*Στέφανος Ευαγγέλου Μπινιάρης
Τη Μελέτη μου αυτήν την παρουσίασα διαδικτυακά στις 14.03.2024 στις 20.00 η ώρα από τον ΙΧΑ Το παρόν γραπτό κείμενο διαφέρει κατά τι από την Ομιλία, αφού εδώ δεν υπάρχει ένας αυστηρός περιορισμός έκτασης του κειμένου. Με αυτόν τον τρόπο μπορώ να περιγράψω ό,τι δεν ήταν δυνατόν (λόγω του περιορισμένου χρόνου κατά την ομιλία μου) και έτσι να ολοκληρωθεί ο σκοπός της Μελέτης.
.Η Μελέτη αυτή απευθύνεται κυρίως σε αυτές τις Αναγνώστριες και σε αυτούς τους Αναγνώστες, που δεν έχουν ασχοληθεί με τα θέματα της Πυρηνικής Φυσικής. Γι’ αυτό (όπως λέει και ο τίτλος) είναι γραμμένη με πολύ απλά και κατανοητά λόγια, δίχως να προϋποθέτουμε πρότερες γνώσεις Φυσικής.
Για αυτές τις Αναγνώστριες και αυτούς τους Αναγνώστες, που έχουν μεγαλύτερο ενδιαφέρον, παραπέμπω:
- Στην Ιστοσελίδα μου: https://www.perivallon-s-biniaris.com ή και απλούστερα: Στέφανος Μπινιάρης Περιβάλλον. Όταν μπείτε, πατάτε τον σύνδεσμο: Έκδοση σε μορφή pdf και διαβάζετε τις Ενότητες 33η και 34η, Σελίδα 318 έως 347.
- Για ακόμη εκτενέστερη περιγραφή του αντικειμένου Πυρηνική Φυσική, στο Βιβλίο μας: με τίτλο «ΜΙΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ ΜΕΛΕΤΗ ΓΙΑ ΤΗ ΡΥΠΑΝΣΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΊΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ». Την αναφορά του Βιβλίου την κάνω μόνο επειδή ισχύει, ότι τα έσοδα από την πώληση του Βιβλίου που αντιστοιχούν στους Συγγραφείς πηγαίνουν όχι σε εμάς αλλά σε αγαθοεργό σκοπό, αφού σε όλη την προσπάθεια που καταβάλλω τα τελευταία περίπου 25 χρόνια, προκειμένου να ενημερώσω τους Συμπατριώτες μου γύρω από το Περιβάλλον, όχι μόνο δεν έχω δεχτεί έστω και ένα Ευρώ, αλλά αντίθετα έχω ξοδέψει πολλές χιλιάδες Ευρώ.
Συνήθως, όταν ακούγεται η έννοια Πυρηνική Φυσική, δημιουργείται η εντύπωση, ότι πρόκειται για κάτι δύσκολο, άγνωστο και εν γένει κάτι το απόμακρο.
Σκοπός της παρούσης Μελέτης είναι να απομυθοποιήσουμε την έννοια Πυρηνική Φυσική, αφού θα γίνουν κατανοητά τα εξής:
- Πώς λειτουργεί ένα πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
- Τι συμβαίνει κατά την έκρηξη μίας ατομικής βόμβας.
- Πώς λειτουργεί ο Ήλιος μας.
- Πώς φτιάχτηκε η βόμβα υδρογόνου.
- Τι συνέβη στα πυρηνικά ατυχήματα στο Τσερνομπίλ (στην πρώην Σοβιετική Ένωση) και τι στη Φουκουσίμα (στην Ιαπωνία).
- Πώς θα λυθεί το ενεργειακό πρόβλημα της ανθρωπότητας στο μέλλον με τη βοήθεια μικρών τεχνητών Ήλιων επάνω στη Γη μας.
Η Δομή της Ύλης
Στη φύση συναντάμε μόνο 92 διαφορετικά στοιχεία, από τα οποία αποτελείται όλη η ύλη στον πλανήτη Γη. Τα στοιχεία αυτά δε μπορούν με τις συνηθισμένες χημικές μεθόδους να μεταβληθούν σε απλούστερα υλικά. Παραδείγματα τέτοιων στοιχείων είναι το υδρογόνο, το οξυγόνο, ο άνθρακας, ο σίδηρος, ο χρυσός, το ουράνιο κ.λπ.
Εκτός των 92 φυσικών στοιχείων υπάρχουν μέχρι σήμερα και άλλα 26 τεχνητά στοιχεία, δηλαδή που δεν υπάρχουν στη φύση, τα οποία στοιχεία έχει δημιουργήσει ο άνθρωπος.
Μία ορισμένη μάζα ενός στοιχείου π.χ. του άνθρακα, μπορούμε να τη διαιρέσουμε σε μικρότερα μέρη δίχως το στοιχείο αυτό να χάσει τις χαρακτηριστικές του χημικές ιδιότητες. Κάποτε όμως φτάνουμε σε μία τόσο μικρή μάζα του στοιχείου, που αν τη διαιρέσουμε περαιτέρω, τότε το μέρος αυτό του στοιχείου δεν θα έχει πλέον τις χαρακτηριστικές χημικές ιδιότητες αυτού του στοιχείου. Η μικρότερη μάζα ενός στοιχείου, που διατηρεί όμως τις χημικές του ιδιότητες, λέγεται άτομο, δηλαδή άτμητο, δηλαδή αδιαίρετο. Η ελληνική λέξη άτομο χρησιμοποιείται διεθνώς προς τιμήν των αρχαίων Ελλήνων φιλοσόφων (π.χ. του Λεύκιππος, του Δημόκριτου και του Επίκουρου), που είχαν υποστηρίξει αυτήν την ιδιότητα της ύλης. Το άτομο χαρακτηρίζει ένα στοιχείο και είναι διαφορετικό για κάθε ένα από τα στοιχεία.
Η δομή ενός ατόμου που θα περιγράψουμε στη συνέχεια ανταποκρίνεται στις γνώσεις της επιστήμης πριν από τα μέσα του προηγούμενου αιώνα και είναι πολύ απλούστερη των σημερινών γνώσεων. Είναι όμως πιο σκόπιμη, αφού αρκεί, για να γίνουν κατανοητά όσα θέλουμε να εξηγήσουμε σήμερα , δίχως να κάνει την κατανόηση της πραγματικής δομής του ατόμου πολύπλοκη.
Στη συνέχεια θα περιγράψουμε το ατομικό μοντέλο όπως το διατύπωσε ο περίφημος Δανός Φυσικός Niels Bohr(Νιλς Μπορ). Έτσι το άτομο αποτελείται (βλέπε και Σχήμα 18 το απλοποιημένο ατομικό μοντέλο για το στοιχείο Βηρύλλιο) καταρχάς από έναν πυρήνα, στον οποίον είναι συγκεντρωμένη, όπως θα εξηγήσουμε στη συνέχεια, σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου. Ο πυρήνας αυτός λοιπόν του ατόμου αποτελείται από δύο διαφορετικά είδη σωματιδίων τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Τα νετρόνια λέγονται και ουδετερόνια. Στη συνέχεια θα χρησιμοποιούμε αντί της λέξης νετρόνια τη λέξη ουδετερόνια, διότι είναι σκοπιμότερη για τους σκοπούς μας. Τα πρωτόνια είναι ηλεκτρικώς θετικά φορτισμένα, ενώ τα ουδετερόνια είναι (όπως δηλώνει και το όνομά τους) ηλεκτρικώς ουδέτερα. Έτσι, ο πυρήνας κάθε ατόμου είναι συνολικά ηλεκτρικώς θετικά φορτισμένος.
Γύρω από τον πυρήνα του ατόμου στρέφονται πολύ μικρά σωματίδια που ονομάζονται ηλεκτρόνια και είναι ηλεκτρικώς αρνητικά φορτισμένα. Το μέγεθος του αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου ενός ηλεκτρονίου είναι ακριβώς ίσο με το μέγεθος του θετικού ηλεκτρικού φορτίου ενός πρωτονίου. Σε κάθε άτομο όμως υπό κανονικές συνθήκες, ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων. Έτσι κάθε άτομο είναι υπό κανονικές συνθήκες ηλεκτρικώς ουδέτερο.
Η μάζα ενός πρωτονίου είναι περίπου 1836,4 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου ενώ η μάζα ενός ουδετερονίου είναι περίπου1838,6 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου. Έτσι γίνεται κατανοητό αυτό που αναφέραμε προηγουμένως, ότι δηλαδή σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα του ατόμου.
Ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα καθορίζει το είδος ενός ατόμου και λέγεται ατομικός αριθμός Ζ. Μερικά παραδείγματα είναι: Όταν ένας πυρήνας έχει μόνο 1 πρωτόνιο, ο πυρήνας αυτός ανήκει μονοσήμαντα στο στοιχείο υδρογόνο, όταν ένας πυρήνας έχει 2 πρωτόνια ανήκει στο στοιχείο ήλιο, 3 πρωτόνια στο στοιχείο λίθιο, 4 πρωτόνια στο στοιχείο βηρύλλιο κ. ο. κ. μέχρι το τελευταίο φυσικό στοιχείο το ουράνιο με 92 πρωτόνια στον πυρήνα του.
Ο αριθμός των ουδετερονίων ενός πυρήνα συμβολίζεται με το γράμμα Ν.
Ο αριθμός Α που προκύπτει από το άθροισμα των πρωτονίων Ζ και των ουδετερονίων Ν που υπάρχουν στον πυρήνα ενός ατόμου, δηλαδή Α=Ζ+Ν λέγεται μαζικός αριθμός και καθορίζει τη μάζα του, δηλαδή το βάρος του. Είναι δε κατανοητό, ότι όσο πιο πολλά πρωτόνια έχει ο πυρήνας ενός ατόμου, τόσο πιο βαρύ είναι το άτομο. Δηλαδή το υδρογόνο, του οποίου ο πυρήνας έχει μόνο ένα πρωτόνιο είναι το ελαφρύτερο στοιχείο στη φύση.
