1

Transcript

1 Πυρηνική Ενέργεια Οι ακτινοβολίες που προέρχονται από τα ραδιενεργά στοιχεία, όπως είναι το ουράνιο, έχουν µεγάλο ενεργειακό περιεχόµενο, µ' άλλα λόγια είναι ακτινοβολίες υψηλής ενέργειας. Για παράδειγµα, η ακτινοβολία γ έχει ενέργεια µεγαλύτερη από όση έχει το φως. Επίσης, τα σωµάτια α και β κινούνται µε απίστευτες ταχύτητες δεκάδων χιλιάδων χιλιοµέτρων το δευτερόλεπτο, έτσι ώστε αποκτούν υψηλό ενεργειακό περιεχόµενο. Ο πρώτος που ανέλαβε να προσδιορίσει ακριβώς το ποσό της ενέργειας που παράγεται από τα ραδιενεργά στοιχεία ήταν ο διάσηµος Γάλλος επιστήµονας Πέτρος Κιουρί, άντρας της επίσης διάσηµης Μαρίας Κιουρί. Στα 1901, µέτρησε το ποσό της ενέργειας που εκπέµπει το ραδιενεργό στοιχείο ράδιο, το οποίο η γυναίκα του είχε ανακαλύψει πριν τρία, µόλις, χρόνια. Εκείνη την εποχή ελάχιστες ποσότητες ραδίου ήταν διαθέσιµες στα ερευνητικά επιστηµονικά εργαστήρια. Οι µετρήσεις του, όµως, έδειξαν καθαρά ότι µισό κιλό από την ουσία αυτή, συγκεντρωµένο σ' ένα σηµείο, ακτινοβολούσε ενέργεια περίπου θερµίδων την ώρα. Σε πρώτη εκτίµηση, ίσως να µη θεωρείται η ενέργεια αυτή και τόσο µεγάλη. Για παράδειγµα, η ίδια ποσότητα βενζίνης όταν καίγεται αποδίνει θερµίδες, δηλαδή περίπου 80 φορές περισσότερη ενέργεια από όση το ράδιο σε µια ώρα. Υπάρχει, όµως, µια ουσιαστική διαφορά µεταξύ των δυο αυτών πηγών ενέργειας. Όταν µισό κιλό βενζίνης έχει καεί, είναι φανερό ότι έχουµε πια πάρει απ' αυτήν ό,τι είχαµε να πάρουµε ή ό,τι είχε να µας δώσει, και δεν περιµένουµε τίποτα άλλο, εφόσο µάλιστα δεν υπάρχει πια η ύλη αυτή. Με το ράδιο, όµως, δεν συµβαίνει το ίδιο πράγµα. Η παραγωγή ενέργειας συνεχίζεται αφού έχουν παραχτεί οι θερµίδες σε µια ώρα. Έτσι, την επόµενη ώρα το ίδιο µισό κιλό ραδίου παράγει άλλες θερµίδες, την επόµενη ώρα άλλες θερµίδες, κ.ο.κ. Μέσα σε 80 ώρες έχει παράγει ενέργεια τόση, όση παράγει µισό κιλό βενζίνης όταν καίγεται. Αλλά το ράδιο ακτινοβολεί, πρακτικά, αδιάκοπα ενέργεια. Μετά από 800 ώρες θα έχει δώσει δεκαπλάσια ενέργεια από όση δίνει η βενζίνη, µετά από ώρες θα έχει δώσει εκατονταπλάσια ενέργεια, κ.ο.κ. 1

