Του Γιώργου Λώλου, επίτιμου καθηγητή πυρηνικής και σωματιδιακής φυσικής, University of Regina, Καναδά
Ο Δημόκριτος, γύρω στα 340 με 350 π.Χ., χρησιμοποίησε μια απλή λογική που έθεσε το θεμέλιο της ατομικής θεωρίας της ύλης. Σκέφτηκε, λοιπόν, ότι αν κόψει ένα κομμάτι από οποιoδήποτε υλικό στα δυο, και μετά το μισό το κόψει πάλι στα δυο και ούτω καθ᾽εξής, θα κατέληγε σε ένα τόσο μικρό κομμάτι που περαιτέρω διαίρεση θα ήταν αδύνατη γιατί στο τέλος θα εξαφανιζόταν η ύλη. Δηλαδή, περαιτέρω τομή δεν είναι δυνατή και η ύλη θα πρέπει να αποτελείται από αδιαίρετα μέρη που απεκάλεσε άτομα.
Για πάνω από χιλιετία η θεωρία του Δημόκριτου παρέμενε βασικά άγνωστη, αν και οι αλχημιστές του Mεσαίωνα μπορούν να θεωρηθούν ως οι πρώτοι χημικοί που ασχολήθηκαν με αυτά που σήμερα αποκαλούμε στοιχεία και χημικές ενώσεις. Ο Δημόκριτος δεν σταμάτησε στην θεωρία ατόμων αλλά ήταν και πρωτοπόρος και στην αστρονομία! Διαπίστωσε ότι ο Γαλαξίας είναι το φως που εκπέμπουν πολλά μακρινά αστέρια. Έστησε, λοιπόν και τα θεμέλια της ατομικής και της αστροφυσικής. Αυτή η ένωση σήμερα αποτελεί την συναρπαστική έρευνα της Φυσικής που αποκαλείται Σωματιδιακή Αστροφυσική.
Ατομική Φυσική
Όταν η χημεία άρχισε να γίνεται σοβαρή μελέτη στοιχείων και ενώσεων, οι μελετητές παρατήρησαν ότι ορισμένα στοιχεία αν και διαφορετικά μεταξύ τους, είχαν κοινές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Ως απλό παράδειγμα έχουμε το Νάτριο (Na) και το Κάλιο (K) που, αν και διαφορετικά μέταλλα, σχηματίζουν εύκολα παρόμοιες χημικές ενώσεις με μια άλλη κατηγορία στοιχείων όπως το Χλώριο, παράγοντας το NaCl και KCl, δηλαδή το κοινό αλάτι και το αντίστοιχο με το Κάλιο. Αν και διάφοροι χημικοί είχαν αρχίσει να ταξινομούν τα στοιχειά με παρόμοιες χημικές ιδιοτητες, ήταν ο Ρώσος χημικός Mendeleev το 1869 που δημιούργησε τον Περιοδικό Πίνακα των Στοιχείων, που όλοι γνωρίζουμε, και του οποίου η ταξινόμισης έγινε βάση του ατομικού αριθμού και αργότερα και με βάση των χημικών ιδιοτήτων. Η μεγάλη, επίσης, προσφορά ήταν ότι στα κενά του πίνακα, με στοιχεία που δεν είχαν ακόμη ανακαλυφθεί, αλλά έγιναν προβλέψεις για τον ατομικό τους αριθμό και τις χημικές ιδιότητες. Όλα αυτά τελείως εμπειρικά διότι ούτε τι ακριβώς σημαίνει ατομικός αριθμός ήξεραν ούτε γιατί είχαν κοινές χημικές ιδιότητες γνώριζαν.
Ο σύγχρονος Περιοδικός Πίνακας περιέχει 118 στοιχεία από τα οποία 24 δεν είναι φυσικά, αλλά έχουν δημιουργηθεί σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, εργαστήρια επιταχυντών και από έκρηξη πυρηνικών βομβών. Όλα τα στοιχεία με ατομικό αριθμό από 95 μέχρι 118 είναι έτσι φτιαγμένα. Τα στοιχεία οριζοντίως είναι με αυξανόμενο ατομικό αριθμό, ενώ αυτά στις κάθετες στήλες με κοινές χημικές ιδιότητες.
Τα στοιχεία στις μωβ θέσεις είναι όλα συνθετικά. Στις πράσινες θέσεις είναι σπάνια ραδιενεργά φυσικά στοιχεία (όπως το Πλουτώνιο, Pu) που παράγονται και τεχνητά. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχουν τα τρία στοιχεία στις κόκκινες θέσεις, που είναι κοινά στην φύση και ραδιενεργά, όπως το Ουράνιο (U). Και τα τρία έχουν πολύ μεγάλο χρόνο ζωής και για αυτόν τον λόγο υπάρχουν στην φύση ακόμη. Αυτό σημαίνει ότι έχουν χαμηλή ραδιενέργεια. Θα ερωτήσει κάποιος, μα πως είναι δυνατόν να υπάρχει πλουτώνιο στην φύση, δεν παράγεται μόνον από τον άνθρωπο; Φυσικό πλουτώνιο βρίσκεται, σε μικροσκοπικές ποσότητες, σε τοποθεσίες που είναι πλούσιες σε φυσικό ουράνιο. Ο μηχανισμός θα εξηγηθεί παρακάτω.
