Πυρηνική ενέργεια

Πυρηνική ενέργεια ονομάζεται η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν μετασχηματίζονται και διασπώνται οι ατομικοί πυρήνες. Είναι δηλαδή η δυναμική ενέργεια που είναι εγκλωβισμένη στους πυρήνες των ατόμων λόγω της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων που τα συνιστούν. Η πυρηνική ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη σχάση ή σύντηξη των πυρήνων και εφόσον οι πυρηνικές αντιδράσεις είναι ελεγχόμενες (όπως συμβαίνει στην καρδιά ενός πυρηνικού αντιδραστήρα) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καλύψει ενεργειακές ανάγκες.

Όταν ο πυρήνας ενός ατόμου ουρανίου βομβαρδίζεται από ένα νετρόνιο, προκαλείται «σχάση» απελευθερώνοντας ενέργεια και δύο νετρόνια που προκαλούν τη σχάση δύο πρόσθετων πυρήνων ουρανίου

Ιστορική επισκόπηση

Η Λίζε Μάιτνερ και ο Ότο Χαν στο εργαστήριο του ινστιτούτου χημείας Κάιζερ- Βίλχελμ (Kaiser-Wilhelm), στο Βερολίνο,1913. Το ινστιτούτο είναι προκάτοχό του ινστιτούτου χημείας Μαξ Πλανκ - Ότο Χαν του γερμανικού ερευνητικού οργανισμού Μαξ Πλανκ για την Προαγωγή της Επιστήμης.

Στις 16 Σεπτεμβρίου του 1954 ο Λιούις Στράους, ο πρόεδρος της Αμερικάνικης επιτροπής Ατομικής ενέργειας, στάθηκε μπροστά σε ακροατήριο επιστημόνων στη Νέα Υόρκη και με σιγουριά τους διαβεβαίωσε ότι τα παιδιά τους θα απολάμβαναν την ηλεκτρική ενέργεια, υπερβολικά φτηνή, με μηδαμινό κόστος. Η πρώτη εργαστηριακή πυρηνική σχάση επιτεύχθηκε από τους φυσικούς Ότο Χαν και Λίζε Μάιτνερ, το 1938 στο Βερολίνο. Οι δυο τους «βομβάρδισαν» ουράνιο με νετρόνια σε μια προσπάθεια να το μετατρέψουν στο άγνωστο τότε στοιχείο με ατομικό αριθμό 93 (το ουράνιο έχει Α.Α. 92 και η προσθήκη στον πυρήνα του ενός νετρονίου θα έπρεπε, όπως είχε ήδη διαπιστωθεί ότι συνέβαινε με ελαφρύτερα στοιχεία, να το μετασχηματίσει σε ένα νέο στοιχείο με ένα πρωτόνιο παραπάνω). Το παραγόμενο όμως στοιχείο είχε ιδιότητες πολύ διαφορετικές από τις αναμενόμενες (για ένα βαρύ στοιχείο με Α.Α. 93), γεγονός ανεξήγητο για τους δύο επιστήμονες.

Εκείνη την περίοδο η Μάιτνερ λόγω της εβραϊκής καταγωγής της υποχρεώθηκε να εγκαταλείψει το Βερολίνο και ο Χαν συνέχισε τα πειράματά του με τον επίσης γερμανό φυσικό Φριτς Στράσμαν. Σύντομα οι τρεις (η Μάιτνερ εξόριστη στη Σκανδιναβία) κατέληξαν σε ένα πολύ τολμηρό συμπέρασμα: Το παραγόμενο στοιχείο με τις αναπάντεχες ιδιότητες ήταν βάριο, που έχει Α.Α. μόλις 56. Αυτό σήμαινε ότι με κάποιο τρόπο η προσθήκη νετρονίου στον πυρήνα του ουρανίου προκαλούσε τη «σχάση» του, όπως ονόμασε τη διαδικασία η Μάιτνερ, σε δύο στοιχεία: Το Βάριο που ήδη ήταν γνωστό και ένα ακόμα στοιχείο (το οποίο αργότερα ονομάστηκε Τεχνήτιο) με Α.Α. 43, απελευθερώνοντας μάλιστα τεράστια ποσά ενέργειας. Εκείνο όμως που έκανε ακόμα πιο ενδιαφέρουσα την ανακάλυψη, ήταν η απελευθέρωση (με τη σχάση) δύο νετρονίων, παρέχοντας τη δυνατότητα για μια αλυσιδωτή αντίδραση. Έτσι, τα δύο νετρόνια που απελευθερώνονται κατά τη σχάση του πυρήνα Ουρανίου προκαλούν τη σχάση δύο πρόσθετων πυρήνων Ουρανίου, απελευθερώνοντας 4 νετρόνια που με τη σειρά τους προκαλούν τη σχάση τεσσάρων πυρήνων κ.ο.κ. Με τον τρόπο αυτό μια ελάχιστη ποσότητα Ουρανίου μπορεί να απελευθερώσει με την αλυσιδωτή σχάση της ένα γιγαντιαίο ποσό ενέργειας, που —όπως έγινε σύντομα κατανοητό— είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί είτε για ειρηνικούς σκοπούς (την κάλυψη ενεργειακών αναγκών) είτε για την κατασκευή πυρηνικών βομβών.

