meg, ezt a szociális haladás jellemzi. A takarékosság két részből tevődhet össze. Egyrészt megcélozzuk a nagyobb hatásfokú technológiák fejlesztését, üzembeállítását. A korábbi pazarló technológiákat lecseréljük. A másik oldalról a személyenkénti energiafogyasztást is korlátozhatjuk jobb hatásfokú gépek használatával, a hulladékok újrafelhasználásával, a felesleges energiafelhasználás elkerülésével. A technikai és emberi oldal egymást kiegészítve tud jó eredményt elérni csak. 

A jövő társadalmának mélyreható társadalmi, politikai, kulturális változásokat kell végrehajtania. Ezeknek egyik alappillére az hiteles és helyes információ környezetünk állapotáról. Nagy probléma, hogy a már felépített és kialakult környezetre ártalmas rendszer átalakítása óriási beruházásokat igényel, és közgazdasági változásokat tesz szükségessé. Ezen változások mellett a technikai színvonal emelése a legfontosabb összetevő a megoldás felé. Mindezeket optimálisan betartva a világ energiafelhasználása kis mértékben csökkenhet. 

Az energiatakarékosság lehetőségei

Az energiatakarékosságnak technikai oldalról sok lehetősége van. Tekintsük át az energia hasznosulásának folyamatát az energiaforrástól a végfelhasználóig. Legyen 100% az az energia ami a kibányászott nyersanyagban átalakítás előtt van. Például vegyük egy tonna olaj fűtőértékét 100%-nak. Az olaj elégetése során egy hőerőműben (például) gőzt melegítünk fel, és a gőz turbinákat hajt meg, ami elektromos áramot termel. A kémiai energia átalakul villamos energiává. Az átalakulás során a befektetett energia 30%-a átlagosan elveszik. Ez a hő hasztalanul a környezet levegőjét melegíti. (Ez nem okoz meteorológiailag jelentős felmelegedést!) A megmaradt 70% energia elektromos formában azután el kell hogy jusson a fogyasztókig távvezetékek rendszerén keresztül. Más esetben a megtermelt forró gőzt is el lehet vezetni rövid távon a fűtendő lakásokig. Egy azonos hatás van, az energia egy része útközben disszipálódik és felhasználásra alkalmatlan formába alakul át. A fogyasztóknál megjelenő felhasználható villamos energia az eredetinek csupán 63%-a. Ennek az energiának is csak kb. az 50%-a, azaz az eredeti 30%-a használható a kívánt formában a kívánt berendezésben fel. Ezután még meg kell vizsgálni, hogy a berendezésben az eredetileg kívánt szolgáltatás mekkora energiát igényelt, és mekkora volt a berendezés egyéb működtetési energiaigénye, ami nem közvetlenül a célt szolgálta. Az átlagot vizsgálva a felhasznált gépekben ez rendkívül alacsony, csak 20%. Így az eredeti 1 tonna olaj fűtőértékének pusztán 6%-a fordítódott a cél-szolgáltatásra. Ennek a sok momentumból fakadó veszteségnek a csökkentése reális feladat. Természetesen a cél nem 80-90%-os energiaátalakítás, hanem a jelenlegi 6% két háromszorosa, azaz 13-15% már lényeges eredmény lenne. 

Nézzük meg az egyes lépéseket. Az energiaforrásban tárolt energia átalakításának hatásfokát a modernebb, nagyobb hatásfokú erőművek bevezetésével lehet megoldani. A kémiai vagy nukleáris energia felszabadulását újfajta szerkezetekkel és körülmények között kellene villamos energiává alakítani az erőművek fejlesztéséhez. Az energiaigény másik nagy része nem konvertálódik villamos energiává. Az autók, repülők közvetlenül használják fel a szénhidrogéneket. A háztartások fűtésére szolgáló gáz is közvetlenül a felhasználónál alakul hővé. Ezen esetekben egy jobb hatásfokú modernebb (esetleg hőtároló képességű, szabályozható) kályha, a kívánt hatást: a szoba melegen tartását kevesebb olajekvivalens tonna felhasználásával is el tudja érni. Ezek mégis drágábbak és az árukat a piaci viszonyok is befolyásolják. Hogy a háztartásban milyen tűzhelyet, kályhát használunk a szociális viszonyoktól is függ. Ez a példa is illusztrálja, hogy az energiakérdés megoldása mennyire komplex probléma. Minden energiaforma felhasználása esetén a második lépés az energia elszállítása a fogyasztókhoz. Még ha egy nagy teljesítményű erőmű egy kisebb energiaigényű gyárnak juttatja az energiát, akkor is jelentős kérdés a szállítás során elveszett energia. Ezt a gyár mint fogyasztó meg kell, hogy fizesse az energiatermelő egységnek, és ezáltal az ő általa termelt áru (például péküzemnél a kenyér) árába ez bele lesz építve. A hatékonyabb energiaszállítás a takarékosság második lépése. A jelenleg használatos energiaszállítási módokra példák: villamos hálózat, gázvezeték országok között, olajvezeték, tartálykocsi, tartályhajó stb. Érdekes példa a szállítási veszteség leküzdésére a lokális energiatermelő egységek esete. Például egy napelem a fogyasztó egységhez közvetlen közel elhelyezhető, a méretet inkább a napelem nagy kiterjedése növeli. A lokális energiatermelés egy megoldás, de láttuk a 100%-nak viszonylag kis része (7%) vész itt el, ezért ezzel áll összhangban a fejlesztés jelentősége is. 

A végfelhasználóhoz (gyárhoz, háztartáshoz) kerülő energia kb. fele nem használható fel. A mikrohullámúsütőben a hullámtérbe leadott energia mellett, a mikrohullámokat keltő áramkörök is vesznek fel energiát, minden elektromos gép felvesz olyan energiát amelyet nem a célnak megfelelően hasznosít. A váltakozó árammal meghajtott berendezésekben fizikai oka van a felhasználható energia csökkenésének. Az egyes gépek szerkezetéből is mindig adódik egyfajta energiafelhasználásbeli csökkenés. A következő lépés az, hogy az energia nem direktben a megcélzott tevékenységre fordítódik. Legyen egy példa most egy bútorgyár esete. A bútorok összeállításához szükséges falemezeket fűrész és egyéb megmunkáló gépekkel állítják elő. Ezek melegednek, hűtésükhöz járulékos energia kell. Másik nagyon fontos útja az energia elvesztésének az, ha melléktermék keletkezik. Ezeket a melléktermékeket a gyártási láncban minél jobban fel kell használni. A melléktermék környezetszennyező lehet, ekkor külön energiákat igényel a feldolgozásuk. 

Egyes fogyasztói tevékenységek során az iparilag előállított termékeknek nem használjuk fel a bennük rejlő energiát. A szolgáltatás során a termék nem feltétlenül semmisül meg, mindig vannak termelési és felhasználási hulladékok. Jó példa a papír esete.Maga a termék a felhasználás (például újság nyomtatása) után hulladékká válik, pedig benne más papírok termelésének alapanyaga rejlik. Ez mutatja, hogy a végfelhasználás során nem is akarjuk mindig az összes lehetséges energiát a rendszerből kivenni. Ilyenkor a hulladék újrafelhasználása jelentős megtakarításokat adhat. Figyeljül meg ebben a lépésben 30%-ról 6%-ra esett az átlagos célirányos energiafelhasználás, és ez csak 20%-os hatásfok. Az újrafelhasználáskor nem kell technológiát módosítani, csak kiegészíteni, ezért a nehézkes ipari termelésbe könnyebben illesztehető változást jelent. A világon a fejlett társadalmakban az újrafelhasználás mára már elterjedt tevékenység. Az új papír előállítása átlagosan 18 MJ energiát igényel kg-onként. (Természetesen ez papíronként változó, ezért itt átlagértékekkel dolgozunk.) Ha a papírt már felhasznált hulladékpapírból újraprocesszálással készítjük, akkor ez az energiaigény 5 MJ-kg-ra esik, azaz közel 36%-ra csökken a befektetett energia. Másik nagyon gyakori példa az acél. 1 kg acél előállításához szükséges 25-50 MJ energiához képest az újrahasznosított acél energiaigénye csak kb. 20 MJ. Az alumínium előállítása rendkívül energiaigényes folyamat. A bauxit bányászata, feldolgozása után az alumíniumot elekrolízissel állítják elő az alumínium-oxidból. Nagy áramerősségek kellenek a nagy tömegek előállításához. Az alumínium energiaigénye 220-230 MJ/kg. Ellentétben az újrafelhasznált alumínium esetén nem kell bányászni, elektrolizálni. Az alapanyag nagy százalékban tartalmaz fémalumíniumot. Az ilyen alumínium energiaigénye csupán 5 MJ/kg! A hétköznapokban leginkább elterjedt az üvegpalackok visszaváltásának gyakorlata. Az egyszer használatos palackok előállítása 5,5 MJ az ital literjére vonatkoztatva átlagosan, míg visszaváltott üvegekkel 0,5 MJ/liter energiaigény adódik csak. 

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

A végfelhasználás egyik legelterjedtebb esete a világítás. Napjainkban már el sem tudjuk képzelniéletünket a megszokott világítás nélkül. Az utak mellett egész éjszaka, a lakásokban az este nagy részében állandóan működik a világítás. Közterületeken, épületekben a társadalom számára már elengedhetetlen ez az energiafelhasználás. A hagyományos izzók 100 W teljesítmény esetén adtak le adott fényerősséget, és 60 pénzegységbe kerültek, élettartamuk 1000 óra. Az új technikailag fejlesztett izzó ezzel szemben 15 W teljesítményt fogyaszt csak, de 2000 egységbe kerül, és élettartama 8000 óra.. Az új izzó élete során 120 kWh energiát igényelt, 6 pénzegység/kWh energiaáron számolva ez a felhasználónak 2000 + 720 egységbe kerül. Ugyanennyi világításért a hagyományos izzóval 800 kWh energiát használunk fel (majdnem 7-szeres energiaigény), ami összesen 480 + 4800 pénzegységet visz el. Ebben az esetben egyértelműen látszik, az izzóba beépített kutatás, szellemi tőke megtérül. A magasnak látszó 2000 egységnyi ár gazdaságos és egyben energiatakarékos megoldás is egyben. 

További takarékossági lehetőségek is vannak a világításban. A fluoreszcens világítótestek kis fogyasztást tesznek lehetővé. 18 W teljesítményű világítótest felel meg egy 75 W-os körtének. Az izzók és világító testek felhasználását is lehet hatékonyabbá tenni. A fény irányát meg lehet adni irányító reflektorok alkalmazása esetén, így a nem kívánt irányban nem világít a körte. A térszög szűkítése a takarékosság egyik formája. A világítási idő a másik olyan momentum, amely intelligens érzékelő eszközökkel, így technikai fejlesztésekkel, energiatakarékosságot eredményez. Folyosók világítása például csak akkor szükséges, ha valami mozgás van a folyosón (például). Ezért megfelelő mozgásérzékelőket alkalmazva az esti, éjjeli órákban az idő nagy részében jelentősen kisebb intenzitással világító biztonsági fény üzemelhet. Míg ha valaki arra jár, rövid időre bekapcsol a teljes intenzitás. Ilyen fejlesztéseknél az egyik szempont az energiamegtakarítás, a másik a gazdaságosság, a beruházás megterülési ideje. A nehézséget az jelenti, hogy az energiaigény csökkentése nem feltétlenül jelenti az olcsóságot is. 

A fosszilis energiahordozók az egyik kulcskérdés az energiaproblémában. Nézzük meg a mindennapok során a lakosság figyelmének előterében lévő közlekedés rendszerint (de nem mindig) fosszilis eredetű energiaigényét. 

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

A korunkban annyira elterjedt személygépkocsi nagy fosszilis enrgiaigényű, míg az elektromos autó hatékonyabb tudna lenni. Sajnos azonban a techikai fejlettség még nem tart ott, hogy az elektromos autók a hétköznapi forgalomba kerüljenek. Látható, hogy a mobilitást forradalmian megújító légiközlekedés energiaigénye nagy. Ez főként a felhasznált üzemanyag feldolgozása miatt ilyen nagy. 

Az energiatakarékosságban nagy lehetőségek vannak. Ennek megbecsülésére össze kell 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 miatt nagyon drágák, de jól jellemzik a fejlődés következő, vagy következő utáni állapotát. Az alábbi táblázatban az USA 1988-as energiafelhasználásra jellemző adatait közöljük. 

	gépkocsi l/100 km	fűtés kJ/m^2/nap	hűtőszekrény kWh/nap	légkondicionáló kWh/nap
1988-as átlag	13	190	4	10
új modellek átlaga	8,7	110	3	7
legjobb modell	4,7	68	2	5
legjobb prototípus	3	11	1	3

Az autók fogyasztása lényeges vonása az energiafelhasználásnak. A személygépkocsik fogyasztása már napjainkban reálisan 5-6 liter/100 km-es szinten van. Az ipar igénye azonban nagyobb volumenű a teherautók szállítási feladatai miatt, ezért az energiafelhasználás szempontjából a teherautók (buszok) fogyasztását kell csökkenteni. A fűtés (lakások és irodák) az egyik leginkább csökkenthető energiaigény a táblázat szerint. Több mint 10-szeres takarékosságot lehet megvalósítani ezen a téren. 

A társadalom egyik legmeghatározóbb igénye, ami életünket alapvetően megváltoztató javulást hozott, a hőmérséklet időjárástól független állandó értéken tartása a lakásokban, munkahelyeken. Ez két dolgot igényel télen fűtést, nyáron hűtést. A fűtés már évszázadok óta az emberi kultúra része, ezért lényeges a belső terek fűtésének energiafelhasználását takarékosabbá tenni. A táblázatban látható, hogy 1 m² átlagos szoba 1 napi fűtéséhez éves átlagban 190 kJ energia szükséges. A korábbi évszázadokkal ezelőtti színvonalat az épületek anyaga, az ablakok technikája és a használt energiahordozó (a fa) határozta meg. Napjainkban a színvonal sokkal magasabban van a fejlett országokban. Érdekes módon sok fejlődő országnak ez nem jelent olyan nagy problémát az éghajlati viszonyaik miatt. A komforthőmérséklet fenntartásához az év nagyobb részében fűtésre van szükség, az év kisebb részében (a mérsékelt égövben) hűtés is előnyös. Az USA átlaghőmérsékleti viszonyai például olyanok, hogy a nyári hónapokban sok helyen elviselhetetlen meleg van, munkahelyi környezetnek nem igazán felel ez meg. Így érthető, hogy itt terjedt el leginkább a légkondicionáló berendezések lakossági felhasználása. Természetesen gyárakban,vállalatoknál a technika, technológia is megkövetelheti a hűtést. A légkondicionáló berendezések használata során is egy hármas fakort lehet javítani a szolgáltatásra jutó energiafelhasználáson. Ezek a technikai, technológiai fejlesztések a fejezet elején az 6.1. egyenlet jobb oldalának második tagjába tartoznak bele. 