Το ήλιο του οποίου ο πυρήνας έχει 2 πρωτόνια, είναι το 2ο πιο ελαφρύ στοιχείο στη φύση, κ. ο. κ. Τέλος το ουράνιο, που έχει τα πιο πολλά, δηλαδή 92 πρωτόνια είναι το πιο βαρύ στοιχείο στη φύση.
Η Διάσπαση του Πυρήνα των Ατόμων
Στη συνέχεια θα μπορούσα να Σας περιγράψω με ποιο πείραμα επετεύχθη η λεγόμενη διάσπαση του πυρήνα των ατόμων, που θεωρείται ως η μία από τις μεγαλύτερες επιστημονικές επιτυχίες. Θεωρώ όμως σκόπιμο να Σας περιγράψω προηγουμένως δύο φαινόμενα, που προηγήθηκαν της διάσπασης του πυρήνα των ατόμων, διότι με αυτόν τον τρόπο θα γίνει αντιληπτό, ότι η διάσπαση του πυρήνα των ατόμων ήταν λογική συνέπεια των δύο αυτών φαινομένων.
Φυσική και Τεχνητή Ραδιενέργεια
Τα δύο φαινόμενα που προανέφερα έχουν σχέση με τη λεγόμενη ραδιενέργεια, της οποίας υπάρχουν δύο είδη η φυσική ραδιενέργεια και η τεχνητή ραδιενέργεια.
Κατ’ αρχάς τι είναι η φυσική ραδιενέργεια. Πρώτος ο Γάλλος Φυσικός Antoine Henri Becquerel (Αντουάν Ανρί Μπεκερέλ) ανακάλυψε το 1896, ότι οι πυρήνες ορισμένων ορυκτών του στοιχείου ουράνιο διασπώνται αυθόρμητα, δηλαδή δίχως κάποια εξωτερική αιτία, δημιουργώντας άλλους πυρήνες και εκπέμποντας συγχρόνως ένα μεγάλο ποσό ενέργειας υπό τη μορφή ακτινοβολίας. Με την ακτινοβολία δεν θα ασχοληθούμε τώρα, αλλά θα επανέλθουμε αργότερα. Επειδή δε η διάσπαση αυτή των πυρήνων είναι, όπως αναφέραμε, αυθόρμητη, δηλαδή δίχως κάποια εξωτερική αιτία, ονομάζεται και φυσική ραδιενέργεια. Τα δε στοιχεία με αυτήν την ιδιότητα ονομάζονται ραδιενεργά και βρίσκονται στο τέλος αυτής της σειράς των στοιχείων που προκύπτει, όταν κατατάξουμε τα στοιχεία με αυξανόμενο αριθμό πρωτονίων (από το στοιχείο βισμούθιο με 83 πρωτόνια μέχρι το ουράνιο με 92 πρωτόνια). Είναι σημαντικό να κρατήσουμε, ότι π.χ. από το ραδιενεργό στοιχείο ράδιο (που έχει 88 πρωτόνια) προκύπτει με φυσική ραδιενέργεια το στοιχείο ακτίνιο (που έχει 89 πρωτόνια), δηλαδή ένα πρωτόνιο περισσότερο.
Και τώρα η τεχνητή ραδιενέργεια. Όταν ανακαλύφθηκε η φυσική ραδιενέργεια το 1896 από το Γάλλο Φυσικό Μπεκερέλ έγινε γρήγορα αντιληπτό, ότι ήταν η πιο συγκεντρωμένη ενέργεια που ήταν μέχρι τότε γνωστή. Όροι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν καταρχάς ατομική και αργότερα πιο σωστά πυρηνική ενέργεια. Εκτός από τη φυσική ραδιενέργεια, η οποία, όπως αναφέραμε είναι η αυθόρμητη διάσπαση πυρήνων, υπάρχει και η τεχνητή ραδιενέργεια. Ήταν δε o Άγγλος Φυσικός Ernest Rutherford (Έρνεστ Ράδερφορντ), ο οποίος πραγματοποίησε την πρώτη τεχνητή εκπομπή ραδιενέργειας: «Βομβάρδισε» δηλαδή πυρήνες του στοιχείου άζωτο (που έχει 7 πρωτόνια) με πυρήνες του στοιχείου ήλιο (που αποτελούνται απ[ό 2 πρωτόνια και 2 ουδετερόνια) και δημιούργησε νέους πυρήνες του στοιχείου οξυγόνο (που έχει 8 πρωτόνια, δηλαδή πάλι ένα πρωτόνιο περισσότερο) με σύγχρονη εκπομπή ενέργειας υπό τη μορφή πάλι ακτινοβολίας.
Από τη Ραδιενέργεια στην Διάσπαση του Πυρήνα των Ατόμων
Κάνω μία σύντομη περίληψη των όσων είπα για τη ραδιενέργεια. Κατά τη ραδιενέργεια και στα δύο παραδείγματα που προανέφερα, δηλαδή είτε η ραδιενέργεια είναι φυσική είτε είναι τεχνητή, χαρακτηριστικό είναι, ότι δημιουργείται από έναν αρχικό, δηλαδή μητρικό πυρήνα ένας θυγατρικός πυρήνας, ο οποίος έχει ένα πρωτόνιο περισσότερο από τον μητρικό, πυρήνα. Αυτό λέγεται και μεταστοιχείωση.
Τι λογικότερο λοιπόν από το να κάνουμε την εξής απλή σκέψη. Παίρνουμε το βαρύτερο στοιχείο που υπάρχει στη φύση, δηλαδή το ουράνιο, του οποίου ο πυρήνας έχει 92 πρωτόνια και προσπαθούμε με τεχνητή ραδιενέργεια να δημιουργήσουμε με μεταστοιχείωση ένα νέο στοιχείο με ένα πρωτόνιο περισσότερο, που θα είναι ένα στοιχείο πέραν από το ουράνιο;
Έ λοιπόν αυτό ακριβώς δοκίμασαν στις 17 Δεκεμβρίου του 1938 δύο Γερμανοί πειραματικοί Χημικοί ο Καθηγητής Otto Hahn (Ότο Χαν) και ο Βοηθός του Fritz Strassmann (Φριτς Στράσμαν), που εργάζονταν στο Ινστιτούτο Kaiser-Wilhelm (Κάιζερ Βίλχελμ) για Χημεία στο Βερολίνο. Δηλαδή «βομβάρδισαν» πυρήνες του στοιχείου ουράνιο με γρήγορα ουδετερόνια. Με αυτόν τον τρόπο περίμεναν να δημιουργήσουν με τεχνητή ραδιενέργεια κάποιο τεχνητό στοιχείο γειτονικό αλλά πέραν από το ουράνιο.
Δυστυχώς όμως ο σκοπός αυτός απέτυχε, αφού στα προϊόντα της αντίδρασης δεν εντοπίστηκε κάποιος παραπλήσιος πυρήνας του πυρήνα του ουρανίου. Οι δύο Επιστήμονες όμως αυτοί ήταν καλοί πειραματικοί Χημικοί . Έτσι ανίχνευσαν με μεγάλη τους έκπληξη στα προϊόντα της αντίδρασης δύο άλλα στοιχεία το βάριο, το οποίο έχει στον πυρήνα του 56 πρωτόνια και το κρυπτό το οποίο έχει στον πυρήνα του 36 πρωτόνια. Δηλαδή για πρώτη φορά σε τέτοιου είδους πείραμα δεν ανιχνεύθηκε ένας θυγατρικός πυρήνας παραπλήσιος με τον αρχικό, δηλαδή με τον μητρικό πυρήνα, αλλά δύο διαφορετικοί θυγατρικοί πυρήνες το βάριο και το κρυπτό, των οποίων ο αριθμός των πρωτονίων ήταν πολύ μικρότερος από τον αριθμό των πρωτονίων του μητρικού πυρήνα Αυτό βέβαια σήμανε τη διάσπαση του πυρήνα του ουρανίου, έστω και εάν αυτό δεν ήταν ο σκοπός του πειράματος. Συγχρόνως όμως ελευθερώθηκε ένα τεράστιο ποσό ενέργειας, κάτι το οποίο οι Χάαν και Στράσμαν δεν μπόρεσαν να αιτιολογήσουν, διότι όπως προανέφερα, ήταν μεν καλοί πειραματικοί Χημικοί αλλά όχι θεωρητικοί Φυσικοί.Δεν έχει σίγουρα ενδιαφέρον, το ότι μία από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις της Επιστήμης, δηλαδή η διάσπαση του πυρήνα των ατόμων προέκυψε τυχαία, αφού κατά το πείραμα των Χάαν και Στράσμαν άλλο επιδιωκόταν και άλλο προέκυψε;
Η Εξήγηση για την Δημιουργία του μεγάλου Ποσού Ενέργειας κατά τη Διάσπαση του Πυρήνα του Ουρανίου
Στη θεωρητική εξήγηση συνέτεινε αργότερα η επί σειρά ετών πρώην συνεργάτης του Καθηγητού Όττο Χάαν στο Βερολίνο, δηλαδή η Φυσικός Lise Meitner (Λίζε Μάιτνερ). Η Μάιτνερ εγκατέλειψε το Βερολίνο 5 μήνες πριν το περίφημο πείραμα της 17ης Δεκεμβρίου του 1938 και κατέληξε μέσω Ολλανδίας και Δανίας στη Σουηδία, επειδή ήταν μεν Αυστριακή αλλά Εβραία στο θρήσκευμα. Η Μάιτνερ λοιπόν συζήτησε στη Σουηδία με τον ανιψιό της Otto Frisch(Όττο Φρις) επίσης θεωρητικό Φυσικό, Αυστριακής καταγωγής, αλλά επίσης Εβραίο στο θρήσκευμα, ο οποίος εκείνη την περίοδο εργαζόταν στην Κοπεγχάγη κοντά στον περίφημο Δανό Φυσικό Νιλς Μπορ τα πειραματικά αποτελέσματα των Χαν και Στράσμαν, επιτυγχάνοντας τη θεωρητική εξήγηση του περίφημου πειράματος. Έτσι έγινε αντιληπτό, ότι με το πείραμα των Χαν και Στράσμαν όχι μόνο επετεύχθη για πρώτη φορά η διάσπαση ενός πυρήνα, αλλά μπόρεσε να ερμηνευτεί και το από πού προέκυψε το μεγάλο ποσό ενέργειας.
