ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ;

Μόνο στο άκουσμα της πυρηνικής ενέργειας οι εικόνες που δημιουργούνται στο μυαλό μας κρύβουν θάνατο, μεταλλάξεις και πολέμους. Μήπως όμως η ενέργεια αυτή θα μπορούσε να είναι το κλειδί για ενεργειακά αποθέματα που έχουμε ανάγκη;

 

 

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΧΑΣΗ ΚΑΙ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΥΝΤΗΞΗ

Προσφάτως ανακοινώθηκε ένα νέο ρεκόρ ως προς την παραγωγή ενέργειας από ελεγχόμενη πυρηνική σύντηξη που μας γεμίζει αισιοδοξία. Όμως επειδή οι λέξεις ενδεχομένως να μας δημιουργούν κάποια σύγχυση,  πάμε μαζί να δούμε τι είναι η πυρηνική ενέργεια και ποια η διαφορά μεταξύ πυρηνικής σχάσης και πυρηνικής σύντηξης.

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Για να γίνουν κατανοητά τα όσα θα αναφέρουμε πάμε αρχικά να γνωρίσουμε λίγο το άτομο.  Σε ένα άτομο γνωρίζουμε πως ο πυρήνας του αποτελείται από τα πρωτόνια και τα νετρόνια.  Τα πρωτόνια είναι θετικά φορτισμένα και τα νετρόνια ουδέτερα.  Γύρω από τον πυρήνα σύμφωνα με το πλανητικό μοντέλο περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια.  Μία πρώτη ερώτηση που θα μπορούσε εύκολα να απαντηθεί είναι: πώς καταφέρνουν τα ηλεκτρόνια και περιστρέφονται σε τροχιές γύρω από τον πυρήνα; Το φορτίο του πυρήνα εφόσον αποτελείται από θετικά πρωτόνια και ουδέτερα  νετρόνια είναι στο σύνολό του θετικός.  Συνεπώς μεταξύ του θετικού πυρήνα και των αρνητικών ηλεκτρονίων αναπτύσσονται ελκτικές δυνάμεις σύμφωνα με τον νόμο του κουλόμπ,  οι οποίες ουσιαστικά συγκρατούν τα ηλεκτρόνια σε τροχιές γύρω από τον πυρήνα.  Το ερώτημα όμως που προκύπτει και μας προβληματίζει περισσότερο αφορά τον πυρήνα του ατόμου.  Αν κοιτάξουμε λίγο καλύτερα την εικόνα ενός πυρήνα βλέπουμε πως αποτελείται από θετικά πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια.  Οπότε πώς καταφέρνουν αυτά τα πρωτόνια και βρίσκονται σε συνοχή μέσα στον πυρήνα; Γιατί δεν αναπτύσσονται απωστικές δυνάμεις προκειμένου να απωθήσουν τα πρωτόνια αυτά και να διαλυθεί ο πυρήνας; Καταλαβαίνουμε λοιπόν πως θα πρέπει να αναπτύσσεται μία δύναμη, η οποία να είναι ισχυρότατη, προκειμένου να υπερνικήσει τις απωστικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των πρωτονίων.  Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από κάποια στοιχειώδη σωματίδια τα οποία ονομάζουμε άνω και κάτω κουάρκ.  Πιο συγκεκριμένα η εσωτερική δομή του πρωτονίου αποτελείται από δύο πάνω και ένα κάτω κουάρκ και η εσωτερική δομή του νετρονίου από ένα πάνω και δύο κάτω κουάρκ.  Μεταξύ αυτών αναπτύσσεται η ισχυρή πυρηνική δύναμη, η οποία είναι ισχυρότατα ελκτική!  Είναι τόσο ισχυρή που ξεπερνά κατά πολύ τις απωστικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ πρωτονίων.  Η δύναμη αυτή όμως έχει ένα βασικό χαρακτηριστικό έχει πολύ μικρή εμβέλεια. Οπότε στην περίπτωση που έχουμε έναν μικρό πυρήνα μπορούμε να πούμε πως θα είναι αρκετά σταθερός διότι η εμβέλεια της ισχυρής πυρηνικής δύναμης τον καλύπτει. Αν όμως είχαμε έναν αρκετά μεγάλο πυρήνα τότε ο πυρήνας δεν θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ευσταθής και σιγά-σιγά θα μετατρεπόταν σε κάτι άλλο.  Αν είχαμε παραδείγματος χάρη ένα βαρύ στοιχείο λόγω της αστάθειας του πυρήνα του θα άρχιζε σιγά-σιγά να χάνει την μάζα του.  Και αφού ξεκινήσαμε να μπλέκουμε μάζα και ενέργεια μαντέψτε τι έρχεται…  Νομίζω πως όλοι έχουμε δει την διασημότερη εξίσωση του Αlbert  Εinstein είτε σε κάποιο βιβλίο είτε πάνω σε κάποια κούπα καφέ.  Η εξίσωση λοιπόν μας λέει ότι Ε=mc^2 όπου Ε είναι η ενέργεια, m είναι η μάζα και c η ταχύτητα του φωτός.  Μία εξίσωση δηλαδή που συνδέει τη μάζα με την ενέργεια! Βρισκόμαστε λοιπόν στο σημείο όπου καταλαβαίνουμε πως αν μπορέσουμε να πετύχουμε διάσπαση του πυρήνα ή μεταβολή του ατόμου γενικότερα θα μπορούσαμε να κερδίσουμε σε ενέργεια.  Οι δύο μέθοδοι για να συμβεί αυτό είναι η πυρηνική σχάση και η πυρηνική σύντηξη.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΧΑΣΗ;

