Πως Λειτουργούν οι Πυρηνικοί Αντιδραστήρες και τι Συνέβη στην Ιαπωνία

http://www.fuitplus.gr/photography/item/545-pos-leitourgoun-oi-pirinikoi-antidrastires-kai-ti-sinebi-stin-iaponia.html

Γράφει ο O Ψαράς

 

Πολλά από τα πυρηνικά εργοστάσια της Ιαπωνίας, και ειδικότερα το Fukushima Naiishi στην βορειοανατολική Ιαπωνία, αντιμετωπίζουν σοβαρά προβλήματα μετά τον σεισμό και το τσουνάμι που προκλήθηκε από αυτό. Εάν παρακολουθείτε τα νέα, τότε έχετε σίγουρα ακούσει για διάφορα ανησυχητικά πράγματα που συμβαίνουν στο πυρηνικό εργοστάσιο ενώ ακούγονται συνέχεια όροι όπως «έκρηξη», «μερική τήξη», «εκκένωση» και «έκθεση στην ακτινοβολία».

Με λεπτομέρειες, μακριά από τη χαοτική πληροφόρηση, εδώ βρίσκονται όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε για να κατανοήσετε και να παρακολουθήσετε τα νέα που εξελίσσονται συνεχώς στην Ιαπωνία.

Τι είναι μια Πυρηνική Αντίδραση;

Μια πυρηνική αντίδραση είναι, βασικά, μια απλή διαδικασία αντίδρασης που παίρνει μέρος σε έναν ατομικό πυρήνα (o πυρήνας είναι μία πολύ μικρή περιοχή στο κέντρο του ατόμου). Συνήθως συμβαίνουν όταν ο πυρήνας ενός ατόμου συγκρούεται είτε από ένα υποατομικό σωματίδιο (συχνά ένα «ελεύθερο νετρόνιο», ένα νετρόνιο με σύντομη περίοδο ζωής το οποίο δεν είναι δεμένο σε κάποιον υπάρχοντα πυρήνα), είτε από έναν άλλο πυρήνα.

Αυτή η αντίδραση παράγει ατομικά και υποατομικά προϊόντα διαφορετικά από τα δύο αρχικά σωματίδια. Για να δημιουργηθεί η πυρηνική αντίδραση που θέλουμε, η αντίδραση διάσπασης (στην οποία ο πυρήνας διαχωρίζεται), αυτά τα δύο αρχικά σωματίδια πρέπει να είναι κάποιου συγκεκριμένου τύπου: το ένα πρέπει να είναι ένα πολύ βαρύ -στοιχειακό- ισότοπο, συνήθως μια μορφή ουρανίου ή πλουτώνιου, και το άλλο πρέπει να είναι ένα πολύ ελαφρύ «ελεύθερο νετρόνιο». Τα ισότοπα του ουράνιου ή του πλουτώνιου ονομάζονται «σχάσιμα», το οποίο σημαίνει πως μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε για να προκαλέσουμε διάσπαση βομβαρδίζοντάς τα με ελεύθερα νετρόνια.

Σε μια αντίδραση διάσπασης, το ελαφρύ σωματίδιο (το ελεύθερο νετρόνιο) συγκρούεται με το βαρύ σωματίδιο (το ισότοπο ουράνιου ή πλουτώνιου), το οποίο διαχωρίζεται σε δύο ή τρία κομμάτια. Αυτή η διάσπαση παράγει πάρα πολλή ενέργεια σε κινητική μορφή αλλά και σε μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Τα καινούρια αυτά μέρη συμπεριλαμβάνουν δύο νέους πυρήνες (υποπροϊόντα), μερικά φωτόνια (ακτίνες Γ), αλλά και μερικά ακόμα ελεύθερα νετρόνια, κάτι το οποίο είναι βασικό στοιχείο που κάνει την πυρηνική διάσπαση μια καλή πηγή ενέργειας. Τα καινούρια αυτά ελεύθερα νετρόνια περιστρέφονται τριγύρω και συγκρούονται με περισσότερα ισότοπα ουράνιου ή πλουτώνιου, παράγοντας με τη σειρά τους περισσότερη ενέργεια και περισσότερα ελεύθερα νετρόνια, και αυτό συνεχίζεται με τον ίδιο τρόπο –μια αλυσιδωτή αντίδραση πυρηνικής διάσπασης.