Η δε ερμηνεία είναι η εξής: Κατά το περίφημο πείραμα στο Βερολίνο, όπου για πρώτη φορά επετεύχθη η διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου, η συνολική μάζα των σωματιδίων που υπήρχαν πριν από το πείραμα ήταν μεγαλύτερη από τη συνολική μάζα των προϊόντων μετά την πυρηνική αντίδραση. Έτσι κατά την διάσπαση του πυρήνα του ουρανίου εξαφανίστηκε μία μάζα.
Ήταν όμως ο Albert Einstein (Άλμπερτ Αϊνστάιν), ο οποίος πρώτος διετύπωσε τη θεωρία κατά την οποία μάζα και ενέργεια είναι δύο μεγέθη, όπου το ένα μέγεθος μπορεί να μετατραπεί στο άλλο. Έτσι, αν σε ένα σύστημα χαθεί κάποια μάζα m, τότε συγχρόνως εμφανίζεται μία ενέργεια Ε που δίνεται από τον περίφημο τύπο του Αϊνστάιν
Ε = m · c2,
όπου
Ε είναι η ενέργεια,
m είναι η μάζα και
c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό, δηλαδή 300 000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή 300 000 000 μέτρα ανά δευτερόλεπτο.
Από την διάσπαση του Πυρήνα των Ατόμων στην Πυρηνική Βόμβα
Όπως προαναφέραμε, κατά τη διάσπαση του πυρήνα του ουρανίου προήλθε ένα μεγάλο ποσό ενέργειας. Όταν εξηγήθηκε το γιατί δημιουργείται κατά τη διάσπαση του πυρήνα του ουρανίου ένα μεγάλο ποσό ενέργειας, βγήκαν πολύ περισσότερα συμπεράσματα, όπως και τα εξής: Ελευθέρωση ενέργειας κατά τη διάσπαση ενός πυρήνα δεν επιτυγχάνεται με όλα τα στοιχεία αλλά μόνο με τη διάσπαση του πυρήνα των βαρέων στοιχείων, δηλαδή από το σίδηρο, του οποίου ο πυρήνας έχει 26 πρωτόνια και προς τα επάνω. Μάλιστα η ενέργεια που δημιουργείται κατά τη διάσπαση των πυρήνων είναι τόσο μεγαλύτερη, όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των πρωτονίων του στοιχείου, δηλαδή όσο βαρύτερος είναι ο πυρήνας. Γι’ αυτό, όταν θέλουμε να κερδίσουμε ενέργεια μέσω της διάσπασης των πυρήνων, χρησιμοποιούμε το βαρύτερο στοιχείο, δηλαδή το ουράνιο.
Η Ατομική Βόμβα ή σωστότερα η Πυρηνική Βόμβα
Η απελευθέρωση ενός πολύ μεγάλου ποσού ενέργειας κατά τη διάσπαση του πυρήνα οδήγησε σε σκέψεις, ότι η ενέργεια αυτή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί τόσο για ειρηνικούς όσον όμως και για πολεμικούς σκοπούς. Έχει δε ενδιαφέρον, ότι στις 16 Ιανουαρίου του 1939 (δηλαδή περίπου ένα μήνα μετά το πείραμα στο Βερολίνο) o περίφημος Δανός Φυσικός Νιλς Μπορ ταξίδεψε στις ΗΠΑ, προκειμένου να ανταλλάξει απόψεις με τον ακόμη πιο περίφημο Φυσικό Άλμπερτ Αϊνστάιν γύρω από τα επίκαιρα προβλήματα της Φυσικής.
Λίγο όμως πριν αναχωρήσει ο Μπορ για το προγραμματισμένο από καιρό ταξίδι του στην Αμερική, τον επισκέφτηκε η Μάιτνερ, η οποία τον ενημέρωσε για τα σημαντικά αποτελέσματα του πειράματος των Χάαν και Στράσμαν. Έτσι ο Μπορ φτάνοντας στις ΗΠΑ ενημέρωσε τους εκεί Φυσικούς για τα δρώμενα στο Βερολίνο. Επηρεασμένοι οι Αμερικανοί από το επίτευγμα των Χάαν και Στράσμαν και φοβούμενοι πιθανή εξέλιξη πυρηνικών όπλων από την τότε Γερμανία, η οποία διέθετε έναν άλλον περίφημο Φυσικό τον Werner Heisenberg (Βέρνερ Χάιζενμπεργκ), ξεκίνησαν με απόλυτη μυστικότητα το περίφημο «Σχέδιο Μανχάταν» στο Los Alamos του New Mexico στις ΗΠΑ. Εκεί συνεργάσθηκαν όλοι οι ταλαντούχοι επιστήμονες της εποχής υπό το χαρισματικό Φυσικό Robert Oppenheimer (Ρόμπερτ Οπενχάιμερ). Το αποτέλεσμα: Στις 16 Ιουλίου του 1945, δηλαδή περίπου 7 χρόνια μετά το πείραμα στο Βερολίνο, έγινε η πρώτη και επιτυχημένη δοκιμή της πυρηνικής βόμβας με την κωδική ονομασία Trinity-Test στο Alamogordo του New Mexico. Ακολούθησε η πρώτη ρήψη της πυρηνικής βόμβας στις 6 Αυγούστου του 1945 στη Χιροσίμα με την κωδική ονομασία Little Boy και τρεις ημέρες αργότερα η δεύτερη ρίψη με την κωδική ονομασία Fat Man στο Ναγκασάκι. Οι δύο αυτές ρίψεις είχαν ως αποτέλεσμα το θάνατο εκατοντάδων χιλιάδων ανθρώπων, σήμαναν όμως και το τέλος του 2ουπαγκοσμίου πολέμου.
Όπως προαναφέραμε, η ενέργεια που ελευθερώνεται κατά την διάσπαση των πυρήνων των ατόμων μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για πολεμικούς σκοπούς (με την πυρηνική βόμβα) όσο όμως και για ειρηνικούς σκοπούς π.χ. σε ένα εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό βέβαια προϋποθέτει τη δυνατότητα να μπορούμε να κάνουμε τη διάσπαση των πυρήνων ελεγχόμενα, κάτι το οποίο είναι δυσκολότερο από την κατασκευή μίας βόμβας. Έτσι με την ειρηνική χρήση της πυρηνικής ενέργειας σε ένα εργοστάσιο π.χ. παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας θα ασχοληθούμε λίγο αργότερα.Αντ’ αυτού θα ασχοληθούμε τώρα με έναν άλλο τρόπο, με τον οποίο μπορούμε να κερδίσουμε μεγάλα ποσά ενέργειας. Ο τρόπος αυτός είναι η σύντηξη, δηλαδή η συνένωση των πυρήνων των ελαφρών στοιχείων.
Η Σύντηξη Πυρήνων
Αναφέραμε προηγουμένως, ότι κατά την διάσπαση των πυρήνων δημιουργείται ένα μεγάλο ποσό ενέργειας. Αυτό όμως συμβαίνει μόνο με τους βαρείς πυρήνες, δηλαδή με αυτούς που έχουν τουλάχιστον 26 πρωτόνια, δηλαδή τους πυρήνες του στοιχείου σίδηρο και προς τα επάνω.
Με τα ελαφρά στοιχεία μπορούμε επίσης να κερδίσουμε μεγάλα ποσά ενέργειας, όχι όμως με την διάσπαση των πυρήνων, αλλά αντίθετα με την σύντηξη, δηλαδή την συνένωση των ελαφρών πυρήνων, διότι κατά την σύντηξη των ελαφρών πυρήνων ισχύει, ό,τι και κατά την διάσπαση των βαρέων πυρήνων, δηλαδή ότι η συνολική μάζα των σωματιδίων που υπήρχαν πριν από την σύντηξη των πυρήνων είναι μεγαλύτερη από τη συνολική μάζα των προϊόντων μετά τη σύντηξη των πυρήνων. Έτσι κατά τη σύντηξη των πυρήνων εξαφανίζεται μία μάζα, οπότε βάσει του τύπου του Αϊνστάιν εμφανίζεται πάλι ως ένα μεγάλο ποσό ενέργειας.
Μάλιστα η παραγόμενη ενέργεια κατά τη σύντηξη των πυρήνων είναι τόσο μεγαλύτερη όσο πιο ελαφρύ είναι το στοιχείο, δηλαδή όσο πιο λιγότερα πρωτόνια έχει ο πυρήνας του. Γι’ αυτό όταν θέλουμε να κερδίσουμε ενέργεια με την σύντηξη των πυρήνων χρησιμοποιούμε το ελαφρύτερο στοιχείο που υπάρχει στη φύση, δηλαδή το υδρογόνο που έχει στον πυρήνα του μόνο 1 πρωτόνιο. Κατά αυτήν την σύντηξη ενώνονται δύο πυρήνες υδρογόνου δημιουργώντας έναν πυρήνα του στοιχείου ήλιο και ελευθερώνεται ένα μεγάλο ποσό ενέργειας.
Προβλήματα κατά τη Σύντηξη των Πυρήνων
Οι πυρήνες των ατόμων είναι, όπως έχουμε εξηγήσει, ηλεκτρικώς θετικά φορτισμένοι, αφού αποτελούνται από πρωτόνια, τα οποία είναι ηλεκτρικώς θετικά φορτισμένα και από ουδετερόνια, τα οποία είναι ηλεκτρικώς ουδέτερα, Έτσι, αν πλησιάσουμε δύο πυρήνες για να επιτύχουμε την σύντηξή τους αυτοί απωθούνται, αφού έχουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο. Είναι όμως γνωστό, ότι ομώνυμα ηλεκτρικά φορτία απωθούνται. Μάλιστα οι ομώνυμοι αυτοί πυρήνες απωθούνται τόσο ισχυρότερα, όσο πιο κοντά πλησιάζουν μεταξύ τους. Αν λοιπόν θέλουμε να επιτύχουμε την σύντηξη δύο πυρήνων, π.χ. του υδρογόνου, τότε πρέπει να χρησιμοποιήσουμε καταρχάς ένα μεγάλο ποσό ενέργειας. Βέβαια, αν οι πυρήνες αυτοί ανήκουν σε ένα στοιχείο με αριθμό πρωτονίων από 1 έως 26, θα κερδίσουμε από την σύντηξή τους ένα μεγαλύτερο ποσό ενέργειας, από ό,τι καταναλώσαμε για την επίτευξη της σύντηξης. Έτσι η σύντηξη πυρήνων επιτυγχάνεται, αν οι πυρήνες βρεθούν υπό πολύ μεγάλη πίεση και θερμοκρασία.
