Σάββατο, 4 Αυγούστου 2007

Πυρηνική Ενέργεια

Με αφορμή δύο άρθρα που διάβασα στο physicsworld.com σχετικά με την αναθέρμανση του ενδιαφέροντος για την πυρηνική ενέργεια, σκέφτηκα να γράψω δύο πραγματάκια και να μαζέψω μερικά χρήσιμα links.

Το πρώτο άρθρο, με τίτλο Energy Solutions, αναφέρεται ουσιαστικά στην χρήση της πυρηνικής ενέργειας ως οικολογικής εναλλακτικής των εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με καύση λιγνίτη.
Συγκεκριμένα το άρθρο αναφέρει:

...the leaders of the G8 industrialized nations, meeting in Germany last month, did at least promise "substantial" reductions to the amount of greenhouse gases that their countries emit. And although the leaders could not agree on what "substantial" means in real numbers, it was pleasing that US President George W Bush agreed to "consider seriously" a pledge made by the European Union, Japan and Canada to cut emissions by at least 50% by 2050...

και το άρθρο συνεχίζει,

...it is also essential that we develop environmentally friendly sources of energy and make improvements to those sources that are already in widespread use. This special issue of Physics World examines a few of the areas in which physicists are making – or can expect to make – significant contributions to these challenges, namely by carrying out research into solar and fuel cells, nuclear power, clean-coal technology and energy storage...
In the long term, the world will have to invest in renewable energy sources such as solar cells or wind and wave power. But as Physics World has argued before, the best solution to the energy crisis in the shorter term is to build more nuclear power stations...
There are, of course, downsides in allowing countries to develop new nuclear programmes, be it the danger of nuclear-weapons proliferation or the problem of dealing with nuclear waste. But these are issues that can be addressed...


Ενδιαφέρων έχει το γεγονός ότι ενώ ο υπόλοιπος κόσμος σκέφτεται αυτά, εμείς «Καίμε το μέλλον μας», αφού έχουμε ουσιαστικά από τα μεγαλύτερα ποσοστά ετήσιας ηλιοφάνειας και από τα υψηλότερα αιολικά δυναμικά στην Ευρώπη και αντί να το εκμεταλλευτούμε πάμε να κάνουμε εισαγωγή λιθάνθρακα (υπάρχει ένα θέμα με την απόδοση των ηλιακών κυψελών και την σχετική επίπτωση που έχει στο περιβάλλον η διαδικασία κατασκευής τους, αλλά αναπτύσσονται νέες βελτιωμένες και πιο οικολογικές τεχνολογίες συνεπικουρούμενες από νέες τεχνολογίες στην αποθήκευση ενέργειας).

Το δεύτερο άρθρο, με τίτλο A new dawn for nuclear power, παρουσιάζει τις διάφορες τεχνολογίες που υπάρχουν για την κατασκευή πυρηνικών εργοστασίων καθώς και τις διάφορες τεχνολογίες που αναπτύσσονται και θα αναπτυχθούν στο μέλλον έτσι ώστε να είναι πιο ασφαλή και πιο καθαρά τα εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας.

Το άρθρο αναφέρει στην εισαγωγή:

Nuclear power came to the fore in the late 1950s and 1960s, with the building of many nuclear power stations around the world. However, the environmental hazards associated with nuclear waste have always been an argument against nuclear power. Combined with the Chernobyl accident in 1986 and market forces in the energy sector, the nuclear industry went into decline in the 1980s and 1990s...

όπου ουσιαστικά επισημαίνει συνοπτικά τους βασικούς λόγους για την μη εξάπλωση της πυρηνικής ενέργειας (σε συνδυασμό με το ζήτημα της δυνατότητας κατασκευής πυρηνικών όπλων από τα παραπροϊόντα των πυρηνικών καυσίμων). Κατά την γνώμη μου το μεγαλύτερο μέρος της φοβίας απέναντι στην πυρηνική ενέργεια πηγάζει από την άγνοια που υπάρχει σε σχέση με την δράση της ραδιενέργειας, που φυσικά τροφοδοτείται από τον υπαρκτό κίνδυνο λόγω της τοξικότητας και της ραδιενεργού δράσης των πυρηνικών καυσίμων και των υπολειμμάτων τους, καθώς και από τα ατυχήματα του παρελθόντος με κυριότερο παράδειγμα του Chernobyl.