A térfűtés fejlődésének és mind inkább hatékonyabbá válásának áttekintése során nézzük meg egy 150 m²-es lakás energiaigényét egy év alatt olaj-literekbe átszámolva. Számoljuk mindig azt az energiát, ami a lakás 20°C-on tartásához szükséges. Ha a ház ablakokkal szellőzik és nincs szigetelve akkor 8000 liter olajekvivalens energiát igényel évente. A fűtési és szellőztetési tapasztalatokból tanulva óránkénti rövid szellőztetéssel 6000 literre csökkenthető az igény. Még jobban növelhető a takarékosság, ha szellemi tőkét, munkát és energiát fektetünk be. A házat jól leszigetelve modern építési technológiát használva, a szigetelő anyagokat kifejlesztve, a szellőztetést érzékelők segítségével számítógéppel vezérelve, modern nyílászárók használatával (kettős üveg vagy termoüveg, jó légzárás) az energiaigény 2000 literre szorítható. Ez ismét csak hosszabb idő alatt megtérülő befektetés, de globális szemszögből nézve a Föld energiaproblémájára már rövid idő múlva hatékony. A belső cirkulációval megoldott szellőztetésnek van egy környezeti előnytelen oldala is. Ez a radon-probléma. A földkéregben mindenhol természetes módon megtalálható urán bomlási sorában keletkező radioaktív nemesgáz a radon (3.2.4. alfejezet). Ez kb. 4 nap felezési idejű elem, és diffúzióval, áramlással eljuthat a lakóterekbe. Gyenge szellőztetés esetén felhalmozódhat a házakban. A ház egyes szobáiban nagyon eltérő mennyiségű a radonfelhalmozódás. A pincében mindig nagyobb a radonkoncentráció, hiszen a radon egy nagy tömegszámú nemesgáz, könnyen ülepedik. A radon belélegezve a tüdőbe jutva ott elbomolhat, és így a tüdő szöveteit roncsolhatja. A természetes eredetű sugárterhelésünk fontos részét alkotja a radonból származó rész, ezért a fűtési rendszerek figyelembe veszik a radon szellőztetését, és természetesen a beltéri radonkoncentrációnak van egy elfogadott felső határa, ami felett gépészetileg, vagy építészetileg kell reagálni a problémára. Mindezek miatt az igazán jó térfűtés a jól izolált házakban valósítható meg, szabályozott hőcserérővel és napenergia segítségével. Ilyen prototípus házak már működnek 300 liter/év olajekvivalens energiafelhasználással.

Az USA-ban a térfűtéshez használt energia változása az utóbbi 3 évben azt mutatja, hogy a lakások energiaellátása egyenletesen csökken. Ha az 1960-as átlagot vesszük 100%-nak, akkor ma vagyunk kb. 50%-nál és a mai technológiai ismereteink szerint legoptimálisabbra épített házak elterjedése esetén elérhető a 25%. Más a helyzet az irodaépületek fűtése esetén. Ezek energiafelhasználása a 60-as évektől egyenletesen nőtt az olajárrobbanásig. 1973-ban a gazdasági érdekek (olajárrobbanás miatti) alapján elindult az irodák fűtési energiafelhasználásának csökkenése, és azóta a lakásokéval hasonló ütemben csökken. Az új irodaépületek fűtési energiaigénye 20-22% az előző egységben. A fűtési energiafelhasználás legoptimálisabban megépített nagyon jól szigetelt házakban az 1960-as átlaglakóház 15%-aalá tud esni. 

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

- a hatékonyabb felhasználást az energia és anyagtakarékos viselkedésre váltás teszi lehetővé

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

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

- egyes anyagfajtákat új modernebb, jobb tulajdonságú, kisebb energiaigényű anyagokkal lehet helyettesíteni

- a térfűtés energiaigénye az 1/2-ed részére csökkenthet az eddigi tapasztalatok és 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) újabb 2-es faktor csökkenés érhető el. 

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

A fosszilis erőforrások kémiai formában tárolják az évmilliók alatt a növények által beépített napsugárzási energiát. A geológiai időtávlatok ezen termékét egy két rövid évszázad alatt felemésztjük. A fosszilis energia uralja a jelenlegi energiafelhasználást, az ezen kívüli energiahordozókat nevezzük alternatív energiának. A fosszilis energiahordozók tárgyalása során kiderült, hogy egyrészt a készletek kimerülése miatt a jövő energiatermelésének szüksége van más energiaforrásokra, másrészt a fosszilis energiatermelés környezeti hatásai jelentősen szennyezik környezetünket és ezen belül befolyásolják a földi légkör jelenlegi globális állapotát. 

Az alternatív energiahordozók a napenergia direkt és indirekt felhasználása, a geotermikus energia, a nukleáris energia és az árapály energia. A napenergia direkt felhasználása a napsugárzás energiáját napelemekkel alakítja másodlagos energiahordozóvá. A nem direkt napenergia alatt értjük 

- a vizierőművekben felhasznált energiát, mert a vizet a tengerekből a napsugárzás párologtatja el a magasba, ahonnan csapadék formájában leesve helyzeti energiára tesz szert, 

- a szélerőművekben felhasznált energiát, ami a légkör hely szerint különböző mértékű felmelegedése után létrejövő nyomáskülönbség hatására kialakuló szél rendezett mozgási energiáját használja fel, 

- a meteorológiai folyamatokban jelentős energiák mozognak, ennek egyik fajtája a hullámenergia, ami a tengerek hullámzásának mozgási energiáját használja fel, 

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

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

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

Az alternatív energiaforrások felhasználása is sok problémát vet fel. Több esetben az elvi megvalósítás kérdése sem megoldott még. Ilyenek a geotermikus erőművek, árapály-erőmű, nagyteljesítményű energetikai naperőmű (direkt napenergia), fúziós erőmű. Egyedül a vizierőművek és az atomerőművek működnek sok éve kidolgozott technikai és technológiai feltételek mellett. A másik probléma az, hogy az új technológiák felvételére csak erősebb nemzetgazdasággal rendelkező országok képesek. Új technológiák kikísérletezésére pedig csak a legfejlettebb országok, vagy nemzetközi együttműködések alkalmasak. 

Ezen fejezetben röviden végignézzük az alternatív energiatermelési módok fizikai és technikai alapjait. Arra a kérdésre próbálunk választ keresni, hogy melyik energiaforrás lehet a fosszilis energiákat helyettesítő energiaforrás a növekvő gyakorlati energetikai alkalmazások során. 

A napenergia direkt felhasználása (napelemek)

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

Az energia átalakulása során a Napból érkező látható fénysugárzás kölcsönhatásba lép a kristály elektronjaival. A fény-elektron kölcsönhatást az atomfizikai kutatásokból ismerjük. Ilyenkor a napsugárzás modellezhető az ún. fotonképpel, melyben a napsugárzást kis energiaegységeknek képzeljük el. Egy energiaegység nagysága arányos a fény frekvenciájával, tehát a kék fény energiaadagja nem ugyanakkora, mint a vörös fényé. A napelemben a lényeges effektus a fotoeffektus. Ilyenkor egy fénykvantum -a foton - nekiütközik egy elektronnak és teljes energiáját átadja neki, és a foton megsemmisül. Ezen energia birtokában az elektron a korábban vezetésre nem képes kristályban mozgásképessé válik, feszültség indukálódik a lapon és megindul az áram. Az energia forrása tehát a sugárzási energia, az átadási folyamat a fotoeffektus. Honnan származik a napsugárzás energiája, amiMagyarországon a felszínre átlagosan 170 W teljesítményt szállít m²-ként? Az energia eredeti forrása a Nap, melynek a felszíne kb. 6000 K hőmérsékletű. A Nap belsejében az energiát magfúzió termeli. A Nap sugara kb. 1,4 millió km. 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 az égitest külső része ránehezkedik a magra. Az anyag sűrűsége a vízének kb. 155-szöröse. Ilyen körülmények között az atomok ionizálódnak és az atommagok és az elektronok gáza alakul ki, ezt hívjuk plazmaállapotnak. A részecskék hőmozgása 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 ütközések során. Kisebb energiánál a magok pozitív töltéseinek taszítása miatt az egyes atommagok nem érnek össze. Itt az ütközésnél olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy a magerők hatótávolságán belül lesznek, és a két atommag össze tud olvadni, létrejön a magfúzió. Egy egy ilyen fúzió során milliószor nagyobb energia szabadul fel, mint egy molekula égése során. Ez a folyamat termeli az energiát a Napban. A Napban sok minden történik a termelt energiával, de erre most nem térünk ki részletesen. A lényeges momentum, hogy az energia leadásának legnagyobb intenzitású része a felszín elektromágneses sugárzása. Ez teljesen olyan sugárzás, mint az abszolút fekete testek sugárzása (pedig a Nap nem is fekete). A feketetest-sugárzás törvényeit Max Planck 1900-ban ismerte fel, és a modern fizika alapvető lépése volt. Planck törvényei meghatározzák, hogy az ilyen elektromágneses sugárzásnak milyen a hullámhossz (vagy frekvencia) szerinti eloszlása. Megadhatjuk, hogy egy ismert hőmérsékletű testből milyen frekvenciákon lesz a sugárzás maximális intenzitású. Például a 6000 K hőmérséklethez a maximális intenzitás éppen a látható fény tartományában van, de jelentős része esik az ultraibolya tartományba is (200-370 nm). A Föld légköre a benne lévő molekulák szerkezete miatt a fénysugárzásnak nagy részét elnyeli, de éppen a zöld fényt és a többi látható fényt engedi át leginkább. Ezt hasznosítják a fotoszintetizáló (zöld) növények, és a napelem is. A napsugárzás energiája végső soron az atommagok kötési energiájának megváltozásából származik. 

A napsugárzás által egységnyi területre egy másodperc alatt beérkező fényenergia éves átlaga a szoláris konstans. Ez 145 és 310 W/m² között változik a szélességi fokoktól függően. Magyarországon 170 W/m². Az egyenlítő közelében meredekebben süt le a Nap, így kevesebb utat tesz meg a fény a légkörben, kevésbé gyengül. Ez az állandó a Nap működésének megváltozása során változik, de ez csak évmilliós időskálán észrevehető. Az emberi léptékű idők alatt ez egy állandó, megújuló energiaforrás. A szoláris konstans segítségével ki lehet számolni, hogy egy 1 GW teljesítményű naperőmű mekkora felületet igényel. A napelemek nem 100%-os hatásfokkal alakítják át az energiát árammá, hanem általában 20-30% a hatásfokuk. Így az 1 GW-hoz szükséges terület kb. 20-30 km², ami nem elérhetetlen nagyság. Egy adott helyen történő felállítása, stabilizálása az időjárás viszontagságaival szemben és tisztítása nagyon nehezen megoldható feladat, még sokkal kisebb méretekben is. Jelenleg a földfelszíni napelemek a néhányszor tíz - száz m² felületet érik el. Ezek a kisléptékű napelemek. Házak fűtésére jól alkalmazhatók, vagy egy egy szivattyút lehet vele meghajtani, esetleg kisebb akkumulátorokat fel lehet tölteni vele, amivel aztán mindenféle elektromos gép működni tud egy meghatározott ideig. A házak fűtése mellett egy másik példa a kerti világítólámpák esete. Néhány négyzetméteres napelemmel nappal feltöltenek egy kis akkumulátort, amely éjszaka bekapcsol egy kerti lámpát, ha a mozgásérzékelője mozgást észlel a közelben. Ilyen kerti lámpák már a piacon vannak, és jól példázzák a napelemek tulajdonságait. A kisléptékű földi napelem csak bizonyos időszakokban termel energiát, nappal, amikor nem takarja el a felszínt egy felhő. Az energiafogyasztás időbeli szerkezetéhez nem tud alkalmazkodni, ezért energiatárolókat kell vele feltölteni, mint egy tölthető akkumulátor (nagy kondenzátor).A napelem energiatermelő képessége fokozható parabolatükrök segítségével, de nagyságrendi változást nem hoz. Egy működő példa a szolártermikus farmerőmű. Ebben a napsugárzást tükrökkel egy fogadó tartályra koncentrálják, amelyben olajjal megoldott hőátadás segítségével gőzt lehet előállítani. Ez már egy nagyberendezés, ezzel 0,15-0,2 USA dollár/kWh áron állítható elő az energia. 

A napelem drága energiaforrás. A félvezető lapok előállítása és az elektromos energia tárolásának megoldása nagy költségekkel jár. Amíg a hagyományos fűtés 10 dollár/m², addig napelemmel 50-100 dollár/m² értékek adódnak. (Ilyen napelemekkel működő házak az USA-ban találhatók egyenlőre leginkább.)Ha Magyarországon egy millió lakást átalakítanának napelemmel működő fűtésre, akkor ez 3-5 milliárd dolláros befektetés lenne. Ez akkora összeg, hogy nagy méretekben nem lehet alkalmazható. napelemes házak lesznek, de nem lehet döntő részaránya az energiafelhasználásban. A napelemek alkalmazása főleg a 35. szélességi fokig hatásos. Nagy sivatagokban, ahol sok a napsütés és nagyterületek állnak rendelkezésre elképzelhető az alkalmazásuk, de ez még nem jutott el a gyakorlati technika szintjére. 

A napelemek másik felhasználási módja a nagy léptékű alkalmazás. Erre van példa az űrhajózás témakörében. A hosszú ideig Föld körüli pályán keringő űrállomások napelemeket használnak. Egy lehetséges kidolgozott megoldás a nagy méretű napelemre a Föld körüli pályán keringő kb. 50 km² felületű napelem rendszer, ami 9,3 GW teljesítményt tudna előállítani. Tömege 18 ktonna lenne, melyből a napelemek 12000 tonnát tennének ki. Ez 3,6 kg/kW fajlagos tömeget jelent. Az ilyen űrerőmű egy nagy teljesítményű mikrohullámú adón keresztül elektromágneses sugárzás formájában küldené le az energiát a felszínre (mint a tv-műholdak). Sok megoldatlan probléma van még ezügyben. Az űrerőmű feljuttatásához 100-300 alkalommal kellene az űrrepülőgépet elindítani, ehhez sok energia kell, sok környezeti ártalommal. Kevés a tapasztalat, és nincs kidolgozott technológia nagy intenzitású mikrohullámokra. A napszél és a kozmikus sugárzás hatásai miatt rendszeres karbantartást igényel, nem bizonyított technológiák felhasználása szükséges. Mindösszesen az ilyen erőmű ára kW-onként 1500 dollár. 