Η σύγχρονη και τελική εικόνα του ατόμου βασίζεται στην κβαντική Φυσική, με αρχιτέκτονα τον Niels Bohr, που έθεσε τα ηλεκτρόνια σε ορισμένες τροχιές γύρω από τον πυρήνα μέσα σε ένα ηλεκτροστατικό πεδίο, όπου η αλλαγή τροχιάς είναι δυνατή μόνον με απορρόφηση ή εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας στο οπτικό φάσμα. Η ακτινοβολία λέιζερ είναι μια ιδιαίτερη τέτοια εφαρμογή της κβαντικής φύσεως του ατόμου.
Για να είναι τα άτομα ουδέτερα σε συνολικό ηλεκτρικό πεδίο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι ίσος με αυτόν των πρωτονίων. Το άτομο του Bohr έθεσε την ατομική Φυσική σε καλή βάση αλλά δεν είχε τους τρεις κβαντικούς αριθμούς (n,l,m) που απαιτούντο από πειράματα που έγιναν αργότερα και επίσης δεν ήταν συμβατή με την στατιστική φύση της κβαντομηχανικής που, αντί καθορισμένη ακτίνα, είναι πιο συμβατή με ένα « νέφος». Η ακτίνα του ηλεκτρονίου του Bohr, δηλαδή η απόσταση από τον πυρήνα που ορίζει και την ενέργεια του ηλεκτρονίου (n), είναι ουσιαστικά η πιο στατιστικά πιθανή ακτίνα. Τέλος, η ενέργεια του δεσμού ηλεκτρονίων και πυρήνα είναι της τάξης μόλις των μερικών ηλέκτροβόλτ, δηλαδή η ενέργεια για την μεταφορά ενός φορτίου ηλεκτρονίου σε πεδίο ενός βολτ (eV).
Χημικές ενώσεις σχηματίζονται όταν, δυο διαφορετικά στοιχεία με δομή ηλεκτρονίων, τέτοια ώστε τα εξωτερικά ηλεκτρόνια του ενός να μπορούν μοιράζονται την τροχιά τους με τα εξωτερικά ηλεκτρόνια του αλλού στοιχείου. Έτσι, ως παράδειγμα, το ηλεκτρόνιο στην εξωτερική τροχιά (valence electron) του Νατρίου μοιράζεται με αυτό του Χλωρίου, οπότε το Νάτριο θεωρείται ότι είναι θετικό γιατί “δίνει” ηλεκτρόνιο στο Χλώριο που θεωρείται ότι είναι αρνητικό, όπως θυμόμαστε από την χημεία στο σχολείο. Στην γλώσσα της φυσικής αυτό λέγεται ότι οι κυματοσυναρτήσεις των δυο επικαλύπτονται (wavefunction overlap).
Πυρηνική Φυσική
Τα πειράματα του Rutherford 1912 με 1917 είχαν δείξει ότι το άτομο αποτελείτο από τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και ένα συμπαγές και με θετικό φορτίο πυρήνα. Το πιο πολύτιμο αποτέλεσμα των πειραμάτων του Rutherford ήταν η αναγνώριση του πυρήνα του υδρογόνου, ένα βασικό σωματίδιο που είναι το θεμελιώδες συστατικό για όλα τα άτομα και έτσι αναγνωρίστηκε ως το πρωτόνιο.
Εδώ, βεβαίως υπάρχει ένα πρόβλημα για οποιαδήποτε άλλον πυρήνα, εκτός από τον τόσο απλό του υδρογόνου. Πώς δυο ή περισσότερα πρωτόνια είναι δυνατόν να είναι τόσο κοντά το ένα με το άλλο όταν και τα δυο είναι με το ίδιο θετικό φορτίο; Το πρόβλημα λύθηκε με την ανακάλυψη του ουδέτερου νετρονίου το 1932 από τον Chadwick. Ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια πρέπει να συνδέονται με μια νέα ισχυρή, εν σχέση με την ηλεκτροστατική δύναμη, γίνεται αμέσως φανερό διότι οι πυρήνες είναι σταθεροί ενάντια στην ηλεκτροστατική απωθητική δύναμη των πρωτονίων. Τα νετρόνια, λοιπόν, όχι μόνον αυξάνουν τις αποστάσεις μεταξύ πρωτονίων, αλλά, γίνονται πολύ αναγκαία διότι αυξάνουν την ελκυστική δύναμη που τώρα γνωρίζουμε ως την ισχυρή δύναμη (strong force). Ο αριθμός των πρωτονίων σε έναν πυρήνα καθορίζει τον ατομικό αριθμό Α, ενώ το σύνολο πρωτονίων και νετρονίων καθορίζει τον μαζικό αριθμό Ζ. Σε ένα άτομο, ο ατομικός αριθμός καθορίζει και των αριθμό των ηλεκτρονίων και εμμέσως, και την ηλεκτρονική δομή του ατόμου, δηλαδή τις χημικές του ιδιότητες. Εκεί βασίζεται η όλη ιδέα του περιοδικού πίνακα των στοιχείων. Πυρήνες με τον ίδιο ατομικό αριθμό Α αλλά διαφορετικό μαζικό Ζ αποκαλούνται ισότοπα. Μια και τα ισότοπα έχουν τον ίδιο Α, και επομένως τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων στις ίδιες τροχιές, έχουν ακριβώς τις ίδιες χημικές ιδιότητες και δεν είναι δυνατόν να διαχωριστούν με χημικές μεθόδους. Χρειάζονται φυσικές μεθόδους βασιζόμενες στην διαφορά μάζας.
