Με αφορμή κάποια πρόσφατα άρθρα σχετικά με την πυρηνική ενέργεια και τις επιπτώσεις της, είπα να μαζέψω μερικά λίνκς πάνω στο θέμα.
Ξεκινάω λοιπόν παραθέτοντας το λινκ για ένα άρθρο στο Physics Today πάνω στο θέμα της πυρηνικής ενέργειας. Nuclear power: The only available solution to global warming (Physics Today). Το άρθρο στην ουσία σχολιάζει κάποια θέματα σχετικά με την ασφάλεια και τις προοπτικές της πυρηνικής ενέργειας υπό τη μορφή αποδόμησης 6 μύθων πάνω στο θέμα.
Σχετικά με τον δεύτερο μύθο και το ζήτημα της ασφάλειας της πυρηνικής ενέργειας, πρόσφατα παρουσιάστηκε μια σχετική μελέτη, μια ανάλυση της οποίας μπορεί να βρει κανείς στο άρθρο, Nuclear Power Saves Millions Of Lives (BUSINESS INSIDER), και η οποία δημοσιεύεται στο περιοδικό Environ. Sci. Technol. με τίτλο, Prevented Mortality and Greenhouse Gas Emissions from Historical and Projected Nuclear Power. Τα αποτελέσματα είναι αρκετά ενδιαφέροντα, αν και θα μπορούσε να πει κανείς ότι η μελέτη εμπεριέχει αρκετές απλουστεύσεις. Όπως και να έχει, δίνει μια τάξη μεγέθους η οποία συνοψίζεται στον τίτλο του άρθρου στο Business Insider και είναι ότι η παραγωγή ενέργειας με τα πυρηνικά έναντι του άνθρακα έχει θετικό ισοζύγιο σε ζωές της τάξης των εκατομμυρίων. Αυτό το άρθρο μάλιστα κολλάει με ωραίο τρόπο και με ένα παλαιότερο άρθρο του Scientific American με τίτλο, Coal Ash Is More Radioactive than Nuclear Waste, το οποίο περιγράφει ουσιαστικά το ότι η ραδιενέργεια που διαφεύγει στο περιβάλλον από την καύση άνθρακα είναι τελικά πολύ περισσότερη από την ραδιενέργεια που διαφεύγει από την λειτουργία ενός πυρηνικού εργοστασίου.
Τέλος, στο γενικό κλίμα του πρώτου άρθρου, θέλω να παρουσιάσω και αυτό το βίντεο από μια διάλεξη στο Τμήμα φυσικής της Αθήνας πάνω στο θέμα της παραγωγής πυρηνικής ενέργειας από Accelerator-Driven Systems.
ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΦΥΣΙΚΗΣ
Δευτέρα 20 Δεκεμβρίου 2010, 13:00-14:00
Κτήριο Φυσικής, Αίθουσα Συνελεύσεων Τμήματος
Ομιλητής: Άγγελος Αγγελόπουλος (Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Φυσικής ΕΚΠΑ)
Τίτλος Ομιλίας: Το ενεργειακό πρόβλημα: Η επιλογή της Πυρηνικής ενέργειας
A subcritical reactor is a nuclear fission reactor that produces fission without achieving criticality. Instead of a sustaining chain reaction, a subcritical reactor uses additional neutrons from an outside source. The neutron source can be a nuclear fusion machine or a particle accelerator producing neutrons by spallation.
Such a device with a reactor coupled to an accelerator is called an Accelerator-Driven System (ADS)...
In nuclear physics, an energy amplifier is a novel type of nuclear power reactor, a subcritical reactor, in which an energetic particle beam is used to stimulate a reaction, which in turn releases enough energy to power the particle accelerator and leave an energy profit for power generation. The concept has more recently been referred to as an accelerator-driven system (ADS)... Accelerator-driven Systems (ADS) and Fast Reactors (FR) in Advanced Nuclear Fuel Cycles
Όλα αυτά έχουν ενδιαφέρον και σε σχέση με την συγκυρία με το θέμα με την ψηφοφορία για το εμπόριο ρύπων στην ευρωπαϊκή ένωση και τα διάφορα απίθανα που ακούγονται για τα φωτοβολταϊκά και τα σχέδια της κυβέρνησης.
Αυτά.
Η ταινία "Nine Days of One Year" περιστρέφεται γύρω από μια μικρή ομάδα πυρηνικών φυσικών που ζουν σε ένα ερευνητικό κέντρο κάπου στη Σιβηρία.
Η ταινία είναι απλά καταπληκτική. Συλλαμβάνει με πολύ όμορφο τρόπο κάποιες βασικές πτυχές της ιδιοσυγκρασίας ενός ερευνητή/επιστήμονα. Ειδικότερα καταφέρνει και αποτυπώνει τις ιδιαιτερότητες της έρευνας στο μερικές φορές επικίνδυνο πεδίο της πυρηνικής φυσικής. Σκηνοθέτης είναι ο Mikhail Romm, από τους μεγάλους του Ρώσικου κινηματογράφου (ήταν και δάσκαλος του Tarkovskii). Στην ταινία είναι καταπληκτικός και ο πρωταγωνιστής Aleksey Batalov, αλλά και η συμπρωταγωνίστρια Tatyana Lavrova.
Αναδημοσιεύω εδώ το παρακάτω βίντεο που βρήκα πολύ ενδιαφέρον. Το βίντεο το βρήκα από το post του Mark Hibbs, Is Mrs. Merkel Irrational?, το οποίο είχε και αυτό πολύ ενδιαφέρον και ήταν αρκετά ενημερωτικό.
Αυτές τις μέρες, μετά τον σεισμό και το Τσουνάμι στην Ιαπωνία, όλος ο κόσμος παρακολουθεί ή προσπαθεί να παρακολουθήσει ότι συμβαίνει στο πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας Fukushima Dai-ichi (ή Fukushima I). Δυστυχώς τα ΜΜΕ εδώ στην Ελλάδα, ας πούμε ότι δεν κάνουν και την καλύτερη δυνατή δουλειά.