2 Για να ακριβολογούµε, πρέπει να πούµε ότι ο ρυθµός µε τον οποίο το ράδιο αποδίνει την ενέργεια που περιέχει, φυσικά, ελαττώνεται, αν και εξαιρετικά αργά. Είναι βέβαιο, ότι κάποια στιγµή, ο ρυθµός αυτός θα πέσει στο µισό του αρχικού. Τούτο όµως δε θα συµβεί πριν περάσουν χρόνια! Όταν θα έχει εξαντληθεί το ενεργειακό περιεχόµενο του και έλθει ο καιρός που θα «σβύσει», η συγκεκριµένη ποσότητα ραδίου θα έχει παράγει ενέργεια περίπου φορές περισσότερη από όση παράγεται µε την καύση της ίδιας ποσότητας βενζίνης. Αλλά είναι πολύ λογικό να διερωτηθούµε, από πού προέρχεται όλη αυτή η ενέργεια; Από τα χρόνια της δεκαετίας του 1840, ακόµη, οι επιστήµονες ήταν αρκετά σίγουροι ότι η ενέργεια προερχόταν από «κάπου» και, µάλιστα, µιλούσαν καθαρά για ραδιενέργεια. Εκείνη την εποχή, οι επιστήµονες ήξεραν πάρα πολλά σχετικά µε την ενέργεια που παραγόταν από τη χηµική ένωση των στοιχείων µεταξύ τους. Ήταν, από τότε, γνωστό ότι όταν το ξύλο ή το κάρβουνο ή η βενζίνη καίγεται, τα άτοµα του άνθρακα και του υδρογόνου, που αποτελούν την καύσιµη ύλη, ενώνονται µε το οξυγόνο του αέρα σχηµατίζοντας διοξείδιο του άνθρακα και νερό, αντίστοιχα. Από την ένωση αυτή παράγεται ενέργεια. Η ένωση των στοιχείων στη χηµική γλώσσα λέγεται χηµική αντίδραση (τότε λέµε ότι τα στοιχεία «αντιδρούν» µεταξύ τους) κι η ενέργεια που παράγεται (ή απελευθερώνεται ή «εκλύεται») κατά τις χηµικές αντιδράσεις λέγεται χηµική ενέργεια. Οι χηµικές αντιδράσεις, σαν την αντίδραση της καύσης, που πραγµατοποιούνται µε σύγχρονη παραγωγή ενέργειας χαρακτηρίζονται ως εξώθερµες αντιδράσεις. Βέβαια, υπάρχουν κι αντιδράσεις που για να πραγµατοποιηθούν χρειάζονται να απορροφήσουν ενέργεια και χαρακτηρίζονται ως ενδόθερµες αντιδράσεις. Από τότε που οι επιστήµονες έµαθαν πώς ήταν κατασκευασµένα τα άτοµα, οι χηµικές αντιδράσεις αποδίνονταν στη µεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα άτοµο στο άλλο. Ορισµένες διατάξεις ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα προσδίνουν υψηλό ενεργειακό περιεχόµενο στην ατοµική δοµή, ενώ ορισµένες άλλες χαµηλότερο. Όταν οι ηλεκτρονιακές αυτές διατάξεις µετασχηµατίζονται από υψηλού ενεργειακού περιεχόµενου σε χαµηλού, τι συµβαίνει µε την ενέργεια που περισσεύει; Απλούστατα, απελευθερώνεται κι αποδίνεται στο περιβάλλον µε τη µορφή φωτός, θερµότητας, ηλεκτρισµού, κ.λ.π. 2