Εάν είναι γνωστός ο ατομικός αριθμός, είναι παρά πολύ απλό να οικοδομήσει ο γνώστης της κβαντικής φυσικής και να βάλει όλα τα ηλεκτρόνια στις σωστές τροχιές με τους σωστούς κβαντικούς αριθμούς n, l και m βάση των κανόνων για σωματίδια με σπιν 1/2.
Τα ηλεκτρόνια είναι θεμελιώδη σωματίδια, δηλαδή είναι άνευ διαστάσεων (εν αντιθέσει με τα πρωτόνια και τα νετρόνια τα οποία έχουν φυσικό μέγεθος και αποτελούνται από τα κουάρκς), και ως εκ τούτου είναι σταθερά. Τα πρωτόνια ως ελεύθερα (εκτός πυρήνος) είναι επίσης σταθερά, τα νετρόνια όμως εκτός πυρήνων έχουν καθορισμένο χρόνο ζωής (lifetime) 877,75 δευτερολέπτων ή περίπου 15 λεπτών. Τα νετρόνια διασπώνται σε πρωτόνια, ηλεκτρόνια και σε αντινετρίνο, σε μια αντίδραση γνωστή ως διάσπαση βήτα:
n → p + e⁻ + ν̄ ₑ (εξίσωση 1)
Πολλά από τα ραδιενεργά στοιχεία στην φύση είναι αυτής της ραδιενεργούς κατηγορίας. Η ερώτηση τώρα είναι, γιατί ενώ τα νετρόνια διασπώνται όταν είναι εκτός πυρήνα, ως συστατικά των πυρήνων σε όλα τα σταθερά (μη ραδιενεργά) στοιχεία δεν διασπώνται; Ας αφήσουμε το νετρίνο εκτός περαιτέρω αναλύσεως, είναι φανερό ότι το νετρόνιο έχει λίγο μεγαλύτερη μάζα από το πρωτόνιο. Όμως, όταν το νετρόνιο είναι στον πυρήνα, είναι εντός του ισχυρού πεδίου με ορισμένους κβαντικούς αριθμούς και για το πρωτόνιο, που θα παραμείνει στον πυρήνα μετά την διάσπαση του νετρονίου, θα πρέπει να υπάρχει «θέση» στην δομή του πυρήνα με ορισμένους κβαντικούς αριθμούς. Αν η δομή είναι τέτοια που όλες οι ῎υποψήφιες῎ θέσεις είναι ήδη κατειλημμένες, το νετρόνιο δεν μπορεί να διασπαστεί γιατί υπάρχει και η διαφορά ενέργειας και, αν η επόμενη κενή θέση για το πρωτόνιο είναι σε τέτοια τροχιά ενέργειας που είναι υψηλότερη από την διαφορά στις μάζες πριν και μετά από την διάσπαση, το νετρόνιο την γλιτώνει. Για την πυρηνική φυσική, τα πρωτόνια και νετρόνια έχουν τις ίδιες ακριβώς ιδιότητες με την εξαίρεση του ηλεκτρικού φορτίου. Η μέση ενέργεια δέσμευσης κατά πρωτόνιο ή νετρόνιο στον πυρήνα είναι περίπου 8 εκατομμύρια ελέκτροβόλτ (MeV), πολύ υψηλότερη εν συγκρίσει με το αντίστοιχο για τα ηλεκτρόνια (eV) στο άτομο.
Ουράνιο και Πλουτώνιο
Το Ουράνιο είναι αρκετά διαδεδομένο στην φύση με περίπου 90 ετών διαθέσιμο απόθεμα με τον τωρινό ρυθμό χρήσης. Αυτό από ήδη αναγνωρισμένες πηγές, αλλά υπάρχει πολύ περισσότερο σε υποθαλάσσια κοιτάσματα. Απαντάται σε τρία ισότοπα με το U-238 να αποτελεί το 99,3% του αποθέματος, το U-235 γύρω στο 0,7% και τέλος το U-234, με ότι απομένει. Το U-238 έχει χρόνο μισής ζωής (half life) 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια και ως αποτέλεσμα δεν είναι πολύ ραδιενεργό. Για χρόνια είχα στο γραφείο μου έναν κύλινδρο ουρανίου από αυτούς που χρησιμοποιούν οι καναδέζικοι αντιδραστήρες. Κάποιος φαίνεται ότι είχε αυτοπροσδιοριστεί προστάτης της υφηλίου από ραδιενέργεια, με κατέδωσε και έφεραν τον αρμόδιο για θέματα ασφαλείας στο πανεπιστήμιο με ανιχνευτή Geiger, οπότε μου το πήραν. Άντε να τους εξηγήσεις ότι αν δεν το βάλεις μέσα σου ή το ρίξεις σε κανενός το κεφάλι είναι ασφαλές, είναι σαν ένα απλό κομμάτι μετάλλου!
