ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Το ξέρετε ότι οι πυρηνικοί αντιδραστήρες λειτουργούν χιλιάδες χρόνια στην γή; Αυτή την εκπληκτική ανακάλυψη έκαναν Γάλλοι επιστήμονες αναλύοντας το ουράνιο σε ένα ορυχείο της Αφρικής. Η γεωλογική εξέλιξη και η εμφάνιση του οξυγόνο συνέβαλλαν στη δημιουργία φυσικών αντιδραστήρων που βρίσκονται βαθιά μέσα στο φλοιό της γής. Πολύ αργότερα ο άνθρωπος τους επαναδημιούργησε. Στη δεκαετία του ’40, το πετρέλαιο, το κάρβουνο και το νερό παρήγαγαν το μεγαλύτερο μέρος του ηλεκτρισμού στον κόσμο. Όμως, μια νέα πηγή αναδύθηκε από τα εργαστήρια της φυσικής και είναι η σημαντικότερη όλων. Η πυρηνική ενέργεια. Οι πρώτοι πυρηνικοί αντιδραστήρες, οι ατομικές στήλες δεν παρήγαγαν ηλεκτρική ενέργεια. Μας βοήθησαν όμως να ανακαλύψουμε τα μυστικά των πυρηνικών φαινομένων και να τα ελέγξουμε.

Πριν πολλά χρόνια χτίστηκαν τσιμεντένια κτίρια που στέγαζαν τους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Υπάρχουν πολλά είδη πυρηνικών αντιδραστήρων. Ο πιο κοινός είναι ο αντιδραστήρας πεπιεσμένου ύδατος τον οποίο και θα περιγράψουμε. Αυτό το είδος αντιδραστήρα βασίζεται στην ίδια αρχή που βασίζονται και τα άλλα είδη αντιδραστήρων, δηλαδή την πυρηνική σχάση. Πυρηνική σχάση είναι η ιδιότητα κάποιων ατόμων να διασπόνται παράγοντας μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Όλα τα άτομα αποτελούνται από έναν πυρήνα που περιβάλλεται από ένα σύννεφο ηλεκτρονίων. Αυτός ο πυρήνας περιέχει και άλλα δύο είδη σωματιδίων σε διάφορους αριθμούς. Τα νετρόνια και τα πρωτόνια. Αυτά τα σωματίδια αλληλοσυγκρατούνται με μια ισχυρή δύναμη που οι φυσικοί ονομάζουν ‘ενέργεια σύνδεσης’. Στη φύση, οι περισσότεροι ατομικοί πυρήνες είναι σταθεροί. Ο μόλυβδος θα είναι πάντα μόλυβδος. Όμως υπάρχει μόνο ένας πυρήνας που μπορεί να διασπασθεί συγκρουόμενος με ένα νετρόνιο και απελευθερώνοντας ένα μέρος της συνδετικής τους ενέργειας. Πρόκειται για τον πυρήνα του ουρανίου 235. Ο αριθμός 235 αντιστοιχεί στην ποσότητα των πρωτονίων και νετρονίων μέσα στον πυρήνα. Και άλλα στοιχεία κατασκευασμένα από τον άνθρωπο, όπως το πλουτώνιο μπορεί επίσης να διασπασθεί. Η σχάση του ουρανίου 235 δεν είναι αυθόρμητη. Για να διασπασθεί ένα νετρόνιο πρέπει να συγκρουσθεί με τον πυρήνα του ουρανίου.