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

A vizienergia

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

A vizierőművek sematikus felépítése az, hogy a felduzzasztott folyókban a vízszint méterekkel felemelkedik, és a duzzasztógátnál lezúdul majd turbinalapátokat hajt 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 lehetőségekhez képest minél nagyobb) kilométerekre történő felduzzasztásával dolgoznak. 

A vizierőműben tehát a víz helyzeti energiája alakul át mozgási energiává, majd elektromos energiává. A tengerek vizét azonban a víz földi körforgása során valaminek mindig ismét a magasba kell emelni ahhoz, hogy valamilyen esésű folyókon le tudjanak folyni újra a tengerekbe. A víz molekulánként emelkedik újra fel, a tengerek párolgása során a vízmolekulák kijutnak a levegőbe, minek során a víz kicsit lehűl.Az így keletkezett pára diffúzióval kitölti a légteret, és a felső légrétegekben ahol hidegebb cseppekbe kondezálódik. Felhők keletkeznek, melyből a csapadékkal ismét a felszínre kerül a víz. A párolgás leállna, ha a tengerek közben folytonosan hűlnének és a napenergia nem biztosítaná az utánpótlást. A vizierőművek tehét szintén a napsugárzás során a Földön hagyott energiát használják fel, azaz eredendően a Napban működő magfúzió az energia forrása. 

A Földön a megfelelő esésű és vízhozamú folyókat ismerve megbecsülhető a vizierőművek összteljesítménye. Ez potenciálisan 20 TW lehet, ebből a legfeljebb hasznosítható 2,2 TW teljesítmény, ami 6.9 EJ/év. A napjainkban legnagyobb működő vizierőmű 12,6 GW-os és Brazíliában a Paraná folyón épült, a második 10,3 GW-os Venezuelában a Caroni folyón található. A többi vizierőmű 7 GW alatti, csak az első tíz van 3,6 GW felett. Főleg a fejlődő országokban nagy a vizierőműben termelt energia mennyisége. 

A vizierőművekkel kapcsolatban vannak nehézségek.Nagy a beruházási igény, erős építőipari szektor szükséges. Jelentős ökológiai problémákat ismertek fel az elmúlt évtizedek tapasztalataiból. A vízszint megváltozása a duzzasztógát előtt és után is befolyásolja az élő környezetet. A duzzasztás területén a talajvíz megemelkedik, felborítja az egyensúlyt.

A vizierőművek sok országban fontosak, de nem igazán jelentősek. Az energiakérdés teljes megoldásához képest a vizierőművek túl kicsi kapacitást képviselnek. 

A szélenergia

A szélkerekeket már a XII. században felfedezték és a szélmalmokban már sok év óta használják a szél energiáját. A modern szélerőművek két lapátos szerkezetek, néhány méteres lapát fesztávolsággal. Általában sok ilyen széllapát sorakozik egymás mellett amikor másodlagos energiatermelésre használják őket. 

A szélerőmű a levegő rendezett mozgási energiáját alakítja át, először a lapátok forgási energiájává, majd elektromos árammá. Ha a lapátok teljes átmerőjét 10 méternek a szél sebességét 10 m/s-nak vesszük, akkor 1 s alatt 628 m³ levegő fúj át a kerekek által kifeszített körön. A levegő sűrűsége (normál körülmények között) 1,3 kg/m³, így ebben a térfogatban 816 kg levegő volt. Ennek teljes mozgási energiája kb. 40 kJ. Azonban nem a teljes térfogat a hasznos, hanem csak az a rész lassul le és ad át energiát a lapátnak ezáltal, amelyik ütközik vele. A lapátok kb. 10°-os szögűek, így a teljes szög kb. 1/18-ad része számít, a 40 kJ mozgási energiából maximum 2,2 kJ forgatja a lapátot. Úgy számoltunk, mintha a lapát teljesen lelassítaná a beleütköző levegőt. Ez a legnagyobb energiaátadású eset, a valóság az, hogy ennél kisebb energiaátadás történik. 1 másodperc alatt végzett munkát számoltuk, tehát a szélkerék teljesítményét kaptuk meg: 2,2 kW. Egy 1 km hosszú útszakaszon max. 100 ilyen szélkerék állítható fel, ezek összteljesítménye 220 kW. Ilyen szélenergia-felhasználásra példa a holland tengerparton több helyen felállított szélkerék-sor. 

A szél azért keletkezik, mert a levegő nyomása térben nem egyenletes. A nyomáskülönbség általában a hőmérsékletkülönbség következménye. Egy terület jobban felmelegszik, nyomása megnő és a légtömegeket elnyomja a kisebb nyomású hely felé. Szél keletkezik természetesen a légköri frontokban is. Ezeket a ciklonokat vagy anticiklonokat a légtömegek mozgásai és a Föld forgásának hatása alakítja ki. (A Föld forgásának hatása a légtömegek sebességének irányát változtatja, energiát nem tud velük közölni.) Az egyenlőtlen légköri felmelegedéskor ismét a napsugárzás energiája adódott át a légkörnek. Ezért nevezzük a szélenergiát is nem direkt napenergiának.

A szélenergia felhasználása még alig elterjedt, lokálisan kisebb régiókban hasznos lehet, ahol az időjárás tendenciái olyanok, hogy erős állandó szelek fújnak. A szél sebessége időben előre nehezen meghatározhatóan változik, ezért a szélkerekek energiatermelése is időben nagyon ingadozó véletlenszerűen változó energiát ad. A világ összes energiatermelésében a szélenergia elhanyagolható mennyiségű, fizikai meghatározottságainál fogva várhatóan nem fog jelentős szerepet betölteni a továbbiakban sem, mert kis koncentráltságú energiaforrás. 

A hullámenergia és a biotömeg

Röviden megemlítünk két kevéssé használt energiaformát is. Az egyik a tengerek hullámzását használja ki, ez a hullámenergia. A tengeri hullámok a partok közelébe érve felgyorsulnak. Ennek az az oka, hogy a vízhullám sebessége függ a vízmélységtől. A felgyorsult hullámok a parttal párhuzamosan rendeződve periódikusan érkeznek. A vízhullám igazából nem anyagáramlás, hanem csak az energia áramlik benne. A partra érő hullámzás a távolabbi felszínmozgások energiáját gyújti össze. A Külső Hebridáknál épült egy hullámerőmű, melynek teljesítménye 70 kW/m. Minél hosszabb partszakaszt fed le, annál nagyobb teljesítményre képes. 

A másik ritkán használt energiahordozó a biotömeg. A fotoszintézis a napsugárzás energiáját építi be a növényekbe. Az állatok a növényi anyagokat bontják, és ezek energiáját építik be saját szervezetükbe. Összességében az élő szervezet szerves molekulákat épít fel. Ezen molekulákban tárolt kötési energia (elektrosztatikus energia) felhasználható a növények, vagy állatok elhalálozása után. Ez a biotömeg energia. 10 tonna biotömeg kb. 50 MWh energiát tud szolgáltatni.

A geotermikus energia

A Föld mélye felé haladva a hőmérséklet egyre nő. Ezt a természeti tapasztalatot mindenki ellenőrizheti a barlangokban sétálva. A szárazföldi területeken átlagosan 30 °C-t emelkedik a hőmérséklet kilométerenként. Ez a felszín közelében igaz, ha ez az ütem igaz volna a Föld közepéig, akkor 180 ezer K hőmérséklet lenne a Föld magjában. Ekkora azonban nincs, de már ez is jelzi hogy nagy hőmérsékletre számíthatunk a mélységben. A Föld magjában lévő forró anyag a Naprendszer keletkezésekor alakult ki, egyfajta meleg hőtartály, melynek hatására a felszínen energia áramlik kifelé. A belső meleget az ott található radioaktív elemek bomlása, tehát a magenergia egyik formája tartja fenn folyamatosan. 

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

A geotermikus energia másik felhasználási formája a geotermikus zónák keresése. Ez több km mély fúrásokat jelent. Meleg kőzettel körülvett mélységi vizek a nagy nyomás mellett, ami a nagy mélység miatt uralkodik ott, több száz fokra fel tudnak melegedni. Az energia kinyerésének módja a következő. Egy csövön nagy nyomású kevésbé meleg vizet pl. 65 °C-osat nyomnak le a mélyben található geotermikus zónába. Egy másik csövön a mélyből a nagy nyomás hatására az ott felmelegedett víz fog visszaérkezni, ami hőcserélő berendezéssel vizet tud forralni, és így a további felhasználásra a hőerőművekben megszokott módon alkalmas. A nyomócsövekben 100-140 bar nyomás uralkodik, a feljövő víz hőmérséklete 250 °C is lehet. 

A geotermikus energia szempontjából Magyarország szerencsés helyet foglal el. Itt a Földkéreg keskenyebb az átlagosnál, és km-enként nem 30°C hanem 50-70 °C a hőmérséklet emelkedés. Ez az oka a hazánkban gyakori gyógyvizeknek, gyógyfürdőknek, hévizeknek és általában a feltörő meleg vizeknek. Az országban több helyen épültek geotermikus kutak. Azegyik ilyen terület Szentes-Szeged környéke, ahol 1500 l/perc vízhozammal 80-100 °C-os víz érkezik a mélyből. Egy egy ilyen geotermikus kút átlagosan 2,8 MW teljesítményt ad le. Magyarországon a melegvízek felhasználása főként lokális fűtésre, szárításra, fürdők, ipari folyamatok ellátására és halastavak, melegházak melegítésére fordítódott, és 1965-óta kb. 800 ezer tonna olajat kiváltott, de társadalmi méretű energiaigényt nem tudott megoldani. A geotermikus energia sem képes a fosszilis tüzelők energiakiesését megnyugtatóan a jövőben pótolni. 

---

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 

Az atommagokon belül ható magerők, vagy más néven nukleáris kölcsönhatás, tartják össze az atommagokat. Hatótávolságuk nagyon kicsi, körülbelül egy proton 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 foglal helyet a vas, legstabilabb izotópjának tömegszáma 56. Ha egy atommagot összeállítunk az őt felépítő (de eleinte egymástól messze lévő) protonokból és neutronokból, akkor energia szabadul fel, ez a kötési energia. A magerők végeznek munkát, ezt kapjuk vissza az energiafelszabaduláskor. Az egységnyi tömegszámra jutó kötési energia jellemző arra, hogy az adott atommag mennyire kötött. Ahol ez a legnagyobb, az a lestabilabb izotóp mind közül. Ez a természetben található izotópok közül a vas, ⁵⁶Fe. A könnyű atommagok egy részecskére (tömegszámra, vagy más néven nukleonra) jutó kötési energiája azért kisebb, mert a nukleonoknak kevés szomszédjuk van, amelyekkel a vonzó kölcsönhatást kiépíthetnék. A nehéz atommagoknál pedig a magban található protonok taszítása gyengíti a kötést. Az egy nukleonra jutó kötési enegia a tömegszámmal először növekszik a vasig, majd onnan lassan csökken a legnehezebb izotópokig. A magenergia felszabadítása során két úton járhatunk: vagy felülről vagy alulról közelítjük a vasat. Ennek megfelelően két folyamat van, amelyik magenergia felszabadítására nagyon jól használható, a fúzió és a hasadás. 

A fúzió során könnyű atommagok egyesülnek, és egyre több kötést hoznak létre a szomszédos nukleonok között. Ez csak természetesen egy bizonyos tömegszámig energianyereséges. A csillagokban, mint ahogy említettük a Napban is, a hidrogén-hélium fúziója szolgáltatja az energiát. 

A hasadás során a nehéz mag, például az urán, két nem egyenlő tömegű atommagra esik szét, és keletkezik még néhány neutron. Ilyenkor az egy atommagba bezsúfolt protonok száma csökken, ezért nő a kötési energia. A természetben ilyen 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 hasadás energiatermelésre is használható technikáját. Egyes tapasztalatok arra utalnak (az urán különböző izotópjainak előfordulási aránya alapján), hogy volt a földkéregben olyan hely, ahol spontán beindult egy természetes reaktor. 

A hasadásos energiatermelés technikája 50 év óta kidolgozott működő eljárás, a fúziós energiatermelés azonban még a kutatás stádiumában van. Úgy tűnik technikailag nehéz előállítani olyan, vagy hasonló körülményeket, mint ami a Nap belsejében van. 

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

A nukleáris energiatermelés napjainkban hasadásos atomerőművekben hasznosítja az intenzív magerők hatásait. A hasadásos atomerőművek fizikai alapgondolata a maghasadáson kívül a láncreakció felismerése (Szilárd Leo, 1941). Vannak atommagok melyek spontán is elhasadnak kis valószínűséggel, ilyen például a ²⁵²Cf(kalifornium). Energiatermelésre azonban ilyen kis valószínűségű folyamat nem alkalmas. A hasadást azonban előidézi a lassú neutronok befogása. A semleges neutron könnyen be tud jutni egy atommagba, ott ütközik az atommagot alkotó nukleonokkal (protonokkal és neutronokkal) és átad nekik energiát. Ettől az atommag rezegni kezd, először piskóta alakúra nyúlik, majd ketté hasad. A hasadás valószínűsége függ a besugárzott atommag szerkezetétől. Az urán két természetben megtalálható izotópja a ²³⁸U és a ²³⁵U hajlamos ilyen hasadásra. A különbség az, hogy a 235-ös urán termikus, azaz lassú, neutronok hatására tud elhasadni, és a gyors neutronok csak átrepülnek rajta, addig a 238-as urán a gyors neutronok befogásakor hasad el. A láncreakció azért lehetséges, mert a hasadáskor átlagban 3 neutron is felszabadul, és ezek potenciálisan a következő lépésben újabb magokat képesek hasítani. Így működik a láncreakció. A hasadásos erőművekben önfenntartó, szabályozott láncreakció megy végbe. A szabályozott láncreakció létrehozásához azt kell elérnünk, hogy a hasadásonként átlagosan keletkező kb. 3 neutronból kettő elnyelődjön, vagy kidiffundáljon a zónából, a harmadik pedig lelassuljon termikus energiákra (ilyenkor a mozgási energiája 0,025 eV). Azt a közeget, ami a lassítást végzi moderátornak hívjuk, a többlet neutronok elnyelését pedig általában neutronelnyelő rudak behelyezésével oldják meg. Sokszorozási tényezőnek hívjuk azt a számot, ami megadja a termikus neutronok számának arányát két egymást követő lépés között. Ha a sokszorozási tényező nagyobb mint 1, akkor a neutronok száma (a neutronfluxus) időben nő, ha kisebb mint 1, akkor csökken. Fizikailag ugyanezt a jelenséget le lehet írni a reaktivitás fogalmának felhasználásával. A reaktivitás definíciója (N_i az i. lépésben a neutronok száma):

.