Εν αντιθέσει με πολλά άλλα ραδιοϊσότοπα, η ραδιενεργή διάσπαση του U-238 δεν καταλήγει σε ένα σταθερό ισότοπο άμεσα, αλλά σε μια ολόκληρη αλυσίδα ραδιενεργών ισοτόπων με εκπομπή σωματιδίων άλφα και σωματιδίων βήτα, με τελικό αποτέλεσμα τον μόλυβδο Pb-206. Ενδιάμεσα ισότοπα είναι πολλά και ο πίνακας εδώ τα δείχνει. Όλα τα αποθέματα μολύβδου προέρχονται από αυτήν την αλυσίδα της διασπάσεως του ουρανίου και η οποία παράγει το περίπου 40% της θερμότητας στο κέντρο της Γης! Για τους μελλοντικά υποσχόμενους αντιδραστήρες Θορίου, το ισότοπο Th-232 με την απορρόφηση ενός νετρονίου και με ενδιάμεσα αλλά στάδια καταλήγει στο U-233, που είναι εξαιρετικό καύσιμο για αντιδραστήρες.
Το Πλουτώνιο (Pu), τώρα είναι ένα ραδιενεργό στοιχείο ως παραγωγό κυρίως από την χρήση ουρανίου σε αντιδραστήρες. Είναι και αυτό εξαιρετικό σχάσιμο στοιχείο και αξίζει λίγη ανάλυση. Ως πολύ σπάνιο στοιχείο στην φύση, προέρχεται από την αυθόρμητη σχάση U-238, που με την απορρόφηση νετρονίων (όπως στους αντιδραστήρες), καταλήγουν σε Pu-239. Για πρακτικούς λόγους, όλη η περαιτέρω συζήτηση θα είναι μόνο για πλουτώνιο από αντιδραστήρες. Αν και το πλουτώνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σε αντιδραστήρες και πράγματι συμβάλει στην παραγωγή ενέργειας κατά την λειτουργία του αντιδραστήρα, η πιο κοινή χρήση είναι σε πυρηνικά όπλα.
Α. Ειρηνικές εφαρμογές – Σχάση
Το Ουράνιο, όπως είναι στην φυσική του κατάσταση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο μόνον σε μια ορισμένη κατηγορία πυρηνικών αντιδραστήρων. Για όλους τους άλλους είναι αναγκαίος ο εμπλουτισμός στο εύκολα σχάσιμο ισότοπο U-235. Για την σχάση χρειάζονται δυο πράγματα, σχάσιμο στοιχείο και νετρόνια. Για το σχάσιμο υλικό έχουμε U-235 ή Pu-239 αλλά τα νετρόνια από που προέρχονται; Από δύο πηγές: από την αυθόρμητη σχάση U-238, όπως αναφέρθηκε ανωτέρω ή από εξωτερική πηγή νετρονίων, ένα συνδυασμό Am-241 και Βe-9. Επίσης χρησιμοποιείται το Καλιφόρνιο 252 (Cf-252).
Εμπλουτισμός Ουρανίου: Μία και όλα τα ισότοπα ουρανίου έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό, είναι χημικά ακριβώς τα ίδια, οπότε μόνον η διαφορά μάζας τα ξεχωρίζει. Αυτή η διαφορά είναι μόλις 1,7%. Υπάρχουν δυο τρόποι να διαχωριστούν, που τώρα με το Ιράν, έχουν γίνει πρωταγωνιστές στην ειδησεογραφία. Για συμβατικούς πυρηνικούς αντιδραστήρες, ο απαιτούμενος εμπλουτισμός σε U-235 είναι της τάξης του 3,5% με 5%, εκτός των καναδικών που χρησιμοποιούν φυσικό ουράνιο. Για πυρηνικά όπλα ο εμπλουτισμός είναι άνω του 90%.
