Πυρηνική σχάση

Ο σεισμός της Ιαπωνίας με το επαγόμενο πυρηνικό επεισόδιο-ατύχημα, στο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας της Fukushima έχει προκαλέσει παγκόσμια αναστάτωση. Οι βλαβερές επιπτώσεις της ιονίζουσας ακτινοβολίας είναι λίγο - πολύ γνωστές σε όλους. Η λειτουργία των κυττάρων μπορεί να διαταραχθεί σοβαρά, όταν σχηματισθούν μέσα στο κύτταρο δραστικά ιόντα ή ρίζες ως αποτέλεσμα της ακτινοβολίας.

Ανακοίνωση της ΕΕΑΕ για το ατύχημα της Ιαπωνίας.

Για όσους ανησυχούν για τα επίπεδα ραδιενέργειας στον Ελληνικό χώρο στον παρακάτω σύνδεσμο μπορείτε να ενημερώνεστε για τις μετρήσεις της, από την Ελληνική Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας. 

Δείτε σε βίντεο του CNN  την εξήγηση του προβλήματος που αντιμετωπίζουν οι πυρηνικοί αντιδραστήρες της Fukushima (στα Αγγλικά).

Διαβάστε στο παρακάτω άρθρο για την πυρηνική σχάση.

 

Το ουράνιο (U) που υπάρχει στη φύση αποτελείται από 0,72% U-235, από 99,27% U-238 και από ίχνη  U-234 σε ποσοστό 0,0055%. Το U-235 έχει μαζικό αριθμό 235 δηλαδή 235 πρωτόνια και νετρόνια στον πυρήνα του. Αυτό το ισότοπο του ουρανίου εκμεταλλευόμαστε στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Επειδή το ποσοστό του 0,72% δεν είναι αρκετό για να παράγει μια αυτοανατροφοδοτούμενη αλυσιδωτή αντίδραση στους αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος, πρέπει να εμπλουτίσουμε το καύσιμο ώστε να περιέχει 2,5%-3,5%  U-235. Μετά τον εμπλουτισμό του αποκτά ένα κίτρινο χρώμα και λέγεται "yellowcake". Ακόμα και μετά τον εμπλουτισμό του χρειάζονται 3 κιλά φυσικού ουρανίου για να τροφοδοτήσουν τις ετήσιες ενεργειακές ανάγκες του μέσου Αμερικανού πολίτη.

Η πυρηνική σχάση ενεργοποιείται όταν ένα νετρόνιο χαμηλής ενέργειας απορροφηθεί από έναν πυρήνα U-235. Τότε ο μητρικός (αρχικός) πυρήνας του ουρανίου διασπάται σε δύο θυγατρικούς πυρήνες καθώς και από ταχέως κινούμενα νετρόνια. Υπάρχουν περίπου 90 διαφορετικοί συνδυασμοί των δύο θυγατρικών πυρήνων που αποτελούν τα θραύσματα του πυρήνα ουρανίου. Ένας από αυτούς είναι ο παρακάτω:

u235-fission

Η αντίδραση αυτή είναι ισχυρά εξώθερμη και τα παραγόμενα (θυγατρικοί πυρήνες και νετρόνια) έχουν κινητική ενέργεια της τάξης των 200 MeV. Τα νετρόνια που απελευθερώνονται από τη σχάση ενός πυρήνα αφού επιβραδυνθούν μπορούν στη συνέχεια να προκαλέσουν νέα σχάση σε άλλους πυρήνες και έτσι να έχουμε μια αλυσιδωτή αντίδραση.

u235fission

Τα βραδέα ή θερμικά νετρόνια (με ενέργειες 0,01-0,10 eV) είναι πιο πιθανό να προκαλέσουν σχάση σε ασταθείς πυρήνες (όπως π.χ. του U-235). Ωστόσο, τα νετρόνια τα οποία παράγονται κατά τη σχάση έχουν μεγάλες ταχύτητες και αναφέρονται ως ταχέα νετρόνια (με ενέργειες 0,10-1,0 eV). Για να συντηρηθεί η αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση, θα πρέπει τα "ταχέα" νετρόνια να επιβραδυνθούν σε "θερμικά". Οι αντιδραστήρες που απαιτούν επιβραδυντές ονομάζονται θερμικοί αντιδραστήρες (thermal reactors).