Στα Ελληνικά ΜΜΕ γίνεται συχνά αναφορά τόσο στο ατύχημα του Τσέρνομπιλ όσο και στην κλίμακα INES (International Nuclear and Radiological Event Scale), όπου αναφέρεται ότι το Τσέρνομπιλ ήταν μεγέθους 7 και το Three Mile Island ήταν μεγέθους 5, ενώ οι πρώτες αναφορές λέγανε ότι το ατύχημα στην Fukushima οι Ιάπωνες το δώσανε να είναι 4 και τώρα οι Γάλλοι το δίνουν να είναι 6.
Το ερώτημα λοιπόν είναι, τι είναι αυτή η κλίμακα INES;
Η κλίμακα INES είναι μια κλίμακα που έχει ως στόχο να ποσοτικοποιήσει κάπως τα αποτελέσματα και τους κινδύνους από ένα γεγονός ή ατύχημα που έχει σχέση με ραδιενεργά υλικά. Δηλαδή η κλίμακα δεν αφορά μόνο πυρηνικά ατυχήματα σε εργοστάσια ή τέτοιες εγκαταστάσεις, αλλά αφορά γενικά γεγονότα που έχουν σχέση με ραδιενεργά υλικά. Η κλίμακα έχει 8 βαθμίδες, ξεκινώντας από το μηδέν όπου καταχωρούνται περιστατικά που δεν παρουσιάζουν κανένα κίνδυνο και φτάνοντας στο 7 όπου κατατάσσονται τα πιο επικίνδυνα ατυχήματα. Η κλίμακα έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να είναι λογαριθμική, δηλαδή η μία βαθμίδα σε σχέση με την άλλη περιέχει περιστατικά με 10 φορές μεγαλύτερη ή μικρότερη επικινδυνότητα.
Στην κλίμακα, υπάρχουν 3 στοιχεία που εξετάζονται: 1. Κατά πόσο υπήρξαν επιπτώσεις στους ανθρώπους και στο περιβάλλον από ραδιενέργεια, 2. Κατά πόσο παρουσιάστηκαν προβλήματα διαρροής ραδιενέργειας σε περιοχές όπου δεν θα έπρεπε να υπάρχει ραδιενέργεια, και 3. Κατά πόσο υπήρχαν προβλήματα και αποτυχίες στα συστήματα ασφαλείας.
Άρα η κλίμακα έχει ως:
INES 7: Τεράστια έκκληση ραδιενεργών υλικών με ευρύτερες επιπτώσεις στην υγεία των ανθρώπων και στο περιβάλλον. Απαραίτητη η λήψη μέτρων γιατην αποκατάσταση της περιοχής. Στην κατηγορία αυτή ανήκει το ατύχημα στο Τσέρνομπιλ, όπου είχαμε τα παρακάτω σημαντικά στοιχεία: α) Ο αντιδραστήρας ήταν σε λειτουργία με χαμηλή απόδοση όταν, κατά την διάρκεια προγραμματισμένης δοκιμής, η αντίδραση στον πυρήνα του αντιδραστήρα ξέφυγε από τον έλεγχο (λόγω εγγενούς σχεδιαστικού προβλήματος που οδηγούσε σε θετική ανάδραση στην απόδοση του αντιδραστήρα στην περίπτωση που κάποιος επιχειρούσε να την μειώσει). β) Αυτό οδήγησε αρχικά σε μια έκρηξη ατμού που κατέστρεψε το δοχείο στο οποίο βρισκόταν το καύσιμο και μετά σε μια δεύτερη έκρηξη που μάλλον ήταν πυρηνικής φύσης. Οι δύο εκρήξεις είχαν ως αποτέλεσμα να εκτιναχθεί υλικό από τον πυρήνα σε απόσταση από τον αντιδραστήρα. γ) Μετά την έκθεση του πυρήνα, ο γραφίτης που υπήρχε στον αντιδραστήρα πήρε φωτιά με αποτέλεσμα ο καπνός να διασπείρει τεράστιες ποσότητες ραδιενεργών σωματιδίων.
INES 6: Σημαντική έκκληση ραδιενεργού υλικού που πιθανώς να χρειαστεί να ληφθούν μέτρα για την αποκατάσταση της περιοχής. Στην κατηγορία αυτή ανήκει το ατύχημα στο εργοστάσιο του Mayak κοντά στο Kyshtym στην Ρωσία.
INES 5: Μικρή έκκληση ραδιενεργού υλικού στο περιβάλλον. Ύπαρξη θανάτων από έκθεση σε ραδιενέργεια. Σοβαρές ζημιές στον πυρήνα του αντιδραστήρα. Μεγάλη έκκληση ραδιενεργού υλικού στους χώρους του εργοστασίου. Στην κατηγορία αυτή ανήκει το ατύχημα στο Three Mile Island, όπου είχαμε μερική τήξη του καυσίμου στον πυρήνα του αντιδραστήρα, λόγω απώλειας της ψύξης στον αντιδραστήρα.
INES 4: Ελάχιστη έκκληση ραδιενεργού υλικού στο περιβάλλον. Τουλάχιστον ένας θάνατος από έκθεση σε ραδιενέργεια. Ζημιά στις ράβδους καυσίμου ή μερική τήξη. Έκκληση σημαντικών ποσοτήτων ραδιενεργού υλικού στον χώρο του εργοστασίου.
Μέχρι εδώ η κλίμακα αναφέρεται σε ατυχήματα. Από το 3 και κάτω η κλίμακα δεν μιλά για ατυχήματα, αλλά για περιστατικά.
INES 3: Έκθεση σε δόση δεκαπλάσια από την μέγιστη ετήσια επιτρεπτή δόση για εργαζόμενους σε τέτοιες εγκαταστάσεις. Ύπαρξη εργαζομένων με τραυματισμούς από έκθεση σε μη θανάσιμη δόση ακτινοβολίας. Επίπεδο ραδιενέργειας περισσότερο από 1 Sv/h (το Sievert είναι μονάδα μέτρησης της ισοδύναμης δόσης, όπου τα 8 Sv θεωρούνται θανάσιμη δόση) σε κάποιο χώρο της εγκατάστασης. Σοβαρή μόλυνση ραδιενέργειας σε περιοχή της εγκατάστασης που δεν είναι σχεδιασμένη για κάτι τέτοιο. Απώλεια των συστημάτων ασφαλείας, χωρίς όμως να συμβεί ατύχημα. Απώλεια ή κλοπή ραδιενεργούς πηγής η οποία όμως είναι θωρακισμένη και δεν υπάρχει διαρροή ραδιενέργειας.