- Φυγοκεντρικός Εμπλουτισμός: Το Ουράνιο είναι σε μορφή χημικής ενώσεως με Φθόριο (UF6) που είναι αέριο σε θερμοκρασία περίπου άνω των 56,4°C. Όταν τα δοχεία με το UF6 περιστρέφονται με μεγάλες ταχύτητες, τα”βαρύτερα” U-238F6 μετακινούνται προς την εξωτερική άκρη του φυγοκεντρικού συστήματος, χωρίς βέβαια να έχει αποκλειστεί και το ανάλογο ισότοπο U-235. Έτσι δημιουργείται ένα μείγμα U-238 και U-235, αλλά τώρα το ποσοστό του U-235 είναι λιγότερο από το φυσικό 0,7% στην εξωτερική πλευρά των δοχείων. Αν η ίδια διαδικασία τώρα επαναληφθεί από σειρά φυγοκεντρικών διαδοχικών φάσεων, καταλήγουμε στο εσωτερικό σε ένα μίγμα των δυο ισοτόπων με αυξημένο ποσοστό του U-235 σε κάθε στάδιο. Είναι φανερό ότι όσο πιο εμπλουτισμένο απαιτείται σε U-235, τόσο πιο πολλά στάδια στην διαδικασία χρειάζονται. Το U-238 που παραμένει, οπωσδήποτε θα έχει και ένα μικρότερο ποσοστό U-235 από το φυσικό 0,7% και αποκαλείται απεμπλουτισμένο ουράνιο. Αν ειδικά προέρχεται από παραγωγή πυρηνικών όπλων, που απαιτούν πολύ υψηλό εμπλουτισμό σε U-235, τότε το απεμπλουτισμένο ουράνιο είναι ουσιαστικά μόνον ισότοπο U-238.
- Διάχυση UF6 δια μέσω μεμβρανών: Αυτή είναι μια άλλη μέθοδος, παλαιότερη, που δεν χρησιμοποιείται πλέον. Το αέριο UF6 περνάει από διαδοχικές μεμβράνες ή διαφράγματα υπό πίεση και επειδή το U-235 ως ελαφρύτερο έχει μεγαλύτερη ταχύτητα από το U-238, στατιστικά μετά από κάθε μεμβράνη το ποσοστό του U-235 αυξάνει. Χρειάζεται βέβαια μεγάλος αριθμός διαδοχικών μεμβρανών και ο αριθμός εξαρτάται από τον βαθμό εμπλουτισμού. Αυτή η μέθοδος είναι ενεργοβόρα σε σύγκριση με την φυγοκεντρική μέθοδο. διάχυσης.
Πυρηνικοί αντιδραστήρες
Η λειτουργία όλων των πυρηνικών αντιδραστήρων, ανεξαρτήτως σχεδίου και τύπου, βασίζονται στην αλυσιδωτή διάσπαση του U-235. Η αντίδραση ξεκινά με την απορρόφηση ενός νετρονίου, είτε από εξωτερική πηγή, όταν ιδίως ο αντιδραστήρας έχει φορτωθεί με καινούργιο καύσιμο (εικόνα 2Α), ή με νετρόνια από την αλυσιδωτή διάσπαση του U-235 (εικόνα 2Β). Τα νετρόνια δεν πρέπει να έχουν ενέργεια που μπορεί να κάνουν σκεδασμό στον πυρήνα ώστε να γίνει αντίδραση (πυρηνικός σκεδασμός). Έτσι, η ενέργεια των νετρονίων πρέπει να είναι χαμηλή (θερμικά νετρόνια) ώστε να γίνει απορρόφησης (capture) που οδηγεί σε σχάση. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση επιβραδυντή (moderator), ύδατος, βαρέου ύδατος ή γραφίτη.
Η σχάση του U-235 καταλήγει σε δυο πυρήνες με μικρότερους ατομικούς αριθμούς (Cs-140, Rb-92) και δυο νετρόνια (εικόνα 2Α). Αυτά προκαλούν σχάση άλλων πυρήνων, που το καθένα επίσης απελευθερώνει άλλα δυο και ούτω καθεξής, σε αλυσιδωτή αντίδραση (chain reaction) (εικόνα 2Β) που παράγει τελικά ενέργεια που αυξάνει την θερμοκρασία του ψυκτικού υγρού που μετατρέπεται σε ατμό. Αυτός περιστρέφει μια γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρισμού.
Ο έλεγχος της αλυσιδωτής σχάσης γίνεται με την χρήση ράβδων από υλικό που απορροφά τα νετρόνια (Βόριο ή Κάδμιο). Αυτό γίνεται με την άνοδο ή κάθοδο των απορροφητικών ράβδων ανάμεσα στις ράβδους του ουρανίου. Η εικόνα 3 είναι μια σχηματική απεικόνιση ενός αντιδραστήρα ύδατος υπό πίεση (PWR), με τους ράβδους ουρανίου (κοκκινοκίτρινοι) και ανάμεσα τους είναι οι κινητοί απορροφητικοί ράβδοι.
Κατά την διάρκεια της αλυσιδωτής σχάσης παράγονται πολλά νετρόνια. Όταν τώρα ένα νετρόνιο απορροφηθεί από έναν πυρήνα U-238, δημιουργείται το ισότοπο U-239 που είναι ασταθές, oπότε μέσω ενδιάμεσων διασπάσεων καταλήγει στο Pu-239 που, έχοντας διαφορετικό ατομικό αριθμό, μπορεί να εξαχθεί από το μίγμα των άλλων ραδιενεργών καταλοίπων ενός αντιδραστήρα με χημικές μεθόδους. Ένα ποσοστό από το Pu-239 καταναλώνεται κατά την διάρκεια της λειτουργίας του αντιδραστήρα αλλά αρκετό παραμένει για περαιτέρω χρήση. Έτσι παράγεται το πλουτώνιο για πυρηνικά και θερμοπυρηνικά όπλα.