Τότε ο πυρήνας διασπάται, απελευθερώνει ενέργεια μαζί με δύο ή τρία άλλα νετρόνια. Καθώς διαφεύγουν, αυτά τα νετρόνια μπορούν να συγκρουστούν με άλλους πυρήνες ουρανίου 235 προκαλώντας πάλι σχάση, απελευθερώνοντας και άλλα νετρόνια και ενέργεια κ. ο. κ. Αυτή είναι η φημισμένη αλυσίδα των αντιδράσεων που αποτελεί πηγή ενέργειας στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Για να διευκολυνθεί αυτή η αλυσίδα αντιδράσεων, οι αντιδραστήρες πεπιεσμένου ύδατος χρησιμοποιούν ένα καύσιμο μέσω μιας σύνθετης διαδικασίας, αυξάνεται η ποσότητα του ουρανίου 235. Πρόκειται για ένα εμπλουτισμένο ουράνιο. Το ουράνιο 235 αποτελείται κυρίως από το ουράνιο 238, ένα άτομο που δεν έχει τη δυνατότητα διάσπασης. Αν χρησιμοποιείται το φυσικό ουράνιο θα γινόταν μόνο μια σύγκρουση των νετρονίων με τον πυρήνα του ουρανίου 235, και έτσι η αλυσίδα αντιδράσεων θα εξελίσσονταν πιο δύσκολα. Επίσης τα απελευθερωμένα νετρόνια ταξιδεύουν με τόσο μεγάλη ταχύτητα που θα υπήρχε μικρή πιθανότητα με τον πυρήνα ενός ουρανίου. Για να αυξηθούν οι πιθανότητες σύγκρουσης, πρέπει να μειωθεί η ταχύτητα των νετρονίων. Αυτό γίνεται με έναν μετατροπέα. Μια ουσία, που επιβραδύνει τα νετρόνια χωρίς να τα απορροφά. Στον αντιδραστήρα πεπιεσμένου ύδατος, το νερό είναι αυτός ο μετατροπέας. Η αλυσίδα των αντιδράσεων γίνεται στην καρδιά του αντιδραστήρα, μια ατσάλινη δεξαμενή με πεπιεσμένο νερό γεμάτη. Το καύσιμο που είναι σε μορφή σβώλων, είναι μέσα σε μεταλλικές θήκες που ονομάζονται μολυβδίδες. Το νερό κυκλοφορεί ανάμεσα στις μολυβδίδες, επιβραδύνει τα νετρόνια που βγαίνουν από τη μια μολυβδίδα στην άλλη και έτσι ξεκινά μια αυτοσυντήρητη αλυσίδα αντιδράσεων. Το νερό όμως, που κυκλοφορεί στην καρδιά του αντιδραστήρα δεν ενεργεί μόνο ως μετατροπέας. Χρησιμοποιείται και ως μέσο ελέγχου της θερμοκρασίας και αποτρέπει την υπερθέρμανση της καρδιάς του αντιδραστήρα. Αυτό το νερό που ονομάζεται και πρωτεύων νερό, έχει μια ακόμα σημαντική λειτουργία: Θερμόμενο από το καύσιμο, εισχωρεί σε μυριάδες σωλήνες στη γεννήτρια ατμού γύρω από την οποία επίσης κυκλοφορεί νερό. Το νερό που κυκλοφορεί γύρω από αυτές τις σωλήνες, το δευτερεύων νερό, εξατμίζεται. Ο ατμός μεταβιβάζεται σε μια τεράστια τουρμπίνα που ενεργοποιεί έναν μεταλλάκτη ο οποίος παράγει ηλεκτρισμό. Ο ατμός δεν αποβάλλεται στο περιβάλλον. Υγροποιείται σε επαφή με ένα τρίτο κύκλωμα, το κύκλωμα ψύξης. Ένας σταθμός με αντλίες τροφοδοτεί το τρίτο κύκλωμα με κρύο νερό από τη θάλασσα ή από κάποιο ποτάμι. Το νερό από κάθε κύκλωμα επιστρέφει στο αρχικό του σημείο. Το τριτεύον νερό επιστρέφει στη θάλασσα ή στο ποτάμι, το δευτερεύον νερό επιστρέφει στη γεννήτρια ατμού και το πρωτεύον στη δεξαμενή του αντιδραστήρα. Αυτά τα τρία κυκλώματα ανταλλάσσουν θερμότητα, αλλά ποτέ υπό φυσιολογικές συνθήκες, νερό. Έτσι μειώνονται οι πιθανότητες μόλυνσης του περιβάλλοντος αφού μόνο το πρωτεύον νερό είναι ραδιενεργό που έρχεται σε επαφή με τα στοιχεία του καυσίμου. Αν δεν δημιουργηθεί διαρροή η ραδιενέργεια αυτή δεν μεταβιβάζεται στο δευτερεύον νερό.