INES 2: Έκθεση μέλους του κοινού σε δόση μεγαλύτερη από 10mSv/h. Έκθεση εργαζομένων σε δόση μεγαλύτερη από το ετήσιο όριο για τους εργαζόμενους (το όριο είναι περίπου 100mSv). Επίπεδα ραδιενέργειας μεγαλύτερα από 50mSv/h σε κάποιους χώρους. Σημαντική μόλυνση ραδιενέργειας σε περιοχή της εγκατάστασης που δεν είναι σχεδιασμένη για κάτι τέτοιο. Σοβαρή απώλεια σε συστήματα ασφαλείας της εγκατάστασης, αλλά χωρίς άλλα προβλήματα. Απώλεια ραδιενεργούς πηγής η οποία όμως είναι θωρακισμένη και δεν υπάρχει διαρροή ραδιενέργειας.
INES 1: Έκθεση μέλους του κοινού σε δόση μεγαλύτερη από το επιτρεπτό ετήσιο όριο. Μικροπροβλήματα με κάποιο από τα συστήματα ασφαλείας. Απώλεια ή κλοπή ραδιενεργούς πηγής μικρής ενεργότητας.
INES 0: Κανένας κίνδυνος.
Τόσο η σχετική σελίδα της wikipedia όσο και το φυλλάδιο της IAEA είναι αρκετά κατατοπιστικά και έχουν και περισσότερα παραδείγματα ανά κατηγορία που κάνουν κάπως πιο ξεκάθαρο το πως εντάσσεται η κάθε περίπτωση στην αντίστοιχη κλίμακα.
Το ερώτημα όμως παραμένει, τελικά που εντάσσεται η περίπτωση του Fukushima Daiichi; Προφανώς η κατάταξη θα γίνει αφού τελειώσει το όλο γεγονός και θα έχουμε καλύτερη εικόνα της κατάστασης. Τις πρώτες μέρες νομίζω ότι καλώς είχε καταταχθεί ως 4. Τώρα θα έλεγα ότι είναι τουλάχιστον στο επίπεδο του Three Mile Island και κάπως χειρότερα. Θα έλεγα λοιπόν ότι είναι κάπου ανάμεσα στο 5 και το 6. Αυτή φαίνεται να είναι και η άποψη του Steven Chu, γενικού γραμματέα του US Department of Energy.
----- Ενδιαφέροντα updates στο τέλος (τελευταίο 3/12/12) -----
Προχθές λοιπόν, πήρα ένα e-mail από τον JustAnother GoneOff που με παρέπεμπε σε αυτό το blog, όπου υπήρχε αυτό το βίντεο με ένα απόσπασμα από το δελτίο της ΝΕΤ,
Το βίντεο λοιπόν μιλά για μία εφεύρεση, η οποία εκμεταλλεύεται την ψυχρή σύντηξη ανάμεσα σε πυρήνες Νικελίου και πυρήνες Υδρογόνου (δηλαδή πρωτόνια). Την εφεύρεση μάλιστα την εκμεταλλεύεται μια ελληνική εταιρία, η Defkalion Green Technologies.
Η όλη υπόθεση μου ακούστηκε περίεργη, οπότε είπα να το κοιτάξω. Με λίγο ψάξιμο, βρήκα την σχετική δημοσίευση των Sergio Focardi και Andrea Rossi, στο περιοδικό (??) Journal of Nuclear Physics. Η εργασία τους βρίσκεται σε μια σειρά από posts σ' αυτό το σαν blog περιοδικό, ξεκινώντας από το A new energy source from nuclear fusion, όπου υπάρχει το abstract. Στα διαδοχικά posts παρουσιάζονται η διαδικασία, οι μετρήσει και τα αποτελέσματα μιας σειράς δοκιμαστικών λειτουργιών του αντιδραστήρα. Καταρχήν, πρέπει να πούμε ότι ο αντιδραστήρας αποτελείται από έναν θάλαμο καύσης, όπου τοποθετείται το Νικέλιο και το Υδρογόνο. Ο θάλαμος θερμαίνεται με την βοήθεια ηλεκτρικών αντιστάσεων. Το όλο σύστημα είναι εμβαπτισμένο σε δεξαμενή νερού. Από την θέρμανση του νερού υπολογίζουν την απόδοση του αντιδραστήρα και την εκλυόμενη ενέργεια, η οποία σύμφωνα με τα λεγόμενά τους είναι περίπου 200 φορές πάνω από ότι βάζουν.
Προχωρώντας λοιπόν προς τα κάτω στη σελίδα του περιοδικού, μπορεί να βρει κανείς το Theoretical interpretation, όπου γίνεται συζήτηση γύρω από τον πιθανό μηχανισμό με τον οποίο επιτυγχάνεται η σύντηξη. Εκεί λοιπόν, μπορεί να βρει κανείς τον υπολογισμό που δείχνει ότι με δεδομένες τις θερμοκρασίες στις οποίες λειτουργεί η συσκευή, η πιθανότητα ένας πυρήνας Νικελίου να συλλάβει ένα πρωτόνιο και να δώσει Χαλκό, να πραγματοποιηθεί σύντηξη δηλαδή, είναι της τάξης του $$\reverse \opaque 10^{-12394}$$. Λογικό αποτέλεσμα.
Οι συγγραφείς όμως προχωράνε λέγοντας ότι αυτοί παρατηρούν την εκλυόμενη ενέργεια και άρα η σύντηξη πρέπει να συμβαίνει.
Καταλήγουν λοιπόν,
In an attempt to explain the observed experimental effects, our attention has been attracted by a statement reported in [16] relative to a stellar gas where the electrons tend to cluster into spherical shells around nuclei, at distance rD known as Debye-Hückel radius. The .rst applications of the Debye-Hückel model [17] refer to electrolytic solutions for which it is possible to define a Debye length [18] with the following characteristic: if the distance between two charged ions is greater than rD , their electrostatic interactions are reduced by the presence of other ions attracted by the electric forces.
In our case, the proton-electron system might be shielded by the nuclear Coulomb potential, with the possibility of penetrating the Coulomb barrier.