Τι συμβαίνει επάνω στον Ήλιο μας
Ο Ήλιος μας αποτελείται κυρίως από το στοιχείο υδρογόνο. Στο κέντρο του Ήλιου επικρατούν θερμοκρασίες 10 εκατομμυρίων (!) βαθμών Κελσίου και τεράστιες πιέσεις εκατομμυρίων ατμοσφαιρών λόγω της βαρύτητας του Ήλιου. Αυτές οι συνθήκες είναι όμως τέλειες για τη σύντηξη των πυρήνων του υδρογόνου.Έτσι, όπως έχω αναφέρει και στις προηγούμενες ομιλίες μου, στον Ήλιο μέσα σε ένα δευτερόλεπτο μεταβάλλονται 4 700 000 τόνοι του στοιχείου υδρογόνο στο στοιχείο ήλιο και αυτό με την σύντηξη των πυρήνων του υδρογόνου σε πυρήνες του στοιχείου ήλιο. Αυτό έχει σα συνέπεια, ότι στον Ήλιο μας σε ένα δευτερόλεπτο ελευθερώνεται ένα ποσό ενέργειας σε κιλοβάτ, που έχει μπροστά τον αριθμό 4 ακολουθούμενο από 23 μηδενικά, δηλαδή 400 εξάκις εκατομμύρια κιλοβάτ, δηλαδή πράγματι ένα αστρονομικό νούμερο. Η ενέργεια αυτή εκπέμπεται υπό τη μορφή της ηλιακής ακτινοβολίας προς όλες τις διευθύνσεις στο διάστημα. Ένα μέρος αυτής της ηλιακής ακτινοβολίας συναντά και τη Γη μας δημιουργώντας μία μέση θερμοκρασία κοντά στην επιφάνεια της Γης περίπου 15 βαθμών Κελσίου.
Η Βόμβα Υδρογόνου
Είναι φανερό, ότι όταν έγινε κατανοητό, τι τεράστια ποσά ενέργειας ελευθερώνονται κατά τη σύντηξη των πυρήνων των ελαφριών στοιχείων, έγιναν και σκέψεις πώς θα μπορούσαμε να εκμεταλλευτούμε αυτή τη δυνατότητα τόσο για ειρηνικούς όσο όμως και για πολεμικούς σκοπούς. Επειδή όμως όλα αυτά συνέβαιναν γύρω στο 1940, όταν δηλαδή ξεκινούσε ο 2ος παγκόσμιος πόλεμος, οι πρώτες σκέψεις οδήγησαν στο αν ήταν δυνατή η κατασκευή μίας πυρηνική βόμβας υδρογόνου; Μία γρήγορη απάντηση ήταν απαγορευτική για τον εξής λόγο. Η σύντηξη των πυρήνων υδρογόνου επάνω στον Ήλιο είναι δυνατή, επειδή στο κέντρο του Ήλιου επικρατούν θερμοκρασίες 10 εκατομμυρίων (!) βαθμών Κελσίου και τεράστιες πιέσεις λόγω της βαρύτητας του Ήλιου.
Για να επιτευχθεί σύντηξη πυρήνων υδρογόνου επάνω στη Γη μας, είναι απαραίτητες, λόγω των μικρότερων πιέσεων που μπορούν να δημιουργηθούν στη Γη από ότι στον Ήλιο, θερμοκρασίες της τάξης όχι των 10 αλλά 100 εκατομμυρίων (!) βαθμών Κελσίου. Πώς όμως θα δημιουργηθούν επάνω στη Γη μας τέτοιες θερμοκρασίες; Και όμως ήταν ο χαρισματικός Φυσικός Edward Teller (Έντουαρντ Τέλλερ), ο οποίος με μία ιδιοφυή ιδέα του έγινε «ο πατέρας της βόμβας υδρογόνου». Τι έκανε λοιπόν ο Έντουαρντ Τέλλερ; Έφτιαξε μία βόμβα υδρογόνου, στην οποία, προκειμένου να δημιουργήσει τις απαραίτητες προϋποθέσεις για την σύντηξη των πυρήνων του υδρογόνου, τοποθέτησε στο κέντρο της βόμβας υδρογόνου μία μικρή πυρηνική βόμβα διάσπασης πυρήνων του πλουτωνίου. Έτσι πρώτα πυροδοτήθηκε η πυρηνική βόμβα διάσπασης πυρήνων του πλουτωνίου,. Με αυτήν την έκρηξη δημιουργήθηκαν οι προϋποθέσεις που ήταν αναγκαίες για την έκρηξη της πυρηνικής βόμβας υδρογόνου.
Η πρώτη δοκιμή της βόμβας υδρογόνου έγινε από την Αμερική στα νησιά Μάρσαλ στις 31 Οκτωβρίου του 1952.Προκειμένου να κατανοήσουμε τις επιπτώσεις, που έχει η έκρηξη μίας ατομικής βόμβας ή μίας βόμβας υδρογόνου, πρέπει να ασχοληθούμε λίγο με αυτό που λέγεται ακτινοβολία.
Ακτινοβολία
Με τον όρο ακτινοβολία εννοούμε τη ροή ενέργειας είτε με τη μορφή σωματιδίων είτε με τη μορφή κυμάτων Στη συνέχεια θα ασχοληθούμε για λίγο με τις σημαντικότερες ακτινοβολίες και μάλιστα μόνο με τις επιπτώσεις που έχουν αυτές οι ακτινοβολίες στον άνθρωπο.
Ακτινοβολία Άλφα (α)
Η ακτινοβολία άλφα είναι μία σωματιδιακή ακτινοβολία και αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο ουδετερόνια. Αυτό ανταποκρίνεται ακριβώς σε ένα πυρήνα του στοιχείου ήλιο Έτσι η σωματιδιακή ακτινοβολία άλφα είναι πυρήνες του στοιχείου ήλιο
Τα ηλεκτρικώς θετικά φορτισμένα σωματίδια άλφα εκπέμπονται με ταχύτητα μέχρι 30 000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο (δηλαδή μέχρι 10% της ταχύτητας του φωτός που είναι 300 000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο). Τα σωματίδια άλφα διεισδύουν στον αέρα μόνο περίπου 2 έως 10 εκατοστά του μέτρου, ενώ συγκρατούνται από ένα απλό φύλλο χαρτιού.Κίνδυνος υπάρχει, όταν η ακτινοβολία άλφα εισέλθει στο εσωτερικό του σώματος είτε με την αναπνοή είτε με την τροφή είτε με την πόση είτε όταν υπάρχει ρήξη του δέρματος. Όταν δε τα σωματίδια άλφα παραμείνουν σε πτυχές του πεπτικού συστήματος, στους πνεύμονες ή στις σάρκες, μπορούν να βλάψουν τα κύτταρα προκαλώντας μέχρι και καρκίνο.
Ακτινοβολία Βήτα (β)
Η ακτινοβολία βήτα είναι επίσης μία σωματιδιακή ακτινοβολία. Μπορεί δε να δημιουργηθεί με περισσότερους τρόπους και είναι ταχέα, δηλαδή πολύ γρήγορα ηλεκτρόνια.
Η ταχύτητα των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται κατά την ακτινοβολία βήτα είναι πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα των σωματιδίων άλφα (είναι δηλαδή μέχρι 99% της ταχύτητας του φωτός, ενώ η ταχύτητα των σωματιδίων άλφα είναι, όπως προαναφέραμε, μέχρι 10% της ταχύτητας του φωτός). Η διεισδυτικότητα της ακτινοβολίας βήτα είναι μεγαλύτερη από αυτήν της ακτινοβολίας άλφα. Το πόσο όμως διεισδύει είναι συνάρτηση του ποιος πυρήνας εκπέμπει την ακτινοβολία βήτα. Έτσι η διεισδυτικότητα της ακτινοβολίας βήτα στον αέρα είναι από οχτώ εκατοστά του μέτρου, μέχρι 7 μέτρα. Επίσης η ακτινοβολία βήτα μπορεί να διαπεράσει ξύλο πάχους 2 έως 3 εκατοστά του μέτρου και φύλλα αλουμινίου πάχους μερικών χιλιοστών του μέτρου. Εάν εκτεθεί το ανθρώπινο σώμα σε ακτινοβολία βήτα, βλάπτονται μόνο τα εξωτερικά στρώματα του δέρματος. Εκεί μπορούν όμως να προκληθούν έντονα εγκαύματα με μακροχρόνιες συνέπειες, όπως π.χ. καρκίνος του δέρματος. Ακόμη προβληματικότερο γίνεται όμως, το εάν καταλήξουν στο ανθρώπινο σώμα ραδιενεργά στοιχεία που εκπέμπουν ακτινοβολία βήτα. Συνέπεια αυτού είναι διάφορα είδη καρκίνων.