Ha a reaktivitás nagyobb 0-nál, akkor azt mondjuk, hogy a reaktor szuperkritikus. Ilyenkor a neutronfluxus nő. A reaktivitás nagysága dönti el, hogy milyen gyorsan növekszik a neutronok száma a reaktorzónában. Ha a reaktivitás negatív értékű, akkor a neutronfluxus csökken, a reaktor szubkritikus. A szabályzott működés során a reaktor reaktivitása 0, ezt hívjuk kritikus állapotnak. Ezt kell fenntartani a biztonságos energiatermeléshez. Természetesen a reaktivitás néha eltérhet a 0-tól, ilyenkor kell a reaktort szabályozni. Erre több mód is nyílik. Az egyik a szabályzó rudak mozgatása. Az újabb típusú vízmoderátoros reaktorokban egy természetes folyamat is vigyáz a reaktor kritikus értéken tartására. Ha a reaktivitás kicsit megnő, több hő keletkezik, a víz kitágul a hőtágulás miatt, ezzel sűrűsége lecsökken és kevesebb neutront tud lelassítani termikus energiára. A következmény tehát a sokszorozás és a reaktivitás csökenése. A reaktivitás értékének hirtelen megugrására több biztonsági eljárás van beépítve minden reaktorba. Például ilyen a bóros víz bejuttatása. A bór nagy hatásfokkal nyeli el ugyanis a neutronokat. A nukleáris energiatermelés részleteiről és környezeti hatásairól a következőkben részletesebben is szólunk. 

Atomreaktor típusok

Az atomerőmű olyan berendezés, amelyben az energiát atomreaktor termeli. Az atomreaktorban az üzemanyag atommagjai szabályozott láncreakcióban hasadnak el. Az atomreaktorok legfontosabb részei a következők: (a) az üzemanyag, amely legtöbbször uránt tartalmaz és valamilyen burkolattal van a külvilágtól elválasztva; (b) a moderátor, amely a hasadásban keletkező neutronok lassítását végzi; (c) a hűtöközeg, amely sok esetben megegyezik a moderátorral és az üzemanyagban keletkező hő elvezetésére szolgál; (d) a szabályozó rendszer. A reaktorokat sokféleképpen lehet csoportosítani. A leggyakoribb ezek közül a moderátor, illetve hűtőközeg anyagán és/vagy halmazállapotán alapul. 

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

A világon jelenleg üzemelő atomerőművi reaktorok döntő része (több, mint 80%-a) két csoportba sorolható. Mindkét típus esetében mind a moderátor, mind a hűtőközeg természetes víz. A különbség a két típus között az, hogy míg az úgynevezett nyomottvizes reaktorok (Pressurized Water Reactor, PWR)esetében a hűtővíz az üzemanyaggal történő érintkezés során nem forr fel, vagyis keringése során végig víz halmazállapotú marad, addig az ún. forralóvizes reaktorokban (Boiling Water Reactor, BWR) az üzemanyagot elérő víz felforr és gőzzé alakul (a merülőforralóhoz hasonlóan). Az 6.8. ábra a) és b) részén a kétféle reaktorral működő atomerőművek leegyszerűsített elvi felépítése látható. Mindkét sémában közös, hogy megtalálható a reaktortartály, amelybe az üzemanyagot általában ún. kötegekben helyezik bele. Szintén közös alkotórész a turbina és a generátor, melyek a forró gőz energiáját alakítják elektromos energiává (a gőz megforgatja a turbinát, amelynek tengelye közös a generátor tengelyével, ez utóbbi pedig a forgási energiát elektromos árammá alakítja). A kondenzátor a turbinát elhagyó forró gőz lecsapatására, újból vizzé alakítására szolgál. Fontos különbség, hogy a forralóvizes reaktorok esetében egy zárt hurokban áramlik a hűtőközeg (víz, majd gőz), míg a nyomottvizes reaktorok esetében két zárt kört különböztethetünk meg, az ún. primer és a szekunder kört. A primer körben lévő víz olyan nagy nyomáson áramlik, hogy nem tud felforrni (kuktafazék elve). A gőz a hőcserélőben (vagy más néven gőzfejlesztőben) keletkezik, ahol a primerköri forró víz csövecskékben áramolva felforralja a csövecskék külsejét elérő vizet. A paksi atomerőműben ilyen nyomottvizes reaktorok működnek.

Mint már említettük, a világon üzemelő reaktorok többsége a fent leírt két típus valamelyikéhez tartozik. Azonban érdemes összefoglalni, hogy ezeken kívül még milyen elveken működő reaktorok léteznek. Az egyik típusba azok a reaktorok tartoznak, melyeknél a hűtőközeg és a moderátor különbözik egymástól. Ilyenek pl. a grafit moderátoros és gáz- (általában széndioxid) vagy vízhűtéssel működő reaktorok. Az előbbiekből (Gas Cooled Reactor, GCR) több működik az Egyesült Királyságban, míg az utóbbiak jellegzetes típusa az ún. RBMK. Ilyen típusú volt a csernobili atomerőmű reaktora is. A gázhűtéses reaktorok újabb generációi (High Temperature Gas-cooled Reactor, HTGR) igen magas hőmérsékleten működnek, ezért hatásfokuk magasabb a többi típusénál. 

Az eddig említett vizen és grafiton kívül még nehézvíz moderátorral is épülnek reaktorok. Ezeket Kanadában fejlesztették ki, és ma már a világ több országában működnek CANDU néven. Lényegében ezek is nyomottvizes reaktorok, azonban a nagynyomású nehézvíz csövekben áramolva hűti a csövekbe helyezett fűtőelem-kötegeket, míg a neutronok lassítását egy nagy tartályban (kalandria) lévő nehézvíz végzi. 

Említést érdemel, hogy a világon jelenleg üzemelnek olyan reaktorok is, melyek nem tartalmaznak moderátor anyagot. Ezek azon az elven működnek, hogy a hasadásban keletkező gyors neutronok is képesek hasítani. Ezért ezeket gyors reaktoroknak nevezzük. Fontos és értékes tulajdonságuk, hogy egy üzemciklus során a behelyezett üzemanyagban lévő hasadóanyag mennyisége nem csökken, hanem nő. (Ez nem mond ellen a fizika törvényeinek, mert az urán 238-as izotópja pl. nem hasadóképes, azonban neutronok befogásával és magátalakulásokkal plutónium keletkezik belőle, amely már hasadóképes.) Az ilyen reaktorokat szokás szaporító reaktornak is nevezni (Liquid Metal Fast Breeder Reactor, LMFBR). Ezekben az üzemanyagban keletkező hő elvezetését szokás valamilyen folyékony fém, pl. nátrium segítségével megoldani.

A világon jelenleg valamivel kevesebb, mint félszáz atomerőművi blokk üzemel. Igen érdekes, hogy bizonyos országokban a felhasznált elektromos energiának 70-80%-át atomerőművek termelik (pl. Franciaország, Kanada), míg vannak országok, ahol egyáltalán nem működik atomerőmű (pl. Ausztria). Magyarországon a paksi atomerőmű négy reaktora összesen az ország villamosenergia-szükségletének kb. 45%-át szolgáltatja. 

Többek között a dúsítási eljárások költségessége indokolta olyan reaktortípusok kifejlesztését, amelyek természetes urán üzemanyaggal is képesek működni. A fent említett reaktorok közül ilyen a CANDU.

A nukleáris energiatermelés

A nukleáris energiatermelés ipari folyamata az ércbányászattal kezdődik. Az uránércet (UF₆) előkezelés és átalakítás után dúsítani kell a 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 kell vinni kémiai folyamatokkal az izotópeffektust felhasználva. A dúsításra alkalmas módszerek például a gázdiffúziót, vagy ultracentrifugákat használják ki. A következő lépés a fűtőelem készítése. Ezekben az urán külön erre a célra kidolgozott kerámia kapszulákban van elhelyezve. Egy egy kapszulát több évig is használnak a reaktorban. Az elektromos energiatermelő erőmű felépítése a következő lépés. Itt a nukleáris oldal forró gőzt termel, amit az elektromos energiatermelő oldalon turbinával és generátorral alakítanak árammá. A több éves felhasználás után a kiégett üzemanyagot reprocesszálják. A reaktor életidejének elteltével radioaktív hulladékok maradnak fenn. A felhasználás során felaktiválódott, vagy radioaktív anyagokkal érintkezett tárgyak a kis- és közepes aktivitású hulladékok. A reaktorzóna leszerelt részei képezik a nagy aktivitású hulladékot. A kisebb aktivitású hulladékok (melyek működés közben is keletkeznek) problémáját geológiai izolációvallehet megoldani. A nagy aktivitású hulladékok ritkán keletkeznek, csak az energiatermelés után. Ezeket fel lehet kémiailag dolgozni úgy, hogy a radioaktív izotópok lehetséges mozgását megállítsuk. A feldolgozásának egyik módja a leaktiválás a jelenlegi kutatások témája. Ezzel az eljárással a nagyaktivitású hosszú felezési idejű izotópokat rövid felezési idejű izotópokká alakítják, és ez esetben az idő gyorsan megoldja a problémát. (A radioaktív hulladékok közé mindig csak a nagy felezési idejű izotópok tartoznak.) A radioaktív hulladékok kezelése általánosan is a mai alap-kutatások egyik front-témája. A reaktorok normál üzem során alig bocsátanak ki radioaktív anyagot. A modern napjainban használatos erőművek (mint látni fogjuk) két egymástól elszeparált hűtővíz rendszerből állnak, ezek biztonsága sokkal nagyobb egykörös társaiknál. A reaktorok radioaktív anyagokat elenyésző mennyiségben bocsátanak ki normál üzem során. Kibocsátásuk aktivitása a szénerőművek urán- és tóriumkibocsátásánál jóval kisebb. (Ott ezek az elemek nem kezelt melléktermékek.) A következő táblázat mutatja a Paksi Atomerőmű légnemű radioaktiv kibocsátási szintjeit 1998-ban. A kibocsátás nem haladja meg sehol a hatósági határértékeket, sőt az erőmű teljes élettartama alatt a legnagyobb kibocsátás is a hatósági megengedett érték 6%-a alatt marad. Ezek a kibocsátási szintek a természetes radioaktivitási szinteket nem haladják meg. Ezt össze lehet hasonlítani a vegyipari üzemek által kibocsátott melléktermékek és hulladékok és a hatósági határérték arányával. Ismert tény, hogy több üzem vállalja inkább a bírság fizetését, mintsem a drága szennyezés-csökkentési eljárásokat bevezetné. 

	kibocsátás	hatósági korlát
radioaktív nemesgázok	60,4 TBq/év	12760 TBq/év
stroncium	0,38 MBq/év	37,6 MBq/év
radioaktív jódok	0,24 MBq/év	738,8 MBq/év
radiaoktív aeroszolok	0,29 MBq/év	738,8 MBq/év

A nukleáris energiatermelés az energiatermelés egyik elterjedt formája napjainkban. A világon 420 darab reaktorblokk működik és 76 van építés alatt. Ezzel 326 GWe teljesítményt tud fedezni a világ energiaigényéből. A hasadásos erőművekben felszabaduló magenergia az előző alternatív energiaforrásokkal ellentétben 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 alkalmas jelenleg repülők és autók meghajtására, de így is jelentős a szerepe. A következő táblázatban összefoglaljuk néhány ország atomenergia-termelésének nagyságát és jelentőségét (az atomenergia részarányát az összes megtermelt energia százalékában) 1997-ben. 

ország	energiatermelés TWh/év	részarány a megtermelt energiából %	ország	energiatermelés TWh/év	részarány a 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

Magyarországon a Paksi Atomerőműben az ország energiaellátásának kb. 40%-át termelik meg. Ez az energia olcsó. Az atomerőmű leszerelésének és a radioaktív hulladékok kezelésének költségeivel együtt is a legolcsóbb villamosenergia-forrás hazánkban.

A kimerülő fosszilis energiahordozók jó (ha nem az egyetlen) alternatívája a nukleáris energia, amely az energiaigényekkel is lépést tud tartani. Ez az energiaforrás két járulékos problémát vet fel. Ezek az atomerőművek biztonságának, és a hulladékok kezelésének kérdései. A nukleáris jövőkép lehetőségei, a) bővül a hasadásos erőművek termelése; b) vagy elhal, ekkor azonban nem világos, hogy milyen energiaforrás képes helyette az energiaigényeket kielégíteni; c) a fúziós energiatermelést sikerül megvalósítani. Meg kell vizsgálnunk, hogy természetes környezetünkben mennyi és milyen szintű radioaktivitás fordul elő a nukleáris ipar nélkül, és ehhez mérten döntenünk kell, hogy milyen mértékben használjuk a hasadásos nukleáris energiát. A jövő nukleáris enrgiatermeléséhez elengedhetetlen a kíváló minőségű oktatás, intenzív kutatás, stabil társadalom és a döntésképes politikai rendszer. 

A napjainkban használt és a közeljövőben lehetséges energiahordozók áttekintése után megállapíthatjuk, hogy nincs és nem lesz többé olcsó olaj. A környezetvédelem központi kérdéssé vált, és feladatai, súlya tovább növekednek. Az energiatermelés megoldása során a társadalmi értékítélet döntő mozzanattá vált. Ezek alapján új típusú viszony jött létre a társadalmak (benne az ember) és az energia között. Az új viszonyt az jellemzi, hogy az energia drága lesz, a fejlődő országok potenciálisan óriási energiaigénye súlyos politikai feszültségeket teremthet, az energetika területén alapvető átalakulás várható, a környezetvédelem globális 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

A sugárvédelem alapfogalmai

A radioaktív sugárzásokat alig száz éve fedezték fel, de gyorsan a felfedezése után máris megszületett az első alkalmazása is. Egy emberi kéz csontjait lehetett az első röntgensugarakkal már vizsgálni. Az ezt követő száz év rengeteg adatot szolgáltatott a sugárzás biológiai hatásairól. Egyrészt az orvosi besugárzások, a természetes sugárzások, az iparban felhasznált radioaktivitás hatásai és sajnos a katonai alkalmazások valamint a balesetek alapján lehetett tapasztalatokat levonni. Mamár a sugárzások hatásai, ha nem is molekuláris szinten, de diagnosztikai szinten ismertek. Nyitott kérdések természetesen vannak. A sugárvédelem mindazonáltal egy nagy tapasztalatanyagra épülő empírikus tudományág. Fő célja az, hogy az ember képes legyen előre eldönteni az egyes sugárveszélyes tevékenységek kockázatát, hogy tudatos döntéseink megóvjanak minket a nem kívánt besugárzástól. 