Η λύση λοιπόν που προτείνουν, είναι το Debye shielding. Σ' αυτή την περίπτωση, το φράγμα δυναμικού που θα πρέπει να υπερνικήσει το πρωτόνιο για να μπει στον πυρήνα, δεν θα είναι το δυναμικό Coulomb του πυρήνα, αλλά το θωρακισμένο δυναμικό, το οποίο θα εκτείνεται μέχρι ένα τυπικό μήκος ανάλογο του μήκους Debye. Το ερώτημα είναι λοιπόν, πόσο είναι το μήκος Debye μέσα στο Νικέλιο; Με ένα πρόχειρο υπολογισμό μπορεί να δει κανείς ότι το μήκος Debye είναι της τάξης του $$\reverse \opaque \lambda_D=0.5 \AA$$ δηλαδή περίπου όσο είναι και η ακτίνα Bohr του ατόμου του Υδρογόνου (Debye length of the metal electrons).
Και τώρα που το βρήκαμε το μήκος Debye, πως επηρεάζει αυτό την πιθανότητα σύλληψης των πρωτονίων από τους πυρήνες Νικελίου;
Η πιθανότητα σύλληψης από τον πυρήνα μπορεί να υπολογιστεί αναλυτικά και είναι ουσιαστικά η πιθανότητα να έχουμε φαινόμενο σήραγγας για το σωματίδιο που θα το οδηγήσει μέσα στον πυρήνα ξεπερνώντας το φράγμα του δυναμικού. Για την κλασική περίπτωση του δυναμικού Coulomb του πυρήνα, η πιθανότητα είναι $$\reverse \opaque \large P= e^{-\pi\frac{r_0}{\lambda^{\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!-}}}$$, όπου $$\reverse \opaque r_0$$ είναι η ελάχιστη απόσταση από τον πυρήνα στην οποία μπορεί να φτάσει ένα θετικό φορτίο που έχει κάποια κινητική ενέργεια και $$\reverse \opaque \lambda^{\!\!\!\!-}$$ (δεν υπάρχει το σύμβολο λbar!!!) είναι το μήκος κύματος de Broglie του πρωτονίου διαιρεμένο με το 2π. Η πιθανότητα λοιπόν εξαρτάται από την μία από την ενέργεια που έχει το πρωτόνιο, πράγμα που μπαίνει τόσο στο μήκος κύματος του πρωτονίου όσο και στο πόσο κοντά φτάνει στον πυρήνα, και από την άλλη εξαρτάται και από το πόσο δυνατό είναι το απωστικό δυναμικό ή αλλιώς το πόσο κοντά στον πυρήνα πλησιάζει, που το υποδηλώνει η ελάχιστη απόσταση $$\reverse \opaque r_0$$.
Μία ευριστική ερμηνεία του παραπάνω αποτελέσματος είναι ότι αν η απόσταση στην οποία πλησιάζει το σωματίδιο τον πυρήνα, είναι μεγαλύτερη από το μήκος κύματος de Broglie του σωματιδίου, τότε η πιθανότητα το σωματίδιο να βρεθεί μέσα στον πυρήνα (να κάνει φαινόμενο σήραγγας δηλαδή) είναι πολύ μικρή, ενώ αν το μήκος κύματος είναι μεγαλύτερο ή ίσο με την ελάχιστη απόσταση, τότε η πιθανότητα είναι σημαντική.
Το παραπάνω αποτέλεσμα, αν αναπτύξουμε τους όρους και βάλουμε, $$\reverse \opaque \lambda^{\!\!\!\!-}=\frac{\hbar}{m \beta c}$$, όπου το βc είναι η ταχύτητα του σωματιδίου, και $$\reverse \opaque r_0=\frac{Ze^2}{(4\pi \varepsilon_0)Q}$$, όπου $$\reverse \opaque Q=\frac{3}{2}kT=\frac{1}{2}m\beta^2c^2$$ είναι η κινητική ενέργεια των πρωτονίων και Z ο ατομικός αριθμός του Νικελίου, τότε θα πάρουμε την έκφραση για την πιθανότητα $$\reverse \opaque P=e^{-\frac{2\pi Z}{137 \beta}$$, όπου έχουμε αντικαταστήσει την τιμή της σταθεράς της λεπτής υφής $$\reverse \opaque \alpha=\frac{e^2}{(4\pi \varepsilon_0)\hbar c}=1/137$$. Αυτός είναι και ο τύπος που αναφέρετε και στην σελίδα με το Theoretical interpretation.
Εδώ πρέπει να παρατηρήσω ότι υπάρχει ένα αριθμητικό λάθος στον υπολογισμού που κάνουν. Υποθέτει θερμοκρασία 1000Κ και λέει ότι η κινητική ενέργεια είναι 0.9eV. Αυτό το νούμερο είναι μεγαλύτερο κατά 7 φορές από την ενέργεια για τους 1000Κ. Το σωστό αποτέλεσμα είναι περίπου 0.13eV.
Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να υπερτιμά την ταχύτητα του σωματιδίου (ή αλλιώς το β) κατά $$\reverse \opaque \sqrt{7}$$ φορές, που σημαίνει ότι ο εκθέτης στην πιθανότητα βγαίνει $$\reverse \opaque \sqrt{7}$$ φορές μικρότερος.
Η σωστή πιθανότητα για τους 1000Κ είναι λοιπόν, $$\reverse \opaque e^{-77395}=5.7\times 10^{-33613}$$. (update: υπάρχουν παραλλαγές της εργασίας που κυκλοφορούν, όπως εδώ, όπου τα νούμερα είναι εντελώς κουκουρούκου).