B. Ειρηνικές εφαρμογές – Σύντηξη
Ενώ η σχάση ξεκινά από υψηλούς ατομικούς αριθμούς και καταλήγει σε μικρότερους, η σύντηξη (fusion) είναι η αντίστροφη πυρηνική αντίδραση. Ας αρχίσουμε με τα πολύ βασικά. Το υδρογόνο έχει τρία ισότοπα. Το κοινό Υδρογόνο (1Η) με πυρήνα ένα πρωτόνιο, και τέτοιο είναι το 99,98% στην φύση, το Δευτέριο (2Η) με πυρήνα ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, μόλις το 0,0156% στην φύση και το Τρίτιο (3Η) με ένα πρωτόνιο και δυο νετρόνια. Τα δυο πρώτα είναι σταθερά, ενώ το Τρίτιο είναι ραδιενεργό με μισό χρόνο ζωής 12,3 έτη και καταλήγει σε Ήλιο-3 (3Ηe) μέσω εκπομπής σωματιδίου β.
Η σύντηξη είναι η πηγή ενέργειας των αστέρων. Για τον δικό μας Ήλιο, η πηγή ενέργειας είναι η σύντηξη υδρογονου, δηλαδή πρωτονίων. Εδώ υπάρχει το πρόβλημα την απωθητικής ηλεκτροστατικής δυνάμεως μεταξύ δυο πρωτονίων. Ναι μεν η θερμοκρασία στο κέντρο του Ηλίου είναι περίπου 15 εκατομμύρια βαθμοί Κελσίου, αλλά τέτοια κινητική ενέργεια δεν είναι αρκετή να προκαλέσει σύντηξη τεσσάρων πρωτονίων σε πυρήνα 4Ηe. Το 4Ηe είναι ένα από τα πιο σταθερά στοιχεία στην φύση, δηλαδή η ενέργεια για διάσπαση του είναι πολλή υψηλή. Τότε, πώς λειτουργεί η σύντηξη; Σε στάδια. Αρχικά δυο πρωτόνια σχηματίζουν έναν πυρήνα δυο πρωτονίων αλλά αυτός είναι ασταθής και διαχωρίζονται. Εδώ τώρα μπαίνει πιο πολύπλοκη φυσική και ας το απλοποιήσουμε. Σύμφωνα με την Ασθενή Πυρηνική Δύναμη (weak force) το πρωτόνιο εντός του πεδίου ενός άλλου, έστω και για ελάχιστο χρόνο, μπορεί να διασπαστεί μέσω της ασθενούς δυνάμεως αλλά διαφορετική από την εξίσωση 1:
Εξίσωση 2: p → n + e+ + νₑ
Αντιδραστήρες σύντηξης
Το ιερό δισκοπότηρο της ενεργειακής νιρβάνα είναι εδώ και δεκαετίες η υπόσχεσης ανεξάντλητης ενέργειας από την ελεγχόμενη σύντηξη. Από φοιτητής θυμάμαι ότι στα επόμενα 30 χρόνια θα είχαμε τέτοιους αντιδραστήρες σύντηξης (fusion reactors). Ακόμη και σήμερα, τα 30 χρόνια είναι…ακόμη εκεί. Ποιο είναι το πρόβλημα; Πρέπει να δημιουργηθούν συνθήκες ενεργειακά παρόμοιες του κέντρου του Ηλίου, ελεγχόμενες και σταθερές. Δηλαδή πλάσμα σε κινητικές ενέργειες ανάλογες των 15 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Καταλαβαίνει κανείς το πόσο τεχνικά δύσκολο είναι.
Πρακτικά οι απαιτήσεις για σύντηξηπρωτόνιο με πρωτόνιο, όπως στον Ήλιο, είναι εκτός δυνατοτήτων μας, οπότε μία λύση είναι να αρχίσει η σύντηξη από ένα “ενδιάμεσο” δεύτερο στάδιο όπως στη εικόνα 4. Δηλαδή, να ξεκινήσει με έτοιμους πυρήνες 3Η και 2Η που απαιτούν λιγότερη ενέργεια για σύντηξη, όπως περίπου γίνεται και στον Ήλιο για τον τελικό σχηματισμό 4Ηe (εικόνα 5).
