Για μια συζήτηση γύρω από την πυρηνική ενέργεια

Το θέμα της πυρηνικής ενέργειας επανέρχεται τελευταία στο προσκήνιο μέσα από δυο, κυρίως, πηγές. Τη διαμάχη γύρω από το πυρηνικό πρόγραμμα του Ιραν και τις συζητήσεις για την αναγκαία μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα.
Με το κείμενο αυτό δεν σκοπεύουμε να πάρουμε θέση σε κανένα από τα παραπάνω ζητήματα. Σκοπός είναι η ενημέρωση γύρω από απλά (έως τεχνικά) ζητήματα που εμπλέκονται στο θέμα. Είναι επίσης προφανές ότι αυτή είναι μια στοιχειώδης ενημέρωση. Για να καταλάβει κανείς όλα τα θέματα γύρω από την πυρηνική ενέργεια πρέπει να διαβάσει βιβλία. Ένα κείμενο σαν αυτό δίνει μόνο μια συνοπτική εικόνα του θέματος. Και βέβαια αφήνει αρκετές πλευρές απέξω. Στα συγκεκριμένα πλαίσια, όμως, δεν μπορεί να γίνει αλλιώς.

Πυρηνικά εργοστάσια

Τα υπάρχοντα πυρηνικά εργοστάσια λειτουργούν με αποκλειστικό σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ως προς αρχή λειτουργίας τους, δεν διαφέρουν   από όλα τα υπόλοιπα θερμικά[1] εργοστάσια  (που λειτουργούν με κάρβουνο, λιγνίτη, τύρφη, πετρέλαιο, φυσικό αέριο, ηλιακή ενέργεια κλπ). Η βασική αρχή της λειτουργίας όλων των θερμικών εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι μια διαδικασία τριών βημάτων:
1. παράγεται θερμική ενέργεια.
2. η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια (ατμός υπό πίεση θέτει σε λειτουργία τουρμπίνες).
3. η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.
Η διαφορά αφορά το πώς παράγεται η θερμική ενέργεια. Με καύση λιθανθράκων (κάρβουνο/λιγνίτης) ή υδρογοναθράκων (πετρέλαιο/αέριο), με συσσώρευση ηλιακής ακτινοβολίας ή με ελεγχόμενη πυρηνική σχάση.
Οι θερμικές μηχανές, διατάξεις δηλαδή που μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε κινητική, έχουν μια ιστορία τριών αιώνων. Υπάρχουν και εξελίσσονται από το 1705, όταν ο Thomas Newcomen κατασκεύασε μια αντλία νερού[2] που λειτουργούσε με την δύναμη του ατμού που δημιουργούσε η καύση του κάρβουνου. Από τότε μέχρι σήμερα, οι θερμικές μηχανές εξελίχθηκαν, βελτιώθηκαν και εξαπλώθηκαν σε όλους σχεδόν τους τομείς της σύγχρονης ζωής. Ωστόσο, η βασική αρχή λειτουργίας τους, έμεινε η ίδια: η θερμότητα που παράγεται, με όποιον τρόπο, θερμαίνει νερό, οι υδρατμοί που δημιουργούνται, με κατάλληλες διατάξεις, θέτουν σε κίνηση μηχανισμούς που παράγουν ηλεκτρισμό (τουρμπίνες-γεννήτριες). Έτσι λειτουργούν όλα τα θερμικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Και αν για τα συμβατικά (αυτά που λειτουργούν με κάρβουνο ή πετρέλαιο ή φυσικό αέριο ή, ακόμα, με ηλιακή ενέργεια) είναι προφανής ο τρόπος που παράγεται η αρχική θερμική ενέργεια που θέτει σε κίνηση το κύκλο, θα χρειαστεί ένα μικρό μάθημα φυσικής για να καταλάβει κανείς πως λειτουργεί ένα πυρηνικό εργοστάσιο.