Η πυρηνική διάσπαση παράγει τεράστιες ποσότητες ενέργειας, κυρίως σε μορφή θέρμανσης –η ενέργεια είναι αρκετά εκατομμύρια φορές περισσότερη απ' ότι η ενέργεια που θα παίρναμε από παρόμοια μάζα ενός συνηθισμένου καυσίμου όπως η βενζίνη.

Παίρνοντας Χρησιμοποιήσιμη Ενέργεια από την Διάσπαση

Υπάρχουν πολλά είδη αντιδραστήρων πυρηνικής διάσπασης στην Ιαπωνία, αλλά εδώ θα επικεντρωθούμε στο εργοστάσιο Fukushima Naiishi, οι εγκαταστάσεις του οποίου χτυπήθηκαν ισχυρότερα απ' όλα τα εργοστάσια στην χώρα. Το Fukushima, που διοικείται από την ΤΕPCO (την Εταιρία Ηλεκτρισμού του Τόκιο), έχει έξι ξεχωριστές μονάδες αντιδραστήρων, όμως οι μονάδες 4, 5 και 6 ήταν κλειστές για συντήρηση την στιγμή του σεισμού (και κυρίως, την στιγμή του επικείμενου τσουνάμι). Οι μονάδες 1, 2 και 3 είναι «αντιδραστήρες βραστού νερού», που φτιάχτηκαν από την General Electric στις αρχές της δεκαετίας του 1970. Ένας αντιδραστήρας ζέοντος υδατος γνωστός ως BWR (Boiling Water Reactor), είναι ο δεύτερος πιο κοινός τύπος αντιδραστήρα στον κόσμο.

Ένας αντιδραστήρας βραστού νερού περιέχει χιλιάδες λεπτούς σωλήνες, σαν καλαμάκια, με μήκος 3,6 μέτρα, γνωστοί ως ράβδοι καυσίμων, οι οποίοι στην περίπτωση του Fukushima είναι φτιαγμένοι από κράμα ζιρκονίου. Μέσα σε αυτές τις ράβδους είναι σφραγισμένο το καύσιμο, μικρά κεραμικά σφαιρίδια οξειδίου του ουράνιου. Οι ράβδοι καυσίμων στοιβάζονται μαζί στον πυρήνα του αντιδραστήρα. Κατά τη διάρκεια μιας αλυσιδωτής αντίδρασης πυρηνικής διάσπασης, οι σωλήνες ζεσταίνονται σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, και ο τρόπος να τις κρατήσουμε ασφαλείς φαίνεται πως είναι και ο τρόπος για να εξάγουμε χρήσιμη ενέργεια από αυτές.

Οι ράβδοι διατηρούνται κάτω από νερό χωρίς άλατα, το οποίο χρησιμεύει ως ψυκτικό. Το νερό διατηρείται σε ένα συμπυκνωμένο δοχείο συντήρησης, οπότε έχει σημείο βρασμού 287 βαθμούς Κελσίου. Ακόμα και με τόσο υψηλό σημείο βρασμού, οι καυτές ράβδοι παράγουν μεγάλες ποσότητες ατμού, το οποίο είναι ακριβώς αυτό που θέλουμε από όλη αυτήν την περίπλοκη διαδικασία –ο ατμός υψηλής πίεσης χρησιμοποιείται για να γυρίσει τις τουρμπίνες των ηλεκτρογεννητριών, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια.

