Η Πυρηνική Σχάση-Τέσσερα σημειώματα για την Πυρηνική Ενέργεια

 Τέσσερα σημειώματα για την Πυρηνική Ενέργεια: α) Πυρηνική Σχάση, β) Ασφάλεια και Ατυχήματα στους Πυρηνικούς Αντιδραστήρες γ) Χειρισμός Πυρηνικών Καταλοίπων, και δ) Πυρηνική Σύντηξη.

 Ο Enrico Fermi και ο Leó Szilárd κατασκεύασαν τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα, στο Πανεπιστήμιο του Chicago, και υλοποίησαν την πρώτη ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση (2 Δεκεμβρίου 1942).

Οι πρώτοι πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή εμπλουτισμένου Ουρανίου με απώτερο σκοπό την κατασκευή πυρηνικών όπλων. Ήδη από τα μέσα του 1950, καθώς οι ενεργειακές ανάγκες σε παγκόσμιο επίπεδο άρχισαν γίνονται πιεστικές, οι επιστήμονες στράφηκαν στην πυρηνική ενέργεια, α) ως εναλλακτική λύση έναντι του άνθρακα και του πετρελαίου και β) λόγω της εκπληκτικής ενεργειακής απόδοσής της: 1 kg καθαρού άνθρακα παράγει 10 περίπου κιλοβατώρες (kWh) ενώ 1 kg καθαρού Ουρανίου παράγει έως και 20 εκατομμύρια kWh.

Η πυρηνική ενέργεια είναι εξαιρετικά ενδιαφέρουσα μορφή ενέργειας, καθ’ όσον:

• Με κατανάλωση μικρών ποσοτήτων καυσίμου παράγονται τεράστιες ποσότητες ενέργειας, με μικρή ή μηδαμινή σε όγκο παραγωγή μολυντών (η επικινδυνότητα των μολυντών και η αποθήκευσή τους θα συζητηθεί σε επόμενο σημείωμα).
• Δεν συμβάλει καθόλου στην αύξηση του φαινομένου του θερμοκηπίου.
• Η κατασκευή εργοστασίων πυρηνικής ενέργειας στοιχίζει ακριβά, συγκριτικά με τα εργοστάσια τα οποία λειτουργούν με άνθρακα ή φυσικό αέριο. Η λειτουργία τους όμως είναι χαμηλού κόστους και ταυτόχρονα εξαιρετικά προσοδοφόρα.

Εφαρμογές

Αν εξαιρεθούν οι στρατιωτικές εφαρμογές οι οποίες είναι καταστροφικές για την ανθρωπότητα, οι ειρηνικές εφαρμογές της πυρηνικής ενέργειας είναι εξαιρετικά πολύτιμες και πολυάριθμες:

• Πυρηνική Ισχύς: • Ενέργεια για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, • Ενέργεια για οικιακή και βιομηχανική θέρμανση, • Παραγωγή Υδρογόνου, • Αφαλάτωση.
• Μεταστοιχείωση: • Παραγωγή Πλουτωνίου, χρήση για παραγωγή ενέργειας, • Παραγωγή ραδιοϊσοτόπων για βιομηχανική και ιατρική χρήση.
• Ερευνητικές Εφαρμογές: • Παραγωγή πηγών νετρονίων και ποζιτρονίων (φασματικές αναλύσεις, αρχαιολογικές χρονολογήσεις)

Η εξάπλωσή της πυρηνικής ενέργειας στον κόσμο

Παρ’ όλες τις επικρίσεις, όλο και περισσότερες χώρες επανεξετάζουν την προοπτική εγκατάστασης μονάδων παραγωγής πυρηνικής ενέργειας.