Ας επιστρέψουμε λοιπόν στο θέμα της τροποποίησης των παραπάνω εξαιτίας της θωράκισης του φορτίου και του μήκους Debye. Μια πρώτη προσέγγιση θα ήταν να χρησιμοποιήσει κανείς την παραπάνω ευριστική εικόνα. Έχουμε λοιπόν ότι, εξαιτίας της θωράκισης τώρα το δυναμικό δεν είναι της μορφής του δυναμικού Coulomb, δηλαδή της μορφής $$\reverse \opaque \frac{1}{r}$$, αλλά θα έχει την μορφή δυναμικού Yukawa και θα είναι της μορφής $$\reverse \opaque \frac{1}{r}e^{-r/\lambda_D}$$, όπου στο εκθετικό έχουμε το μήκος Debye. Αυτό λοιπόν επηρεάζει το πόσο κοντά μπορεί να φτάσει το πρωτόνιο στον πυρήνα του Νικελίου (τώρα φτάνει πιο κοντά) και άρα έτσι επηρεάζει και την πιθανότητα να έχουμε σύντηξη. Αν εκφράσουμε την απόσταση ως $$\reverse \opaque r=x r_0$$, όπου $$\reverse \opaque r_0$$ είναι η ελάχιστη απόσταση για το δυναμικό Coulomb, τότε η νέα ελάχιστη απόσταση θα δίνεται από την $$\reverse \opaque x_0 r_0$$, όπου το $$\reverse \opaque x_0$$ θα είναι η ρίζα της έκφρασης $$\reverse \opaque \frac{1}{x}e^{-x\frac{r_0}{\lambda_D}}=1$$. Αν αντικαταστήσουμε αυτή την απόσταση στην πιθανότητα, θα πάρουμε το αποτέλεσμα, $$\reverse \opaque \large P= e^{-\pi\frac{x_0 r_0}{\lambda^{\!\!\!\!-}}}=e^{-77395 x_0}$$. Το αποτέλεσμα αυτό δεν είναι πολύ μακριά από τον ακριβή υπολογισμό της πιθανότητας τόσο στο αριθμητικό αποτέλεσμα όσο και στην θεωρητική του λογική. Συγκεκριμένα, με αυτή την αφελή προσέγγιση υπολογίζουμε το $$\reverse \opaque x_0$$ να είναι περίπου 0.001, ενώ ο ακριβής υπολογισμός δίνει $$\reverse \opaque x_0=0.02$$.
Αυτό σημαίνει ότι ακόμα και με τη θωράκιση Debye, η πιθανότητα σύντηξης ενός πρωτονίου με έναν πυρήνα Νικελίου γίνεται $$\reverse \opaque P=e^{-1548}=5.7\times 10^{-673}$$ (ο αφελής υπολογισμός δίνει της τάξης του 10^-34).
Ακόμα και για τα νούμερα που δίνουν για τις πιθανότητες οι Focardi και Rossi, που αντιστοιχούν σε θερμοκρασία 10,000Κ, η πιθανότητα σύντηξης και πάλι είναι πολύ μικρή (περίπου 10^-247).
Εδώ πρέπει να σχολιάσω και κάτι ακόμα με αφορμή τις αναφορές του καθ. Χ. Ε. Στρεμμένου (εδώ και εδώ). Ας κάνουμε την ερώτηση, πόσο θα έπρεπε να είναι το μήκος Debye για να είναι εφικτή η σύντηξη κάτω από αυτές τις συνθήκες; Η απάντηση είναι ότι θα πρέπει να είναι περίπου 2-3 τάξεις μεγέθους μικρότερο. Το μήκος Debye όμως βασικά εξαρτάται από την αριθμητική πυκνότητα των ηλεκτρονίων στο πλέγμα η οποία είναι υψωμένη στην δύναμη -1/6. Με ένα πρόχειρο υπολογισμό, αυτό σημαίνει ότι για να είναι το μήκος Debye 2 τάξεις μεγέθους μικρότερο, θα πρέπει να είναι 12 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη η αριθμητική πυκνότητα των ηλεκτρονίων. Φυσικά κάτι τέτοιο είναι αδύνατο, αφού το πόσα είναι τα ηλεκτρόνια περιορίζεται από τα διαθέσιμα ηλεκτρόνια, που είναι τα ηλεκτρόνια του Νικελίου και το πολύ να είναι 28 ανά άτομο Νικελίου.
Με βάση λοιπόν όλα τα παραπάνω, η εκτίμησή μου είναι ότι είναι μάλλον απίθανο να συμβαίνει σύντηξη Νικελίου-Υδρογόνου στον αντιδραστήρα των Focardi και Rossi. Ειδικότερα δε, με ρυθμό 10^15 αντιδράσεις το δευτερόλεπτο, όπως εκτιμάται εδώ.
Άρα η απάντηση στο αρχικό ερώτημα είναι, "Δεν νομίζω!!!".
Αυτά τα ολίγα.
---------------------------------------- Διευκρίνηση: Ας γράψω μια μικρή διευκρίνηση. Τι σημαίνουν οι παραπάνω πιθανότητες;
Η πιθανότητα θα μας δώσει το πόσες φορές μπορεί να συμβεί η συγκεκριμένη διαδικασία για έναν συγκεκριμένο αριθμό διαθέσιμων ατόμων Ni και Η. Ο τυπικός αριθμός διαθέσιμων ατόμων είναι της τάξης του 10^23 για ποσότητες της τάξης των μερικών γραμμαρίων. Άρα αν έχουμε μια ποσότητα Νικελίου της τάξης των μερικών κιλών, τότε θα έχουμε περίπου 10^25 πυρήνες. Έτσι ο ρυθμός των αντιδράσεων που μπορούν να συμβούν είναι ανάλογος αυτού του αριθμού επί την πιθανότητα (για την ακρίβεια, ο ρυθμός είναι το γινόμενο της αριθμητικής πυκνότητας των πυρήνων επί την ενεργό διατομή επί την ταχύτητα των πρωτονίων, όπου η ενεργός διατομή εξαρτάται από την πιθανότητα). Με λίγα λόγια, για να έχεις έναν ρυθμό όπως αυτό το 10^15 που αναφέρω παραπάνω, θα έπρεπε να έχει κανείς διαθέσιμη μια ασύλληπτη ποσότητα ατόμων, πολύ περισσότερα από όσα υπάρχουν στο σύμπαν (10^80).
Η επένδυση ύψους 200 εκατομμυρίων ευρώ ξεκινά το επόμενο διάστημα καθώς οι υπεύθυνοι της Εταιρίας έχουν αγοράσει ήδη παλαιό εργοστάσιο στην περιοχή της Ξάνθης (δεν πρόκειται για τη ΣΕΒΑΘ φυσικά) και προχωρούν άμεσα στην υλοποίηση της επένδυσης, υπολογίζοντας ότι τον Οκτώβριο θα ξεκινήσει η παραγωγική διαδικασία, με στόχο τις 300.000 συσκευές το χρόνο που θα απορροφηθούν από την ελληνική και τη βαλκανική αγορά.