Πόσο Ασφαλής Είναι η Πυρηνική Ενέργεια

Μιας και υπάρχει πάρα πολύ μεγάλη παραγωγή θέρμανσης, καθώς και παραγωγή και  χρήση πολλών ρυπαρών ραδιενεργών υλικών, τα πυρηνικά εργοστάσια θέτουν σε εφαρμογή διάφορες προσπάθειες ασφάλειας και προστασίας, πέρα από την απλή χρήση του νερού ως ψυκτικό (το οποίο υποστηρίζεται από περιττές γεννήτριες ντίζελ –περισσότερα πάνω σε αυτό αργότερα). Ο πυρήνας του εργοστασίου, οι ράβδοι καυσίμων και το νερό, βρίσκονται μέσα σε ένα ατσάλινο σκάφος στον αντιδραστήρα. Αυτό το σκάφος βρίσκεται, με τη σειρά του, μέσα σε ένα γιγάντιο, ενισχυμένο τσιμεντένιο κέλυφος, το οποίο είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να μην επιτρέπει σε οποιαδήποτε ραδιενεργά αέρια να δραπετεύουν.

Γίνεται να Κλείσει ο Διακόπτης;

Το κλείσιμο του αντιδραστήρα είναι εφικτό. Όμως είναι περιττό να πούμε ότι η ασφαλής διακοπή και ο έλεγχος ενός πυρηνικού αντιδραστήρα δεν είναι με τίποτα το ίδιο απλό όσο η αποσύνδεση μιας δυσλειτουργικής συσκευής στην κουζίνα. Αυτό συμβαίνει επειδή η υπερβολική ζέστη υπάρχει ακόμα για αρκετή ώρα μετά την λήξη της διάσπασης –κυρίως λόγω των χημικών αντιδράσεων που υπάρχουν μέσα στην αντίδραση διάσπασης.

Ένα εργοστάσιο εν λειτουργία θέτει σε εφαρμογή ένα σύστημα ράβδων ελέγχου, ουσιαστικά δομές που περιορίζουν το βαθμό διάσπασης μέσα στις ράβδους καυσίμων με την απορρόφηση ελεύθερων νετρονίων που περιφέρονται. Ο βαθμός της διάσπασης μπορεί να ρυθμιστεί –ακόμα και να σταματήσει- με την εισαγωγή και την αφαίρεση των ράβδων ελέγχου στον αντιδραστήρα. Την στιγμή του σεισμού, οι ράβδοι ελέγχου του Fukushima δούλευαν κανονικά, κλείνοντας την αντίδραση διάσπασης. Όμως, ακόμα και με την παύση της αντίδρασης διάσπασης, οι ράβδοι καυσίμων παραμένουν σε ιδιαίτερα υψηλές θερμοκρασίες και απαιτούν συνεχή ψύξη.

Αυτό δεν είναι συνήθως πρόβλημα, εφόσον το σύστημα ψύξης (και, εάν αποτύχει αυτό, το εφεδρικό σύστημα με ντίζελ) παραμείνει άθικτο. Όμως, μετά την απώλεια ρεύματος στον σεισμό, το υποκείμενο τσουνάμι κατέστρεψε τις εφεδρικές γεννήτριες ντίζελ του εργοστασίου. Αυτό είναι ένα σοβαρό πρόβλημα γιατί, παρότι η διάσπαση είχε σταματήσει, η ψύξη είναι απαραίτητη ώστε το εργοστάσιο να παραμείνει ασφαλές.

Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της ζέστης που διατηρείται στον πυρήνα, και από τις ράβδους καυσίμων που παρότι δεν λειτουργούν είναι ακόμα πολύ ζεστές, αλλά και από τα διάφορα υποπροϊόντα που προκαλούνται από την διαδικασία της διάσπασης, όπως ραδιενεργό ιώδιο και κέσιο. Εάν ο πυρήνας δεν ψύχεται διαρκώς, υπάρχει ακόμα αρκετή ζέστη για να προκληθεί τήξη (κατάρρευση) ακόμα και αρκετή ώρα αφότου έχει «κλείσει».