Ακτινοβολία Γάμμα (γ)
Όταν ο πυρήνας ενός στοιχείου χτυπηθεί από κάποιο σωματίδιο, είτε αυτό διέλθει είτε ανακλαστεί χωρίς καμία φυσική ή χημική μεταβολή του στοιχείου, δηλαδή αν το στοιχείο παραμείνει το ίδιο, είναι δυνατόν ο πυρήνας αυτός να «διεγερθεί». Την πλεονάζουσα ενέργεια αυτή μπορεί να τη διατηρεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Όταν η ενέργεια αυτή απελευθερωθεί, τότε ο πυρήνας αυτός εκπέμπει ακτινοβολία γάμμα, δηλαδή μία ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία , όπως οι ακτίνες Χ μόνο πολύ μεγαλύτερης διεισδυτικότητας. Έτσι η ακτινοβολία γάμμα μπορεί να διαπεράσει μερικά εκατοστά του μέτρου μόλυβδο. Οι βιολογικές επιδράσεις σε άτομα που εκτίθενται σε υψηλής έντασης ακτινοβολία γάμμα μπορεί να είναι καρκίνος, γενετικές αλλοιώσεις των κυττάρων και θάνατος. Από την ακτινοβολία γάμμα μπορούμε να προφυλαχτούμε τοποθετώντας ανάμεσα στην πηγή και σε εμάς μία προστατευτική πλάκα από μόλυβδο ή από μπετόν.
Χρόνος Ημιζωής ή Χρόνος Υποδιπλασιασμού (τ)
Για να γίνει αντιληπτή η επικινδυνότητα της ακτινοβολίας είναι απαραίτητο να εισαγάγουμε την έννοια του χρόνου ημιζωής ή και χρόνου υποδιπλασιασμού τ του στοιχείου. Έστω, ότι έχουμε μία ποσότητα του στοιχείου ράδιο, του οποίου οι πυρήνες, όπως εξηγήσαμε διασπώνται αυθόρμητα εκπέμποντας συγχρόνως ακτινοβολία. Η αρχική μάζα του ραδίου συνεχώς μικραίνει, αφού οι πυρήνες του διασπώνται.
Υπάρχει για κάθε στοιχείο που εκπέμπει ακτινοβολία ένα μέγεθος που λέγεται χρόνος ημιζωής ή χρόνος υποδιπλασιασμού του στοιχείο τ, ο οποίος είναι το χρονικό αυτό διάστημα, στο οποίο από την αρχική ποσότητα του στοιχείου έχει απομείνει η μισή ποσότητα, ενώ η υπόλοιπη μισή έχει μετατραπεί στη νέα του μορφή. Ο χρόνος αυτός είναι γνωστός και χαρακτηριστικός για κάθε ασταθές στοιχείο.
Ό,τι περιγράψαμε προηγουμένως για την αυθόρμητη διάσπαση των πυρήνων του στοιχείου ράδιο, ισχύει και για πολλές άλλες περιπτώσεις, όπως π.χ. στην περίπτωση των στοιχείων που είναι θραύσματα κατά τη διάσπαση των πυρήνων.
Στη συνέχεια θα αναφέρω παραδειγματικά μόνο τρεις περιπτώσεις: Ο χρόνος ημιζωής για το στοιχείο iώδιο είναι 8 ημέρες, για το στοιχείο kέσιο 2,1 χρόνια και για το στοιχείο πλουτώνιο 24 100 χρόνια.Ας μείνουμε για λίγο στο πλουτώνιο. Έστω ότι έχουμε σήμερα μία ποσότητα πλουτωνίου 10 χιλιόγραμμα. Το πλουτώνιο αυτό εκπέμπει συνεχώς βλαβερή ακτινοβολία. Μετά από 24 100 χρόνια θα έχει μείνει η μισή μάζα πλουτωνίου, δηλαδή μόνο 5 χιλιόγραμμα. Μετά από άλλα 24 100 χρόνια, δηλαδή μετά από 48 200 χρόνια από σήμερα θα έχουν μείνει 2,5 χιλιόγραμμα πλουτωνίου κ.ο.κ. Αντιλαμβάνεστε δηλαδή, ότι ένα σώμα που εκπέμπει ακτινοβολία, συνεχίζει να την εκπέμπει για πάρα πολύ χρόνο!
Επιβάρυνση του Περιβάλλοντος από τις Βόμβες Διάσπασης και Σύντηξης των Πυρήνων των Ατόμων
Μέχρι το 1945 η δράση όλων των εκρηκτικών όπλων ήταν συνέπεια ενέργειας, που προερχόταν από χημικές αντιδράσεις διαφόρων υλικών, κατά τις οποίες οι πυρήνες των ατόμων έμεναν αναλλοίωτοι. Επειδή σχεδόν όλα αυτά τα εκρηκτικά περιείχαν και το εκρηκτικό ΤΝΤ (τρινιτροτολουόλη), ήταν και είναι σύνηθες την ενέργεια ενός εκρηκτικού να την συγκρίνουμε με την εκρηκτική ενέργεια μίας ποσότητας ΤΝΤ.
Με την 1η δοκιμαστική έκρηξη της πυρηνικής βόμβας στο Alamogordo του New Mexico το 1945 και τις δύο ρίψεις που ακολούθησαν στη Χιροσίμα και στο Ναγκασάκι της Ιαπωνίας, εγκαινιάστηκε η χρήση όπλων, κατά την έκρηξη των οποίων στις αντιδράσεις που έλαβαν χώρα (σ’ αυτές τις 3 περιπτώσεις) διασπάσθηκαν οι πυρήνες των ατόμων, με αποτέλεσμα να ελευθερωθεί ένα τεράστιο ποσό ενέργειας. Το ποσό ενέργειας που ελευθερώθηκε στις τρεις εκρήξεις αυτές αντιστοιχούσε σε 13 000 έως 21 000 ! τόνους ΤΝΤ.
Αλλά τα πράγματα «αγρίεψαν» ακόμη περισσότερο. Στις 31 Οκτωβρίου του 1952 έγινε από την Αμερική στα νησιά Μάρσαλ η πρώτη δοκιμή της βόμβας υδρογόνου. Το ποσό ενέργειας που ελευθερώθηκε εκεί αντιστοιχούσε στη έκρηξη 10 400 000 ! τόνων ΤΝΤ. Αυτό ανταποκρίνεται σε έναν κύβο ΤΝΤ με διαστάσεις περίπου 185μέτραx185μέτραx185μέτρα (ειδικό βάρος ΤΝΤ 1,65 τόνοι ανά κυβικό μέτρο).Η επιβάρυνση του Περιβάλλοντος από τις εκρήξεις των βομβών με πυρηνικές μεταβολές (διάσπαση ή σύντηξη) είναι πολλαπλή. Οι επιπτώσεις στο Περιβάλλον, που θα αναφέρουμε στη συνέχεια, εξαρτώνται τόσο από το απόλυτο μέγεθός των βομβών (π.χ. μία βόμβα υδρογόνου μπορεί να περιέχει 1 τόνο υδρογόνου ή 5 τόνους υδρογόνου), όσο όμως και από τον τρόπο της έκρηξης, δηλαδή αν η έκρηξη έγινε στην ατμόσφαιρα, στο έδαφος, στο υπέδαφος ( προκειμένου να καταστραφούν υπόγεια εργοστάσια, καταφύγια κ.λπ.) ή υποθαλάσσια. Σε περίπτωση δε που η έκρηξη έγινε στην ατμόσφαιρα πολύ σημαντικό είναι το ύψος από το έδαφος που έγινε η έκρηξη. Οι επιπτώσεις λοιπόν στο Περιβάλλον είναι οι ακόλουθες:
α) Κρουστικό Κύμα
Από το σημείο της έκρηξης της πυρηνικής βόμβας εξαπλώνεται προς όλες τις διευθύνσεις (σε σχήμα σφαίρας) ένα κρουστικό κύμα, δηλαδή ένα κύμα πολύ ισχυρής πίεσης. Υπολογίζεται, ότι περίπου τα 50 έως 60% της ενέργειας της πυρηνικής έκρηξης μετατρέπεται στο κρουστικό κύμα.
Συνέπεια αυτού του κρουστικού κύματος είναι η απόλυτη ισοπέδωση του τοπίου στο σημείο της έκρηξης. Όσο δε απομακρυνόμαστε από το σημείο της έκρηξης, συμβαίνουν τα εξής: Ξεκινάμε με την γενική καταστροφή όλων των υπέργειων κτηρίων, συνεχίζουμε με καταστροφή ή σοβαρές ζημιές των κτηρίων από μπετόν και θάνατος των περισσοτέρων κατοίκων.Το κρουστικό κύμα είναι επίσης η αιτία για πυρκαγιές που προκαλούνται από την καταστροφή αγωγών αερίου, ηλεκτρικών καλωδίων και σε αποθήκες καυσίμων.
β) Θερμική και Φωτεινή Ακτινοβολία
Υπολογίζεται, ότι περίπου τα 35% της ενέργειας της πυρηνικής έκρηξης μετατρέπεται σε θερμική και φωτεινή ακτινοβολία.
Η θερμική ακτινοβολία είναι τόσο ισχυρή, ώστε στο έδαφος κάτω από την πυρηνική έκρηξη (σε περίπτωση μίας εναέριας έκρηξης) ζώντες οργανισμοί καίγονται ακαριαία δίχως να μπορεί να γίνει αναγνώρισής τους, ενώ μέταλλα εξατμίζονται.
Τα εγκαύματα που προκαλεί μία πυρηνική έκρηξη στον άνθρωπο σε διάφορες αποστάσεις από το σημείο της έκρηξης γίνονται βέβαια λιγότερο σοβαρά, όσο πιο πολύ απομακρυνόμαστε από το σημείο της έκρηξης.
Τα εγκαύματα που προκαλεί μία πυρηνική έκρηξη στον άνθρωπο σε μία συγκεκριμένη απόσταση από την έκρηξη γίνονται λιγότερο σοβαρά, όταν ανάμεσα στον άνθρωπο και την έκρηξη επικρατεί υγρασία ή υπάρχουν αιωρούμενα σωματίδια (π.χ. σκόνη), διότι υγρασία και αιωρούμενα σωματίδια απορροφούν τη θερμότητα και την λιγοστεύουν. Αντίθετα τα εγκαύματα γίνονται πιο σοβαρά, όταν ανάμεσα στον άνθρωπο και την έκρηξη υπάρχει χιόνι, πάγος, λευκή άμμος ή νέφωση επάνω από το σημείο της έκρηξης. Εάν κοιτάξει κάποιος προς το σημείο της έκρηξης, είτε ακριβώς κατά την χρονική στιγμή της έκρηξης είτε λίγο μετά, τότε μπορεί ανάλογα με την απόσταση από την έκρηξη να χάσει το φως του είτε μόνιμα είτε παροδικά.