The scientists note that the mis-wiring could be inadvertent. "If one of the wires in the three-core power lead" — a lead with active, neutral and ground/earth wires, all of which flow to a different prong of a three-pin plug — "was accidentally misconnected, the actual measurements of current witnessed by two Swedish scientists would not be the total power going into the reactor, and there would be an apparent power gain. One of the scientists who observed an earlier test has now agreed this could be so," Smith said. He noted that such a misconnection would be easy to make. For example, the earth lead could be touching the active wire, either within the plug, behind the wall outlet, or in the jumble of wires inside the E-Cat machine. Misconnections involving the earth and neutral wire are also possible. According to a report issued by the Australian Skeptics, Bryce found that in all six published tests of the E-Cat up to July — every test in which excess power production was directly measured — the setup was such that a misconnected earth lead (the wire that is usually grounded in an electric circuit) could have been funneling up to 3 kilowatts of power into the machine's steam generator long after the other wires were turned off. Because there were no power meters measuring the flow of energy in the earth lead, all this energy would seem to be surplus, and would appear as if it were being generated by reactions within the E-Cat itself.
-------------------------------------------------- Update (3/12/12): Δημοσιογραφία του κ...
Δεν θα μπορούσε να απουσιάζει η συνεισφορά της μαχόμενης δημοσιογραφίας από το θέμα της σύντηξης υδρογόνου-νικελίου... Σύντηξη στο σπίτι!
Από τον γνωστό ύποπτο του ΒλΗΜΑ Science. Το καλύτερο σχόλιο το έκανε το physicsgg.
Πυρηνική ενέργεια και πάλι λοιπόν, αφού το θέμα βρέθηκε στην επικαιρότητα, αλλά και όχι μόνο. Ας ξεκινήσουμε όμως από την επικαιρότητα.
Δεν έχω καμία διάθεση να υπερασπιστώ την διατύπωση του Σουφλιά, αλλά οι περιστάσεις και η βλακεία με φέρνουν σ’ αυτή τη θέση. Δεν ξέρω ποιος βλάκας το σκέφτηκε, αλλά η πυρηνική ενέργεια δεν είναι ανανεώσιμη. Όσο όμως και να χτυπάνε τον πισινό τους κάποιοι, δεν επιβαρύνει με κανέναν τρόπο το περιβάλλον και άρα υπό αυτή ακριβώς την έννοια είναι πράσινη. Και ο λόγος που δεν επιβαρύνει το περιβάλλον είναι πολύ απλός. Σε αντίθεση με τις διάφορες μορφές χημικής καύσης, τα προϊόντα είναι πολύ λιγότερα και βρίσκονται και σε περιορισμένο χώρο αντί να εκλύονται ελεύθερα στο περιβάλλον. Όλα τα άλλα είναι κυρίως φιλολογίες που ξεκινάνε από το ότι δεν υπάρχει ουσιαστική αντίληψη του τι είναι ραδιενέργεια.
Έτσι λοιπόν αυτές τις ημέρες παρακολουθούμε το γαϊτανάκι γύρω από αυτό το θέμα.
Πραγματικά μου προκαλεί απογοήτευση ο σκοταδισμός και η κινδυνολογία που επικρατεί γύρω από το θέμα της πυρηνικής ενέργειας. Η πυρηνική ενέργεια είναι a priori «κακή» και εξ’ ορισμού επικίνδυνη. Δηλαδή φτάνει τα όρια του μεταφυσικού ο φόβος για την πυρηνική ενέργεια. Μου είναι απολύτως ακατανόητο το πώς κάποιοι θέλουν ακόμα να φοβούνται μπαμπούλες κάτω από τα κρεβάτια τους και μέσα στις ντουλάπες τους. Αυτοί που τυφλά και συστηματικά αντιτίθενται στην πυρηνική ενέργεια, δεν καταδέχονται να διατυπώσουν (δεν γνωρίζω αν είναι και σε θέση δηλαδή) ένα σοβαρό επιχείρημα ενάντια στην πυρηνική ενέργεια. Αντί αυτού ανατρέχουν σε τρομοκρατικές παραπομπές (Three Mile Island) και εκφοβιστικούς συνειρμούς (Τσέρνομπιλ) που στοχεύουν όχι στην λογική, αλλά στον υποσυνείδητο φόβο. Το επιχείρημα του τύπου, «Η πυρηνική ενέργεια είναι επικίνδυνη γιατί έχει υπάρξει το Τσέρνομπιλ» μου φέρνει στο μυαλό τη συζήτηση για το ποιο είναι το πιο ασφαλές μέσο, το αεροπλάνο ή το αυτοκίνητο. Η απάντηση ενώ είναι γνωστή σχεδόν σε όλους, οι περισσότεροι προτιμούν και εμπιστεύονται φυσικά το αυτοκίνητο, αλλά ο λόγος έχει σχέση με την ψυχολογία και όχι τα δεδομένα. Η θέση για παράδειγμα ότι με την πυρηνική ενέργεια υπάρχει πάντα ο κίνδυνος ενός ατυχήματος σαν το Τσέρνομπιλ, δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί με σοβαρότητα, αφού δεν είναι καν λάθος. Δηλαδή και μόνο η γενικότητα της διατύπωσης δεν επιτρέπει να γίνει αποδεκτή ούτε προς συζήτηση η παραπάνω πρόταση. Όπως έχω εξηγήσει και παλαιότερα, συγκεκριμένα οι αντιδραστήρες τύπου Τσέρνομπιλ ήταν αντιδραστήρες θετικής ανάδρασης (δηλαδή ουσιαστικά βόμβες έτοιμες να εκραγούν) και τέτοιοι αντιδραστήρες ούτε υπάρχουν εν λειτουργία αλλά ούτε και πρόκειται να ξανακατασκευαστούν. Αντιθέτως, όλοι οι νέοι αντιδραστήρες, εκτός από τα ενεργητικά συστήματα ασφαλείας που έχουν (και μπορούν ενδεχομένως κάποια στιγμή να αποτύχουν) έχουν και παθητικά συστήματα ασφαλείας, δηλαδή είναι σχεδιασμένοι με αρνητική ανάδραση. Το δε επιχείρημα που άκουσα αυτές τις ημέρες που λέει ότι, «εδώ τόσα χρόνια δεν μπορούμε να διαχειριστούμε τα σκουπίδια και θα διαχειριστούμε τα πυρηνικά απόβλητα», μόνο ως προσβλητικό προς την ευφυΐα μου μπορώ να το εκλάβω. Και ο λόγος είναι ότι δεν μπορώ να πιστέψω ότι ο κύριος που το διατυπώνει δεν ξέρει ή δεν καταλαβαίνει ότι την διαχείριση των υπολοιμάτων της καύσης φυσικά και δεν πρόκειται να την κάνουμε εμείς. Δηλαδή τι λέμε τώρα, ούτε το εργοστάσιο δεν θα διαχειριστούμε. Και αυτό γιατί δεν είναι και μαλάκες αυτοί που θα μας το φτιάξουν, ώστε να μας αφήσουν να τα κάνουμε μπάχαλο. Φυσικά το παραπάνω επιχείρημα θα μπορούσε και να υπονοεί ότι αν φτιάχναμε πυρηνικό εργοστάσιο, μπορεί και να το έφτιαχνε ο Μπόμπολας για παράδειγμα, πράγμα το οποίο φυσικά και είναι εκτός πραγματικότητας. Όλα αυτά, δεν υπάρχει λόγος να τα παίρνουμε προσωπικά αφού για παράδειγμα οι Γάλλοι που έχουν δώσει την τεχνογνωσία τους στους Αμερικάνους, όχι μόνο τους τα έφτιαξαν τα εργοστάσια, αλλά τους κάνουν και την τεχνική διαχείριση, όπου οι Αμερικάνοι δεν είναι και χθεσινοί όπως εμείς.