Τεχνικές για την δημιουργία σύντηξης σε αντιδραστήρα
α) Μαγνητικός περιορισμός (Magnetic Confinement):Με τις απαιτούμενες ενέργειες για την έναυση σύντηξης, τα άτομα των δυο ισοτόπων έχουν χάσει τα ηλεκτρόνια τους και αποτελούν ένα θετικά φορτισμένο πλάσμα, που μπορεί να περιοριστεί με κατάλληλο μαγνητικό πεδίο, που θα το εμποδίζει να ακουμπήσει στους τοίχους του αντιδραστήρα. Ο αντιδραστήρας είναι σε σχήμα λουκουμά (donut) γνωστός και ως Tokamak. Οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες που είναι απαραίτητες για σύντηξη επιτυγχάνονται με εισαγωγή ουδετέρων ατόμων με μεγάλες κινητικές ενέργειες, υψηλά ηλεκτρικά ρεύματα ἠ και με την χρήση ραδιοκυμάτων. Για να επιτευχθεί σύντηξη το πλάσμα πρέπει να παραμένει σταθερό και για χρονικό διάστημα ώστε η σύντηξη να είναι συνεχής. Ο μεγάλος αριθμός νετρονίων που παράγεται δεν επηρεάζεται από το μαγνητικό πεδίο, οπότε βγαίνουν εκτός του αντιδραστήρα και σταματούν σε μια «κουβερτα» απο υλικό που απορροφά τα νετρόνια. Η ενέργεια των νετρονίων θερμαίνει την κουβέρτα και έτσι με συμβατικές πια μεθόδους παράγεται ηλεκτρική ενέργεια.
Μέχρι τώρα, αν και έχει γίνει πρόοδος, είμαστε ακόμη πολύ μακριά (αν γίνει ποτέ) από το να επιτευχθεί ο συνδυασμός θερμοκρασίας, σταθερότητας και χρονικής διάρκειας του πλάσματος ώστε να επιτευχθεί έστω και παραγωγή ενέργειας ίση με αυτήν που ξοδεύεται. Προσωπικά δεν είμαι αισιόδοξος.
β) Αδρανειακός περιορισμός (Inertial Confinement): Τα ίδια ισότοπα του υδρογόνου χρησιμοποιούνται και σε αυτήν την μέθοδο και για τους ίδιους λόγους. Αντί όμως να χρησιμοποιείται πλάσμα και μαγνητικά πεδία, τα σφαιρίδια από τα δύο ισότοπα μετατρέπονται σε πλάσμα με την χρήση λέιζερ. Αυτό δημιουργεί ένα ισχυρό ωστικό κύμα που ταξιδεύει διάμεσα του στόχου συμπιέζοντας τα σφαιρίδια με απότομη και πολύ υψηλή άνοδο θερμοκρασίας ώστε να επιτύχει έναυση σύντηξης. Το 2022 το Lawrence Livermore National Laboratory στην Καλιφόρνια, που διαχειρίζεται την Αμερικανική National Ignition Facility, επέτυχε για πρώτη φορά απόδοση ενέργειας 3,15 MJ με κατανάλωση 2,05 MJ. (εικόνα 6). Σημαντικό επίτευγμα αλλά ο δρόμος είναι ακόμη πολύ μακρύς.
Γ. Μη ειρηνικές πρακτικές εφαρμογές
Τα Πυρηνικά Όπλα χωρίζονται σε δυο κατηγορίες. Πυρηνικά (Σχάσης) και Θερμοπυρηνικά (Σύντηξης). Η σχάση και η σύντηξη όπως είδαμε ανωτέρω, είναι δυο τελείως διαφορετικές ενεργειακά αντιδράσεις και ως εκ τούτου αυτό μεταφέρεται και στα όπλα.
Όπλα σχάσης
Χρησιμοποιούν είτε εμπλουτισμένο U-235 σε επίπεδα άνω του 90% (συνήθως περίπου 95%) είτε Pu-239. Η μόνη βασική διαφορά με την αλυσιδωτή αντίδραση ενός αντιδραστήρα, είναι ότι η μια είναι ελεγχόμενη και λόγω χαμηλού εμπλουτισμού είναι αδύνατον να καταλήξει σε πυρηνική έκρηξη, ενώ με τον υψηλό εμπλουτισμό στο όπλο η αλυσιδωτή αντίδραση θα απελευθερώσει όλη την ενέργεια των πυρήνων στιγμιαία. Για να γίνει αυτό, η μάζα του υλικού είναι αναγκαίο να είναι υπερκρίσιμη και, φυσικά, με ταυτόχρονη ύπαρξη νετρονίων. Μέχρι την χρήση του όπλου, το σχάσιμο υλικό είναι σε ξεχωριστά κομμάτια ώστε να μην είναι δυνατόν να σχηματιστεί υπερκρίσιμη μάζα, οπότε το όπλο είναι αδρανές.