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

A kockázat három tényezőből áll össze. Van egy káros esemény, ismernünk kell ennek a valószinüségét (W). Ezeken felül csak akkor érdemes a kockázatot elvállalni, ha a tevékenységnek előnyös oldala is van. Kockázatról beszélünk minden olyan tevékenység esetén, amelyben valamilyen elérendő nyereséggel járó cél érdekében vállaljuk egy káros esemény bekövetkezésének valószínüségét. A kockázat értéke R=K×W mint láttuk. A nyereség nem feltétlen közvetlenül anyagi természetű. 

Példaként említünk néhány nemcsak környezettel összefüggő, hanem az általános mindennapi életünkben felbukkanó kockázatot. Az autóvezetésnek van káros hatása is, kis valószínüséggel balesettel jár. Mégis ha az ember autóba ül, hamarabb eljut a céljához, mobilitása megnő, a világból több információt tud összegyűjteni. Gondoljunk csak arra, hogy Magyarországon évente több, mint 1500 ember hal meg közúti balesetben (átlagosan). A legtöbbször azonban erre nem gondolunk, ami azt az egyszerű tényt jelzi, hogy ezt a fajta kockázatot teljesen elfogadhatónak tekintjük. Mivel Magyarországon 10 millió (10⁷) ember él és a halálesetek száma 1500/év, a K=1 kárértékkel bíró közúti halálozási valószinűség 1,5×10³/10⁷ = 1,5×10^-4 évente. A rizikó értéke ebből R=K×W=1×W=1,5×10^-4=150 mikrorizikó. Ha ismerjük azt az adatot, hogy egy ember egy év alatt hány km-t utazik közúton, akkor abból derül ki, hogy 1 mikrorizikó hány km-nek felel meg. Az 5.2 táblázat adataiból tudjuk, hogy ez 65 km autózás, vagy 80 km buszozás.

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

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

Ha valakivel fogadunk, hogy a kockadobás során ha hatos jön ki, akkor fizetünk neki egy üveg pezsgőt, cserébe, ha nem hatos lesz, akkor ő fizet mondjuk egy pohár szódát. Ebben a játékban nagy valószínüséggel ingyen olthatjuk a szomjunkat, és 1/6 a kockázata, hogy nekünk kell fizetni. A kockázatnál fontos momentum, hogy legyen előnyös eredménye a tevékenységnek.

Aki átmegy egy forgalmas úton, számol azzal, hogy esetleg a gyorsan közeledő autó vezetője nem veszi észre. Vannak vonatszerencsétlenségek is. A cigarettázás ismert módon káros az egészségre (biológiai kockázat), van aki jobban bírja, van aki hamarabb megbetegszik tőle. 

Vannak gazdasági kockázatok is. Kérdés hogy érdemes-e megvenni egy telket, arra házat 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 befektetett összeg. Tipikusan a kockázatos tevékenység a tőzsde. Az egyes részvények értéke nemcsak a vállalat gazdasági teljesítménye függvényében változhat, esetleg politikai kérdések is befolyásolják a rendszert. Mégis sok pénzt lehet nyerni és veszteni a tőzsdén.

A szerencsejátéknak is van kockázata. Amikor megvesszük a szelvényt eleve veszteséggel kezdünk, és általában a nagy nyereménynek nagyon kicsi a valószinüsége, mégis sokan vállalják. 

Egy speciális kockázat a munkahelyi kockázatok csoportja. Az ember a munkahelyén veszélyes tevékenységet végezhet, és általában ennek megfelelően ez financiális előnyökkel jár. A veszélyesebb munkahelyek nagyobb fizetése magasabb 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 érdemes felelőtlenül belemenni egy ismerten veszélyes tevékenységbe. A foglalkozási kockázatok mennyiségi megfogalmazásával a biztosítótársaságok is foglalkoznak. A kockázat (rizikó) értéke foglalkozási kockázatok során is

.

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

6.5. Táblázat. A munkahelyi kockázatok összehasonlítása. 

Foglalkozás	halálos üzemi 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	1000-10 000
mustárgázüzem, más veszélyes vegyipari üzem	> 10^-2	10 000

Az itt megadott valószínüségi értékek természetesen nem mentesek a meghatározás hibáitól. A kis kockázatokat csak nagy populációt vizsgálva lehet pontosan kimérni. Egy 10^-6-os valószinűséget csak egy százmilliós populáción lehet 1% pontossággal meghatározni. Más bizonytalansági faktorok is vannak. A késői hatások kimutatása igen nehéz. Nem lehet egyértelműen tisztázni ugyanis, hogy mi volt az ok-okozati összefüggés ha sok egymással keveredő hatásnak volt kitéve a populáció. Ezek alapján érthető, ha a kísérleti adatok értelmezésében az egyes kutatócsoportok vitatkoznak, de az is látható, hogy a kockázat sok vonatkozása objektív módon számszerüsíthető. 

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

Kérdés azonban, hogy mekkora kockázat vállalása elfogadható. Egy társadalomban sok tevékenység jár kockázatokkal. Sok kockázattal már megtanultunk együtt élni. A legtöbb tevékenység kockázata csökken az idők folyamán. Egy társadalmat jellemez az átlagos munkahelyi kockázat értéke R_áM. Ez azt jelenti, hogy az egyes tevékenységeket foglalkozás szerűen űzők munkahelyi kockázatát a számukkal súlyozva kell átlagolni. Ha egy új tevékenység ezen átlagos kockázatnál biztonságosabb, akkor a társadalomra nézve elfogadható kockázatot jelent. Az USA-ban a munkahelyi kockázatokat hosszú évek óta figyelik, nagy számú statisztika segíti az elemzést. Ezek alapjánR_áM értéke 10^-4-nek adódott. Egyre több helyen elfogadott szabály, hogy az átlagos kockázat tizedrésze feletti kényszerített kockázat értékekre fel kell hívni a figyelmet. (Ez az ismeret joga.) Ezért van a cigarettás dobozokon feltüntetve, hogy a ,,dohányzás káros az egészségre''. 

Dózisfogalmak

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

. 

Itt DN az elbomlott atommagok száma Dt idő alatt. Az aktivitás egysége a becquerel (ejtsd: bekerel): Bq. Abiológiai károsodás első lépése is fizikai folyamat, az energialeadás. A sugárzások annál több iont tudnak kelteni egy adott közegben, minél nagyobb az általuk leadott energia. A sugárzások hatásainak meghatározásakor elsődleges fogalom tömegegységenként elnyelt energia az elnyelt dózis. 

Az elnyelt dózis egysége a gray: Gy, 1 Gy=1 J/kg. Az elnyelt dózis a sugárzás és a körülötte lévő anyag kölcsönhatásának eredménye, ezért egy adott sugárzás dózisa mindig függ attól milyen közegben nyelődött el. A sugárvédelmi összehasonlításokhoz használhatjuk a testszövet-ekvivalens közeg fogalmát. A dózisok mérésekor ugyanis az energia nem a testszövetben adódik le, hanem egy detektor anyagában. Ezt a leadott energiát kell átszámolni arra, hogy mekkora lett volna egy testszövetben, vagy egy azzal ekvivalens anyagban. Az elnyelt energia mérésével a dozimetria foglalkozik. A dózisok mérésére szolgáló műszer a doziméter, mindig kalibrálásra szorul az előbb említettek miatt. A dózisok értékét becsülni is lehet. A már ismert tapasztalatokat összesíti az a törvény mely megadja egy pontszerű gamma-sugárforrástól r távolságban lévő emberi testszövet-ekvivalens anyag által elnyelt energiát t idő alatt, ha a forrás aktivitása A. A Kga gamma-sugárzásdózisállandója, függ a sugárzás energiájától. 

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

Az ionizáló sugárzások által leadott energia molekuláris szintű változásokat hoz létre az élő szervezetben, annak egységében a sejtben. A folyamatok nagyon komplexek és bonyolultak, ezért néhány szemléletes példát hozunk csak elő. Az sugárzás ionizálhat például egy elektront egy fehérjemolekulában, ami kijutva néhány szomszédos elektront is meglök. Ezzel a fehérje alakját meghatározó másodlagos hidrogén-híd-kötések felszakadnak, a fehérje elveszti szerkezetét, és így funkcióját nem tudja betölteni. A szervezet immunrendszere azonban működik és a javítóenzimek gyakran korrigálják a változásokat. Másik példa, hogy a sugárzás energiája a víz molekulájának adódik át, és többlet H⁺ és OH^- ionokat kelt. Ezekből H₂O₂ hidrogén-peroxid képződhet, ami oxidálószer és felborítja a kényes biokémiai egyensúlyt a sejten belül. A sejt erre is immunreakcióval tud válaszolni, természetesen korlátozott intenzitással. A radioaktív sugárzások biológiai hatásai számottevően különböznek a sugárzás fajtájának függvényében. Az alfa-sugárzás például gyorsan fékeződik le (lassabban mozog), sokkal nagyobb az egységnyi úton leadott energiája, mint egy azonos energiájú elektroné. Ennek megfelelően a sejtekben egységnyi úton sokkal több ion-elektron párt tud létrehozni. Ezek hatását a javító enzimek már nehezebben tudják kijavítani. A neutronsugárzás is hasonlóan minőségileg más, mint a gammák. A biológiai hatás meghatározására használják a dózisegyenérték fogalmát. Ez megmutatja, hogy az adott sugárzás milyen dózisú gamma-sugárzással egyenértékű biológiai károsító hatást keltett. A jele a H, egysége a sievert (szívert): Sv.

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

A test egyes szövetei másképp reagálnak a radioaktív sugárzásokra. Néhány testszövet besugárzása nem okoz nagy problémát az életműködésekben. Ilyen például a kéz, kézfej bőre. Más szervek sokkal érzékenyebben reagálnak. Az egyik legérzékenyebb szövetünk a szem vagy a csontvelő. Ezért az egyes szerveket erő dózisegyenértékek különböző súllyal esnek latba az egyed egészségkárosodásakor, és így különböző kockázatnövelő hatásuk van. Az egésztest effektív dózisegyenérték az összes szövetre átlagolt dózisegyenérték. Jele H_E.

A w_t súlyfaktorokat a Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottság ajánlása alapján kell számítani. Például a tüdőt ért sugárzás súlyfaktora 0,12, az emlőket ért sugárzásé 0,15. 

Azon dózisfogalmakat, melyek az időegységre vonatkoztatott egyes dózisokat adják meg, a (megfelelő) dózisteljesítménynek hívjuk. 

A sugárzások biológiai hatásait effektív dózisegyenérték függvényében lehet vizsgálni. Két fajta sugárkárosodást különböztetünk meg. Az egyik a nagy dózisok esetén áll elő, néhány Gy elnyelt dózis, vagy néhány Sv effektív dózisegyenérték esetén. Ilyenkor a sugárzásnak akkut hatásai jelentkeznek, a károsodás súlyossága arányos azzal, hogy mekkora volt a dózis.Ezt hívjuk determinisztikus sugárhatásnak. A félhalálos dózison azt a dózisegyenértéket értjük, amely 30 napon belül 50% valószinűséggel halálos. Emberre vonatkozóan az értéke 4-5 Sv. Ilyen nagy sugárdózisok ritkán fordulnak elő. A csernobili reaktorbalesetnél a tűzoltók kaptak ekkora dózist, valamint a sugárterápiás kezelésben résztvevők is hasonló nagyságrendű sugárzást kapnak. Ez utóbbi esetben a megtervezett orvosi beavatkozás miatt a beteg állapota javulni fog. A félhalálos dózisoknál nagyságrendekkel kisebb dózisok egészen más jellegű hatást fejtenek ki az emberi szervezetre. Ilyenkor a dózis nagysága nem a súlyosságot növeli, hanem a betegség kialakulásának valószínűségét növeli. Ezen utóbbi hatás neve sztochasztikus hatás. Ez a hatás fontos a munkahelyi kockázatok meghatározásakor. A sztochasztikus hatás nagyságát a hosszú idő után kialakuló halálozás gyakorisága adja meg. A nukleáris fegyverek bevetésének áldozatai volt az első nagy népességű csoport, akiken a sztochasztikus hatásokat nyomon lehetett követni. Ezen kívül az uránbányászok körében felfedezett tüdőrák gyakoriság, vagy a rádiumos festékkel festők körében észlelt megbetegedések adatai alapján lehet meghatározni a dózisegyenérték - halálozási gyakoriság (vagy valószínűség) görbéjét. A tapasztalat azt mutatja, hogy ez a görbe egy egyenes. Annál nagyobba halálozás valószínűsége, minél nagyobb effektív dózisegyenérték érte az egyedet. Az egyenes meredeksége, az átváltási tényező a dózisról valószínűségre jó közelítéssel: 20 mikrorizikó/mSv. Ezek szerint ha Magyarország minden lakosa 1 mSv dózist abszorbeál, akkor 200 emberben fog kialakulni halálos kimenetelű betegség a sugárhatás miatt. A természetes sugárzások, melyekről a következő alfejezetben szólunk, átlagosan 2 mSv dózisegyenértéket jelentenek évente. Az 1 mSv tehát alacsony érték. Az egyes tevékenységek kockázatának vizsgálatakor, mint említettük a társadalmilag átlagos munkahelyi kockázattal kell összevetni. A Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottság ajánlása értelmében a sugárveszélyes munkakörben dolgozók éves megengedett dózisa 50 mSv, de sok éves átlagban csak 25 mSv engedhető meg. Továbbá az ilyen munkakörben dolgozóknak rendszeres orvosi vizsgálatokon kell résztvenniük. Ezeken felül külön megszorítás, hogy az egyes szervek dózisegyenértéke ne érje el az 500 mSv-et, és a szem dózisterhelése nem lehet 150 mSv-nél nagyobb. A lakosságra vonatkozóan az effektív dózisegyenérték korlát 5 mSv. A kényszerített kockázat szintje egy tizes faktorral kisebb, mint a munkahelyi kockázaté. Azon lakossági csoportok, amelyek rendszeresen kaphatnak dózisterhelést valamilyen nukleáris üzemből a kritikus csoportok. Ezekre az éves dózisterhelés megengedett értéke 1 mSv. Felhívjuk a figyelmet arra, hogy ezek a dózisok a természetes sugárzások dózisán, és az egészségügyi vizsgálatok miatt kapott mesterséges dózisokon felül megkapott dózisegyenértékekre vonatkoznak. A természetes háttér 2 mSv-je feletti dózis számít tehát. 