γ) Άμεση Πυρηνική Ακτινοβολία
Η άμεση πυρηνική ακτινοβολία είναι η ακτινοβολία που εκπέμπεται από το σημείο της πυρηνικής έκρηξης κατά τη διάρκεια του πρώτου λεπτού της ώρας. Αποτελείται δε κυρίως από ελεύθερα ουδετερόνια, που προέρχονται από τις πυρηνικές αντιδράσεις διάσπασης και σύντηξης, καθώς και από ακτινοβολία γάμμα.
δ) Έμμεση Πυρηνική Ακτινοβολία
Όπως αναφέραμε προηγουμένως από την πυρηνική έκρηξη προκύπτουν διάφορα ραδιενεργά στοιχεία, τα οποία εξ ορισμού εκπέμπουν διάφορες ακτινοβολίες.
Τα βαριά ραδιενεργά στοιχεία εναποτίθενται γρήγορα στο έδαφος, όπου ανάλογα με το χρόνο υποδιπλασιασμού των μπορούν να δημιουργούν προβλήματα στην περιοχή επί πολύ χρόνο. Τα πιο ελαφριά ραδιενεργά στοιχεία όμως αιωρούνται στην ατμόσφαιρα και μπορούν με τον άνεμο να μεταφερθούν στη διεύθυνσή του σε πολύ μεγάλες αποστάσεις δημιουργώντας προβλήματα μακριά από την έκρηξη. Αν δε περάσουν κάτω από ένα σύννεφο την ώρα που βρέχει μπορεί να μολύνουν το έδαφος επάνω στο οποίο καταλήγουν, τα ζώα, τα φυτά ακόμη και το υπόγειο νερό.
ε) Ηλεκτρομαγνητικός Παλμός
Σε μία πυρηνική έκρηξη ονομάζουμε ηλεκτρομαγνητικό παλμό τη δημιουργία ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, του οποίου η συμπεριφορά είναι όπως η συμπεριφορά μίας αστραπής, μόνο ότι τώρα η ηλεκτρική τάση είναι πολύ μεγαλύτερη από ότι στην περίπτωση της αστραπής και πολύ μικρότερης χρονικής διάρκειας. Γι’ αυτό τα αλεξικέραυνα συστήματα δεν μπορούν να προστατεύσουν τα δίκτυα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας ή τα τηλεφωνικά δίκτυα, με αποτέλεσμα τις βλάβες στην ηλεκτροδότηση, στα τηλέφωνα, στους ραδιοφωνικούς και τηλεοπτικούς σταθμούς, στις οικιακές συσκευές, στις ηλεκτρονικές συσκευές κ.λπ.
Ελεγχόμενη Χρήση της Ενέργειας
από την Διάσπαση και την Σύντηξη των Πυρήνων των Ατόμων
Μέχρι τώρα ασχοληθήκαμε με την χρήση της ενέργειας που προκύπτει από τη μη ελεγχόμενη διάσπαση των βαρέων πυρήνων των ατόμων, δηλαδή με τη βόμβα του ουρανίου και από την μη ελεγχόμενη σύντηξη των ελαφριών πυρήνων των ατόμων. δηλαδή με τη βόμβα υδρογόνου.Στη συνέχεια θα ασχοληθούμε με το πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ελεγχόμενα την ενέργεια που παράγεται κατά τη διάσπαση των βαρέων πυρήνων ή κατά την σύντηξη των ελαφριών πυρήνων των ατόμων, δημιουργώντας π.χ. ηλεκτρική ενέργεια.
Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας
με την Διάσπαση των Πυρήνων των Βαρέων Στοιχείων (π.χ. του Ουρανίου)
Την ενέργεια που προκύπτει από τη διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου, μπορούμε να την εκμεταλλευτούμε και ελεγχόμενα για ειρηνικούς σκοπούς. Έτσι μπορούμε σε έναν Συμβατικό Σταθμό Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας να αντικαταστήσουμε τον Λέβητα, όπου παράγουμε θερμότητα καίγοντας ένα συμβατικό καύσιμο (π.χ. άνθρακα, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) με έναν Πυρηνικό Αντιδραστήρα, όπου θα παράγουμε θερμότητα με την διάσπαση των πυρήνων π.χ. του ουρανίου.
Αυτό οδήγησε και στην έννοια, ότι σε ένα πυρηνικό αντιδραστήρα παράγουμε θερμότητα με την καύση ενός πυρηνικού καυσίμου, παρ’ ότι η διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου δεν έχει να κάνει τίποτα με καύση.
Στη συνέχεια θα περιγράψουμε με πολύ απλά λόγια έναν Πυρηνικό Αντιδραστήρα.
Πυρηνικός Αντιδραστήρας
Ο Πυρηνικός Αντιδραστήρας είναι συνήθως ένα μεγάλο κυλινδρικό δοχείο από ατσάλι., μέσα στο οποίο βρίσκεται μια μεγάλη ποσότητα ουρανίου.
α) Ράβδοι Καυσίμου
Το ουράνιο βρίσκεται μέσα σε πολλούς μεταλλικούς σωλήνες, που ονομάζονται ράβδοι του καυσίμου. Οι ράβδοι του καυσίμου έχουν σχήμα κυλινδρικό με εξωτερική διάμετρο περίπου 11 χιλιοστών του μέτρου και ένα ύψος περίπου 4,2 μέτρων.
Οι Χάαν και Στράσμαν στο πείραμα που έκαναν στο Βερολίνο «βομβάρδισαν» πυρήνες του στοιχείου ουράνιο με γρήγορα ουδετερόνια. και έτσι κατάφεραν για πρώτη φορά να διασπάσουν έναν πυρήνα του στοιχείου ουράνιο. Κατά τη διάσπαση αυτή του πυρήνα του ουρανίου προέκυψε ένα μεγάλο ποσό ενέργειας και δημιουργήθηκαν τα στοιχεία βάριο και κρυπτό. Κατά την πυρηνική αυτή αντίδραση προέκυψαν επί πλέον 3 γρήγορα ουδετερόνια. Κατά τη διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου αυτό που προέκυψε στο πείραμα στο Βερολίνο (δηλαδή τα στοιχεία θραύσματα βάριο και κρυπτό είναι μία από τις πολλές δυνατότητες). Ανεξάρτητα από το ποιοι πυρήνες θραύσματα προκύπτουν αυτό που είναι βέβαιο είναι, ότι πάντα προκύπτουν 2 έως 3 νέα ταχέα ουδετερόνια. Έτσι μπορούμε να φανταστούμε, ότι υπό ειδικές συνθήκες τα νέα ουδετερόνια θα μπορούσαν να διασπάσουν νέους πυρήνες ουρανίου, έτσι ώστε να έχουμε αυτό που αποκαλούμε «αλυσιδωτή αντίδραση», δηλαδή συνεχή παραγωγή ενέργειας. Για να αντιληφθούμε όμως ποιες είναι αυτές οι ειδικές συνθήκες;
β) Επιβραδυντής
Τα ουδετερόνια, που προκύπτουν από την διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου, έχουν πολύ μεγάλες ταχύτητες. Έτσι, η πιθανότητα αυτά τα πολύ γρήγορα ουδετερόνια να μπορέσουν να δημιουργήσουν νέες διασπάσεις πυρήνων ουρανίου είναι πολύ μικρή. Γι’ αυτό για τη συνεχή διάσπαση πυρήνων ουρανίου, δηλαδή για την συνεχή παραγωγή ενέργειας σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα είναι απαραίτητο να επιβραδύνουμε τα νέα ουδετερόνια που δημιουργούνται κατά την διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου.Προς τούτο χρησιμοποιούμε «επιβραδυντές». Επιβραδυντής είναι ένα υλικό συνήθως νερό ή γραφίτης, το οποίο περιβάλλει το ουράνιο και έχει την ικανότητα να επιβραδύνει τα πολύ γρήγορα ουδετερόνια της διάσπασης, δηλαδή να τους μειώνει την ταχύτητα, με μικρή όμως πιθανότητα ο ίδιος ο επιβραδυντής να ενσωματώνει ουδετερόνια. Με αυτά λοιπόν τα ουδετερόνια που έχουν μικρότερη ταχύτητα από ότι αρχικά, δηλαδή τώρα περίπου 2 000 έως 2 200 μέτρα ανά δευτερόλεπτο και τα αποκαλούμε θερμικά ουδετερόνια, επιτυγχάνουμε τη διάσπαση νέων πυρήνων ουρανίου, δηλαδή επιτυγχάνουμε την αλυσιδωτή αντίδραση. Με τον επιβραδυντή εξασφαλίσαμε την συνεχή διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου, δηλαδή τη συνεχή δημιουργία ενέργειας στον πυρηνικό αντιδραστήρα.
γ) Ράβδοι Ελέγχου
Ο συνήθης σκοπός όμως του πυρηνικού αντιδραστήρα είναι η ελεγχόμενη παροχή ενέργειας. Αυτό σημαίνει, ότι ανάλογα με τις ανάγκες μας άλλοτε θα θέλουμε λιγότερη και άλλοτε περισσότερη ενέργεια. Η περισσότερη ενέργεια μάλιστα μπορεί να παραχθεί και άθελά μας, αν ανεξάρτητα για ποιο λόγο οι διασπάσεις των πυρήνων του ουρανίου γίνουν τόσο πολλές, ώστε οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται να πλησιάζουν τις μέγιστες επιτρεπόμενες θερμοκρασίες για την ασφάλεια του αντιδραστήρα.
Έτσι, σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα πρέπει να υπάρχει η δυνατότητα της ρύθμισης της ενέργειας που παρέχει. Αυτό επιτυγχάνεται προφανώς με τη ρύθμιση του αριθμού των διασπάσεων των πυρήνων του ουρανίου, δηλαδή με τη ρύθμιση του αριθμού των νέων ουδετερονίων που διατίθενται προς περαιτέρω διασπάσεις.