Πυρηνική ενέργεια για μη στρατιωτικούς σκοπούς

Πυρηνικός σταθμός ενέργειας στο Κατενόμ της Γαλλίας. Μη ραδιενεργός ατμός εξέρχεται από τους ψυκτικούς πύργους.

Αρχή λειτουργίας

Σχήμα 1, PWR.

Σχήμα 2, BWR.

Σε έναν τυπικό πυρηνικό αντιδραστήρα για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ο πυρήνας του αντιδραστήρα (reactor core) αποτελείται από 80 με 100 τόνους ουρανίου σε παραπάνω από 30.000 ράβδους καυσίμων. Οι ράβδοι καυσίμων αποδίδουν τη θερμότητα που παράγουν στο νερό, σε μια σειρά ατμοπαραγωγών (μπόιλερ) (σύστημα τύπου PWR, σχήμα 1) ή άμεσα (το δοχείο του αντιδραστήρα είναι και δοχείο ατμοπαραγωγής, σύστημα τύπου BWR, σχήμα 2). Ο ατμός συνεχίζει την πορεία του για την κίνηση ατμοστροβίλων (τουρμπίνες) που συνδέονται με μια ηλεκτρική γεννήτρια. Ακολουθεί ψύξη του κορεσμένου ατμού που εξέρχεται από τους ατμοστροβίλους, ο οποίος συμπυκνώνεται και διοχετεύεται και πάλι στο σύστημα. Ο διαχωρισμός του νερού ψύξης σε δακτυλίους συμβάλει στην ελαχιστοποίηση του ρίσκου να φτάσει το μολυσμένο νερό στο περιβάλλον. Οι μεγάλες ποσότητες ατμού που βλέπουμε να εξέρχονται από τους πύργους ψύξης προέρχονται από κύκλωμα νερού ψύξης που είναι ανεξάρτητο από το σύστημα ατμοπαραγωγής.

Ιστορικά

Στη διάρκεια της δεκαετίας του 1940 πολλές χώρες ανέπτυξαν πυρηνικά προγράμματα προσανατολισμένα στην κατασκευή πυρηνικών όπλων. Μόλις το 1951 χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά πυρηνικός αντιδραστήρας για μη στρατιωτικούς σκοπούς και συγκεκριμένα για τη δοκιμαστική παραγωγή μικρής ποσότητας ηλεκτρικού ρεύματος (ΗΠΑ, Αϊντάχο). Στις 27 Ιουνίου 1954 πρώτη φορά πυρηνικός αντιδραστήρας συνδέθηκε με εθνικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας (ΕΣΣΔ, Ομπνίσκ) παρέχοντάς του σε μόνιμη βάση ηλεκτρικό ρεύμα.

Στη διάρκεια της δεκαετίας του 1950 ήταν διάχυτη η αισιοδοξία ότι η πυρηνική αποτελούσε τη νέα «μαγική» ενέργεια που θα κάλυπτε τις παγκόσμιες ενεργειακές ανάγκες με πολύ χαμηλό κόστος. Μάλιστα ο πρόεδρος της Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας των ΗΠΑ Λιούις Στράους έμεινε στην ιστορία για τη λανθασμένη του πρόβλεψη «στο μέλλον η πυρηνική ενέργεια θα είναι τόσο φθηνή, που δεν θα κάνουμε τον κόπο να την κοστολογούμε». Ο Λιούις είχε επίσης προβλέψει ότι το 2000 στις ΗΠΑ θα λειτουργούσαν 1.000 πυρηνικοί σταθμοί. Έπεσε και σε αυτό έξω (λειτουργούν 104), καθώς η κατασκευή νέων πυρηνικών σταθμών ουσιαστικά ανεστάλη λόγω του ατυχήματος στο Three Mile Island το 1979, αλλά και επειδή η παραγωγή ηλεκτρισμού με φυσικό αέριο ήταν φτηνότερη. Άλλο ζήτημα που καθιστά την πυρηνική ενέργεια λιγότερο δημοφιλή από όσο τη φαντάζονταν επιστήμονες και πολιτικοί πενήντα χρόνια πριν, είναι το κόστος της επεξεργασίας και αποθήκευσης των πυρηνικών αποβλήτων.