Két támpontunk is van a sugárzások hatásainak megítélése céljából. A 2 mSv évente a temészetes sugárzások dózisa, 50 mSv a foglalkozási határ. E felett kezdődik a kimutatható egészségkárosodás, 1 Sv felett a súlyos determinisztikus hatások, 4,5 Sv pedig az említett félhalálos dózis. 50 mSv alatt évenkénti dózisok sugárveszélyes munkakörben dolgozók esetén fordulhatnak elő, ellenőrzés mellett. A lakossági terhelések 5 mSv alatt kell maradjanak, ez alatt jön a 2 mSv természetes háttér. Az 1 mSv alatti dózisok már kicsinek számítanak, és kb. 10 mSv/év már kimutathatatlan dózis. 

A sugárvédelem egyik alapelve az ALARA-elv. Ez kimondja, hogy minden indokolt sugárterhelést olyan alacsony szintre kell csökkenteni, amennyire az a tevékenység célja megvalósíthatósága mellett, társadalmi és gazdasági szempontok figyelembe vételévelésszerűen lehetséges. 

Az eddigiekben külső sugárzások hatásait említettünk. Előfordul, hogy a sugárveszélyes tevékenység során nyílt izotóppal dolgozunk. Ezek a levegővel, aeroszolokra tapadva vagy folyadékokkal bejuthatnak a szervezetünkbe. Ilyenkor egyes atomok beépülhetnek a szervezet molekuláiba. Például a hidrogén radioaktív testvére, a trícium, beépülhet a hidrogénatomok helyére, mert kémiailag azonos vele, elektronszerkezetük megegyezik. Ugyanígy a ¹⁴C is be tud épülni a szénatomok helyére, a ¹³¹I általában a pajzsmirigyben található stabil jódatomok helyére épül be. Az egyes izotópok feldúsulhatnak egyes 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 radioaktív bomlással történő megszűnés mellett. A trícium felezési ideje például 12,3 év, de a biológiai felezési ideje csak 12 nap. A radiokarbon a zsírszövetekben dúsul fel, és effektív felezési ideje 12 nap, a jódé 7,6 nap. A szervezetbe bejutó izotópokra ún. másodlagos korlátokat állítottak fel. Az ÉFEK érték megadja, hogy egy évben hány atom bejutása engedélyezett az adott izotópból. (Éves FElvételi Korlát.) Ezen korlátok betartása mellett, a belső sugárterhelés a külső sugárzásnál meghatározott határok alatt marad. A gyakorlatban ezeket az éves bekerülési szinteket átszámolják szennyezettségi értékekre. így határozzák meg a levegőben, vízben és az élelmiszerekben az egyes izotópok származtatott szennyezési korlátait, általában ezeket fajlagos aktivitásban adják meg (Bq/liter, Bq/kg). 

Végül ejtsünk szót az ionizáló sugárzás elleni védelemről. Az első az ALARA-elv szellemében végzett sugárzási tervezés. Ezen kívül két nagyon egyszerű meggondolás betartásával minimálisra redukálhatjuk a dózist. Az egyik az idővédelem. Az elnyelt dózis egyenesen arányos az eltelt idővel, ezért az idő csökkentésével a dózis is csökkenthető. A másik még effektívebb eszköz a távolságvédelem. Egy külső pontszerű sugárforrás dózisa a távolság négyzetével fordítva arányos. Százszor kisebb dózist kapunk tehát, ha egy izotópot 10 cm helyett csak 1 méterre közelítünk meg. Ha ez a két módszer nem alkalmazható, akkor a sugárforrást árnyékolni kell. Az ionizáló sugárzások minden közegben energiát adnak le, ezért az intenzitásuk gyengül. A gyengülés mértéke az árnyékoló fal vastagságának exponenciálisfüggvénye. 

Itt I₀ a sugárzás kezdeti intenzitása, I a fal túlsó oldalán mért intenzitás, R a felezési vastagság. A gamma-sugárzás intenzitása nagy rendszámú közeggel árnyékolható le. Ilyen az ólom. A neutronok árnyékolására kis rendszámú közeg alkalmas. Ezek atomjaival ütközve tud a neutron energiájától hamar megszabadulni. Jó neutronlassító a víz. A neutronok befogásávalis lehet őket árnyékolni. Jó neutronelnyelő atommag a bór és a kadmium. Ezért vannak a reaktorok biztonsági rudai általában kadmiumacélból, és használnak neutronfluxus növekedés esetére bóros vizet. 

Nukleáris környezetünk 

Az atommagok átalakulása természetes folyamat. Atommagátalakulások segítségével keletkeztek a Földet felépítő elemek, fúzió termeli az energiát a Napban, a radioaktivitás hője melegíti Földünk belsejét. A Naprendszerben és galaxiusunkban a Tejút-rendszerben folyamatosan keletkeznek radioaktív sugárzások. Földi környezetünk is gazdag radioaktív izotópokban, és ez már így volt az iparosodás előtti időkben. Természetes környezetünk alapvető tulajdonsága a radioaktivitás, emberi érzékszervekkel azonban nem érekhető. Felfedezésére a XIX. század végéig kellett várni. A földi természetes radioaktivitás több forrásból érkezik. a) az űrből a kozmikus sugárzás, b) a kőzetekben lévő radioaktív izotópokból, c) élelmiszerek szennyezéseiből, d) az emberi testszöveteknek is van természetes radioaktivitása. 

A kozmikus sugárzás az űrből érkező nagyenergiájú részecskék árama. Egyik forrása galaktikus, vagy extra-galaktikus. Ez azt jelenti, hogy a Tejút-rendszerből, vagy más távoli galaxisokból is érkezhetnek hozzánk gyors részecskék. Ezek energiája 100 MeV-től TeV nagyságrendig terjed. Összetétele 87%-ban protonok, 11% alfa-részecskék, a többi elektron vagy nehéz-ionok. A kozmikus sugárzás másik forrása a Nap. Onnan 1 keV-tól 100 MeV-ig terjedő energiájú protonok és kevés alfa-sugárzás indulnak ki. Ez a napszél, ami az üstökösök csóváját is beállítja a Nappal ellentétes irányba. A Napból érkező kozmikus sugárzás a napfolttevékenységek periódusa szerint változó intenzitású, 11 éves periódussal. A napkitörések miatt is nagy a fluktuációja. A kozmikus sugárzástól az atmoszféra véd minket. A kozmikus sugárzáson kívül a napsugárzás nagy része is elhal benne. Ha egy a felszínen1 cm² alapterületűfüggőleges térszögben 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 gyorsan csökken, a légkörnek nincs éles határa, így az 1000 g négyzetcentiméterenként sokkal magasabb légoszlopnak felel meg. A nagyenergiájú kozmikus részecskék másodlagos részecskéket keltenek a légkör felső rétegeiben. Ezek neutronok, kisebb energiájú protonok, gamma-fotonok, müonok, vagy pi-mezonok lehetnek leginkább. A neutronok a légkör nitrogénjével kölcsönhatnak és egy proton kilökésével ¹⁴C izotóp keletkezik, vagy egyszerűen egy neutron egy trícium magot kilök a nitrogén magjából. (Így keletkeznek a szerves molekulák alkotórészeinek radioaktív izotópjai a természetben.) Ezek keletkezési és feleződési gyorsasága egy egyensúlyi koncentrációt tart fenn a légkörben és így ez öröklődik az élő szervezetre is. A nagyenergiájú gamma-fotonok elektromágneses záporokat kelthetnek, melyben elektronok, pozitronok (az elektron antirészecskéi) és gamma-fotonok alakulnak át egymásba, egyre többen lesznek, cserébe egyre kisebb lesz az energiájuk. A kozmikus sugárzás dózisegyenértéke 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 árnyékolásának fontos szerepe. Egy Budapest-New York repülőút alkalmával feljebb is emelkedik a gép, de az ideje csak kb. 9 óra. Egy ilyen út alkalmával a többletdózis kb. 50 mSv. Egy Hold-utazás során abszorbeált többletdózis 3,6 mSv lenne. Magyarországon a kozmikus sugárzásból eredő természetes dózisegyenérték 0,3 mSv/év. 

A talaj és a kőzetek is tartalmaznak radioaktív részecskéket. Ezek hosszú felezési idejű izotópok, melyeknek felezési ideje a Föld életkoránál is hosszabb. A Föld keletkezése óta a többi radioaktív elem ugyanis lebomlott megtalálta a stabil magszerkezetet. A talaj és a kőzetek radioaktivitásának fő forrása az urán 238-as izotópja (felezési idő 4,5 milliárd év), a tórium 232-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 bomlástermékei alkotják az urán és a tóriumcsaládot. Ezek radioaktív izotópok, melyek soros 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. Felezési ideje szintén milliárd éves nagyságrendű. A kálium-40 az öszes kálium atomok között 0,01% részaránnyal van jelen. Ha figyelembe vesszük, hogy az emberi sejtmembrán egyik fontos alkotóeleme a kálium, akkor azt állapíthatjuk meg, hogy a szervezetben sok radioaktív kálium található. Ennek 1,4 MeV energiájú gamma-sugárzása az egész testet besugározza. A légkör argontartalma is a ⁴⁰K-nek köszönhető, ebből béta-bomlással keletkezik. A földi eredetű természetes sugárzások dózisegyenértéke 0,2-0,4 mSv-et jelentenek évente. Ezek regionálisan változhatnak, attól függően, hogy milyen a közet összetétele. Indiában (Kerala tartomány) és Brazíliában vannak olyan területek, ahol ennek sokszorosa is lehetséges. Ezeken a területeken ugyanúgy biztonságban élnek emberek mint a Föld többi részén. A Föld hősugárzásának nagy része is radioaktív eredetű (44 TW). 

A növények a talajból veszik fel tápanyagukat, az állatok a növényeket eszik meg, a talaj radioaktivitása és a légkörben lévő radioaktív anyagok bekerülnek az élelmiszerekbe is. Naponta 2,5 liter viszet ha iszunk, 20000 liter levegőt lélegzünk be, akkor 2,5 g ⁴⁰K-et, 1-1 mg uránt és tóriumot veszünk magunkhoz. 100 gramm banánban 13 Bq aktivitású kálium van, ez banánonként 0,1 mSv többletdózist eredményez. A spenót is dús a káliumban, ezért 10 dkg spenót 24 Bq aktivitású. Mindennapi életünkben teljesen hozzászoktunk ezekhez a radioaktivitási szintekhez. Egyes tapasztalatok szerint, a nagyon kis dózisok egyenesen jó hatással vannak a szervezetre. Magyarországon a táplálkozással felvett természetes eredetű dózisegyenérték 0,4 mSv. 

Az emberi test is tartalmaz radioaktív izotópokat. Egy 70 kg-os emberben 140 gramm kálium van, ebből 0,012% a radioaktív kálium, ez összesen 16 mg ⁴⁰K. Ez 0,17 mSv dózist jelent. A testünkbe beépülő trícium aktivitása igen kicsiny, mert a légköri tríciumkoncentráció is elég kicsi. Minden 10¹⁸-dik hidrogén helyén ül egy trícium atom. A radiokarbon egyensúlyi aránya nagyobb, minden 5×10¹¹ -dik szénatom helyén ül egy ¹⁴C.A szervezetben ezen izotópból származó abszorbeáltdózisegyenlérték 0,01 mSv. A ⁸⁷Rb dózisa 0,01 mSv/év, a további beépült atomok az urán és a tórium radioaktív sorának termékei. A ²¹⁰Po 0,12 mSv, a ²²⁶Ra 0,04 mSv, az urán és tóriumizotópok maguk szintén 0,04 mSv dózissal járulnak az emberi test összetételéből származó radioaktív sugárterheléshez, ami így összesen kb, 0,4 mSv évente. Ez a sugárzás belső sugárterhelést jelent. A rádium izotópok például a kalciummal vannak egy kémiai oszlopban, így azokkal hasonló az elektronszerkezetük, azok helyére be tudnak épülni a csontba.

A ²³⁸U egyik leányeleme (az 1620 éves felezési idejű rádium-226 bomlásakor keletkező) a radon 222-es izotópja. Ez nemesgáz és 3,8 nap felezési idővel bomlik el a polonium 218-as izotópba alfa-sugárzás kibocsátásával. Bomlástermékei közül a ²¹⁸Po 3 perc felezési idejű, a ²¹⁴Pb 26,8 perc felezési idejű, a ²¹⁴Bi 19,7 perc felezési idejű radioaktív leányelemek. (Utóbbi kettő béta- és gamma-sugárzást kibocsátó izotópok.) A következő leányelem a ²¹⁴Po szintén alfa-sugárzó felzési ideje a másodpercnél rövidebb. A radon kiszabadulva a kőzetbe zárt rádiumból gáznemű anyagként a közetek pórusaiban diffundálva több nap alatt könnyen a felszínre is tud érni. Törésvonalak mentén a diffúziója könnyebb, ott előszeretettel jeletkezik. A talaj pórusaiban 10 kBq/m³ radonaktivitás is átlagosnak számít. A talajból kijutva a radon mivel nehezebb a levegő molekuláinál a házakban zárt terekben fel tud halmozódni. ha a lakásokat nem szellőztetjük magas radonkoncentrációt állíthatunk elő. A talaj felett 5-10 Bq/m³ aktivitás tapasztalható, a lakásokban a világátlag kb. 40-50 Bq/m³. Vannak különösen nagy radontartalmú helyek. Ilyen a Mátrában található Mátraderecske, ahol a radont már gyógyászati célokra is próbálják alkalmazni. Minden uránban gazdag közetre épült lakásban potenciálisan magas légtéri radontartalom várható. A radon a légzéssel bekerül a tüdőbe, ha ott elbomlik, akkor a keletkezett leányelemek ottragadnak, mivel ezek már nem gáz halmazállapotúak, hanem nagy mennyiségben fém képződne belőlük. Ezek az atomok kiülnek a tüdő hörgőire, és ők és további leányelemeikalfa-, béta-, gamma-bomlásukkor a tüdő sejtjeit bombázzák. A természetes sugárzások közül a radon és leányelemeinek dózisa a legszámottevőbb: 1,4 mSv átlagosan. Ez az érték lakásról lakásra változhat, sőt a lakások szobáiban is nagy eltéréseket mutathat. 1 mSv dózisegyenértéket az irodalom szerint 40-60 Bq/m³ radontartalmú lakáslevegő okoz (ha egész évben ott tartózkodunk). 