Η πυρηνική σχάση

Πυρηνική σχάση ονομάζεται η διαδικασία κατά την οποία ένας ασταθής ατομικός πυρήνας χωρίζεται (σχάται) σε δυο ή περισσότερους (μικρότερους) πυρήνες και σε μερικά παραπροϊόντα σωμάτια (όπως νετρόνια). Στα βαρύτερα στοιχεία η σχάση είναι εξώθερμη αντίδραση αποδίδοντας στο περιβάλλον ενέργεια ως ακτινοβολία  και ως κινητική ενέργεια των θραυσμάτων.
Στα παραπροϊόντα τής σχάσης περιλαμβάνονται και νετρόνια, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν περαιτέρω σχάσεις δημιουργώντας έτσι μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση η οποία σε ελεγχόμενη, χαμηλή ταχύτητα παράγει  εκμεταλλεύσιμη ενέργεια. Σε μη ελεγχόμενη μεγάλη ταχύτητα προκαλεί έκρηξη της οποίας η ισχύς είναι μεγαλύτερη από κάθε έκρηξη που προέρχεται από χημικές αντιδράσεις, γεγονός που βρίσκει χρήση στην κατασκευή πυρηνικών όπλων.
Η σχάση μπορεί να είναι αυθόρμητη ή να προκληθεί από άλλη αντίδραση. Το γνωστότερο παράδειγμα είναι τού 235U που αντιδρά με θερμικά[3]  νετρόνια. Συντίθεται ένας πυρήνας 236U* (ο αστερίσκος δηλώνει ότι βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση). Η ενέργεια της διέγερσης που αποκτήθηκε από την σύλληψη τού νετρονίου θέτει ολόκληρο τον πυρήνα σε ταλάντωση και ως αποτέλεσμα προκαλείται σχάση σε πλήθος διαφορετικών προϊόντων.
Το ενδιαφέρον στη σχάση αυτή είναι τα τρία νετρόνια που παράγονται, τα οποία, σε κατάλληλες συνθήκες, μπορούν να προκαλέσουν σχάση σε τρεις άλλους πυρήνες παράγοντας 9 νετρόνια, τα οποία προκαλούν σχάση σε 9 πυρήνες και δημιουργούν 27 νετρόνια κοκ. Δημιουργείται έτσι μια αλυσωτή αντίδραση.
Σε κάθε σχάση, εκτός από τα υλικά προϊόντα που παράγονται, εκλύεται και ένα μεγάλο ποσό ενέργειας, με μορφή ακτινοβολιών και κινητικής ενέργειας των θραυσμάτων. Και αυτή η ενέργεια είναι το ζητούμενο.

Το «καύσιμο»

Τα πυρηνικά εργοστάσια, που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, χρησιμοποιούν σαν «καύσιμο» το ουράνιο.
Το ουράνιο, στην φυσική του μορφή, είναι ορυκτό που υπάρχει στο υπέδαφος,  όπως και όλα τα υπόλοιπα μέταλλα, και εξορύσσεται με συμβατικές μεθόδους εξόρυξης.
Το ορυκτό ουράνιο αποτελείται από δυο ισότοπα[4] . Το ουράνιο 235 (235U)και το ουράνιο 238 (238U). Η αναλογία των ισοτόπων αυτών στο ορυκτό ουράνιο είναι 99,3% 238U και 0,7% 235U.
Είδαμε προηγούμενα την αντίδραση του 235U όταν συγκρουσθεί με ένα θερμικό νετρόνιο. Το 238U όμως δεν έχει την ίδια συμπεριφορά. Αυτό, μέσα από μια σειρά αντιδράσεων, μετατρέπεται σε πλουτώνιο 239 (239Pu), χωρίς να δημιουργούνται καινούργια νετρόνια, που είναι αναγκαία για την συνέχεια της (αλυσωτής) αντίδρασης. Το πλουτώνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης και σαν πυρηνικό καύσιμο σε αντιδραστήρες, σε μίξη με ουράνιο (το οποίο δημιουργεί τα απαραίτητα για την αλυσωτή αντίδραση νετρόνια), καθώς και σε πυρηνικά όπλα.
Για να υπάρξει λοιπόν αλυσωτή (αυτοσυντηρούμενη) αντίδραση χρειάζεται 235U. Και κάτι ακόμη. Χρειάζεται (για τον πιο κοινό τύπο αντιδραστήρα[5]) μια ορισμένη περιεκτικότητα 235U στη συνολική ποσότητα του καύσιμου, ώστε οι πιθανότητες να συναντήσουν τα ελεύθερα νετρόνια έναν πυρήνα 235U, για να συνεχιστεί η αντίδραση, να είναι αρκετές. Η απαιτούμενη περιεκτικότητα είναι 2-5%.
Αυτό σημαίνει ότι, για να μπορέσει το ορυκτό ουράνιο να χρησιμοποιηθεί σαν καύσιμο σε αντιδραστήρα πρέπει να «εμπλουτιστεί», να ανέβει δηλαδή η περιεκτικότητά του σε 235U από 0,7% σε 2-5% (ελαφρώς εμπλουτισμένο ουράνιο)[6].
Το ουράνιο, σαν καύσιμο, έχει τεράστια ενεργειακή απόδοση σε σχέση με όλα τα υπόλοιπα υλικά που χρησιμοποιούνται σαν καύσιμα για την παραγωγή ενέργειας. Ο παρακάτω πίνακας μας δείχνει την ενεργειακή απόδοση των πιο συχνά χρησιμοποιούμενων υλικών σε MegaJoule ανά χιλιόγραμμο. Και δεν χρειάζεται να ξέρει κανείς τι είναι το MegaJoule για να αντιληφθεί τις διαφορές.