Χαρακτηριστικά, το 2010 η κυβέρνηση της Γερμανίας αποφάσισε να παρατείνει την λειτουργία των 17 πυρηνικών αντιδραστήρων της χώρας, ενόσω αναζητούνται και αναπτύσσονται εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Υπενθυμίζεται ότι, σύμφωνα με προηγούμενη απόφαση του Κοινοβουλίου, ο τελευταίος πυρηνικός αντιδραστήρας της χώρας θα διέκοπτε την λειτουργία του το έτος 2022. Ήδη, άνω του 80% των γερμανών πολιτών, δεν απορρίπτει πλέον την χρήση της πυρηνικής ενέργειας (δημοσκόπηση Ινστιτούτου FORSA, Ιούλιος 2010). Το αντίστοιχο ποσοστό το 2005 ήταν 59%.

Στην Γαλλία, περισσότερο από το 75% των ενεργειακών αναγκών της χώρας καλύπτεται από τα πυρηνικά εργοστάσια. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, ακόμη και πριν από το ατύχημα του Three Mile Island (1979), νέες παραγγελίες για κατασκευή πυρηνικών εργοστασίων είχαν ατονήσει, κυρίως για οικονομικούς λόγους (δαπανηρές και χρονοβόρες κατασκευές). Σήμερα, παρ’ όλο το ατύχημα της Fukushima στην Ιαπωνία, η τάση ζήτησης πυρηνικής ενέργειας είναι παρόμοια ανοδική με αυτήν των υπολοίπων προηγμένων χωρών.

ΤΕΧΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

Τύποι αντιδραστήρων

• Αντιδραστήρες Σχάσης (Fission Nuclear Reactors). Όλοι οι σημερινοί βιομηχανικοί πυρηνικοί αντιδραστήρες βασίζονται στην Αρχή διάσπασης βαρέων πυρήνων σε ελαφρύτερους. Με αυτήν την κατηγορία ασχολείται το παρόν σημείωμα.
• Συσκευές στις οποίες λαμβάνουν χώρα ελεγχόμενες πυρηνικές αντιδράσεις όπως οι Θερμοηλεκτρικές Γεννήτριες Ραδιοϊσοτόπων (Radioisotope Thermoelectric Generators - RTG), οι Ατομικοί Συσσωρευτές (Atomic Batteries), κ.ά., οι οποίες προορίζονται για εξειδικευμένες χρήσεις (π.χ. ως πηγές ισχύος σε δορυφόρους, διαστημόπλοια και γενικά σε μη-επανδρωμένα τηλεχειριζόμενα συστήματα, όπου δεν είναι δυνατή η χρήση ηλιακών συσσωρευτών).
• Oι Πυρηνικοί Αντιδραστήρες Σύντηξης (Fusion Nuclear Reactors) οι οποίοι βασίζονται στην Αρχή σύντηξης ελαφρών πυρήνων σε βαρύτερους, αποτελούν βασικό παράγοντα του ενεργειακού μέλλοντος της Ανθρωπότητος και περιγράφονται σε επόμενο σημείωμα.

Πυρηνική Σχάση

Υπενθυμίζεται ότι τα άτομα της ύλης αποτελούνται από πυρήνες (σύμπλεγμα σωματιδίων δύο ειδών, τα πρωτόνια με θετικό ηλεκτρικό φορτίο και τα ουδέτερα νετρόνια) και από τα περιφερόμενα, γύρω από τον πυρήνα, ηλεκτρόνια (με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο). Όταν ο πυρήνας είναι πολύ “βαρύς” (διαθέτει πολύ μεγάλο αριθμό σωματιδίων, όπως π.χ. οι πυρήνες του Ουρανίου) λέγεται “ενεργειακά ασταθής”. Εάν ο πυρήνας αυτός βομβαρδιστεί με νετρόνια, διασπάται σε δύο μικρότερους (θυγατρικούς) πυρήνες, περισσότερο σταθερούς, εκσφενδονίζει σωμάτια (όπως νετρόνια) ως παραπροϊόντα και παράλληλα απελευθερώνει ενέργεια. Η διαδικασία αυτή λέγεται πυρηνική σχάση (συμβαίνει και αυθόρμητα για λόγους ενεργειακής ισορροπίας).