Στην περίπτωση του εργοστασίου Fukushima, όπου και το κεντρικό και το εφεδρικό σύστημα ψύξης έχουν τεθεί εκτός λειτουργίας, η TEPCO αναγκάστηκε να καταστρώσει μια μέθοδο για να πλημμυρίσει τον πυρήνα με θαλασσινό νερό εμπλουτισμένο με βορικό οξύ (το βορικό οξύ χρησιμοποιείται ώστε να αποτρέψει μια άλλη αντίδραση διάσπασης, αν ξεκινούσε εξαιτίας της κατάρρευσης –περισσότερα πάνω σε αυτό αργότερα). Αυτό είναι κακό σημάδι –πρόκειται για μια τελευταία προσπάθεια αποτροπής της καταστροφής, καθώς το αλάτι στο θαλασσινό νερό θα διαβρώσει της μηχανές. Επιπλέον, είναι μόνο μια προσωρινή λύση: η ΤΕPCO θα χρειαστεί να ρίχνει χιλιάδες γαλόνια θαλασσινού νερού στον πυρήνα καθημερινά, μέχρι να μπορέσουν και να θέσουν το σύστημα ψύξης ξανά σε εφαρμογή. Χωρίς αυτό, η μέθοδος με το θαλασσινό νερό μπορεί να χρειαστεί να συνεχιστεί για εβδομάδες, ακόμα και για ένα χρόνο, ωσότου η εναπομείνασα ζέστη να μειωθεί.

Η Επίφοβη Τήξη

Καταρχήν, η «τήξη» (κατάρρευση) δεν είναι ένας ακριβώς καθορισμένος ορισμός, κάτι που την κάνει σχετικά άχρηστη ως δείκτη των εξελίξεων. Ακόμα και οι όροι «πλήρης τήξη» και «μερική τήξη» δεν είναι ιδιαίτερα βοηθητικοί, το οποίο είναι εν μέρει και ο λόγος που γράφτηκε αυτό το άρθρο.

Ας ξεκινήσουμε με κάποια από τα πιο ελαφριά (αλλά ακόμα ανησυχητικά) πράγματα που μπορούν να συμβούν όταν το ψυκτικό υγρό δεν βρίσκεται πια στον πυρήνα. Όταν οι ράβδοι καυσίμων βρεθούν ακάλυπτες από νερό, θα αυξήσουν την θερμοκρασία τους κατά πολύ –χιλιάδες βαθμοί Κελσίου- και θα αρχίσουν να οξειδώνονται και να σκουριάζουν. Η οξείδωση αυτή θα αντιδράσει με το εναπομείναν νερό, παράγοντας ιδιαίτερα εκρηκτικό υδρογόνο. Αυτό έχει συμβεί ήδη στον πρώτο αντιδραστήρα στο Fukushima. Το υδρογόνο μπορεί να εξαεριστεί σε μικρές δόσεις στο κτίριο διατήρησης, αν όμως δεν μπορέσουν να το εξαερίσουν αρκετά γρήγορα, θα εκραγεί, κάτι το οποίο συνέβη στον αντιδραστήρα νούμερο 1. Έχετε στο νου ότι δεν πρόκειται για πυρηνική αντίδραση, αλλά για μια απλή χημική έκρηξη που συχνά (όπως και σε αυτήν την περίπτωση) τα αποτελέσματα είναι να δραπετεύει λίγη ή και καθόλου ραδιενέργεια στον έξω κόσμο.

Η TEPCO ανακοίνωσε πως μετά την έκρηξη, τα επίπεδα ραδιενέργειας στην γύρω περιοχή από το εργοστάσιο παρέμειναν μέσα σε φυσιολογικά όρια. Αυτός είναι ένας σημαντικός διαχωρισμός –φυσικά, μια έκρηξη υδρογόνου σε ένα πυρηνικό εργοστάσιο δεν είναι και τα πιο διασκεδαστικά νέα, όμως δεν είναι και πουθενά κοντά στην κρίση πανικού που μπορεί να προκαλέσει μια τήξη πυρήνα ενός πυρηνικού εργοστασίου.

