Τι είναι η πυρηνική ενέργεια;

Η πυρηνική ενέργεια ακούγεται σαν κάτι το εξωτικό, αλλά υπάρχει παντού γύρω μας στη φύση και χάρη σε αυτήν ζούμε! 

Ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή. Η ύλη μας απαρτίζεται από άτομα, τα οποία έχουν στο κέντρο τους έναν πυρήνα που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Αυτά τα σωματίδια είναι συνήθως δεμένα σφιχτά μεταξύ τους με μια δύναμη, η οποία ονομάζεται ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτή η πυρηνική δύναμη ισοδυναμεί με μία ενέργεια δέσμευσης που είναι παγιδευμένη στον πυρήνα, όσο αυτός είναι σταθερός. Όταν όμως μαζευτούν πολλά πρωτόνια και νετρόνια σε έναν πυρήνα η πυρηνική δύναμη δεν μπορεί να τα συγκρατήσει τόσο εύκολα γιατί δρα σε πολύ μικρές αποστάσεις ενώ τα πρωτόνια έχουν όλα θετικό ηλεκτρικό φορτίο το οποίο τα κάνει να απωθούνται. Φανταστείτε λίγους ανθρώπους να περπατάνε μαζί κρατώντας τα χέρια τους. Μπορούν να το κάνουν εύκολα και για πολύ καιρό. Όταν όμως είναι πολλοί άνθρωποι που το κάνουν αυτό, η αλυσίδα που σχηματίζουν μπορεί να σπάσει πιο εύκολα από εμπόδια στη διαδρομή τους, από άλλους ανθρώπους που βρίσκονται στο δρόμο, τσακωμούς μεταξύ τους, κλπ. Κάπως έτσι και οι μεγάλοι πυρήνες είναι πιο επιρρεπείς στο να σπάνε στα δύο, είτε κάποια στιγμή τυχαία από μόνοι τους είτε όταν τους χτυπήσει ένα άλλο νετρόνιο ή πρωτόνιο.

Όταν οι νέοι, μικρότεροι πυρήνες που σχηματίζονται από τη διάσπαση έχουν συνολικά μικρότερη ενέργεια δέσμευσης από αυτή του αρχικού πυρήνα, η επιπλέον ενέργεια διαφεύγει στο περιβάλλον. Αυτό το εκμεταλλευόμαστε σε πυρηνικούς αντιδραστήρες για να ζεσταίνουμε νερό με αυτή την ενέργεια, παράγοντας ατμό (ο οποίος με τη σειρά του γυρίζει έλικες σε γεννήτριες και έτσι παράγουμε ηλεκτρικό ρεύμα). Το τελικό αυτό στάδιο είναι πρακτικά το ίδιο είτε μιλάμε για θερμοηλεκρικό εργοστάσιο (που καίει για παράδειγμα λιγνήτη) είτε για πυρηνικό εργοστάσιο (Εικόνα 1)!

Για να πετύχουμε τη διάσπαση δεν χτυπάμε, όμως, τους πυρήνες έναν έναν με σωματίδια. Εκμεταλλευόμαστε το ότι όταν κάποιοι πυρήνες (όπως του ουρανίου) διασπώνται όταν τους χτυπάμε με νετρόνια, αυτοί εξαπολύουν παραπάνω νετρόνια τα οποία μπορούν να χτυπήσουν άλλους πυρήνες που με τη σειρά τους παράγουν και άλλα νετρόνια, κ.ο.κ. Αυτό είναι που ονομάζουμε αλυσιδωτή αντίδραση. Είναι σαν χιονοστιβάδα που δημιουργείται από μία χιονόμπαλα στη κορυφή ενός βουνού, και μετά εξελίσσεται σε κάτι τεράστιο. Αλλά, σε αντίθεση με τις χιονοστιβάδες, όταν μία αλυσιδωτή αντίδραση παραγίνεται μεγάλη μπορούμε να τη μετριάσουμε με τη χρήση κατάλληλων υλικών που απορροφούν τα παραπανίσια νετρόνια. Έτσι μπορούμε να έχουμε μία ελεγχόμενη και σταθερή διαδικασία.

Πυρηνική ενέργεια δεν έχουμε, όμως, μόνο όταν διασπώνται μεγάλοι πυρήνες αλλά και όταν συνεννώνονται μικροί, γιατί τότε η ενέργεια δέσμευσης του νέου πυρήνα είναι μικρότερη από τις ενέργειες των δύο μικρότερων. Αυτό ισχύει για όλα τα στοιχεία που είναι ελαφρύτερα από τον σίδηρο, και είναι η διαδικασία με την οποία παράγουν φως και θερμότητα οι αστέρες, όπως και ο Ήλιος μας. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται πυρηνική σύντηξη, σε αντίθεση με την πυρηνική σχάση που όπως περιγράψαμε παραπάνω συναντάται όταν μεγάλοι πυρήνες διασπώνται. Μία τρίτη διαδικασία είναι η ραδιενεργή διάσπαση που γίνεται όταν ένα μόνο νετρόνιο ή πρωτόνιο σε έναν πυρήνα μετατρέπεται σε πρωτόνιο ή νετρόνιο, αντίστοιχα, με εκπομπή ενέργειας. Αυτό είναι που συνήθως συμβαίνει όταν λέμε ότι κάτι είναι ραδιενεργό.

Η σύντηξη που γίνεται στον Ήλιο παρέχει όλη, σχεδόν, την ενέργεια που χρειάζεται η Γη ώστε να είναι ένας πλανήτης με ζωή. Κάποια επιπλέον θερμότητα λαμβάνουμε από ραδιενεργές διασπάσεις βαθιά στο εσωτερικό του πλανήτη μας. Κάποτε γίνονταν και μεγάλης κλίμακας αντιδράσεις σχάσης, σαν φυσικοί υπόγειοι πυρηνικοί αντιδραστήρες όταν υπήρχαν μεγάλα κοιτάσματα ουρανίου, αλλά επειδή το περισσότερο ουράνιο της Γης έχει διασπαστεί πλέον αυτό έχει σταματήσει εδώ και πάνω από ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Με λίγο από το ουράνιο που έχει απομείνει παράγουμε πυρηνική ενέργεια σε αντιδραστήρες κατασκευασμένους από ανθρώπους. Η ραδιενεργή διάσπαση χρησιμοποιείται σε πυρηνικές μπαταρίες και άλλες εφαρμογές. Η πυρηνική σύντηξη είναι η μεγάλη μας ελπίδα για μία άφθονη πηγή καθαρής ενέργειας, αλλά είναι ακόμα σε πειραματικό στάδιο.