Αυτά τα “εκσφενδονιζόμενα” νετρόνια μπορούν να προκαλέσουν σχάση σε γειτονικούς πυρήνες, και η διαδικασία να ανατροφοδοτείται αυτόματα έως ότου εξαντληθεί το καύσιμο. Το αποτέλεσμα είναι η έκλυση τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας και ακτινοβολίας, καθώς και νετρονίων και άλλων σωματιδίων.

H αυτοσυντηρούμενη αυτή “αλυσιδωτή αντίδραση”, εάν δεν είναι ελεγχόμενη, επιταχύνεται και εξαπλώνεται συνεχώς, προκαλώντας έκρηξη της οποίας η ισχύς είναι τεράστια (πυρηνικές βόμβες). Εάν ο ρυθμός παραγωγής νετρονίων και η ποσότητα σχάσιμων πυρήνων (π.χ. Ουρανίου) στην συνολική ποσότητα καυσίμου είναι ελεγχόμενα, παράγεται εκμεταλλεύσιμη ενέργεια.

Καύσιμο

Το Ουράνιο εξάγεται από το ορυκτό Πισουρανίτης, το οποίο εξορύσσεται σε ορυχεία σε πολλά μέρη του πλανήτη (Ναμίμπια, Ρωσία, Καζακστάν, Καναδά, Νότια Αφρική, Βραζιλία, Αυστραλία, Η.Π.Α.) και με χαμηλό σχετικά κόστος. Αποτελείται κυρίως από δύο ισότοπα (άτομα με ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων): το Oυράνιο-238 (U-238) σε αναλογία περίπου 99% και το Oυράνιο-235(U-235)σε αναλογία περίπου 1%.

Σχάσιμο είναι μόνο το U-235. Καθώς το ποσοστό του στο συνολικό καύσιμο δεν είναι αρκετό, οι περισσότεροι αντιδραστήρες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι με τέτοιο τρόπο σχεδιασμένοι, ώστε να λειτουργούν με εμπλουτισμένο Ουράνιο (εμπλουτισμός σημαίνει αύξηση του ποσοστού του ραδιενεργού U-235 έως το 3%). Το ελάχιστο σχάσιμο υλικό U-235 (3%) στο συνολικό καύσιμο είναι και η κύρια δικλείδα ασφαλείας, ώστε οι αλυσιδωτές πυρηνικές αντιδράσεις να διατηρούνται σε ελεγχόμενο ρυθμό (αντίθετα, στις πυρηνικές βόμβες το σχάσιμο υλικό U-235 υπερβαίνει το 90% στο συνολικό καύσιμο, η δε αλυσιδωτή αντίδραση συμβαίνει σε κλάσμα του δευτερολέπτου και είναι εντελώς ανεξέλεγκτη). 

Παραγωγή Ενέργειας

Το εμπλουτισμένο Ουράνιο παίρνει την μορφή σφαιριδίων (pellets) τα οποία συσκευάζονται σε“ράβδους καυσίμου (fuelpins)”. Οι ράβδοι καυσίμου τοποθετούνται στον αντιδραστήρα, προστίθεται “επιβραδυντικό υλικό (moderator)” (ύδωρ, βαρύ ύδωρ, στερεός γραφίτης, Βηρύλλιο, ή υδρογονάνθρακες) και ρυθμιστικές ράβδοι (ή "ράβδοι ελέγχου").  Το όλο σύστημα αποκαλείται συχνά “πυρήνας”.

Η σχάση του πυρήνα U-235 παράγει θυγατρικούς πυρήνες και νετρόνια. Οι θυγατρικοί πυρήνες εκτοξευόμενοι με τεράστια κινητική ενέργεια, συγκρούονται με άλλα άτομα και οι ράβδοι των καυσίμων θερμαίνονται. Τα παραγόμενα νετρόνια, εξερχόμενα από τις ράβδους καυσίμου, εισέρχονται στο επιβραδυντικό υλικό όπου και χάνουν σημαντικό μέρος της ενέργειάς τους (λέγονται πλέον “θερμικά” νετρόνια). Η απώλεια αυτή ενέργειας είναι ηθελημένη καθώς η νέα τους (χαμηλή) ενέργεια είναι η μόνη κατάλληλη για να προκαλέσει νέες σχάσεις. Πράγματι, τα θερμικά νετρόνια εισέρχονται εκ νέου στις ράβδους του καυσίμου και προκαλούν νέες σχάσεις πυρήνων U-235, κ.ο.κ.