Στην "καρδιά του αντιδραστήρα" φέρονται επιβραδυντικό υλικό και ρυθμιστικές ράβδοι (ή "ράβδοι ελέγχου" ή "ράβδοι ρύθμισης") που συγκρατούν την αλυσιδωτή αντίδραση σε σταθερό ρυθμό ανάπτυξης έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η ομαλή ροή της θερμότητας. Ένα "ψυκτικό μέσο" (που μπορεί να είναι αέριο ή υγρό όπως το νερό) κυκλοφορεί μέσα στον αντιδραστήρα και θερμαίνεται. Στη συνέχεια αυτό οδηγείται σε ένα "εναλλάκτη θερμότητας" όπου προκαλεί βρασμό σε νερό που υπάρχει εκεί. Ο παραγόμενος ατμός στη συνέχεια θέτει σε κίνηση στροβίλους που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα αλλά και κινητική ενέργεια

Η παρεμβολή ενός επιβραδυντή νετρονίων μεταξύ των ράβδων με πυρηνικά καύσιμα, είναι κοινό γνώρισμα του πυρήνα όλων των θερμικών αντιδραστήρων. Τα περισσότερα από τα παραγόμενα κατά τη σχάση του καυσίμου νετρόνια διαφεύγουν από τις ράβδους και συγκρούονται με τα άτομα του επιβραδυντή, πριν "χτυπήσουν" άλλες ράβδους καυσίμου. Με τις συγκρούσεις αυτές μέρος της κινητικής τους ενέργειας μεταφέρεται στα άτομα του επιβραδυντή. Αυτό θερμαίνει τον επιβραδυντή, αλλά τα αργά πλέον νετρόνια εισέρχονται στις ράβδους και είναι σε θέση να προκαλέσουν σχάση στο πυρηνικό καύσιμο.

Ως επιβραδυντές στους πυρηνικούς αντιδραστήρες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ουσίες, όπως ο άνθρακας (ως γραφίτης εξαιρετικής καθαρότητας), το φυσικό νερό, τα βαρύ ύδωρ και το βηρύλλιο. Το φυσικό νερό είναι ο δραστικότερος επιβραδυντής, αλλά παρουσιάζει το φαινόμενο όχι απλώς να τα επιβραδύνει τα νετρόνια, αλλά και να τα "συλλαμβάνει" (neutron capture) σύμφωνα με την αντίδραση:

 

d2o_r5

με αποτέλεσμα να είναι αδύνατη η διατήρηση της αλυσιδωτής πυρηνικής αντίδρασης, εάν ως "καύσιμο" χρησιμοποιείται φυσικό ουράνιο με περιεκτικότητα σε U-235 0,71%. Για να χρησιμοποιηθεί φυσικό νερό θα πρέπει το "καύσιμο" να είναι εμπλουτισμένο ουράνιο με περιεκτικότητα σε U-235 τουλάχιστον 2,5%.

Οι επιλογές για να συντηρηθεί η πυρηνική αντίδραση είναι:

α) Καύσιμο: φυσικό ουράνιο, επιβραδυντής: βαρύ ύδωρ (>99,5% σε δευτέριο D-δηλ. Υδρογόνο με 2 νετρόνια).

β) Καύσιμο: εμπλουτισμένο ουράνιο (2,5-3,5% σε U-235) , επιβραδυντής: φυσικό νερό.

Το βαρύ ύδωρ συνδυάζει πολλά επιθυμητά χαρακτηριστικά. Παρουσιάζει μικρότερη πιθανότητα "σύλληψης" των νετρονίων σε σχέση με το φυσικό νερό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως επιβραδυντής σε αντιδραστήρες που ως καύσιμο χρησιμοποιούν φυσικό ουράνιο. Ακόμη ως υγρό, σε σχέση με τους στερεούς επιβραδυντές (π.χ. τον γραφίτη), έχει τη δυνατότητα κυκλοφορίας και μπορεί να δράσει ως μέσο ψύξης και μεταφοράς θερμότητας σε κλειστό βρόχο, από τον πυρήνα του αντιδραστήρα σε γεννήτριες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.

Σήμερα, στους περισσότερους πυρηνικούς αντιδραστήρες παραγωγής ενέργειας, χρησιμοποιείται φυσικό νερό, αφού έγινε εφικτή η παραγωγή εμπλουτισμένου ουρανίου.

Πηγές: wikipedia , Hyperphysics, Παν/μιο Αθήνας, Φυσική Γενικής Παιδείας Γ' Λυκείου-ΟΕΔΒ