Ένα από τα πιο συνηθισμένα σχάσιμα υλικά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας είναι το ουράνιο 235.  Έστω λοιπόν ότι αρχικά έχουμε τον πυρήνα του ουράνιου.  Αυτό που θα θέλαμε να κάνουμε είναι με κάποιον τρόπο να τον διασπάσουμε.  Άρα κάπως πρέπει να το χτυπήσουμε.  Το θέμα είναι με τι;  Αν παραδείγματος χάρη σημάδευαμε  τον πυρήνα με ηλεκτρόνιο τότε μάλλον δεν θα τον πετυχαίναμε διότι τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα του ουρανίου θα αλληλεπιδρούν απωστικά  με το ηλεκτρόνιο που θα είχαμε εκταξεύσει  και θα το έδιωχνε μακριά.  Οπότε τι καλύτερο από το να επιλέξουμε ένα ουδέτερο σωματίδιο. Ένα νετρόνιο,  το οποίο θα περάσει ανενόχλητο ανάμεσα από τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα του ουρανίου.  Και αν το νετρόνιο το στείλουμε με αρκετά μεγάλη ταχύτητα θα συγκρουστεί με τον πυρήνα του ουρανίου και θα τον κάνει δύο κομμάτια. Τα δύο αυτά κομμάτια θα ήταν δύο καινούργια στοιχεία και το μπόνους…  Κατά την διάσπαση αυτή απελευθερώνονται δύο νέα νετρόνια τα οποία με τη σειρά τους θα ξανά διασπάσουν δύο πυρήνες σε τέσσερις, απελευθερώνοντας 4 νετρόνια και πάει λέγοντας.  Οπότε έχουμε έναν στρατό νετρονίων που τεμαχίζουν τους πυρήνες χωρίς αύριο.  Έχουμε μία αλυσιδωτή αντίδραση.  Και κατά αυτό τον τρόπο έχουμε ένα τεράστιο ποσό ενέργειας που εκλύεται διότι στο τέλος έχουμε λιγότερη μάζα από την αρχή. Το θέμα είναι τώρα πώς διαχειρίζεσαι αυτήν την ενέργεια;  Στην περίπτωση που αφήσουμε τα νετρόνια ανεξέλεγκτα έχουμε πρόβλημα.  Πρόβλημα όπως λέμε πυρηνική βόμβα.  Δεν υπάρχει κάποιος να πει stop στα νετρόνια. Σε ένα εργοστάσιο πυρηνικής ενέργειας με τη μέθοδο της σχάσης η διαδικασία αυτή γίνεται μέσα σε μία συσκευή που ονομάζουμε αντιδραστήρα.  Μέσα στον αντιδραστήρα υπάρχουν ράβδοι καδμίου η βορείου η οποί ες απορροφούν κάποια από τα νετρόνια κάνοντας έτσι τις αντιδράσεις ελεγχόμενες.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΥΝΤΗΞΗ;

Στην πυρηνική σύντηξη έχουμε να κάνουμε με την συνένωση δύο ελαφρών πυρήνων.  Μία συνένωση που απελευθερώνει μεγάλα ποσά ενέργειας.  Πυρηνική σύντηξη λοιπόν μπορούμε να έχουμε στην περίπτωση της συνένωσης δύο μικρών σωματιδίων, συγκεκριμένα δύο ισοτόπων του υδρογόνου όπως το δευτέριο και το τρίτιο.  Κατά τη συνένωση  αυτή,  αυτό που θα προκύψει είναι ένα άτομο ηλίου με ένα νετρόνιο να φεύγει από τον πυρήνα.  Η μάζα του τελικού προϊόντος είναι μικρότερη από την μάζα των αντιδρώντων και έτσι έχουμε απελευθέρωση ενέργειας.  Γιατί όμως είναι εξαιρετικά δύσκολη η σύντηξη;  Αρχικά εξαιτίας των απωστικων δυνάμεων κουλόμπ.  Σκεφτείτε ότι αυτό που θέλουμε να κάνουμε είναι να φέρουμε κοντά δύο θετικούς πυρήνες.  Άρα λοιπόν θα πρέπει με κάποιον τρόπο να τους προσφέρουμε ένα ποσό ενέργειας προκειμένου να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο ώστε να έρθουν δίπλα-δίπλα αυτοί οι πυρήνες και να αναλάβει δράση η ισχυρή πυρηνική δύναμη,  η δύναμη που αναφέραμε αρχικά που είναι πιο ισχυρή από τις απωστικές δυνάμεις αλλά έχει μικρή εμβέλεια. Ένας τρόπος για να το πετύχουμε αυτό είναι να μελετήσουμε πώς το κάνει κάποιος που το κάνει ήδη πετυχημένα. Και το καλύτερο παράδειγμα είναι ο ήλιος μας.  Στο εσωτερικό του ήλιου η θερμοκρασία που αναπτύσσεται είναι περίπου 14 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.  Σε αυτή τη θερμοκρασία λοιπόν η σύντηξη συμβαίνει, οπότε θα μπορούσαμε να σκεφτούμε πως εάν φτιάχναμε ένα εργαστήριο στο οποίο θα πετυχαίναμε θερμοκρασίες 14 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου θα μπορούσαμε να έχουμε και εμείς σύντηξη.  Όμως ο ήλιος έχει ένα παραπάνω ατού!  Εξαιτίας της μεγάλης μάζας του και των βαρυτικών ελκτικών δυνάμεων που αναπτύσσονται στο κέντρο του οι πιέσεις είναι τεράστιες.  Άρα λοιπόν εκτός από την μεγάλη ταχύτητα και την μεγάλη κινητική ενέργεια που έχουνε οι πυρήνες στο εσωτερικό του οι πιέσεις βοηθούν κατά πολύ στο να έρθουν οι πύρινες δίπλα-δίπλα και να συμβεί η σύντηξη.  Οπότε εμείς θα πρέπει να σκεφτούμε με ποιον τρόπο μπορούμε να αντισταθμίσουμε αυτό το ατού του ήλιου.  Δεν μπορούμε να έχουμε ένα εργαστήριο το οποίο θα ξεπερνάει σε μάζα τη μάζα του ήλιου προκειμένου να έχουμε αυτές τις μεγάλες πιέσεις άρα λοιπόν θα πρέπει να αντισταθμίσουμε αυτό το έλλειμμα πιέσεων με αύξηση της θερμοκρασίας.  Αν πετύχουμε λοιπόν θερμοκρασίες 10 φορές μεγαλύτερες από αυτές του ήλιου δηλαδή θερμοκρασίες που να φτάνουν τους 150 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου θα μπορούσαμε να έχουμε μία πυρηνική σύντηξη!

Παρόλες τις διαφορές των δύο μεθόδων και οι δύο κατέχουν μία σημαντική θέση στο παρελθόν, το παρόν και το μέλλον της παραγωγής ενέργειας!