Ωστόσο ο αριθμός των νετρονίων πρέπει να ελέγχεται για να μη γίνει η διαδικασία ανεξέλεγκτη και προκληθεί τήξη του αντιδραστήρα από την εκλυόμενη θερμότητα. Για το σκοπό αυτό, ράβδοι ελέγχου από ειδικά υλικά τα οποία απορροφούν αποτελεσματικά τα νετρόνια αλλά δεν λειώνουν εύκολα (Βόριο, Κάδμιο) βυθίζονται στην καρδιά του αντιδραστήρα ώστε να ελέγχεται ο ρυθμός των πυρηνικών αντιδράσεων.

Οι περισσότεροι πυρηνικοί αντιδραστήρες σήμερα διαθέτουν πυρήνα ο οποίος είναι βυθισμένος σε βάθος 6-7 μέτρων σε ανοικτή δεξαμενή, γεμάτη ψυκτικό υλικό (συνήθως νερό). Το ψυκτικό υλικό κυκλοφορεί υπό πίεση μέσα στα "κανάλια" του επιβραδυντή. Με την βοήθειά του, η θερμική ενέργεια η οποία απελευθερώνεται από την σχάση του πυρηνικού καυσίμου απάγεται και μεταφέρεται σε εναλλάκτη θερμότητας. Εκεί χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού, με τον οποίο τίθεται σε λειτουργία στρόβιλος ο οποίος με την σειρά του περιστρέφει ηλεκτρογεννήτρια. Ο πυρηνικός αντιδραστήρας εκπέμπει επίσης έντονη ακτινοβολία η οποία αξιοποιείται στην παραγωγή ραδιοϊσοτόπων για ιατρική κυρίως χρήση.

Θωράκιση εγκατάστασης

Το ψυκτικό υλικό ψύχει τον πυρήνα και ταυτόχρονα απορροφά την ακτινοβολία η οποία διαρρέει από αυτόν, λειτουργώντας ως (εσωτερική) θωράκιση. Ως επιπλέον (εξωτερική) θωράκιση, ολόκληρος ο αντιδραστήρας ευρίσκεται στο εσωτερικό ενός προστατευτικού κελύφους από σκυρόδεμα (μπετόν). Ο επιβραδυντής βρίσκεται στο εσωτερικό χαλύβδινου προστατευτικού περιβλήματος, κατασκευασμένου ώστε να αντέχει στις υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες στο εσωτερικό του αντιδραστήρα.

Ενδεικτική Βιβλιογραφία

1. NEI, “What is Nuclear Energy, https://www.nei.org/fundamentals/what-is-nuclear-energy, Nuclear Energy Institute, USA
2. Nuclear Energy, Advantages and disadvantages of nuclear power, https://nuclear-energy.net/advantages-and-disadvantages-of-nuclear-energy.html,nuclear-energy.net
3. Κάππας Κ, “Πόσο επικίνδυνη είναι η πυρηνική ενέργεια;”, Περισκόπιο της Επιστήμης, Τ.62, pp.46-61, 1983

 Ευχαριστήρια: στον Νίκο Πράντζο, αστροφυσικό και Διευθυντή Έρευνας στο Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών της Γαλλίας για την παραγωγική συζήτηση μαζί του και τις εξαιρετικά εύστοχες και διδακτικές παρατηρήσεις του.

*Ο Κώστας Κάππας είναι καθηγητής Ιατρικής Φυσικής - Ακτινοφυσικής του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου Λάρισας και του Ιατρικού Τμήματος Πανεπιστημίου Θεσσαλίας