Ας δούμε λίγο πως δουλεύουν οι πυρηνικοί αντιδραστήρες. Η βασική αρχή λειτουργίας είναι η ίδια σε όλους τους αντιδραστήρες. Σε γενικές γραμμές, έχεις κάποιο πυρηνικό καύσιμο το οποίο διασπάτε (για παράδειγμα το Ουράνιο-235 απορροφά ένα «αργό» νετρόνιο, μετατρέπεται σε ασταθές Ουράνιο-236 και μετά από λίγο διασπάτε σε δύο άλλους πυρήνες δίνοντας ταυτόχρονα δύο ή τρία νετρόνια). Κατά τη διάσπαση, υπάρχει κάποιο έλλειμμα μάζας, η μάζα του αρχικού πυρήνα και του νετρονίου (δηλαδή η συνολική ενέργειά τους) είναι μικρότερη από την τελική μάζα των προϊόντων, με αποτέλεσμα αυτή η διαφορά ενέργειας να εμφανίζεται ως κινητική ενέργεια των προϊόντων, η οποία με τη σειρά της εξ’ αιτίας των κρούσεων των σωματιδίων μεταφέρεται στα γύρω υλικά ως θερμική ενέργεια. Την συνολική θερμική ενέργεια που παράγεται στον πυρήνα του αντιδραστήρα, την απορροφά και την μεταφέρει κάποιο ψυκτικό ρευστό, το οποίο με τη σειρά του ή θερμαίνει κάποιο άλλο ρευστό το οποίο κινεί κάποια τουρμπίνα ή κινεί το ίδιο κάποια τουρμπίνα και έτσι παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα. Τα παραγόμενα νετρόνια χρησιμεύουν για την συνέχιση της διαδικασίας της διάσπασης (αλυσιδωτή αντίδραση) ο ρυθμός της οποίας ελέγχεται με τη βοήθεια κάποιου ρυθμιστικού μέσου.

Οι διάφορες τεχνολογίες των πυρηνικών αντιδραστήρων κατηγοριοποιούνται γενικά σε «Γενιές». Οι πρώτοι πυρηνικοί αντιδραστήρες που κατασκευάστηκαν και ανήκουν στην «1η Γενιά» ήταν οι αντιδραστήρες τύπου Magnox και χρησιμοποιούσαν δοχείο Μαγνησίου, το οποίο περιείχε το καύσιμο Ουρανίου (υπό μορφή ράβδων). Για τον έλεγχο της αλυσιδωτής αντίδρασης οι Magnox χρησιμοποιούσαν γραφίτη (ο οποίος απορροφά τα νετρόνια) και ως ψυκτικό και επιβραδυντικό των νετρονίων χρησιμοποιούσαν Διοξείδιο του Άνθρακα. Το πλεονέκτημα αυτού του τύπου αντιδραστήρα ήταν ότι δεν χρειαζόταν ο εμπλουτισμός του καυσίμου.

Στην «2η Γενιά» αντιδραστήρων ανήκουν οι αντιδραστήρες τύπου AGR (advanced-cooled reactors) οι οποίοι είναι της ίδιας λογικής με τους Magnox με την διαφορά ότι δουλεύουν σε μεγαλύτερη θερμοκρασία και άρα έχουν μεγαλύτερη απόδοση. Επιπλέων λόγω της μεγαλύτερης θερμοκρασίας, οι AGR χρησιμοποιούν Οξείδια του Ουρανίου ως καύσιμο, το οποίο περιέχεται σε ειδικό ατσάλι και το οποίο πρέπει να είναι ελαφρός εμπλουτισμένο.
Ένας άλλος τύπος αντιδραστήρων της ίδιας γενιάς είναι και οι αντιδραστήρες LWR (light-water reactors) οι οποίοι χρησιμοποιούν νερό ως επιβραδυντικό και ψυκτικό μέσο, ενώ το καύσιμο είναι και πάλι Οξείδιο του Ουρανίου. Αυτός ο τύπος αντιδραστήρα έχει δύο μοντέλα, το PWR και το BWR. Το πρώτο χρησιμοποιεί νερό σε υγρή κατάσταση, το οποίο θερμαίνει κάποια άλλη δεξαμενή νερού που με τη σειρά της κινεί κάποιο στρόβιλο, ενώ το δεύτερο χρησιμοποιεί νερό σε κατάσταση ατμού, το οποίο κινεί κάποιο στρόβιλο και μετά υγροποιείτε και ανακυκλώνεται.
Ένας τρίτος τύπος αντιδραστήρων, οι αντιδραστήρες CANDU, είναι στη παραπάνω λογική, αλλά αντί για απλό νερό χρησιμοποιεί βαρύ ύδωρ, δηλαδή νερό με Δευτέριο αντί για Υδρογόνο.