Η λειτουργία του αντιδραστήρα

Η λειτουργία των πυρηνικών αντιδραστήρων στηρίζονται πάνω στην αρχή του ελέγχου του ρυθμού των σχάσεων που συμβαίνουν μέσα στο καύσιμο. Αν δεν ελεγχθεί ο ρυθμός των σχάσεων, τότε η αλυσωτή αντίδραση εξελίσσεται ακαριαία και το αποτέλεσμα είναι η πυρηνική βόμβα: έκλυση τεράστιας ποσότητας ενέργειας σε ελάχιστο χρόνο (ενέργεια που εκλύεται σαν θερμότητα, σαν ωστικό κύμα και σαν ραδιενεργός ακτινοβολία).
Για να ελεγχθεί ο ρυθμός των σχάσεων χρησιμοποιούνται πολύπλοκες διατάξεις, συχνά διαφορετικές από αντιδραστήρα σε αντιδραστήρα. Η βασική, ωστόσο, φιλοσοφία τους είναι κοινή:
Α) το Ουράνιο, σε μορφή μικρών κυλίνδρων -σβώλων – μπαίνει μέσα σε κυλινδρικούς σωλήνες, μήκους 2-3 μέτρων (ράβδοι καυσίμου -fuel rods).
Β) Αρκετοί ράβδοι καυσίμου συναρμολογούνται μαζί σε δεμάτια (fuel assemblies). Στους σχηματισμούς αυτούς, κάποιες θέσεις είναι κενές για να δεχθούν τις ράβδους ελέγχου (control rods). Οι ράβδοι ελέγχου είναι ράβδοι από υλικό που έχει την ιδιότητα να απορροφά νετρόνια (συνήθως γραφίτης). Όσοι περισσότεροι ράβδοι ελέγχου είναι μέσα στον σχηματισμό, τόσο περισσότερα νετρόνια απορροφούνται με αποτέλεσμα να επιβραδύνεται (ή να σταματά τελείως) η σχάση του Ουρανίου. Αντίθετα, όταν ανασύρονται έξω από τον σχηματισμό αυξάνεται ο ρυθμός των σχάσεων και επομένως η ενέργεια (θερμότητα) που παράγεται.
Γ) Αρκετοί τέτοιοι σχηματισμοί μαζί αποτελούν τον πυρήνα του αντιδραστήρα (για τον αριθμό να αναφέρω ενδεικτικά ότι σε ένα τύπο αντιδραστήρα (τον  Westinghouse) ο πυρήνας αποτελείται από 50.000 ράβδους καυσίμου, συναρμολογημένους σε 193 σχηματισμούς). Όλη η δομή βρίσκεται μέσα σε νερό (ή βαρύ ύδωρ για τους CANDU ή υγρό μέταλλο για τους FBR) το οποίο απορροφά τη θερμότητα και, σαν ατμός, θέτει σε κίνηση τις τουρμπίνες που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Το νερό λειτουργεί επίσης και σαν επιβραδυντής των νετρονίων, καθιστώντας τα «θερμικά».

