κετ
Πλανήτης Γη σε αναζήτηση ενέργειας. Μέρος 2ο
Πώς θα τροφοδοτήσουμε τον κόσμο μας;
Σε έναν κόσμο εξαρτώμενο από την τεχνολογία, η ζήτηση σε ενέργεια είναι τεράστια και συνεχώς αυξάνεται.
Μηχανές, ηλεκτρισμός, μεταφορές, όλες οι πτυχές της καθημερινότητάς μας απαιτούν ενέργεια. Στο πρώτο μέρος παρουσιάστηκαν συνοπτικά δύο τρόποι παραγωγής ενέργειας, η καύση ορυκτών καυσίμων και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η καύση ορυκτών καυσίμων είναι ο κυρίαρχος τρόπος παραγωγής ενέργειας σήμερα και επιφέρει μια σειρά σοβαρών επιπτώσεων, ενώ οι ανανεώσιμες πηγές αποτελούν μία εναλλακτική λύση, χωρίς όμως, αυτή τη στιγμή, να φαίνεται ότι μπορούν να υποκαταστήσουν πλήρως τα ορυκτά καύσιμα.
Υπάρχει ακόμα μία αξιοποιήσιμη πηγή ενέργειας και δεν είναι άλλη από την πυρηνική ενέργεια. Η πυρηνική ενέργεια είναι ένας όρος που σε γενικές γραμμές προκαλεί δυσφορία ή και φόβο. Ο λόγος γι’ αυτό είναι απλός, καθώς η πυρηνική ενέργεια είναι συσχετισμένη είτε με καταστροφικά ατυχήματα (βλέπε ατύχημα Τσερνόμπιλ) είτε με όπλα μαζικής καταστροφής (βλέπε ρίψη ατομικής βόμβας Χιροσίμα- Ναγκασάκι). Τι είναι όμως η πυρηνική ενέργεια και πώς μπορεί να αξιοποιηθεί;
Τα άτομα κάθε χημικού στοιχείου αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια. Κάθε άτομο, έχει έναν πυρήνα που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια και γύρω από αυτόν κινούνται ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο, τα νετρόνια ουδέτερο και τα ηλεκτρόνια αρνητικό. Ο αριθμός των πρωτονίων (ατομικός αριθμός) καθορίζει την ταυτότητα του κάθε ατόμου, για παράδειγμα ένα άτομο με 8 πρωτόνια θα είναι πάντοτε, οξυγόνο. Άτομα με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων καλούνται ισότοπα. Η έννοια της πυρηνικής ενέργειας αναφέρεται στην ενέργεια σύνδεσης του πυρήνα, δηλαδή την ενέργεια που συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον πυρήνα του ατόμου. Σε αντίθεση με τις χημικές αντιδράσεις, όπου τα εξωτερικά ηλεκτρόνια διαφορετικών ατόμων αλληλεπιδρούν και παράγονται τα προϊόντα της αντίδρασης, στις πυρηνικές αντιδράσεις πρωταγωνιστές είναι οι ίδιοι οι πυρήνες των ατόμων. Οι κύριες πυρηνικές αντιδράσεις είναι η πυρηνική σχάση και η πυρηνική σύντηξη.
Δεν είναι όλοι οι πυρήνες των ατόμων εξίσου σταθεροί. Η σταθερότητα ενός πυρήνα εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους, μεταξύ των οποίων και το μέγεθός του. Πολύ βαρείς πυρήνες, δηλαδή αρκετά μεγάλοι, δεν είναι ιδιαίτερα σταθεροί και, στην φύση, υφίσταται μία διαδικασία που ονομάζεται ραδιενεργός διάσπαση. Ραδιενεργός διάσπαση είναι η εκπομπή σωματιδίων (άλφα ή βήτα) ή/και ακτινοβολίας από πυρήνες ασταθών στοιχείων. Έτσι, οι πυρήνες αυτοί μεταστοιχειώνονται, δηλαδή αλλάζουν, με αποτέλεσμα ο αρχικός (μητρικός) και ο τελικός (θυγατρικός) πυρήνας να είναι δύο διαφορετικά στοιχεία. Η διαδικασία μπορεί να αποτελεί μία ολόκληρη αλυσίδα διαφορετικών διασπάσεων ώσπου ο μητρικός ασταθής πυρήνας να μεταστοιχειωθεί σε έναν σταθερό θυγατρικό. Οι πυρήνες που υφίστανται ραδιενεργές διασπάσεις ονομάζονται ραδιενεργοί και κατ’ αντιστοιχία αναφερόμαστε σε ραδιενεργά στοιχεία (το ουράνιο, U, για παράδειγμα).
Σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα σχάσης, προκαλείται τεχνητά, η διάσπαση ενός βαρέος πυρήνα σε δύο ελαφρύτερους και η εκπεμπόμενη ενέργεια αξιοποιείται για τη θέρμανση νερού και την παραγωγή ατμού, που με τη σειρά του περιστρέφει μία ηλεκτρογεννήτρια οδηγώντας στην παραγωγή ηλεκτρισμού. Για την έναρξη της διαδικασίας απαιτείται μία ελάχιστη ποσότητα (κρίσιμη μάζα) κάποιου βαρέος ραδιενεργού στοιχείου και ο βομβαρδισμός κάποιων ατόμων του με νετρόνια. Άπαξ και η διαδικασία ξεκινήσει, είναι αυτοσυντηρούμενη ως την εξάντληση του ραδιενεργού «καυσίμου». Η διάσπαση ενός πυρήνα συνεπάγεται την παραγωγή δύο ελαφρύτερων και κάποιων ελεύθερων νετρονίων, οδηγώντας στην προοδευτική διάσπαση όλο και περισσότερων πυρήνων του ραδιενεργού στοιχείου (αλυσιδωτή αντίδραση). Στον πλανήτη, αυτήν τη στιγμή, λειτουργούν περίπου 440 αντιδραστήρες σχάσης.
Παρά την αποδοτικότητά τους, οι αντιδραστήρες σχάσης εμφανίζουν σημαντικά προβλήματα. Ένα από αυτά είναι τα ραδιενεργά απόβλητα που παράγονται, δηλαδή τα άτομα που προέκυψαν από τη διαδικασία της σχάσης, τα οποία πρέπει να φυλαχθούν σε κατάλληλους χώρους μέχρι να ολοκληρώσουν τη φυσική διαδικασία της ραδιενεργού τους διάσπασης, η οποία αναλόγως το στοιχείο μπορεί να διαρκέσει και δεκάδες χιλιάδες χρόνια. Το δεύτερο σοβαρό μειονέκτημα είναι οι εν δυνάμει καταστροφικές επιπτώσεις ενός ατυχήματος σε έναν τέτοιο αντιδραστήρα.
Ο δεύτερος τύπος πυρηνικών αντιδράσεων είναι οι αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης. Ο κατεξοχήν γνωστός μας «χώρος» όπου συμβαίνουν τέτοιες αντιδράσεις είναι ο Ήλιος μας, ο οποίος χάρη σε αυτές, μας προσφέρει την, απαραίτητη για τη ζωή, ενέργεια. Σε μία αντίδραση πυρηνικής σύντηξης δύο ελαφρείς πυρήνες ενώνονται για να σχηματίσουν έναν βαρύτερο, πιο σταθερό πυρήνα. Έτσι, για παράδειγμα, μέσω μιας διαδικασίας με περισσότερα του ενός στάδια, δύο άτομα υδρογόνου (που το καθένα αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο) παράγουν ένα άτομο ηλίου (που αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια) απελευθερώνοντας ενέργεια. Η ενέργεια που απελευθερώνεται από μια τέτοια αντίδραση είναι τόση, ώστε ποσότητα υδρογόνου ίση με ένα ποτήρι νερό θα μπορούσε θεωρητικά να αντικαταστήσει κιλά ορυκτών καυσίμων. Η απουσία ραδιενεργών ή βλαβερών αποβλήτων και η τρομερή αποδοτικότητα σε ενέργεια κάνουν την πυρηνική σύντηξη μία εξαιρετική υποψήφια επιλογή για την κάλυψη των ενεργειακών μας αναγκών.
Ωστόσο, υπάρχουν και σε αυτήν την περίπτωση σημαντικά ζητήματα. Προκειμένου να επιτευχθεί, για παράδειγμα, η σύντηξη ατόμων υδρογόνου, απαιτούνται συνθήκες φοβερά υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης (όπως αυτές που συναντώνται στον Ήλιο) προκειμένου να υπερκεραστούν οι απωστικές αλληλεπιδράσεις των θετικά φορτισμένων πρωτονίων. Ταυτόχρονα, σε τέτοιες συνθήκες, ο έλεγχος της αντίδρασης καθίσταται εξαιρετικά δύσκολος. Αυτή τη στιγμή, βρίσκεται σε εξέλιξη ένα διεθνές ερευνητικό πρόγραμμα (International Thermonuclear Energy Reactor - ITER), με στόχο την κατασκευή ενός αντιδραστήρα σύντηξης που να μπορεί να λειτουργήσει παράγοντας περισσότερη ενέργεια, απ’ όση καταναλώνεται για τη λειτουργία του και ταυτόχρονα να λειτουργεί ελεγχόμενα και άρα με ασφάλεια στην κλίμακα που απαιτείται για την παραγωγή ενέργειας η οποία θα μπορεί να καλύψει τις ανάγκες των σύγχρονων ανθρώπινων κοινωνιών.
Η ολοένα αυξανόμενη ζήτηση σε ενέργεια και η αδυναμία παραγωγής της με έναν αποδοτικό και βιώσιμο τρόπο αναφέρεται σχηματικά ως το ενεργειακό ζήτημα ή το ενεργειακό πρόβλημα του πλανήτη μας, το οποίο είναι υπαρκτό, ανοιχτό και αναζητά λύση το συντομότερο δυνατό.
Photo credits: pixabay
Βιβλιογραφία
Choppin, G., Liljenzin, J. O., Rydberg, J., & Ekberg, C. (2002). Chapter 4-unstable nuclei and radioactive decay. Radiochemistry and nuclear chemistry, 58-93.
https://www.britannica.com/technology/nuclear-reactor/Types-of-reactors
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Radioactivity
κετ