Összesen a természetes eredetű külső sugárzások dózisegyenértéke átlagosan 2,4 mSv évente.Ezzel a dózissal évezredek óta együtt él az ember. 

A civilizált XX.-századi ember (hátmég a XXI.-századi) nemcsak természetes eredetű radioaktív sugárzást kap. Az orvosi röntgendiagnosztika átlagosan évi 0,6 mSv többletdózist jelent a lakosság átlagára, pedig nem is minden emberről készítenek röntgenfelvételt egy évben. Ez az eljárás a gyógyítás minőségét javítja, ezért orvosilag is támogatott sugárterhelés. Gondoljunk csak a fogröntgenre, a tüdőröntgenre, a töréskor felvett röntgenképekre. A modern tomográfiás eljárások között van olyan, amely radioaktív sugárzással jár, vannak olyan diagnosztikai eljárások, amikor radioaktív izotópot fecskendeznek az ember szervezetébe, az a kívánt helyen felhalmozódik, kötődik bizonyos molekulákhoz, és így feltérképezhető a kívánt hatás az emberben. Ezek a terápiák további 0,1 mSv/év dózisegyenértéket jelentenek átlagosan. A sugárzások nemcsak a rákbetegség keletkezésében játszhatnak szerepet, de az ellenük felvett harcban is. A radioterápiás kezelések sok esetben hosszabbítják meg jelentősen az emberi életet. Ezen sugárzásokból származó átlagos dózisegyenérték 0,2 mSv évente. Az egészségügyi mesterséges sugárterhelés összesen 0,9 mSv lakossági átlagban. 

A nem természetes eredetű sugárzások második legnagyobb dózisú része a nukleáris fegyverkísérletekből származik. 1945-63 között a hidegháború a fegyverkezési verseny időszakában volt. Később írták alá az ,,atomsorompó" és az ,,atomcsend" egyezményeket melyek azt mutaták, hogy a politikusok is felismerték a bombák óriási pusztító erejét. Ezek az egyezmények nukleáris egyensúlyt tartottak fenn a fegyverkezésben. A fegyverkezés fejlesztési időszakában azonban légköri és föld alatti atomrobbantásokra is sor került. Ezek alkalmával számos új technikát próbáltak ki, és ezzel a Föld légkörének radioaktivitását emelték, mesterséges radioaktív szennyezők jutottak a levegőbe. A légkör tríciumtartalma ezekben az években eltávolodott a korábbi értékről, ezért ezekből az évekből származó minták radioaktív kormeghatározása a trícium izotópok segítségével lehetetlen. A légkörbe jutott még radioaktív jód, C-14, Sr-90 és Cs-137 izotóp is. A nukleáris fegyverkezés hatására világátlagban megjelenő többletdózis 0,01 mSv/év. 

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

Az energiaipar nukleáris szektora is bocsát ki természetesen radioaktivitást, de az előzőeknél meglepően sokkal kevesebbet. A nukleáris ipar normál üzemi kibocsátása 0,005 mSv/év. A nukleáris energiatermelés korábbi elemzése során bemutattuk a légnemű radioaktív kibocsátásokat, melyek közül az urán leányelemek vezettek a jód- és a stronciumkibocsátás előtt, mind a megengedett határérték 10%-a alatt maradva.

Az ipar által forgalmazott termékek is tartalmaznak radioaktív anyagokat. Régi edények urántartalmú mázzal készültek, kemping-lámpák tórium-oxidot tartalmaztak, a füst-detektorok kb. 1 mCi aktivitású amerícium izotópot használnak fel, foszforeszkáló jelzőlámpákban trícium izotópok vannak. Gyakran az iparban alacsony nátriumtartalmú anyagra van szükség, ezekben a sókban a kálium van bedúsítva, a kálium-40-nel együtt. 

A repülőzés és űrhajózás is a kozmikus sugárzás dózisának magassággal történő emelkedése miatt sugárveszélyes tevékenység. a repülőgép személyzet évente 5-8 mSv dózist kap átlagosan, míg egy Mars utazás alkalmával egy űrhajós 1 Sv többletdózist kapna a becslések szerint. 

Mint láttuk a radioaktív sugárzások hozzátartoznak életünkhöz, környezetünk természetes állapotához. Környezetünkben nemcsak természetes eredetű radioaktivitás van már, hanem kiterjedt ipari és egészségügyi felhasználása is van a radioaktivitásnak. Sokszor ez a sokak számára korábban ismeretlen jelenség az emberi élet színvonalát javítja, de körültekintéssel és az ismereteinkre alapuló szabályok betartása mellett lehet csak használni. 

6.2.3. A nukleáris ipar környezeti hatásai 

Atomreaktorok biztonsága, az atomenergia kockázata

A csernobili 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 tömegkommunikációs eszközök gyakran homlokegyenest eltérő véleményeket közölnek, melyek az emberekben szükségtelen, túlzott félelmet és aggodalmat keltenek. Általában elfogadott tény, hogy a félelem alapja az ismeretek hiánya vagy elégtelensége, más szavakkal: ha valamit nem ismerek, nyilvánvalóan félelemérzet tölt el a dologgal kapcsolatban. Annak érdekében, hogymegvizsgáljuk, mekkora veszélyt jelent számunkra, hogy atomerőművek működnek a környezetünkben, hasonlítsuk össze az atomerőművek működésének kockázatát az életre veszélyes más kockázatokkal.

A közúti autózás kockázata 1,5×10^-4. Ez a szám mintegy egy-tízezred. Ekkora kockázatot tehát az ember gondolkodás nélkül elviselhetőnek, szükségesnek tart. Hasonlítsuk ezt össze az atomerőmű-balesetek számított kockázatával. 

Az Egyesült Államok legtöbb államában nukleáris létesítmény csak akkor helyezhető üzembe, ha annak kockázata, hogy abban súlyos, tehát a lakosságot is érintő baleset következik be, kisebb, mint 10^-7/év. Ez a szám a fent bemutatott közúti balesetek kockázatának ezred része. Érdemes megjegyezni, hogy a paksi atomerőmű legsúlyosabb balesetének a valószínűsége is ilyen érték körül van. Hogyan lehet ilyen alacsony értéket elérni? A balesetek két egymástól különböző okra vezethetőek vissza: emberi mulasztás és műszaki hiba. Természetesen ezen felül egy esetleg bekövetkező baleset súlyosságát a rendszer tervezése, gondos kivitelezése nagyban befolyásolja. Gondoljunk csak arra, hogy az autógyárak mennyit költenek arra, hogy az autókat a legmodernebb biztonsági felszerelések tömegével szereljék fel (légzsákok, stb.). Mindezek azt a célt szolgálják, hogy a bekövetkező balesetek súlyosságát csökkentsék. A mai korszerű atomerőművek szinte mindegyikénél védőpajzsként működik egy úgynevezett konténment, amely egy igen erős, hermetikusan záró vasbeton szerkezet a reaktor körül és fölött. Ha pl. Csernobilban lett volna ilyen konténment, a baleset környezetet érő hatásai nagyságrendekkel kisebbek lehettek volna. Ezen kívül, az újabb tervezésű atomreaktorok szinte mindegyike rendelkezik az úgynevezett inherens biztonsággal, ami azt jelenti, hogy még a legnagyobb emberi gondatlanság esetében sem történhet túl nagy baj (a teljesítmény növekedését tekintve), ugyanis a fizika törvényei szerint a láncreakció egy bizonyos teljesítmény elérésekor “magától” leáll illetve kisebb szintre csökken. 

A fosszilis tüzelésű erőművek és minden energiatermelő tevékenység kockázattal jár. Az atomenergia kockázatának vizsgálatakor meg kell nézni, hogy milyen balesetek történtek adott energiatermelési szint mellett. A következő táblázat ezt hasonlítja össze az energiatermelési módok esetére az 1969-1986-os időszakra. Ebbe a csernobili reaktorbaleset még éppen beleesik (40 év alatt volt 2 baleset, így az atomenergiánál minden bizonnyal felső becslést jelentenek a számok), a táblázat adatai ezt is tartalmazzák. A megtermelt energia mellett, a jelentős balesetek számát adjuk meg, majd a munkahelyi kockázat miatti áldozatok számát balesetenként. A táblázat konklúziója az utolsó oszlop az egységnyi energiatermelésre eső 17 évre összeadott összkockázat.

	energia (ezer GWév)	balesetek száma	esetenkénti áldozatok száma	összes áldozat	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

Az olaj felhasználásával termelt energia kockázata nagyrészt a szállítás során történt balesetekből származik. Ilyenkor számos esetben a környezet is nagy károkat szenvedett el. A szénenergia kockázatát a bányaszerencsétlenségek növelik meg, míg a gáz hasznosításakor a gázrobbanás és a mérgezések veszélyesek. Az atomenergia felhasználása során eddig két nagyobb baleset történt. Az első Pennsylvania államban az USA-ban 1979-ben nem követelt halálos áldozatokat. A csernobili baleset 1986-ban 37 áldozatot követelt 10 év alatt, ebből 28 közvetlen 3 hónapon belül halt meg, míg a továbbiak 3 hónap és 10 év közötti intervallumban. Az energiatermelésnek minden esetben vannak másodlagos hatásai. Ilyenek például a fosszilis tüzelők üvegházhatása, nagyobb szmogok kialakulása, savas esők; a vízierőművek ökológiai hatásai, a gázrobbanások, az atomenergia esetén a baleseti radioaktív kibocsátás. Ezek a káresemények nincsenek benne a fenti táblázatban. 

A nagyobb balesetek polgári áldozatainak számát hasonlítsuk össze más balesetek és természeti katasztrófák áldozataival. Ezeket az adatokat a következő táblázat tartalmazza. 

baleset	összes áldozat
londoni szmog (1952 dec.)	4000
kínai gátszakadás (1976)	250 000
Bhopal-i szennyezés (India, 1984 dec.)	3000
csernobili reaktorbaleset (1986 április)	20 000
bangladesi tájfun (1991)	100 000
öngyilkosság Magyarországon 1 év alatt	5000
közlekedési baleset hazánkban 1 év alatt	1500
dohányzás miatti halálozás M.o.-on(1 év)	5000
balesetek Európában	900 000

A táblázatból látszik, hogy a szénerőművek is okoznak nagy számú áldozatot követelő másodlagos hatást, a természeti csapások felsorolása nem is teljes, sok földrengés és vulkánkitörés is számos áldozattal jár. Ezekkel összehasonlítva a reaktorbalesetek nem pusztítottak olyan jelentősen. A figyelmet éppen az emberi tényező irányítja rájuk, és ebben rejlik a megoldásuk egyik kulcsa is. Mindkét balesetről kiderült, hogy emberi mulasztás okozta őket. A jövő reaktorbiztonsága várhatóan egyre jobb lesz. Ez csak részben adódik az emberi oldalról megkövetelt biztonságosság miatt, a másik szempont a fizikai folyamatok miatt egyre biztonságosabb reaktorok lehetősége. Nem kétséges, hogy a civilizációnak még számos kutatásra és fejlesztésre van szüksége e téren a fenntartható fejlődés megvalósítása, és az energiaigények kielégítése érdekében. 

Történnek kisebb balesetek is, melyekben nem hal meg annyi ember, és ezért nem figyelünk fel rájuk. A nukleáris létesítmények és a repülőszerencsétlenségek ilyen szempontból hasonlóak, ha történik valamilyen esemény, akkor sokan halnak meg. A megítélést ellenkező irányba lendítő momentum pedig az, hogy kicsi a balesetek valószínűsége. 

Akockázatot így a balesetek valószínűségét lehet csökkenteni. Ezek mindig költségek eljárásokat vagy költséges berendezéseket jelentenek. A kockázat - költség összefüggés 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 tevékenységek kockázati szintjére. Ez az elv valósul meg a radioaktív dózisok korlátozási rendszere esetén is, ahol szinteket a társadalmilag átlagos kockázathoz mérik. A kockázat és a költség optimalizálásakor egy másik tényezőt is figyelembe kell venni. Ez az emberi hozzáállás, a társadalmi kockázatvállalási készség. Az emberi tényező azoknál az eseteknél mindig sokkal nagyobb, mikor ismeretlen jelenségről van szó. Gyakran tapasztalható, hogy az események valószínűsége nem érzékelhető az emberek számára, ezért a kis valószínűségű balesetet a puszta lehetőségével mérlegelik. Ilyenkor a kis valószínűségű káros események túlhangsúlyozódnak. 

Összefoglalva az atomenergia az egyik legbiztonságosabb energiatermelési mód, a jövő növekvő energiaigényeinek kielégítésére a legjobb alternatívát mutatja napjainkban. Felvetődnek természetesen megoldandó kérdések, melyeket napjaink kutatásai igyekeznek megoldani. 

A csernobili reaktorbaleset

Annak érdekében, hogy képet kapjunk arról, miért is következhetett be a világtörténelem legsúlyosabb reaktorbalesete, röviden vegyük szemügyre, hogy mi is történt és milyen okok játszottak közre a baleset bekövetkezésében. Először is, amint már említettük, a csernobili reaktor RBMK típusú volt. Ez a reaktortípus nem rendelkezik a fentebb leírt inherens biztonsággal. A reaktort a kisebb dúsítású (és ezért természetesen olcsóbb) üzemanyaggal való használhatóság érdekében úgynevezett felülmoderált reaktorként működtették, ami azt jelenti, hogy a hűtővíz elvesztése a teljesítmény automatikus növekedését vonta maga után. (Meg kell jegyeznünk, hogy a baleset után a többi, még működő RBMK típusú erőművet átállították nagyobb dúsítású üzemanyagra, így ezt a veszélyforrást csökkentették.) De mi is történt? Az erőmű személyzete egy - szerintük veszélytelen - kísérletet szeretett volna elvégezni, ráadásul anélkül, hogy ezt engedélyeztették volna a megfelelő hatósággal. Ezzel gyakorlatilag minden létező rendszabályt megszegtek. A kísérlet elvégzése közben a reaktor elkezdett túlmelegedni, ennek következtében a szabályozó rudak acél csövei a hő hatására eldeformálódtak. A szabályozó rendszer tehát nem működött és a reaktor még tovább melegedett. A hűtővíz elforrt, elpárolgott, ami pozitív visszacsatolást eredményezett és a teljesítmény még tovább nőtt. Ekkor a folyamatot már nem lehetett megállítani, ráadásul az igen magas hőmérsékleten a grafit (emlékezzünk vissza, hogy az RBMK reaktorban a moderátor grafit) elkezdett égni. A vízgőz találkozott a mintegy 2500 °C-on égő grafittal és kémiai robbanás következett be. Ennek során a reaktorban található nagy mennyiségű és igen erősen radioaktív anyag a környezetbe került, hiszen nem volt konténment, ami visszatarthatta volna ezeket. Összefoglalva tehát a következőket mondhatjuk el:

·a baleset alapvetően súlyos emberi mulasztás miatt következett be;

·a baleset kivédhető vagy kevésbé súlyos lett volna egy átgondoltabb, biztonságosabban megtervezett rendszer esetében.