Το ζήτημα με τα πυρηνικά όπλα

Τα πυρηνικά όπλα που υπάρχουν σήμερα χρησιμοποιούν 235U (σαν εκείνη που χρησιμοποιήθηκε στη Hiroshima), ή 239Pu (που χρησιμοποιήθηκε στο Nagasaki).
Το πλουτώνιο είναι ένα τεχνητό στοιχείο που δεν υπάρχει ελεύθερο στη φύση. Δημιουργείται στα πυρηνικά εργοστάσια σαν προϊόν των αντιδράσεων (από τις αντιδράσεις του 238U, όπως είπαμε παραπάνω). Η διαδικασία διαχωρισμού του από τα υπόλοιπα παράγωγα είναι πολύ δύσκολη αλλά όχι αδύνατη. Σήμερα μόνο η Γαλλία και η Ιαπωνία, επεξεργάζονται τα πυρηνικά απόβλητα για να παράξουν πλουτώνιο (το οποίο χρησιμοποιείται εκ νέου σαν πυρηνικό καύσιμο). Οι ΗΠΑ αποφάσισαν να μην ασχοληθούν για λόγους εθνικής ασφάλειας. Υπ΄ όψιν ότι χρειάζονται μόνο 5-10 περίπου κιλά πλουτώνιου για να κατασκευαστεί ένα πυρηνικό όπλο.
Το 235U, για να χρησιμοποιηθεί σαν πυρηνικό όπλο, πρέπει να έχει περιεκτικότητα πάνω από 90%.
Και πρέπει να έχουμε υπ’ όψιν ότι η ίδια τεχνολογία που χρησιμοποιείται για να παραχθεί το ελαφρώς εμπλουτισμένο ουράνιο, στην ουσία μια διαδικασία φυγοκέντρισης πολύ εκλεπτυσμένη βέβαια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραχθεί το ιδιαίτερα εμπλουτισμένο ουράνιο, που χρησιμοποιείται στα πυρηνικά όπλα. Επομένως, εκείνες οι χώρες που κατέχουν την τεχνολογία εμπλουτισμού μπορούν να το χρησιμοποιήσουν για να παραγάγουν καύσιμο για αντιδραστήρα ή για πυρηνικά όπλα.
Αυτή είναι η μια πλευρά του ζητήματος που τίθεται σχετικά με το ΙΡΑΝ. Η άλλη πλευρά είναι η ιστορική και πραγματιστική:
1. Καμιά από τις χώρες που κατέχουν πυρηνικά όπλα δεν κατασκεύασε πρώτα το εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και μετά τα πυρηνικά όπλα. Όλες είχαν την αντίστροφη πορεία.
2. Αρκετές χώρες (οι περισσότερες) που χρησιμοποιούν πυρηνική ενέργεια για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας δεν κατασκεύασαν και δεν προτίθενται να κατασκευάσουν πυρηνικά όπλα. Η ύπαρξη του ενός δεν συνεπάγεται γραμμικά την ύπαρξη του δεύτερου. Αντίθετα, το Ισραήλ, που δεν έχει πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ρεύματος, έχει πυρηνικά όπλα.
3. Σήμερα είναι δεδομένο ότι η τεχνολογία των πυρηνικών όπλων είναι διαθέσιμη για όποια χώρα είναι αποφασισμένη να αναπτύξει τέτοια όπλα, ανεξάρτητα από το αν κατέχει ή όχι πυρηνικά εργοστάσια για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος.

Και μερικά συμπληρωματικά στοιχεία…

Αντιδραστήρες πυρηνικής ενέργειας σε λειτουργία και υπό κατασκευή στον κόσμο
(31 Δεκεμβρίου 2008)