Για να ξεκινήσει η αλυσιδωτή αντίδραση, το υλικό, είτε ουράνιο είτε πλουτώνιο, σχηματίζει υπερκρίσιμη μάζα με την χρήση συμβατικών εκρηκτικών που συμπιέζουν τα μέρη με μεγάλη ταχύτητα ώστε να σχηματιστεί τέτοια μάζα. Αν η βόμβα είναι ουρανίου, το υλικό είναι σε δύο μέρη, το καθένα άνω του μισού από την απαιτούμενη υπερκρίσιμη μάζα και το ένα εκτοξεύεται σαν οβίδα μέσα στην βόμβα, που είναι πια στην ουσία κάννη πυροβόλου και ενώνεται με το άλλο μέρος ως «στόχος»και σχηματίζεται η υπερκρίσιμη μάζα (εικόνα 7). Στις βόμβες που χρησιμοποιούν πλουτώνιο, τα μέρη σχηματίζουν σφαίρα και η έκρηξη εκτοξεύει όλα τα μέρη προς το κέντρο της ώστε να ικανοποιηθεί η υπερκρίσιμη μάζα (εικόνα 7). Μόλις σχηματιστεί η υπερκρίσιμη μάζα, η σκανδάλη νετρονίων ενεργοποιείται να ξεκινήσει την αλυσιδωτή αντίδραση. Το σχάσιμο υλικό περιβάλλεται από άλλα μέταλλα (συνήθως ουράνιο 238) με ρόλο να αντανακλά τα νετρόνια πίσω στο σχάσιμο υλικό και για να καθυστερεί την επέκταση του πυρήνα του όπλου. Ο χρόνος από την στιγμή που ξεκίνησε η αλυσιδωτή αντίδραση μέχρι την έκρηξη μετριέται σε εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου).
Όπλα σύντηξης
Τα θερμοπυρηνικά όπλα είναι πολύ πιο πολύπλοκα. Ο λόγος είναι απλός. Για να γίνει έναυση της σύντηξης είναι αναγκαίο να ικανοποιηθούν οι συνθήκες όπως έχουν αναλυθεί ανωτέρω. Ο μόνος τρόπος να δημιουργηθούν τέτοιες συνθήκες είναι αν η διαδικασία ξεκινήσει από μια σχάση, δηλαδή μια έκρηξη σχάσης στην καρδιά της θερμοπυρηνικής βόμβας.
Η βόμβα σχάσης, (εικόνα 7), ξεκινά την διαδικασία ως πρώτο στάδιο, με την δική της έκρηξη, η οποία εκτινάζει βαρέα στοιχεία όπως πλουτώνιο, ενώ δημιουργεί την θερμοκρασία, τις πιέσεις και τη ραδιενέργεια που απαιτούνται για σύντηξη σε δεύτερο στάδιο. Η ενέργεια που έχει απελευθερωθεί κατευθύνεται προς το δεύτερο στάδιο που αποτελείται από τα ισότοπα (εικόνα 5), και τα συμπιέζει σε απίστευτα υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες. Η σύντηξη τώρα ακολουθεί όπως έχει περιγραφεί ήδη. Τα νετρόνια τα οποία δημιουργούνται προκαλούν περαιτέρω σχάσεις στο σχάσιμο υλικό που περιβάλει τον πυρήνα της σύντηξης και που είναι συνήθως ουράνιο ή πλουτώνιο. Έτσι ενισχύεται η εκρηκτική ικανότητα της θερμοπυρηνικής βόμβας.
Τα όπλα σχάσης, είτε χρησιμοποιούν U-235 είτε Pu-239 που έχουν πολύ μεγάλο χρόνο ημίσειας ζωής, οπότε δεν απαιτούν περιοδική συντήρηση των υλικών αυτών. Βέβαια, όπως όλα τα υπόλοιπα πολύπλοκα μηχανικά, ηλεκτρονικά και χημικά συστήματα χρειάζονται συντήρηση και επιθεωρήσεις. Επιπλέον, η ραδιενέργεια από τον πυρήνα του όπλου με την πάροδο του χρόνου μπορεί να επηρεάσει υλικά όπως τα εκρηκτικά και ηλεκτρονικά.
Οι Θερμοπυρηνικές βόμβες δεν έχουν το ίδιο πρόβλημα από ραδιενέργεια διότι η βόμβα σχάσης είναι μέσα σε ένα μεταλλικό κέλυφος, όπως είδαμε, αλλά το υλικό για σύντηξη εξαρτάται από την παρουσία Τρίτιου το οποίο έχει μισό χρόνο ζωής 12,3 έτη και χρειάζεται κάθε τόσο αναπλήρωση. Επιπλέον, το Τρίτιο καταλήγει σε 3Ηe, το οποίο μπορεί να επηρεάσει τα ευαίσθητα ηλεκτρονικά, αλλά, ιδίως διότι απορροφά νετρόνια και έτσι μειώνει την εκρηκτική απόδοση. Αυτό είναι πιο προβληματικό για θερμοπυρηνικά όπλα που χρησιμοποιούν αέριο 3Η για έξτρα εκρηκτική απόδοση (enhanced fusion weapons), διότι η βασική πηγή Τρίτιου είναι το Λίθιο-6 σε ένωση με Δευτέριο (D6Li). Όταν τα νετρόνια από την πρωτογενή έκρηξη, αντιδρούν με το Λίθιο-6 το διασπούν σε Τρίτιο που καταναλώνεται ουσιαστικά ολοκληρωτικά στην σύντηξη που ακολουθεί.
