Gorenje drveta ili uglja je hemijska reakcija: atomi mijenjaju partnere, a jezgra im ostaju netaknuta. Nuklearne reakcije mijenjaju samo jezgro i pritom oslobađaju milione puta više energije po kilogramu goriva. Postoje dva osnovna puta do te energije, a po mnogo čemu su suprotni.
Odakle energija
U oba slučaja ukupna masa nakon reakcije nešto je manja nego prije nje. Razlika se pretvara u energiju prema Einsteinovoj relaciji E = mc². Budući da je brzina svjetlosti ogroman broj, i sićušan gubitak mase daje veliku količinu energije.
Najstabilnija su jezgra srednje veličine, poput željeza. Zato se energija dobija kada se vrlo teška jezgra cijepaju na manja ili kada se vrlo laka spajaju u veća.
Fisija: cijepanje teških jezgara
Kada neutron pogodi jezgro uranija-235, ono se raspadne na dva manja jezgra i oslobodi dva do tri nova neutrona. Ti neutroni mogu pocijepati sljedeća jezgra, pa nastaje lančana reakcija. U reaktoru se ona drži pod kontrolom pomoću šipki od materijala koji upijaju neutrone.
Oslobođena toplota zagrijava vodu, para pokreće turbinu, a turbina generator. Nuklearna elektrana se u tom dijelu ne razlikuje od termoelektrane, osim što ne sagorijeva gorivo i pri radu ne ispušta ugljen-dioksid.
Fisiju su 1938. godine otkrili njemački hemičari Otto Hahn i Fritz Strassmann, a fizičko objašnjenje dali su Lise Meitner i Otto Frisch. Prve nuklearne elektrane počele su raditi pedesetih godina prošlog stoljeća. Danas nuklearne elektrane proizvode oko desetinu svjetske električne energije.
Glavni izazovi fisije su radioaktivni otpad, čiji dio ostaje opasan hiljadama godina i mora se trajno odlagati, zatim sigurnost reaktora i nadzor nad materijalima koji se mogu zloupotrijebiti za oružje.
Fuzija: spajanje lakih jezgara
Fuzija je izvor energije Sunca i ostalih zvijezda, u kojima se jezgra vodika spajaju u helij. Poteškoća je u tome što su jezgra pozitivno nabijena i međusobno se odbijaju. Da bi se dovoljno približila, moraju se kretati ogromnim brzinama, što znači izuzetno visoku temperaturu.
Na Zemlji se najčešće istražuje spajanje dva teška oblika vodika, deuterija i tricija. Za to je potrebna temperatura viša od sto miliona stepeni, viša nego u središtu Sunca, jer se ne može postići pritisak kakav vlada u zvijezdi. Tako vrelu materiju, plazmu, ne može držati nijedna posuda, pa se ona zadržava snažnim magnetnim poljima ili se gorivo sabija laserima.
Prednosti fuzije su privlačne: gorivo se može dobiti iz vode i litija, reakcija se ne može oteti kontroli kao lančana reakcija, a ne nastaje dugoživući visokoradioaktivni otpad kakav ostaje u fisijskim reaktorima.
Dokle se stiglo
Fuzija je u laboratorijama postignuta odavno, ali je teško dobiti više energije nego što se u cijeli uređaj uloži i održavati reakciju dovoljno dugo. U eksperimentima su zabilježeni važni pomaci, a u južnoj Francuskoj se gradi veliki međunarodni eksperimentalni reaktor ITER. Nijedna fuzijska elektrana, međutim, još ne isporučuje struju u mrežu, a procjene o tome kada bi se to moglo desiti razlikuju se i treba ih uzimati s oprezom.