Η πυρηνική ενέργεια έχει και τα μειονεκτήματά της, αλλά από άποψη αποτελεσματικότητας είναι αξεπέραστη. Η σχάση ενός ουρανίου 235 παράγει τόση ενέργεια, όση δύο τόνοι κάρβουνο σε ένα κλασσικό σταθμό ηλεκτρικής ενέργειας. Η ασφαλής λειτουργία ενός σταθμού πυρηνικής ενέργειας, αποτελεί μια τεράστια πρόκληση. Μπορεί να επιτευχθεί μόνο με την αύξηση των φραγμάτων, ανάμεσα στον πυρηνικό αντιδραστήρα και το περιβάλλον.

Χιροσίμα, 6 Αυγούστου 1945. Εκείνη τη μέρα η ανθρωπότητα ανακάλυψε με τρόμο τη φοβερή δύναμη του ατόμου. Ευτυχώς οι φυσικοί έμαθαν πώς να δαμάζουν αυτήν την ενέργεια για ειρηνικούς σκοπούς.

Μεγάλα βήματα έχουν γίνει σήμερα αν αναλογιστούμε ότι η πυρηνική ενέργεια παράγει το 20% του ηλεκτρισμού σε όλο τον κόσμο, και γενικά οι επιδράσεις της στην υγεία και το περιβάλλον έχουν ελαχιστοποιηθεί. Εκτός βέβαια από κάποιες εξαιρέσεις, όπως το τρομερό ατύχημα στο Τσέρνομπιλ. Είναι γεγονός, πως η ασφάλεια ενός πυρηνικού αντιδραστήρα απαιτεί πολλά σύνθετα και δαπανηρά μέτρα και τεχνικές. Η ασφάλεια ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, βασίζεται, σε μια αρχή που λέγεται ‘άμυνα σε βάθος’. Αντικειμενικός στόχος της ‘άμυνας σε βάθος’, είναι η μείωση των πιθανών ατυχημάτων τα οποία θα μολύνουν το εργατικό δυναμικό, το περιβάλλον, ακόμα και τον πληθυσμό. Μια από τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται είναι η δημιουργία ασπίδων όσο πιο αξεπέραστων γίνεται ανάμεσα στην καρδία του πυρηνικού αντιδραστήρα και τον εξωτερικό κόσμο. Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες πεπιεσμένου ύδατος, έχουν τρεις τέτοιες ασπίδες. Είναι διατεταγμένες όπως περίπου οι ‘ρώσικές κούκλες’. Η πρώτη ασπίδα αποτελείται από αεροστεγές μέταλλο, μέσα στην οποία είναι σφραγισμένοι οι σβώλοι του καυσίμου. Η δεύτερη ασπίδα είναι μια δεξαμενή πάχους 20 εκατοστών. Μέσα σ’ αυτή τη δεξαμενή που είναι γεμάτη με νερό και κλείνεται με ένα βαρύ μολύβι, βρίσκονται οι μολυβδίδες του καυσίμου. Η Τρίτη ασπίδα είναι ένας τσιμεντένιος τοίχος, που ονομάζεται κτίριο του αντιδραστήρα. Το κτίριο του αντιδραστήρα έχει σχεδιασθεί έτσι ώστε να αντέχει σε μεγάλα εξωτερικά χτυπήματα όπως η πτώση ενός αεροπλάνου ή ένας πολύ μεγάλος σεισμός. Σύμφωνα με τους ειδικούς, αυτή η τριπλή ασπίδα, εξουδετερώνει κάθε κίνδυνο μόλυνσης τους περιβάλλοντος. Για να περάσουν τα ραδιενεργά στοιχεία προς τα έξω, πρέπει να υπάρχει ταυτόχρονη διαρροή και στις τρεις ασπίδες και είναι ελάχιστη η πιθανότητα για να συμβεί κάτι τέτοιο. Ένας σταθμός πυρηνικής ενέργειας παράγει συνεχώς και ελαφρός ραδιενεργά απόβλητα, αλλά αυτά τα υγρά και τα αέρια απολυμαίνονται και ελέγχονται αυστηρά πριν απελευθερωθούν στο περιβάλλον. Μέσα στο εργοστάσιο λαμβάνονται πολλά μέτρα ασφαλείας που διασφαλίζουν την προστασία του προσωπικού.