Αυτό που εννοείται όταν χρησιμοποιείται η λέξη «τήξη» μπορεί να είναι πολλά διαφορετικά πράγματα, όλα μετά από μια έκρηξη υδρογόνου. Μια «πλήρης τήξη» έχει πιο αποδεκτό ορισμό απ' ότι μια «μερική τήξη». Η πλήρης τήξη είναι το χειρότερο σενάριο: οι ράβδοι καυσίμων από κράμα ζιρκονίου και το ίδιο το καύσιμο, μαζί με οποιαδήποτε μηχανήματα έχουν παραμείνει στον πυρήνα, θα λιώσει σχηματίζοντας ένα υλικό σαν λάβα. Το υλικό αυτό είναι ιδιαίτερα επικίνδυνο αφού είναι ικανό να λιώσει το τσιμεντένιο κτίριο συγκράτησης χάρη στην υπερβολική του ζέστη και χημική δύναμη, και όταν όλα αυτά τα διαφορετικά υλικά ενωθούν, η διαδικασία της αλυσιδωτής αντίδρασης μπορεί να ξαναρχίσει, σε έναν εντελώς ανεξέλεγκτο ρυθμό. Μια ρήξη του κτιρίου συγκράτησης μπορεί να οδηγήσει στην απελευθέρωση όλων των ρυπαρών ραδιενεργών αποβλήτων για τα οποία δημιουργήθηκε το κτίριο συγκράτησης εξαρχής, κάτι το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε μια καταστροφή τύπου Τσερνομπίλ.

Μια ρήξη του κτιρίου συγκράτησης μπορεί να οδηγήσει στην απελευθέρωση όλων των ρυπαρών ραδιενεργών αποβλήτων για τα οποία δημιουργήθηκε το κτίριο συγκράτησης εξαρχής, κάτι το οποίο μπορεί να οδηγήσει σε μια καταστροφή τύπου Τσερνομπίλ.

Το πρόβλημα με μια πλήρη κατάρρευση είναι πως συνήθως είναι το τελικό αποτέλεσμα μιας σειράς από χαοτικά συμβάντα –εκρήξεις, φωτιές, γενική καταστροφή. Ακόμα και στο Τσερνομπίλ, το οποίο (απίστευτα, εκ των υστέρων) δεν είχε καν κτίριο συγκράτησης, η ζημιά προκλήθηκε κυρίως από την καταστροφή του εργοστασίου από εκρήξεις και από μια πυρκαγιά γραφίτη η οποία επέτρεψε στο προαναφερθέν υλικό να δραπετεύσει στον έξω κόσμο, και όχι από το λιώσιμο του πυρήνα.

Ο αρχιγραμματέας του Υπουργικού Συμβουλίου Yukio Edano επιβεβαίωσε με δισταγμό μια «μερική» τήξη. Τι ακριβώς σημαίνει αυτό; Κανείς δε γνωρίζει. Η New York Times σημειώνει πως μια «μερική» τήξη δεν χρειάζεται να έχει καθόλου λιώσιμο ώστε να ονομαστεί έτσι –μπορεί απλά να σημαίνει πως οι ράβδοι καυσίμων σταμάτησαν να ψύχονται για αρκετό διάστημα ώστε να διαβρωθούν και να σπάσουν, κάτι που δεδομένης της έκρηξης υδρογόνου, γνωρίζουμε πως έχει ήδη συμβεί.

Καθώς η TEPCO παλεύει με την ζημιά που προκλήθηκε από τον σεισμό και το τσουνάμι στο πυρηνικό σύστημα, θα υπάρξουν πολλά ακόμη νέα –περισσότερες εκρήξεις, μαζικές εκκενώσεις, και περισσότερες «τήξεις» ενός τύπου ή του άλλου. Το μόνο που μπορούμε να κάνουμε είναι να ενημερωθούμε για την κατάσταση, να σκεφτούμε με ψυχραιμία τι συμβαίνει και να ελπίσουμε πως η TEPCO θα μπορέσει, τελικά, να ξαναπάρει τον έλεγχο των εργοστασίων.