3 Κι όλα αυτά συµβαίνουν στο χώρο των ηλεκτρονίων. Τι γίνεται, όµως, µε τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον ατοµικό πυρήνα; Όµοια, µερικές διατάξεις πρωτονίων-νετρονίων προσδίνουν υψηλό ενεργειακό περιεχόµενο στη δοµή του πυρήνα, ενώ µερικές άλλες χαµηλότερο. Ανάλογα, και για τον ίδιο λόγο, όταν µια υψηλής ενέργειας διάταξη µετασχηµατιστεί σε χαµηλής ενέργειας, αποδίνεται στο περιβάλλον ένα ποσό ενέργειας, όση δηλαδή περισσεύει. Εδώ, όµως, η ενέργεια απελευθερώνεται µε τη µορφή ακτινοβολίας πολύ µικρού µήκους κύµατος ή σωµατίων υψηλής ταχύτητας. Στην περίπτωση των ραδιενεργών στοιχείων, όπως το ουράνιο, το θόριο, το ράδιο κι ένα σωρό άλλα, τα πρωτόνια και νετρόνια του πυρήνα τους αλλάζουν διατάξεις µε κατεύθυνση το µικρότερο ενεργειακό περιεχόµενο που άµεσα χαρακτηρίζει τη σταθερότερη φυσική κατάσταση. Οι µεταµορφώσεις κι αναδιατάξεις των σωµατίων του πυρήνα λέγονται πυρηνικές αντιδράσεις. Το επιπλέον ποσό ενέργειας που απελευθερώνεται στις πυρηνικές αντιδράσεις είναι η πυρηνική ενέργεια, που πολλές φορές αναφέρεται κι ως ατοµική ενέργεια. Όπως θυµόµαστε, τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα είναι, σε σύγκριση µε τα ηλεκτρόνια, πολύ πιο ογκώδη. Επίσης, βρίσκονται πολύ πιο κοντά µεταξύ τους, µέσα στον πυρήνα, και συνδέονται µε πολύ πιο δυνατούς δεσµούς, από όσο τα ηλεκτρόνια. Αυτό το γεγονός έχει σαν άµεση συνέπεια η διάταξη των πρωτονίων-ηλεκτρονίων να είναι πολύ πιο πλούσια σε ενεργειακό περιεχόµενο από τη διάταξη των ηλεκτρονίων. Γι' αυτό το λόγο η ενέργεια που απελευθερώνεται µε µορφή ραδιενέργειας είναι πολύ µεγαλύτερη από εκείνη που αποδίδεται µε µορφή χηµικής ενέργειας, όπως είναι η καύση της βενζίνης. Όταν οι επιστήµονες µελετούσαν τους διάφορους πυρήνες αντιλήφθηκαν ότι εκείνοι που έχουν µέτριο µέγεθος έχουν και το µικρότερο ενεργειακό περιεχόµενο. Αντίθετα, οι πολύ ογκώδεις πυρήνες, όπως του ουρανίου και του θορίου, περιέχουν µεγάλες ποσότητες ενέργειας. Αν αυτοί οι ογκώδεις πυρήνες µεταπέσουν σε άλλους σχετικά µικρότερου µεγέθους, και κατά συνέπεια µικρότερου ενεργειακού περιεχόµενου, τότε η διαφορά, της τελικής ενέργειας από την ενέργεια που αρχικά είχαν, αποδίνεται µε µορφή ακτινοβολίας και σωµατίων. Με ανάλογο τρόπο, οι πολύ ελαφριοί πυρήνες θα µπορούσαν να µεταπέσουν σε χαµηλότερη ενεργειακή στάθµη αν τα σωµάτια που τους αποτελούν αναδιατάζονταν σε κάπως µεγαλύτερους σχηµατισµούς. Και σ' αυτή την περίπτωση, η επιπλέον ενέργεια θα µπορούσε να αποδοθεί µε µορφή ακτινοβολίας και σωµατίων. 3

4 Η ανακάλυψη αυτή αποτέλεσε το κλειδί για τη λύση του προβλήµατος που για, σχεδόν, εκατό χρόνια βασάνιζε τους επιστήµονες. Ο ήλιος ακτινοβολεί, εδώ κι εκατοµµύρια χρόνια, τεράστιες ποσότητες ενέργειας προς κάθε κατεύθυνση. Από πού, λοιπόν, προερχόταν όλη αυτή η ενέργεια; Στην αρχή δεν υπήρχε µια πραγµατικά ικανοποιητική απάντηση στο... καυτό αυτό ερώτηµα. Οι αστρονόµοι, όµως, είχαν βρει ότι ο ήλιος αποτελείται βασικά από υδρογόνο. Ένας Γερµανο-αµερικανός επιστήµονας, ο Χανς Άλµπρεχτ Μπέτε, απέδειξε στα 1938 ότι τέσσερις πυρήνες υδρογόνου, καθένας αποτελούµενος από ένα πρωτόνιο, θα µπορούσαν να σχηµατίσουν ένα πυρήνα (του στοιχείου) ηλίου, αποτελούµενο από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Αποτέλεσµα αυτού του µετασχηµατισµού είναι η αποδέσµευση ενέργειας. Σ' αυτό το µηχανισµό ακριβώς, οφείλεται η ικανότητα του ήλιου να λάµπει και να ζεσταίνει για τόσα πολλά χρόνια. Με άλλα λόγια, η ενέργεια του ήλιου δεν είναι παρά πυρηνική ενέργεια. Πυρηνική Σύντηξη 4