A csernobili baleset során a légkörbe kerültek radioaktív izotópok. Ezek a meteorológiai viszonyok miatt először Svédország felé indultak, majd szétszóródnak Európa szerte. Az izotópok kihullással a felszínre érkeztek, és emiatt többlet dózisterhelést okoztak minden országban. Magyarországon a kihullás miatti többletdózis 0,35 mSv egyedenként átlagosan. Ez területileg nem volt egyenletes az esők inhomogenitása miatt. A legtöbb egyedi dózis országon belüli területenként így is maximum 0,44 mSv volt átlagosan. Nálunk nagyobb dózis hullot ki Romániában, Ausztriában, Svédországban itt is maximum 0,7 mSv/egyed volt. 

A nukleáris környezetvédelem

A környezetünkben 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 bioszféra sugármentesítése, hiszen ez lehetetlen lenne. A cél a sugárzó anyagok olyan kezelése, mely a bioszférát elfogadható módon terhelve hoz mérlegelt hasznot az emberi társadalmaknak. 

A nukleáris környezetvizsgálatot több tényező hozta a figyelem középpontjába. Ezek a nukleáris fegyverkísérletek kibocsátásai, a bennük még jelen pillanatban is tárolódó nukleáris anyagok megnyugtató kezelése. Fokozott kutatásokat igényel az a tény, hogy a radioaktivitást közvetlenül nem érzékeljük. A társadalomban széles körű ismerethiány van a radioaktív folyamatokról ez érzelmi alapra helyezheti a társadalom megítélését. Más hasonló problémával való összehasonlítás is hiányzik. 

A nukleáris környezetvédelem problémáinak megoldásához rendszerszintű gondolkodás szükséges, és társadalomlélektani vonatkozások helyes kezelése. 

A gyakorlati kérdések három csoportra oszthatók: a) nukleáris fegyverek problémái, b) atomerőművek baleseti biztonsága, c) nukleáris hulladékok hosszú idejű tárolása. A nukleáris fegyverekben elhelyezett nagy felezési idejű radioaktív hasadásra képes anyagok mennyisége nagyon nagy. Ez óriási veszélyeket rejt magában, mindenképpen felelős politikai döntést igényel. Az egyik megoldási út, hogy atomerőművekben rövidebb felezési idejű hulladékká lehet őket alakítani. Az atomerőmű normális működési viszonyok között az egyik legtisztább energiatermelési mód. Az atomerőművek baleseti biztonságát még tovább kell fokozni, mert kis valószínűséggel bekövetkező baleseteknek is nagy hatása lehet. A nukleáris biztonság egyre javul, a régi kevésbé biztonságos atomerőműveket leszerelik, és a reaktorok következő generációja a belső szerkezeténél fogva biztonságos erőművek lehetnek.

Radioaktív hulladékok kezelése és elhelyezésének kérdései 

Radioaktív hulladéknak azokat a radioaktivitást tartalmazó anyagokat tekintjük, amelyek további 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 gondoskodás állami feladat, melynek költségeit – lehetőség szerint – a radioaktív hulladék keletkezését előidéző létesítménynek kell viselnie. Igen fontos, hogy a fenti megfogalmazás szerint nem radioaktív hulladék az atomreaktorok, atomerőművek használt, “kiégett” fűtőeleme, mert az még újrahasznosítható, bár a használt fűtőelemek feldolgozási eljárása, az úgynevezett reprocesszálás csak az atomfegyverekkel rendelkező országok előjoga. 

A radioaktív hulladékokat igen sokféle kategóriába, csoportba sorolják, e tekintetben a nemzetközi gyakorlat – némileg meglepő módon – távolról sem egységes. A magyarországi szabályzás alapja a 14344. számú, 1989-ban megjelent szabvány, valamint a már említett atomtörvény végrehajtási utasításai között kiadott 23/1997. sz. népjóléti miniszteri rendelet. A szabvány az osztályzás alábbi szempontjait említi meg:

-halmazállapot szerint: szilárd, biológiai eredetű, folyékony és nem tűzveszélyes, folyékony és tűzveszélyes, valamint légnemű radioaktív hulladékok;

-aktivitáskoncentráció szerint: kis, közepes és nagy aktivitású radioaktív hulladékok;

-a hulladékban jelenlévő radionuklidok felezési ideje szerint: rövid, közepes és hosszú élettartamú radioaktív hulladékok.

A hulladék halmazállapota szerinti felosztás elsősorban a hulladékfeldolgozás és -elhelyezés szempontjait tükrözi. Megkülönbözteti a teljesen eltérő kezelést igénylő szerves és vizes alapú oldatokat, valamint kiemeli a biológiai eredetű hulladékokat, amelyek - elsősorban kísérleti állatok tetemei, használt táptalajok, tenyészetek – bomlásuk révén kémiailag agresszív, korrozív vegyületeket hoznak létre, és fokozott terhelést jelente(né)nek a hulladéktároló anyagaira nézve.

Az aktivitáskoncentráció szerinti felosztás kategóriahatárai 500000 és 500 millió kBq/kg. A kis aktivitású hulladék kategóriájának alsó korlátját nem a szabvány, hanem egy magasabb rendű jogszabály határozza meg. Ez ebben az esetben az előbbiekben említett miniszteri rendelet, amely a gyakorlatban előforduló mesterséges és természetes eredetű radioaktív izotópokra mentességi szinteket állapított meg. A mentességi szintek fogalmi körének és számértékeinek meghatározásakor a rendelet kidolgozói lényegében átvették a nemzetközi, ezzel együtt az európai gyakorlatban elfogadott sugárvédelmi ajánlásokat, azaz a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség által 1994-ben elkészített “Nemzetközi Biztonsági Alapszabályzat – Az ionizáló sugárzások elleni védelem és a sugárforrások 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 vagy anyag aktivitástartalma kisebb a mentességi szintnél, az kivonható az atomtörvény és minden, azzal összefüggő egyéb rendelkezés hatálya alól, tehát radioaktív hulladékként sem kell azt kezelni. A mentességi szint meghatározásának alapja a sugárvédelem dóziskorlátozási rendszere. A mentességi szint alatti mennyiségű radioaktivitás sem külső (a sugárzás veszélyének kitett ember testén kívüli), sem belső (belégzés vagy lenyelés révén inkorporált) sugárterhelésként nem jelenthet reális egészségkárosító kockázatot a vele kapcsolatba kerülő egyénekre. Bár sem a rendelet, sem az IBSS nem tartalmazza ezt az explicit dózisszintet, a kockázattal nem járó dózisnak a mentességi szintek megállapításánál alkalmazott értéke évi 10 és 100 mSv közé tehető.

A szabvány az aktivitáskoncentrációkat tartalmazó táblázata mellett egy hasonló, kifejezetten gyakorlati jellegű kiegészítést is közöl: a hulladékokat tartalmazó göngyölegek felületén mérhető gamma-dózisteljesítmény értéke alapján is meghatározza a hulladékok osztályait. Eszerint kisaktivitású az a hulladék, amelynek felületétől 10 cm-re a dózisteljesítmény 300 mSv/h-nál kisebb, nagyaktivitású pedig az, amelynél a dózisteljesítmény 10000 mSv/h-nál nagyobb. E felosztás alapján természetesen nem minősíthetők az alfasugárzó nuklidokat istartalmazó hulladékok, hiszen a kiemelkedően nagy egészségkárosító hatású alfasugárzás csekély áthatolóképessége miatt agöngyöleg felületén át nem is lehet mérhető.

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

Mint említettük, a nemzetközi gyakorlat számos más kategorizálási elvet és rendszert is ismer. Két ilyen, Magyarországon egyelőre nem hivatalosan használt esetet érdemes megemlíteni. A “vegyes hulladék” fogalmával számos országban a radioaktivitásán kívül egyéb, pl. kémiai okból is veszélyes hulladékokat jelölik. Több országban, így az USA-ban és Nagy-Britanniában a nagyaktivitású hulladék fő ismérve nem az aktivitáskoncentráció, hanem az a sajátosság, hogy az ilyen nagy koncentrációjú radioaktív anyagban a bekövetkezett bomlások miatti hőfejlődés fűtőteljesítménye eléri a 2 kW/m³ értéket.

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

-a hulladékok összegyűjtése, előzetes minősítése és ideiglenes tárolása,

-a hulladékok szállítása,

-a hulladékfeldolgozás, melynek részlépései a halmazállapottól és a hulladékok osztályától függnek,

-a feldolgozott hulladék elszállítása és átmeneti tárolása,

-a hulladék végleges elhelyezése (temetése).

E csoportok közül a hulladékfeldolgozás és az átmeneti illetve végleges elhelyezés számos, egymástól élesen különböző eljárást foglal össze. A hulladékfeldolgozás szilárd hulladékok esetén az alábbi eljárásokat jelentheti: tömörítés (préselés), égetés, rögzítés (kondicionálás, lásd később). Folyékony halmazállapotú, kis és közepes aktivitású hulladékok esetén az elhelyezési költségek csökkentését célzó térfogatcsökkentésre igen sok lehetőség van: alkalmazható az oldatok bepárlása, égetése, a radioaktív komponensek lecsapása, szűrése, extrakciója, ioncseréje is. Valamennyi eljárás közös jellemzője, hogy a keletkező radioaktív anyag kisebb térfogatú és nyilvánvalóan nagyobb aktivitáskoncentrációjú lesz, mint a kiindulási oldat, és az “inaktív” anyagáram meg kell feleljen a mentességi kritériumoknak. A térfogatcsökkentést szilárdítás (kondicionálás) követi. Vizes alapú oldatokat általában cementezéssel, szerves alapúakat bitumenezéssel szilárdítanak. Bár a szilárdítás nyilvánvalóan térfogat-növekedéssel jár, azaz rontja a későbbi elhelyezés gazdaságosságát, mégis szükséges, hiszen meg kell akadályozni a hulladék kikerülését a környezetbe. Újabb, elsősorban közepes- és nagyaktivitású hulladékoknál gazdaságos kondicionálási eljárás az üvegesítés (vitrifikáció). Ennek során a szilárd(ított) hulladékot olvasztott üvegmasszába keverik, amely megszilárdulva a többi eljárásnál sokszorta hatékonyabban rögzíti a radioaktív szennyezést. Igen fontos, hogy az üveg különleges szerkezete ellenáll a nagyaktivitású hulladékok esetében nem elhanyagolható hőfejlődésnek is.

A kiégett fűtőelemek feldolgozása, a reprocesszálás újrahasznosításra alkalmatlan, nagyaktivitású melléktermékei is hulladékként kezelendők. A fenti eljárásokon kívül ezen anyagokkal kapcsolatban egy különleges nukleáris reaktort igénylő feldolgozási módszerrel is kísérleteznek, a transzmutációval, ami a hosszú felezési idejű radionuklidok neutronbesugárzással történő átalakítását jelenti. 

A kiégett fűtőelemek újrahasznosításának területén további fejlődés várható. Még fokozottabban igaz ez a hulladékok viselkedésének, környezetbe való kikerülésének és ottani terjedésének tudományára. Ezért jelenleg a legtöbb állam nem tartja indokoltnak és gazdaságosnak a kiégett fűtőelemek végleges eltemetését. A kiégett és újrahasznosításra egyelőre nem szánt fűtőelemeket ezért a sugárvédelmi biztonságnak megfelelően kialakított, általában 50 évre tervezett élettartamú átmeneti tárolókban helyezik el. A Földön keletkező radioaktív hulladék térfogatának 99 %-a kis és közepes aktivitású, ezek végleges elhelyezése igen jelentős és költséges feladat. A tárolók két típusa ismeretes: a felszínközeli (legfeljebb 15-30 m mélységű) és a felszín alatti (mélységi, geológiai, legalább 300 m mélységű) hulladéktemetők. Európa két legnagyobb tárolója, L’Aube (Franciaország, 1000000 m³) és Drigg (Anglia, 800000 m³) felszínközeli tároló. Magyarország ezidőszerint egyetlen radioaktív hulladéktárolója Püspökszilágyon (5000 m³) szintén felszínközeli. A paksi atomerőmű kis és közepes aktivitású hulladékainak elhelyezésére tervezett tároló valószínűleg felszín alatti lesz.

A sugárvédelem és a nukleáris biztonság szervezetei 

Az Egyesült Nemzetek Szövetsége 1957-ben megalapította a Nemzetközi Atomenergia Ügynökséget (NAÜ, angol rövidítéssel IAEA). A szervezet elő kívánja segíteni a nukleáris létesítmények biztonságos, balesetmentes működését és ezzel együtt 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 energiatermelő és kutatóreaktorok fűtőelemeinek állapotát, a bennük található urán és plutónium mennyiségét. (A nyilvántartandó legkisebb mennyiség urán esetében 1 kg, plutóniumnál 1 g.) A reaktorok biztonsági színvonalát hasonló rendszerességgel és alapossággal vizsgálják A megfelelő biztonsági szint megtartatása különösen olyan országok esetében nehéz, amelyek általános fejlettségi színvonala lényegesen alacsonyabb, mint az ott üzemelő atomerőműveké.

Az utóbbi évtizedekben fokozatosan nőtt a NAÜ jelentősége a sugárvédelmi szabályzás területén 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 saját szabályozási és dóziskorlátozási rendszerüket.

Magyarországon a nukleáris biztonsági és sugárvédelmi hatósági rendszert a korábban már említett 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 Kormány közvetlen irányítása alatt álló Országos Atomenergia Hivatal (OAH) hatáskörébe tartoznak. Az Egészségügyi Minisztériumhoz rendelt Állami Népegészségügyi és Tisztiorvosi Szolgálat (ÁNTSZ) felelős a személyi sugárvédelem szabályozásáért és ellenőrzéséért. A Környezetvédelmi Minisztériumok felügyelőségei ellenőrzik a környezetbe esetleg kikerülő radioaktivitást a nukleáris létesítmények szomszédságában, de környezeti ellenőrző méréseket végeznek a Földművelési Minisztérium szakhatóságai is. Végül a hazai és a határokon kívüli eredetű, nukleáris balesetekből származó légköri radioaktivitás folyamatos ellenőrzése a Belügyminisztérium által működtetett ONER-hálózat feladata. 

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