Η ρύθμιση δε αυτή επιτυγχάνεται με διάφορες μεθόδους. Μία δυνατότητα είναι μέσα στον πυρηνικό αντιδραστήρα να υπάρχουν «ράβδοι ελέγχου» από ένα υλικό που απορροφά ουδετερόνια. Τέτοια υλικά είναι π.χ. το βόριο, το κάδμιο και το ίνδιο.
Όταν λοιπόν θέλουμε να μειώσουμε την ισχύ του πυρηνικού αντιδραστήρα, βυθίζουμε τις ράβδους ελέγχου του πυρηνικού αντιδραστήρα περισσότερο μέσα στον πυρηνικό αντιδραστήρα, το υλικό των ράβδων ελέγχου απορροφά περισσότερα νέα ουδετερόνια, ο αριθμός των διασπάσεων των πυρήνων του ουρανίου μικραίνει και επομένως η ισχύς του πυρηνικού αντιδραστήρα μειώνεται.
Το αντίθετο συμβαίνει, όταν θέλουμε να αυξήσουμε την ισχύ του πυρηνικού αντιδραστήρα. Δηλαδή τότε εξάγουμε τις ράβδους ελέγχου περισσότερο έξω από τον πυρηνικό αντιδραστήρα, το υλικό των ράβδων ελέγχου απορροφά λιγότερα ουδετερόνια, ο αριθμός των διασπάσεων των πυρήνων του ουρανίου αυξάνεται και επομένως αυξάνεται και η ισχύς του πυρηνικού αντιδραστήρα. Υπάρχουν βέβαια και περιπτώσεις, κατά τις οποίες είναι αναγκαίο να σταματήσει ακαριαία η λειτουργία του πυρηνικού αντιδραστήρα (π.χ. στην περίπτωση ενός σεισμού). Σ’ αυτή την περίπτωση βυθίζονται αυτόματα όλοι οι ράβδοι ελέγχου μέσα στον αντιδραστήρα και σταματούν τη λειτουργία του.
Προβλήματα με τους Πυρηνικούς Αντιδραστήρες
Υπάρχει ένα πολύ σημαντικό πρόβλημα με τους πυρηνικούς αντιδραστήρες διάσπασης των πυρήνων του ατόμου. Το πρόβλημα αυτό θα το εξηγήσουμε στη συνέχεια, γιατί μόνο τότε θα μπορούμε να κατανοήσουμε τα μεγάλα προβλήματα που προκαλούνται, όταν γίνεται ένα ατύχημα σε ένα πυρηνικό εργοστάσιο:
Κατά τη διάσπαση ενός μητρικού πυρήνα ουρανίου μέσα σε ένα πυρηνικό αντιδραστήρα δημιουργούνται ταυτόχρονα με τη διάσπαση δύο νέοι θυγατρικοί πυρήνες θραύσματα, επί πλέον ουδετερόνια, ορισμένα άλλα σωματίδια και ελευθερώνεται ένα μεγάλο ποσό ενέργειας. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας αυτής παρουσιάζεται άμεσα υπό τη μορφή θερμότητας. Έστω λοιπόν ότι επιτυγχάνουμε να διακόψουμε ακαριαία τη διάσπαση περαιτέρω πυρήνων ουρανίου (π.χ. βυθίζοντας μέσα στον αντιδραστήρα ακαριαία όλες τις ράβδους ελέγχου). Οι πυρήνες θραύσματα, που δημιουργήθηκαν κατά τη διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου, είναι αμέσως μετά τη διάσπαση ασταθείς πυρήνες (σχετικά με τον αριθμό των ουδετερονίων που περιέχουν) και ευρίσκονται σε διέγερση. Αυτό σημαίνει, ότι οι ασταθείς αυτοί πυρήνες θα καταλήξουν σε μία ευσταθή κατάσταση πιθανότατα μετά από μία σειρά μεταπτώσεων σε λιγότερο ασταθείς πυρήνες και αντίστοιχων εκπομπών ακτινοβολίας β και γ. Όλες αυτές όμως οι μεταπτώσεις πυρήνων και οι ραδιενεργές εκπομπές συντελούνται για πολύ χρόνο ανάλογο με τον αντίστοιχο χρόνο ημιζωής τ.
Αυτό όμως σημαίνει, ότι μετά την παύση της λειτουργίας του αντιδραστήρα μέσα στον αντιδραστήρα συνεχίζουν ραδιενεργές διασπάσεις εκπέμποντας ενέργεια υπό τη μορφή θερμότητας και μάλιστα για πολλά χρόνια, έστω και αν το ποσό αυτής της θερμότητας γίνεται με τον χρόνο συνεχώς μικρότερο.
Όταν λοιπόν τεθεί ο πυρηνικός αντιδραστήρας εκτός λειτουργίας, ανεξάρτητα από το ποιος ήταν ο λόγος προς τούτο, πρέπει αμέσως να τεθεί σε λειτουργία ένα σύστημα συνεχούς ψύξης της καρδιάς του αντιδραστήρα, διαφορετικά η θερμοκρασία στην καρδιά του αντιδραστήρα συνεχώς θα αυξάνει, όπου στη χειρότερη περίπτωση θα λειώσει το πυρηνικό καύσιμο με καταστροφικές συνέπειες.Ό,τι όμως αναφέραμε για την ανάγκη λειτουργίας ενός συστήματος συνεχούς ψύξης του Αντιδραστήρα μετά την ακαριαία διακοπή της λειτουργίας του, ισχύει ακόμη πιο επιτακτικά για την ψύξη των ράβδων του καυσίμου, δηλαδή του ουρανίου όταν αυτές έχουν εκπληρώσει τον σκοπό τους και πρέπει να αντικατασταθούν με νέες ράβδους καυσίμου. Μετά λοιπόν την απομάκρυνση των ράβδων καυσίμου από τον Αντιδραστήρα καταλήγουν σε μία εγκατάσταση που συνεχώς ψύχονται μέχρις ότου η
ακτινοβολία τους είναι λιγότερο επικίνδυνη και έτσι να καταλήξουν στην τελική αποθήκευσή τους, συνήθως σε βαθιές υπόγειες στοές.Τώρα έχουμε τις γνώσεις να αντιληφθούμε τι συνέβη στα δύο σπουδαιότερα ατυχήματα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες διάσπασης πυρήνων. Τα ατυχήματα αυτά συνέβησαν στο Τσερνομπίλ (στην πρώην Σοβιετική Ένωση) και στη Φουκουσίμα (στην Ιαπωνία).
Τσερνομπίλ
Το 1986 συνέβη στη Μονάδα 4 του πυρηνικού εργοστασίου στο Τσερνομπίλ της πρώην Σοβιετικής Ένωσης, που σήμερα βρίσκεται σε εδάφη της Ουκρανίας, ένα πολύ σοβαρό ατύχημα, του οποίου οι επιπτώσεις στο Περιβάλλον ήσαν καταστροφικές.
Όλα ξεκίνησαν με ένα απλό πείραμα. Ένα λάθος όμως σχεδιασμού του αντιδραστήρα και προβλήματα τόσο εκπαίδευσης όσο και παιδείας ασφάλειας του προσωπικού οδήγησαν στην καταστροφή. Δηλαδή, επειδή η θωράκιση του πυρηνικού αντιδραστήρα δεν ήταν ισχυρή (σε σχέση με τους πυρηνικούς αντιδραστήρες του Δυτικού Κόσμου) ελευθερώθηκαν στο Περιβάλλον μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας, οι οποίες ανάλογα με το ποια διεύθυνση είχε ο άνεμος τις επόμενες ημέρες δημιούργησαν σοβαρά προβλήματα σε άλλες χώρες.
Στο Σχήμα 22 Σας έχω φτιάξει ένα Σκίτσο ενός Πυρηνικού Εργοστασίου Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας, όπως αυτός είναι συνήθης στον Δυτικό Κόσμο. Συγκεκριμένα είναι ένας από τους πιο μοντέρνους Σταθμούς ονόματι Biblis Aτης Εταιρείας RWE Energie AG, της οποίας ήμουν επί περίπου 20 χρόνια υπεύθυνος για την προστασία του Περιβάλλοντος των Εργοστασίων της. Ο Αντιδραστήρας στο Τσερνομπίλ ανταποκρίνεται μόνο στο μέρος του Σχήματος 22 που ονομάζεται Καρδιά (στο αριστερό μέρος του Σχήματος). Ο Αντιδραστήρας Biblis A έχει επί πλέον 4 θωρακίσεις:
- Η βιολογική θωράκιση, δηλαδή ένας κύλινδρος από προεντεταμένο σκυρόδεμα πάχους τοιχωμάτων 2,10 (!) μέτρων.
- Ο «κύλινδρος προστασίας από θρύψαλα» (Trümmerschutzzylinder) από προεντεταμένο σκυρόδεμα πάχους τοιχωμάτων 0,80 (!) μέτρου.
- Το δοχείο Ασφαλείας, δηλαδή ένα σφαιρικό δοχείο από χάλυβα πάχους 3 εκατοστών του μέτρου.
- Το κτήριο εγκλωβισμού ή διεθνώς containment, δηλαδή το εξωτερικό περίβλημα του πυρηνικού σταθμού από προεντεταμένο σκυρόδεμα πάχους τοιχωμάτων 1,0 (!) μέτρου. Το τελευταίο το απαίτησαν οι Γερμανοί Πολίτες, για να μπορεί να αντιμετωπιστεί … η πτώση αεροπλάνου επάνω στον πυρηνικό αντιδραστήρα. …Υπάρχουν διαφορές στα διάφορα πολιτικά συστήματα !
Στην Ελλάδα εικάζεται, ότι σα συνέπεια του ατυχήματος στο Τσερνομπίλ αυξήθηκαν οι καρκίνοι του θυρεοειδούς αδένα, που προήλθαν από το ραδιενεργό ιώδιο.