Έτσι λοιπόν στα θέματα της πυρηνικής ενέργειας, οι μόνοι που βλέπω να διατυπώνουν σοβαρές επιφυλάξεις, ανησυχίες ή ενστάσεις είναι όσοι διατίθενται θετικά προς αυτή.
Ξεφεύγοντας από την επικαιρότητα τώρα, θέλω να αναφερθώ λίγο και στο αφιέρωμα του περιοδικού «Energy point» στην πυρηνική ενέργεια. Το τεύχος του Μαρτίου είχε πέντε άρθρα πάνω στο θέμα, από τα οποία θα ξεχωρίσω το άρθρο που έγραψε ο Δρ. Αναστάσιος Γιούτσος. Από αυτό το άρθρο παραθέτω και το παρακάτω ενδιαφέρον απόσπασμα:
Οι τεχνολογίες που βασίζονται στην καύση ορυκτών καυσίμων έχουν τα υψηλότερα ποσοστά εκπομπής, με την καύση άνθρακα να έχει τυπικά διπλάσιο ποσοστό εκπομπής από ότι η καύση φυσικού αερίου. Εξετάζοντας τις μεγάλες διακυμάνσεις στην τεχνολογία μετατροπής καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια, μπορεί να ειπωθεί ότι τα ποσοστά εκπομπής αερίων του θερμοκηπίου μπορούν να είναι μία τάξη μεγέθους υψηλότερα από ότι στα σύγχρονα ηλιακά φωτοβολταïκά συστήματα και μέχρι δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερα από ότι στην πυρηνική και υδροηλεκτρική ενέργεια. Οι εκτιμήσεις για τα αέρια του θερμοκηπίου για τα αιολικά και την βιομάζα βρίσκονται μεταξύ των εκτιμήσεων που αφορούν τα ηλιακά και πυρηνικά συστήματα. Ένα σημαντικό συμπέρασμα, που δεν μπορεί να τονιστεί αρκετά, είναι ότι καμία τεχνολογία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή και την χρήση ενέργειας – είτε πρόκειται για ηλεκτρική παραγωγή, μεταφορά ή άλλη – δεν συνδέεται με μηδενικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου. Οι διαφορές στο ποσοστό εκπομπής για τις διάφορες επιλογές, εντούτοις, μπορούν να είναι αρκετά σημαντικές. Αυτό το γεγονός βεβαίως θα επηρεάσει τη διαδικασία λήψης αποφάσεων και θα έχει επίπτωση στην επιλογή των εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας που θα περιλαμβάνεται στα μελλοντικά εθνικά ενεργειακά συστήματα.
Στο συγκεκριμένο αφιέρωμα υπάρχει ακόμα ένα άρθρο που έχει ενδιαφέρον, με τίτλο «Πυρηνική αναθέρμανση», το οποίο αναφέρεται και στα νέα σχέδια αντιδραστήρων που έχουν αναπτυχθεί ή αναπτύσσονται τώρα. Το άρθρο λίγο πολύ αναφέρεται σε αυτά που είχα αναφερθεί και εγώ παλαιότερα.
Φυσικά δεν θα μπορούσε να απουσιάζει και το σχετικό τρομοκρατικό άρθρο, από το οποίο εμπνεύστηκα και τον τίτλο, στο οποίο γίνεται η επίκληση σε όλα όσα αναφέρω και παραπάνω.
Ο Βασικός όμως λόγος που ήθελα να αναφερθώ και πάλι στην πυρηνική ενέργεια είναι το άρθρο από το blog Quirks &Quarks με τίτλο Nuke necessity: think small. Το άρθρο αναφέρεται στην δυνατότητα παραγωγής πυρηνικής ενέργειας από μικρότερης κλίμακας μονάδες που αναπτύσσονται από διάφορους οργανισμούς.
Ενδεικτικό παράδειγμα αποτελεί ο παρακάτω αντιδραστήρας από την Toshiba, ισχύος 50 MWe, ο οποίος χαρακτηρίζεται και ως «πυρηνική μπαταρία»:
Toshiba has a system called 4S (Super Safe, Small and Simple), which the town of Galena, Alaska is interested in, as a replacement for its diesel generators. The fast-breeder reactor is sealed at the factory, has almost no moving parts, is self-regulating and, on paper, can run for 30 years without needing new fuel. It accomplishes that by breeding new fuel as the fission reaction takes place. The 1-metre wide, 2-metre tall reactor sits in a heavy metal tube 20 metres long, which is buried underground. The only parts sticking above ground are pipes to run water down the hole where it is boiled by the heat from the reactor, then comes back up as steam to run a turbine generator. No one touches the reactor; the liquid sodium coolant inside circulates by convection and at the end of its life, the whole thing is shipped back to Japan for replacement. You can even gang several small reactors together to meet a bigger demand.