Όλοι αυτοί οι τύποι αντιδραστήρων χρησιμοποιούνται σήμερα. Η επόμενη γενιά αντιδραστήρων, δηλαδή η «3η Γενιά» αποτελείται από αντιδραστήρες που έχουν σχεδιαστεί (βελτιωμένες εκδοχές των μοντέλων που υπάρχουν αυτή τη στιγμή) και κάποιοι είναι στο στάδιο κατασκευής.

The common feature of all these "Generation III" designs is that they are simple to operate: they require less intervention, less fuel and are easier to maintain than previous designs. They also have advanced, passive safety features that rely on physical forces such as gravity and convection, with little or no need for mechanical devices such as pumps.

Ένα ακόμα πολύ ενδιαφέρων χαρακτηριστικό της νέας γενιάς αντιδραστήρων είναι και το γεγονός ότι θα παράγουν πολύ λιγότερα υπολείμματα

For instance, a fleet of 10 new gigawatt-capacity LWRs would deliver about twice the amount of electricity over their 60 year lifetime as the current fleet yet would produce only about an extra 10% of high-level radioactive waste over the same period under reasonable assumptions.

Τέλος αυτή τη στιγμή προτείνονται και μοντέλα αντιδραστήρων «4ης Γενιάς» τα οποία θα είναι ακόμα πιο ασφαλή και θα έχουν και επιπλέων ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά, όπως η δυνατότητα παραγωγής καύσιμου Υδρογόνου.
Όλα τα παραπάνω παρουσιάζονται εκτενέστερα στο άρθρο A new dawn for nuclear power.

Ένα ακόμη πολύ ενδιαφέρων σημείο του άρθρου είναι και αυτό:

Keeping a nuclear reactor under control
Contrary to what some antinuclear groups would have you believe, nuclear reactors are not unstable contraptions ready to run out of control at any moment. Sound physical principles are used to ensure the safety of any properly constructed reactor. For example, in a water-moderated reactor the neutrons released in fission are slowed down by collisions with hydrogen and oxygen nuclei (the vast bulk is done by just the hydrogen), making them easier to capture. If for some reason the number of reactions increases, however, the additional heat output will cause the moderator to expand – thereby reducing the reaction rate and preventing the system from running out of control. A similar feedback mechanism called Doppler broadening is provided by the increased absorption of neutrons in the reactor materials as they heat up, and the goal is to design a reactor in which several such mechanisms combine to produce a stable system.
An example of a poorly designed system was the Russian RBMK reactor. In 1986 one such reactor at Chernobyl was responsible for the worst nuclear disaster in history. These reactors used graphite to moderate the neutrons and water to cool the system, which are normally good choices. However, an unfortunate combination of the two made the RBMK extremely dangerous: most of the moderation was provided by the graphite while the water mostly acted as an absorber. As the water heated up it boiled off and so the density of the absorber was reduced. This led to more reactions, which boiled off even more of the absorber, triggering an unstable feedback loop.
Another contributing factor in the accident related to the neutrons emitted by the fission products. The two or three neutrons released in a fission event are known as prompt neutrons, since they are emitted either immediately at the point of splitting or rapidly "boiled off" from the excited fission products. However, these fission products themselves sometimes eject neutrons following beta decays. Although accounting for less than 1% compared with the number of prompt neutrons, these "delayed neutrons" – which can go on to initiate further fissions – ensure that in a normal reactor the power levels in the reactor change very slowly and safely. But at Chernobyl the number of neutrons increased very rapidly and unsafely due to the prompt neutrons alone, causing the reactor to go from 10% of full power to 100 times full power in three seconds. This fault was only present in RBMK reactors, which means that "another Chernobyl" could not happen.

Στο σημείο αυτό θέλω να επισημάνω και μία κλασική Ελληνική φοβία, τον πυρηνικό αντιδραστήρα στο Κοζλοντούι της Βουλγαρίας. Ο αντιδραστήρας αυτός είναι του τύπου PWR και πληροί τα κριτήρια παθητικής ασφάλειας που αναφέρονται και παραπάνω. Με απλά λόγια, έχει γίνει μια συστηματική πλύση εγκεφάλου για την επικινδυνότητα του συγκεκριμένου αντιδραστήρα, η οποία είναι τελείως αβάσιμη.