Φουκουσίμα
Στη συνέχεια θα περιγράψουμε τι συνέβη στη Φουκουσίμα. Το 2011 συνέβη στην Ιαπωνία μία βιβλική καταστροφή, δηλαδή ένας σεισμός που συγκαταλέγεται στους 4 πιο ισχυρούς σεισμούς που έχουν μετρηθεί ποτέ παγκοσμίως και ο ισχυρότερος για την Ιαπωνία. Στην Ανατολική παραλία της Ιαπωνίας βρίσκεται το πυρηνικό εργοστάσιο Fukushima (Φουκουσίμα). Το επίκεντρο του σεισμού εντοπίστηκε μέσα στη θάλασσα 163 χιλιόμετρα βορειοανατολικά του πυρηνικού εργοστασίου Φουκουσίμα και το βάθος 24 χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας. Το πυρηνικό εργοστάσιο Φουκουσίμα είχε συνολικά έξι πυρηνικούς αντιδραστήρες, όπου σε λειτουργία ήταν μόνο οι τρεις. Όλοι οι πυρηνικοί αντιδραστήρες κοντά στο επίκεντρο του σεισμού (και οι πυρηνικοί αντιδραστήρες Φουκουσίμα 1, 2 και 3) αντέδρασαν όπως προβλέπεται και επιβάλλεται σε περίπτωση σεισμού, διακόπτοντας δηλαδή αυτόματα τη λειτουργία τους (έπεσαν ακαριαία όλοι οι ράβδοι ελέγχου μέσα στους Αντιδραστήρες) Όπως όμως εξηγήσαμε προηγουμένως, όταν ένας πυρηνικός σταθμός τεθεί εκτός λειτουργίας, η παραγωγή θερμότητας συνεχίζεται για μήνες και χρόνια. Αυτή η θερμότητα πρέπει επομένως να απομακρύνεται, διότι διαφορετικά θα ήταν δυνατό ο πυρηνικός αντιδραστήρας να καταστραφεί και να καταλήξει ραδιενέργεια στο Περιβάλλον με καταστρεπτικές συνέπειες. Γι’ αυτό υπάρχει πάντα ένα σύστημα ψύξης του πυρηνικού αντιδραστήρα. Ο σεισμός κατέστρεψε καταρχάς την εξωτερική παροχή ρεύματος. Για την ειδική περίπτωση που θα υπάρξει διακοπή ρεύματος, επιβάλλεται να υπάρχει ένα εφεδρικό σύστημα ψύξης (ντιζελοκίνητη ηλεκτρογεννήτρια και αντλίες ). Και αυτό υπήρχε στη Φουκουσίμα και έτσι 13 από τις 14 ντιζελοκίνητες ηλεκτρογεννήτριες (η μία επισκευαζόταν) ετέθησαν αυτόματα σε λειτουργία δίχως προβλήματα. Ο καταστροφικός όμως σεισμός δημιούργησε ένα τσουνάμι, που 49 λεπτά μετά το σεισμό έφτασε στην ακτή. Το τσουνάμι, δηλαδή ένα κύμα ύψους 13 έως 15 μέτρων υπερπήδησε το προστατευτικό τείχος ύψους 5,7 μέτρων του εργοστασίου της Φουκουσίμα που υπήρχε γι’ αυτό το σκοπό. Στη συνέχεια υπήρξε γενική διακοπή ρεύματος. Το χειρότερο όμως ήταν, ότι, επειδή τα 14 εφεδρικά συστήματα ψύξης ευρίσκονταν στον προαύλιο χώρο, το τσουνάμι τα παρέσυρε και αχρήστευσε τις ντιζελοκίνητες γεννήτριες και τις αντλίες. Χωρίς το σύστημα ψύξεως των αντιδραστήρων η συμφορά που ακολούθησε τις επόμενες ημέρες (εκρήξεις, μεγάλη διαρροή ακτινοβολίας κ.λπ.) ήταν αναμενόμενη. Αφού το σύστημα ψύξης των στοιχείων του καυσίμου δε λειτουργούσε, η θερμοκρασία στο εσωτερικό των αντιδραστήρων συνεχώς αυξανόταν με τις καταστροφικές συνέπειες.
Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας
με την Σύντηξη των Πυρήνων των Ελαφρών Στοιχείων (Υδρογόνου)
Όταν ασχοληθήκαμε με την κατασκευή της βόμβας υδρογόνου εξηγήσαμε, ότι για να επιτευχθεί η σύντηξη των πυρήνων του υδρογόνου σε πυρήνες του στοιχείου ήλιο απαιτούνται θερμοκρασίες 100 εκατομμυρίων (!) βαθμών Κελσίου και πιέσεις επίσης εκατομμυρίων (!) ατμοσφαιρών.
Αυτό σε μία πυρηνική βόμβα υδρογόνου δεν είναι βέβαια κάτι το ακατόρθωτο, διότι εκεί μας αρκεί μόνο μια έκρηξη. Αν όμως θέλουμε να εκμεταλλευτούμε την ενέργεια που δημιουργείται κατά την σύντηξη των πυρήνων του υδρογόνου σε πυρήνες του στοιχείου ήλιο και να παράξουμε ηλεκτρική ενέργεια, αυτό δημιουργεί τεράστια προβλήματα. Δύο μόνο παραδείγματα προβλημάτων είναι:
- Πώς θα εξευρεθεί η απαιτούμενη ενέργεια για τη δημιουργία αυτών των τεράστιων θερμοκρασιών και πιέσεων.
- Πως θα κρατηθεί το μείγμα από το υδρογόνο και το ήλιο (αυτό το μείγμα στις θερμοκρασίες αυτές λέγεται πλάσμα) μακριά από τοιχώματα, που αυτόματα τα τοιχώματα θα έλιωναν κ.λπ.
Η λύση αυτών των προβλημάτων επιτυγχάνεται συνήθως με τη χρήση ισχυρών μαγνητικών πεδίων, παρότι εξετάσθηκαν και άλλες λύσεις όπως π.χ. με πολύ ισχυρά λέιζερ.
Το 2006 υπεγράφη στο Παρίσι Σύμφωνο, με το οποίο εγκρίθηκε η κατασκευή στο Κανταράς της Γαλλίας του Διεθνούς Πειραματικού Αντιδραστήρα Σύντηξης Πυρήνων Υδρογόνου. Η συμφωνία υπεγράφη από τις εξής 7 χώρες: Την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ε.Ε.), ΗΠΑ, Ιαπωνία, Ινδία, Κίνα, Ν. Κορέα και Ρωσία.
Σήμερα συνεργάζονται 35 χώρες, πίσω από τις οποίες βρίσκονται 5 000 εταιρείες με 15 000 υπαλλήλους από όλο τον κόσμο. Το όλο εγχείρημα έχει στοιχίσει ήδη 20 δισεκατομμύρια Ευρώ (εκ των οποίων το 46% θα το προσφέρει η Ε.Ε, ενώ η κάθε μία από τις χώρες που προαναφέρθηκαν θα προσφέρει 9%.) και είναι η πιο δαπανηρή διεθνής επιστημονική προσπάθεια. Η δημιουργία και η κράτηση του πλάσματος μακριά από τα τοιχώματα θα επιτευχθεί με τη βοήθεια ισχυρών μαγνητικών πεδίων. Η κατασκευή του πειραματικού αυτού αντιδραστήρα προβλεπόταν να τελειώσει περίπου το 2020, δεν έχει όμως ολοκληρωθεί ακόμη. Εάν μετά με τα πειράματα όλα πάνε καλά, τότε περί το 2050 θα κατασκευαστεί αντιδραστήρας, ο οποίος θα αποδεικνύει, ότι είναι δυνατή η ελεγχόμενη παραγωγή ενέργειας με τη βοήθεια της σύντηξης. Ο πυρηνικός αυτός αντιδραστήρας θα είναι ένας μικρός τεχνητός Ήλιος επάνω στη Γη μας.
Δε θα ασχοληθούμε περισσότερο με την ελεγχόμενη σύντηξη πυρήνων. Είναι μεν βέβαιο, ότι αυτή η μορφή ενέργειας θα μπορούσε να λύσει μακροχρόνια τις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας. Ο λόγος όμως που εγκαταλείπουμε αυτό το ενδιαφέρον Κεφάλαιο είναι, ότι όταν ήμουν νεαρός φοιτητής δηλαδή πριν περίπου 65 χρόνια, έμαθα ότι ενέργεια από την σύντηξη θα κερδίζαμε μετά από …περίπου 50 χρόνια, ό,τι δηλαδή περίπου (αλλά κάπως καλλίτερα) λέμε και σήμερα.
Θα τελειώσω όμως τη σημερινή μας μελέτη με δύο καλές ειδήσεις:
- Ο πυρηνικός αντιδραστήρας σύντηξης, σε σύγκριση με έναν πυρηνικό αντιδραστήρα διάσπασης δε διατρέχει τον κίνδυνο, εάν χαθεί ο έλεγχος να «λειώσει», με καταστρεπτικές συνέπειες για το Περιβάλλον όπως π.χ. στοΤσερνομπίλ και στη Φουκουσίμα. Διότι, για να διατηρηθεί η λειτουργία του αντιδραστήρα σύντηξης, πρέπει να καταβάλλεται μία τόσο μεγάλη προσπάθεια, ώστε στην παραμικρή διαταραχή η σύντηξη αμέσως διακόπτεται.
Η διαχείριση των πυρηνικών αποβλήτων του πυρηνικού αντιδραστήρα σύντηξης σε σύγκριση με έναν πυρηνικό αντιδραστήρα διάσπασης είναι πολύ πολύ απλούστερη και πολύ πολύ λιγότερο επικίνδυνη.
*Στέφανος Ευαγγέλου Μπινιάρης
Διπλωματούχος Μηχανολόγος-Μηχανικός , Διπλωματούχος Οικονομολόγος-Μηχανικός,
Διδάκτωρ Μηχανολόγος-Μηχανικός.Πρώην Υπεύθυνος για την Προστασία του Περιβάλλοντος της μεγαλύτερης Εταιρείας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ευρώπη RWE Energie AG
International Hellenic Organisation