Η διάδοση των πυρηνικών σήμερα

Σήμερα 31 χώρες διαθέτουν συνολικά 439 πυρηνικούς αντιδραστήρες σε λειτουργία παράγοντας το 14% του ηλεκτρισμού του κόσμου. Η Γαλλία, χάρη στους 58 αντιδραστήρες της αναδεικνύεται πρωταθλήτρια στον τομέα (ποσοστό ενεργειακής κάλυψης 78%). Για να τους «κινήσει» καταναλώνει 10.000 τόνους ουρανίου καυσίμου το χρόνο. Σήμερα σε όλο τον κόσμο κατασκευάζονται γύρω στους 64 αντιδραστήρες, οι 26 εκ των οποίων στην Κίνα, με δεύτερη τη Ρωσία με 10, και τρίτη την Ινδία με 6. Αρκετές ακόμα χώρες διαθέτουν πυρηνικούς αντιδραστήρες μικρής ισχύος για ερευνητικούς σκοπούς. Ανάμεσά τους η Ελλάδα με τον αντιδραστήρα ισχύος 5 μεγαβάτ στο Κέντρο Έρευνας «Δημόκριτος».

Πυρηνικά ατυχήματα

Το πρώτο πυρηνικό ατύχημα με διαρροή ραδιενέργειας συνέβη στον Καναδά, το 1952. Ήταν ωστόσο μικρής κλίμακας και δεν προκάλεσε θύματα ή αξιόλογη ρύπανση. Από τότε έχουν καταγραφεί τουλάχιστον 25 μικρής ή μεσαίας σημασίας ατυχήματα και ένα σοβαρό, αυτό στο Τσερνόμπιλ στις 26 Απριλίου 1986 (ΕΣΣΔ, τώρα Ουκρανία). Το 1964 ένας αμερικανικός δορυφόρος εφοδιασμένος με Πλουτώνιο-238 για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δεν κατόρθωσε να μπει στην προγραμματισμένη τροχιά και κατά την επάνοδό του στη Γη καταστράφηκε, απελευθερώνοντας στην ατμόσφαιρα αρκετή ραδιενέργεια ώστε να μετρηθεί με τα μέσα της εποχής. Τον Μάρτιο του 2011 μετά από τον σεισμό στα ανοιχτά της Ιαπωνίας, που προκάλεσε το τσουνάμι που έπληξε σφοδρά την περιοχή της Φουκουσίμα, έγινε ατύχημα στους τρεις πυρηνικούς αντιδραστήρες του εργοστασίου παραγωγής ενέργειας της Φουκουσίμα. Τεράστιες ποσότητες ραδιενέργειας εκλύθηκαν στην περιοχή, αλλά και στη θάλασσα και στον αέρα. Οι επιπτώσεις πήραν παγκόσμιες διαστάσεις και το ατύχημα χαρακτηρίστηκε εξίσου σοβαρό, αν όχι σοβαρότερο, από το Τσερνόμπιλ.

Δείτε επίσης

• Διεθνής Οργάνωση Ατομικής Ενέργειας
• Πυρηνική ενέργεια στην Ελλάδα

Σχετική βιβλιογραφία

• Armstrong, Robert C., Catherine Wolfram, Robert Gross, Nathan S. Lewis, and M.V. Ramana et al. The Frontiers of Energy, Nature Energy, Vol 1, 11 January 2016.
• Clarfield, Gerald H. and William M. Wiecek (1984). Nuclear America: Military and Civilian Nuclear Power in the United States 1940-1980, Harper & Row.
• Cooke, Stephanie (2009). In Mortal Hands: A Cautionary History of the Nuclear Age, Black Inc.
• Cravens, Gwyneth (2007). Power to Save the World: the Truth about Nuclear Energy. New York: Knopf. ISBN 0-307-26656-7. 
• Elliott, David (2007). Nuclear or Not? Does Nuclear Power Have a Place in a Sustainable Energy Future?, Palgrave.
• Ferguson, Charles D., (2007). Nuclear Energy: Balancing Benefits and Risks Council on Foreign Relations.
• Herbst, Alan M. and George W. Hopley (2007). Nuclear Energy Now: Why the Time has come for the World's Most Misunderstood Energy Source, Wiley.
• Schneider, Mycle, Steve Thomas, Antony Froggatt, Doug Koplow (2016). The World Nuclear Industry Status Report: World Nuclear Industry Status as of 1 January 2016.
• Walker, J. Samuel (1992). Containing the Atom: Nuclear Regulation in a Changing Environment, 1993-1971, Berkeley: University of California Press.
• Weart, Spencer R. The Rise of Nuclear Fear. Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012. ISBN 0-674-05233-1