Οι υπάλληλοι υποβάλλονται σε συστηματικούς ελέγχους για μόλυνση και το επίπεδο έκθεσης σε ραδιενέργεια. Η ασφάλεια των πυρηνικών αντιδραστήρων όμως, δεν περιλαμβάνει μόνο τον έλεγχο του πεδίου έκθεσης σε ραδιενέργεια των ανθρώπων, αλλά αποσκοπεί και στη μείωση των πιθανοτήτων σοβαρών ατυχημάτων. Γι’ αυτό οι αντιδραστήρες εξοπλίζονται με συστήματα που επιβραδύνουν ή σταματούν την αλυσίδα των αντιδράσεων. Ειδικοί ράβδοι, βυθίζονται στην καρδιά του αντιδραστήρα σε διάφορα βάθη. Οι ράβδοι απορροφούν τα νετρόνια που συμβάλουν στην συνέχιση της αλυσίδας των αντιδράσεων. Αυτό ή επιβραδύνει τις αντιδράσεις ή τις σταματά εντελώς. Ο αντιδραστήρας μπορεί να σταματήσει είτε αυτόματα είτε με το χέρι από την αίθουσα ελέγχου. Αν οι ράβδοι δεν λειτουργήσουν όπως πρέπει, μπορεί να προκληθεί μια αλυσίδα ανεξέλεγκτων αντιδράσεων και συνεπώς κάποιο ατύχημα. Σ’ αυτό το είδος πυρηνικού αντιδραστήρα μπορεί να συμβεί ατύχημα αν το νερό που ψύχει τον αντιδραστήρα σταματήσει να κυκλοφορεί. Στην χειρότερη περίπτωση η θερμοκρασία αυξάνεται στο κρίσιμο σημείο τήξης της καρδιάς του αντιδραστήρα. Αυτή είναι η χειρότερη καταστροφή που μπορεί να συμβεί σ’ αυτό το είδος αντιδραστήρα. Το μολυσμένο νερό που βρίσκεται στη δεξαμενή του αντιδραστήρα θα αρχίσει να βράζει και στη συνέχεια η δεξαμενή θα εκραγεί. Τήξη της καρδιάς του αντιδραστήρα συνέβη μια φορά στις ΗΠΑ, αλλά ευτυχώς δεν απελευθερώθηκε ενέργεια στο περιβάλλον.

Μια πολλά υποσχόμενη τεχνική αποτελεί χρήση ενός ισχυρού Computer που αναπαριστά και μελετάει πώς συμπεριφέρεται ένας πυρηνικός αντιδραστήρας σε επικίνδυνες περιστάσεις. Αυτό το σύστημα αναπαράγει σε πραγματικό χρόνο τη συμπεριφορά ενός αντιδραστήρα σε κάθε περίσταση. Από την αίθουσα ελέγχου αναπαριστώνται διάφορα ατυχήματα, όπως η διαρροή ή η αποτυχία μιας ασπίδωσης. Μια άλλη οθόνη που ονομάζεται σταθμός εκπαίδευσης, οπτικοποιεί ένα μέρος ή όλο τον αντιδραστήρα για να παρατηρούνται τα φυσικά φαινόμενα που γίνονται μέσα. Από την αίθουσα ελέγχου γίνονται προσπάθειες να διατηρηθεί η κατάσταση υπό έλεγχο. Π. χ. Για να διατηρηθεί η θερμοκρασία ή η πίεση του αντιδραστήρα μέσα σε ασφαλή πλαίσια. Αυτό το εργαλείο επιτρέπει στους επιστήμονες να βρίσκουν τρόπους αντιμετώπισης κάθε πιθανής καταστροφής.

Σήμερα κάθε χώρα που έχει αναπτύξει πυρηνική βιομηχανία, αντιμετωπίζει ένα πολύ λεπτό πρόβλημα. Πώς να διαθέσει τους τόνους ραδιενεργών αποβλήτων που συνεχίζουν να συσσωρεύονται. Η πυρηνική ενέργεια ανακαλύφθηκε πριν λίγες δεκαετίες μόνο και ήδη οι χρήσεις της είναι αμέτρητες. Σήμερα είναι από τις καλύτερες πηγές ελεγχόμενης ενέργειας. Η εικόνα όμως δεν είναι τελείως ρόδινη. Όπως όλες οι ανθρώπινες δραστηριότητες, η πυρηνική ενέργεια παράγει απόβλητα, και ως σήμερα το πρόβλημα των πυρηνικών αποβλήτων είναι άλυτο.