Ο αντιδραστήρας αυτός λοιπόν, είναι αντιδραστήρας τύπου «Liquid Metal cooled Fast Reactor», δηλαδή για την ψύξη του χρησιμοποιείται υγρό μέταλλο (νάτριο, μόλυβδο, κλπ.) και ο αντιδραστήρας λειτουργεί με «γρήγορα» νετρόνια. Αυτού του τύπου οι αντιδραστήρες λειτουργούν σε συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης και έχουν παθητικά συστήματα ασφαλείας. Το γεγονός ότι λειτουργούν με γρήγορα νετρόνια τους δίνει την δυνατότητα να παράγουν (breeder) και να «κάψουν» και άλλα καύσιμα εκτός από ουράνιο. Ένα ακόμα θετικό με την καύση της ακολουθίας των παραγώγων του ουρανίου (πλουτώνιο, κλπ.) είναι ότι τα τελικά υπολοίματα έχουν χρόνους ημιζωής της τάξης των εκατονταετιών αντί για πολλές χιλιάδες χρόνια.
Στην σειρά αυτή των αντιδραστήρων ανήκουν τα μοντέλα τύπου STAR (Secure Transportable Autonomous Reactor) τα οποία αναπτύσσονται από συνεργασίες στην Αμερική και την Ιαπωνία (το παραπάνω μοντέλο της Toshiba). Εκτός από τα μοντέλα που θα παράγουν απευθείας ηλεκτρική ενέργεια, σχεδιάζονται και μοντέλα που θα παράγουν υδρογόνο (STAR-H2) προκειμένου να τροφοδοτηθούν ενεργειακές εφαρμογές με βάση το υδρογόνο.
Ένας ακόμα τύπος αντιδραστήρων είναι και οι «Molten Salt Reactors» οι οποίοι διαφοροποιούνται από τον παραπάνω τύπο αντιδραστήρων στο ότι ως καύσιμο χρησιμοποιούν ένα μίγμα αλάτων του ουρανίου και θορίου διαλυμένα σε φθοριούχο λίθιο και βηρύλλιο. Από τους αντιδραστήρες αυτού του τύπου, ενδιαφέρον παρουσιάζει το μοντέλο της Fuji ισχύος 100 MWe:
The attractive features of this MSR fuel cycle include: the high-level waste comprising fission products only, hence shorter-lived radioactivity; small inventory of weapons-fissile material (plutonium-242 being the dominant plutonium isotope); low fuel use (the French self-breeding variant claims 50kg of thorium and 50kg uranium-238 per billion kWh); and safety due to passive cooling up to any size.
Όλα αυτά και ακόμα περισσότερα τεχνικά στοιχεία, στα οποία δεν έχει νόημα να μπω αφού εδώ απλά ήθελα να παρουσιάσω κάποιες ιδέες που μου φάνηκαν πολύ ενδιαφέρουσες, υπάρχουν στην παρακάτω αναφορά:
Hore-Lacy, Ian (Lead Author); World Nuclear Association (Content Partner); Cutler J. Cleveland (Topic Editor). 2008. "Small nuclear power reactors." In: Encyclopedia of Earth. Eds. Cutler J. Cleveland (Washington, D.C.: Environmental Information Coalition, National Council for Science and the Environment). [First published in the Encyclopedia of Earth September 4, 2006; Last revised February 12, 2008; Retrieved May 5, 2008]. < http://www.eoearth.org/article/Small_nuclear_power_reactors >
Αξίζει να αναφέρουμε ότι αντιδραστήρες όπως τα παραπάνω παραδείγματα, επειδή ακριβώς είναι τόσο μικρής κλίμακας, μπορούν να θεωρηθούν ως επιλογές και για τη χώρα μας, η οποία έχει τα γνωστά προβλήματα σεισμικότητας και διαχείρισης.
Προσωπικά είμαι υπέρ της χρήσης της πυρηνικής ενέργειας, γιατί είναι μία αξιόπιστη λύση δεδομένου ότι εφαρμόζεται σωστά και με ασφάλεια. Δεν θεωρώ όμως (δυστυχώς) ότι αυτή τη στιγμή η Ελλάδα είναι έτοιμη να μπει στην πυρηνική εποχή, κυρίως γιατί ο κόσμος δεν είναι ακόμα έτοιμος να δεχτεί με υπεύθυνη θέση μία τέτοια προοπτική. Εκεί βρίσκεται και το πρόβλημα σχετικά με την στάση που πρέπει να έχουμε για την χρήση της πυρηνικής ενέργειας από τους γείτονές μας. Δηλαδή, δεν είμαστε σε θέση να έχουμε μία σοβαρή άποψη για το πώς θα πρέπει να προχωρήσουν οι γείτονες στα δικά τους πυρηνικά προγράμματα. Το αποτέλεσμα είναι να προχωράνε με επιλογές που πιθανόν να είναι επικίνδυνες για εμάς. Αντιθέτως, αν υπήρχε μία σχετική συνεργασία στον τομέα της πυρηνικής ενέργειας, θα μπορούσαμε να έχουμε έναν σχετικό έλεγχο στην χάραξη της ενεργειακής πολιτικής που είναι βασισμένη στην πυρηνική ενέργεια στην γειτονιά μας.
---------------------------- Ps. Ξέχασα να αναφέρω ένα άρθρο πάνω στο θέμα της ανακύκλωσης των πυρηνικών καυσίμων και της αποθήκευσης των υπολοιμάτων που έχει το τελευταίο τεύχος του Scientific American. Το άρθρο έχει τίτλο Nuclear Fuel Recycling: More Trouble Than It's Worth και είναι διαθέσιμο on-line ολόκληρο. Αξίζει να δει κανείς και τη συζήτηση που γίνεται στο site σχετικά με το άρθρο. Κατά την γνώμη μου στο συγκεκριμένο άρθρο υπερεκτιμάτε ο κίνδυνος σχετικά με την τρομοκρατία και την κατασκευή βόμβας πλουτωνίου από τρομοκράτες. Ακόμα, το άρθρο αφορά μόνο μεγάλες μονάδες παραγωγής, της κλίμακας των GW και όχι μονάδες όπως αυτές που αναφέρω παραπάνω. Όπως και να έχει, το θέμα της φύλαξης τον υπολοιμάτων στο οποίο γίνεται αναφορά έχει ενδιαφέρον.
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».