Πρέπει ακόμα να αναφέρουμε και το «διεθνές σύστημα αξιολόγησης πυρηνικών γεγονότων» (International Nuclear Event Rating Scale INES).
Οι λεπτομέρειες για το πώς αξιολογούνται τα γεγονότα και τι σημαίνει ακριβώς αυτή η αξιολόγηση, υπάρχουν στο INES user’s manual (corrections), όπου ορίζεται μία κλίμακα (όπως είναι και οι διάφορες γνωστές κλίμακες καταστροφών) και την οποία μπορείτε να δείτε στο σχήμα.
Αξίζει να αναφέρουμε ότι το μοναδικό γεγονός με ένταση 7 είναι το ατύχημα στο Τσέρνομπιλ. Στο site http://www-news.iaea.org/ και ακολουθώντας τον σύνδεσμο Events μπορεί να δει κανείς την διεθνή καταγραφή και την κλίμακα των διαφόρων «ατυχημάτων», ενώ στο σύνδεσμο INES Rating, υπάρχουν ενδιαφέροντα κείμενα.
Πολύ ενδιαφέρων υλικό υπάρχει και στα sites της διεθνούς ατομικής επιτροπής σχετικά με την διαχείριση των υπολειμμάτων και τους διάφορους πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Όπως αναφέρω και παραπάνω, προκειμένου να έχει κάποιος υπεύθυνη θέση απέναντι σε όλα αυτά, πρέπει να είναι ενημερωμένος και να έχει κάποιες βασικές γνώσεις πάνω στο θέμα της ραδιενέργειας και τους κινδύνους που αυτή κρύβει. Εισαγωγικό υλικό υπάρχει στην Wikipedia, όπου μπορούμε να βρούμε για παράδειγμα τα θέματα Πυρηνική ενέργεια, Ραδιενέργεια και Ραδιενεργά απόβλητα.

Στο Google videos όμως μπορούμε να βρούμε και δύο πολύ ενδιαφέρουσες και εισαγωγικές διαλέξεις πάνω στο θέμα της ραδιενέργειας. Οι διαλέξεις αυτές είναι από ένα μάθημα του Berkeley που έχει τον τίτλο «Φυσική για μελλοντικούς Προέδρους».

Physics 10: Physics for Future Presidents. Spring 2006. Professor Richard A. Muller.
Lecture 05: Radioactivity



Lecture 06: Radioactivity II



Τέλος, υπάρχει στο physicsworld.com και το ενδιαφέρων άρθρο, έτσι για να κλείσει με ένα debate αυτό το θέμα, Do we need nuclear power?



---------------------------------------

Update(07/8/07): Παραθέτω ένα περσινό παράδειγμα κλασσικής τρομολαγνείας που επικρατεί γύρω από το θέμα της πυρηνικής ενέργειας. Από την εφημερίδα Καθημερινή: «ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ: και πάλι ΟΧΙ, ευχαριστώ».

Update2: Βρήκα και το σχετικό link με το υλικό των παραπάνω διαλέξεων.
Η ιστοσελίδα του Muller βρίσκεται εδώ και έχει πολύ ενδιαφέρων υλικό (για παράδειγμα).

4 σχόλια:

Rodia είπε...

Πολυ ενδιαφερον το αρθρο σου!:-) το διαβασα με προσοχη.
Ισως να ενδιεφερε να αναπτυξεις και την περιπτωση της παραγωγης πυρηνικης ενεργειας που βασιζεται στη συντηξη του ατομου και οχι στη σχαση (αν το εκφραζω καλα).
Ακουσα καπου οτι στη Θεσσαλονικη κατι σχετικο συμβαινει σε επιπεδο εργαστηριου -νομιζω.
Ειναι σημαντικο να συντασσονται και να δημοσιοποιουνται παρομοια θεματα απο ειδικους που κατεχουν το αντικειμενο, να μαθαινουμε και μεις κατι...

Vagelford είπε...

Η σύντηξη είναι ένα πολύ ενδιαφέρων θέμα, όπου έχουν γίνει μεγάλα βήματα, αλλά ακόμα είναι μακριά από την όποια εμπορική εφαρμογή.
Στην Θεσσαλονίκη βρίσκεται ο Λουκάς Βλάχος (είναι ένα από τα καλά μυαλά που έχουμε) που ασχολείται με πλάσμα γενικά. Ξέρω σίγουρα ότι ασχολείται με Αστροφυσικά πλάσματα, αλλά δεν ξέρω αν δουλεύει και πάνω σε σύντηξη. Εργαστήριο που δουλεύει πειραματικά σε σύντηξη υπάρχει στο πολυτεχνείο (ΕΜΠ), αλλά δεν γνωρίζω πολλές λεπτομέρειες για το τι κάνουν.

Ανώνυμος είπε...

Solar eneragy is the future for the planet.
[url=http://www.solarcourses.org/]solar energy facts[/url]

Ανώνυμος είπε...

Solar eneragy is the future for the world.
[url=http://www.solarcourses.org/]solar generators[/url]