Αυτό που κάνει τα πυρηνικά απόβλητα τόσο επικίνδυνα είναι η ραδιενέργειά τους. Ένα σώμα είναι ραδιενεργό όταν τα άτομά του είναι ασταθή. Προσπαθώντας να επανέλθουν στη σταθερή τους κατάσταση τα άτομα απελευθερώνουν ραδιενέργεια σε μορφή σωματιδίων ή ενέργειας. Αυτή η ραδιενέργεια είναι πολύ τοξική για όλα τα έμβια όντα. Πέρα από κάποια συγκεκριμένα επίπεδα προκαλεί καρκίνο και μεταλλάξεις για παράδειγμα. Ευτυχώς τα ραδιενεργά στοιχεία δεν είναι αθάνατα. Εκπέμποντας ραδιενέργεια γίνονται νέα στοιχεία που τελικά η ενέργειά τους εξαντλείται. Ο χρόνος που απαιτείται για τη δραστηριότητα ενός συγκεκριμένου ραδιενεργού στοιχείου να μειώσει κατά το ήμισυ την αρχική του τιμή ραδιενέργειας, ονομάζεται ‘ημιπερίοδος ζωής’. Οι ημοπερίοδοι της ζωής, ποικίλουν σημαντικά. Κυμαίνονται από μερικά δέκατα του δευτερολέπτου μέχρι πολλά δισεκατομμύρια χρόνια. Τα πιο επικίνδυνα στοιχεία έχουν μια μέση ημιπερίοδο ζωής. Π. χ. το ιώδιο 131 έχει διάρκεια ζωής 8 ημέρες, το πλουτώνιο 239, 24.000 (είκοσι τέσσερις χιλιάδες χρόνια). Κατά κανόνα η ραδιενέργεια ενός στοιχείου μειώνεται πολύ σταδιακά. Υπολογίζεται ότι χρειάζεται δέκα (10) ημιπεριόδους ζωής, για να σταματήσει ένα στοιχείο να απειλεί σοβαρά.

Υπάρχουν διάφορα είδη πυρηνικών αποβλήτων. Ανάλογα με την προέλευσή τους και τη δραστηριότητά τους. Ως επί το πλείστον έχουν ελάχιστη ή μέτρια δραστηριότητα και σύντομο διάστημα ζωής. Μεταξύ αυτών είναι τα ρούχα ή τα γάντια, οι λαμπτήρες και οι βελόνες των νοσοκομείων. Ενώ αποτελούν το 95% του συνόλου των πυρηνικών αποβλήτων εκπέμπουν λιγότερο από το 1% της συνολικής ραδιενέργειας και γι’ αυτό δεν αποτελούν σοβαρό πρόβλημα. Μπορούν να αποθηκευτούν σε τσιμεντένιες χωματερές, ανάλογες με τους αρχαίους τύμβους. Τα πυρηνικά απόβλητα που προκαλούν τη μεγαλύτερη ανησυχία είναι αυτά με υψηλή περιεκτικότητα σε ραδιενέργεια. Αυτά αποτελούν το 1% των συνολικών πυρηνικών αποβλήτων αλλά εκπέμπουν το 99% της συνολικής ραδιενέργειας και κυρίως η διάρκεια ζωής τους είναι δεκάδες χιλιάδες χρόνια. Αυτά τα απόβλητα προέρχονται κυρίως από τα σβησμένα καύσιμα των σταθμών πυρηνικής ενέργειας. Σε ένα σταθμό ενέργεια ένα καύσιμο σπάνια διαρκεί πάνω από 3-4 χρόνια και μετά παύει να είναι αποτελεσματικό. Το πρόβλημα είναι πώς θα διατεθούν αυτά τα σβησμένα καύσιμα. Ορισμένες τα χώρες ανακυκλώνουν. Τα σβησμένα καύσιμα δεν περιέχουν μόνο άχρηστες ουσίες αλλά και υλικά που μπορούν να ανακυκλωθούν για να παράγουν νέο πυρηνικό καύσιμο.