5 Βεβαιότατα, από τότε που οι ερευνητές αποκάλυψαν την πυρηνική ενέργεια και διαπίστωσαν πόσο, τροµακτικά, µεγάλα ποσά ενέργειας είναι δεσµευµένα στον ατοµικό πυρήνα, άρχισαν να εξετάζουν αν υπήρχαν δυνατότητες να χρησιµοποιηθεί η ενέργεια αυτή, από τον άνθρωπο, για την παραγωγή έργου. Ο άνθρωπος για πολλές χιλιάδες χρόνια χρησιµοποιούσε τη χηµική ενέργεια, εκµεταλλευόµενος τη µεταφορά ηλεκτρονίων, καίγοντας ξύλα, κάρβουνο και πετρέλαιο. Τώρα, θα µπορούσε να ελπίζει ότι θα αξιοποιήσει την πυρηνική ενέργεια, εκµεταλλευόµενος -τη φορά αυτή- τη µεταφορά πρωτονίων και νετρονίων. Όταν η ενέργεια χρησιµοποιείται από τον άνθρωπο για την παραγωγή έργου, τότε λέγεται, στη γλώσσα της φυσικής «ισχύς». Το ερώτηµα που θέτεται είναι, θα µπορούσε ο άνθρωπος να επωφεληθεί από την πυρηνική ισχύ; Ακόµη και στις περιπτώσεις στοιχείων µε πολύ µεγάλο ενεργειακό περιεχόµενο, η απόδοση της ενέργειας στο περιβάλλον γίνεται µε αργό ρυθµό. Τα πιο διαδοµένα ραδιενεργά στοιχεία, το ουράνιο και το θόριο, αποδίνουν την ενέργεια τους µέσα σε δισεκατοµµύρια χρόνια. υστυχώς, η επιστήµη δεν µπορεί -τουλάχιστο σήµερα- να εξαναγκάσει τους πυρήνες σε γρηγορότερη αποδέσµευση αυτής της ενέργειας που περικλείνουν. Στην περίπτωση της χηµικής ενέργειας τα πράγµατα είναι διαφορετικά εκεί είναι σχετικά, πολύ πιο εύκολο να επιταχυνθεί µια χηµική αντίδραση. Για παράδειγµα, ένα σπίρτο δε φαίνεται να καίγεται πριν να το ανάψουµε, χωρίς αυτό να σηµαίνει ότι τα χηµικά συστατικά του δεν αντιδρούν πολύ σιγά µε το οξυγόνο του αέρα. Όταν, όµως, το κεφάλι του σπίρτου θερµανθεί, καθώς τρίβεται πάνω σε µια ανώµαλη επιφάνεια, ο ρυθµός της αντίδρασης τους µεγαλώνει τόσο πολύ γρήγορα ώστε το σπίρτο ανάβει και καίγεται έντονα µε φλόγα. Παρόµοιο παράδειγµα είναι η νιτρογλυκερίνη- ένα µπουκάλι µε νιτρογλυκερίνη, καθόλα αθώο όταν είναι ήρεµο, κάνει τροµακτική έκρηξη στο παραµικρό χτύπηµα. Ο λόγος που συµβαίνουν όλα αυτά είναι, απλούστατα, ότι επειδή τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο εξωτερικό των ατόµων εύκολα επηρεάζονται από τη θερµότητα, τις κρούσεις κι άλλες τέτοιες µεταβολές που έχουν σαν αποτέλεσµα να επιταχύνουν το ρυθµό µε τον οποίο µεταφέρονται από άτοµο σε άτοµο. 5

6 Από την άλλη µεριά, οι πυρήνες βρίσκονται βαθιά στο κέντρο των ατόµων. ε φτάνονται εύκολα. Έτσι, δεν µπορούµε να επιταχύνουµε τη ραδιενέργεια του ουρανίου µε θέρµανση ή χτύπηµα ή µε οποιοδήποτε άλλο τρόπο που θα µπορούσε να επιταχύνει µια χηµική αντίδραση. Το ουράνιο θα εξακολουθεί να δίνει την ενέργεια του πολύ πολύ αργά, απογοητευτικά αργά για µια χρησιµοποιήσιµη πηγή ενέργειας. Αυτό, λοιπόν, που χρειάζεται είναι κάτι που θα µπορούσε, κάτω από ελεγχόµενες συνθήκες, να διαπεράσει τον εξωτερικό χώρο του ατόµου, µε όλα τα ηλεκτρόνια του, και να χτυπήσει κατευθείαν τον πυρήνα. Στην αρχή, ο µοναδικός τρόπος, που γνώριζαν οι επιστήµονες, για να κάνουν κάτι τέτοιο ήταν τα υποατοµικά σωµάτια. Τα περισσότερο αποτελεσµατικά ήταν τα σωµάτια α, που εκπέµπονται από πολλά ραδιενεργά στοιχεία. Τα σωµάτια αυτά είναι τόσο ογκώδη ώστε µπορούν να φτάσουν στον πυρήνα, χωρίς να ενοχληθούν καθόλου από την παρουσία των ηλεκτρονίων, λες και δεν υπάρχουν. Τι θα συµβεί, όµως, όταν ένα σωµάτιο α χτυπήσει έναν πυρήνα; Πυρηνική Σχάση Η φωτογραφίες είναι από το site: 6