	Αντιδραστήρες σε λειτουργία		Αντιδραστήρες υπό κατασκευή
Country	Αριθμός	Σύνολο MW(e)	Αριθμός	Σύνολο MW(e)
Argentina	2	935	1	692
Armenia	1	376
Belgium	7	5 824
Brazil	2	1766
Bulgaria	2	1906	2	1906
Canada	18	12 577
China*	11	8438	11	10220
Czech Republic	6	3 634
Finland	4	2696	1	1600
France*	59	63 260	1	1600
Germany	17	20 470
Hungary	4	1859
India*	17	3 782	6	2 910
Iran. Islamic Republic of			1	915
Japan	55	47 278	2	2191
Korea, Republic of (South)	20	17647	5	5 180
Lithuania	1	1185
Mexico	2	1300
Netherlands	1	482
Pakistan*	2	425	1	300
Romania	2	1300
Russian Federation*	31	21743	8	5 809
Slovakia	4	1711
Slovenia	1	666
South Africa	2	1800
Spain	8	7450
Sweden	Id	8996
Switzerland	5	3 220
Ukraine	15	13107	2	1900
United Kingdom*	19	10 097
United States of America*	104	100 683	1	1165
Total	438	371.562	44	38. 988

Με * σημειώνονται όσες χώρες έχουν πυρηνικά όπλα. Προσθέστε και το Ισραήλ και τη Βόρειο Κορέα, που δεν έχουν πυρηνικά εργοστάσια αλλά έχουν πυρηνικά όπλα.

[1]Αναφέρω τα θερμικά σε αντιδιαστολή με τα υδροηλεκτρικά, τα οποία μετατρέπουν την δυναμική ενέργεια του νερού σε κινητική, χωρίς να μεσολαβεί καύση.
[2]Την εποχή εκείνη οι Άγγλοι είχαν εξορύξει όλο το επιφανειακό κάρβουνο και είχαν αρχίσει να σκάβουν βαθύτερα. Το σκάψιμο σε μεγαλύτερο βάθος δημιουργούσε ένα μεγάλο πρόβλημα: οι στοές γέμιζαν με νερό που έπρεπε να αντληθεί. Και οι χειροκίνητες αντλίες ήταν ανεπαρκείς. Κλασική περίπτωση ανταπόκρισης της επιστήμης σε υπαρκτές κοινωνικές ανάγκες.
Και… προσέξτε το μέγεθος της αντλίας αυτής σε σχέση με το μέγεθος του ανθρώπου που διακρίνεται στην γκραβούρα!
[3]Θερμικά νετρόνια είναι νετρόνια που κινούνται με χαμηλές ταχύτητες (2.2 km/s), ενώ τα νετρόνια που δημιουργούνται κατά την σχάση (ταχέως κινούμενα νετρόνια-fast neutrons) κινούνται με ταχύτητες της τάξης των 10.000 km/s.
[4]Ισότοπα λέγονται δυο στοιχεία που έχουν στον πυρήνα τους τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Έτσι το 238U έχει τρία νετρόνια περισσότερα από το 235U, αλλά και τα δύο έχουν 92 πρωτόνια.
[5]Σήμερα λειτουργούν ανά τον κόσμο διάφοροι τύποι πυρηνικών αντιδραστήρων. Να μερικοί βασικοί διαχωρισμοί: Ένας είναι ανάμεσα σε εκείνους που λειτουργούν με θερμικά (βραδέως κινούμενα) νετρόνια και εκείνους που λειτουργούν με ταχέως κινούμενα νετρόνια, τους fast breeder reactor (FBR), οι οποίοι, αν και σε ερευνητικό στάδιο ακόμη, έχουν πολύ μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση. Επίσης, οι αντιδραστήρες θερμικών νετρονίων διαχωρίζονται ως προς το υλικό που χρησιμοποιούν για απαγωγή της θερμότητας που παράγεται και τον έλεγχο του ρυθμού των σχάσεων. Υπάρχουν, έτσι οι LWR (light water reactor – αντιδραστήρας ελαφρού ύδατος), οι LNG (liquefied natural gas – υγροποιημένου φυσικού αερίου) και οι CANDU (Canadian deuterium-uranium – καναδικός δευτερίου – ουρανίου ή βαρέως ύδατος). Να σημειώσουμε ότι οι CANDU λειτουργούν με μη εμπλουτισμένο – ορυκτό- ουράνιο. Να σημειώσουμε επίσης ότι οι FBR χρησιμοποιούν για το σκοπό αυτό κάποιο υγρό μέταλλο, όπως το νάτριο.
[6]Αλλά σε 20% για τους αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται στα πυρηνικά υποβρύχια ή πολεμικά πλοία.