Πυρηνική αλχημεία: Το θόριο μπορεί να δώσει ενέργεια από τα πυρηνικά απόβλητα

Μήπως οι αντιδραστήρες με τη βοήθεια των επιταχυντών σωματιδίων θα μπορούσαν να μετατρέψουν τα πυρηνικά απόβλητα σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια;Κι αυτό άραγε σημαίνει ότι ήρθε επιτέλους η σειρά του θορίου;Το διάσημο τρένο CASTOR είναι αυτό που μεταφέρει πυρηνικά απόβλητα και ραδιενεργά υλικά από την ακτή της Νορμανδίας στις πεδιάδες της βόρειας Γερμανίας, κάνοντας μια διαδρομή 1000 χιλιομέτρων.....

Το πιο πρόσφατο ταξίδι του ήταν τον Νοέμβριο του 2011. Οι οικολόγοι φυσικά αντιτίθενται στη μεταφορά αυτή εμποδίζοντας την με κάθε τρόπο. Εκτός από τις ειρηνικές διαδηλώσεις έχουν βγάλει εναέρια καλώδια, έχουν μπλοκάρει σιδηροδρομικές γραμμές κλπ.

Στη Νορμανδία γίνεται μόνο επανεπεξεργασία των πυρηνικών αποβλήτων, ουράνιο και πλουτώνιο, που ανακυκλώνονται σε χρήσιμα καύσιμα. Τα υπόλοιπα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων των ισοτόπων που θα μείνουν επικίνδυνα ραδιενεργά για πολλές χιλιάδες χρόνια, οδεύουν προς μία «προσωρινή εγκατάσταση αποθήκευσης", σε ένα εγκαταλειμμένο ορυχείο άλατος στις όχθες του ποταμού Έλβα της Γερμανίας.

Οι οικολόγοι διαδηλωτές υποστηρίζουν ότι η μεταφορά τέτοιων επικίνδυνων υλικών με αυτό τον τρόπο είναι πολύ επικίνδυνη, όπως η διατήρηση τους σε προσωρινή εναπόθεση, χωρίς κανένα σχέδιο για το μέλλον τους. Κι έχουν δίκιο.

Υπάρχει όμως καμιά άλλη επιλογή; Ενδεχομένως ναι, εάν δουλέψει μια πρόσφατη έρευνα επιστημόνων και μηχανικών, οι οποίοι αρχίζουν να δοκιμάζουν τρόπους για να "μεταστοιχειώσουν" άκρως επικίνδυνα ραδιενεργά υλικά σε άλλα, λιγότερο δυσεπίλυτα στοιχεία.

Αυτή η έρευνα μοιάζει λίγο σαν το αρχαίο όνειρο της μετατροπής μολύβδου σε χρυσό. Αλλά ενώ οι παλιοί αλχημιστές είχαν τη μυθική φιλοσοφική λίθο, οι σύγχρονοι αλχημιστές σήμερα εμπιστεύονται τους επιταχυντές σωματιδίων. Θα έχουν άραγε καμιά επιτυχία;

Τα υψηλού κινδύνου ραδιενεργά πυρηνικά απόβλητα είναι ένα όχι και τόσο βρώμικο μυστικό της πυρηνικής βιομηχανίας. Η Γερμανία δεν είναι το μόνο πρόβλημα: τα παγκόσμια αποθέματα αποβλήτων αυξάνονται περισσότερο από 10.000 τόνους ετησίως. Στις ΗΠΑ, περίπου 65.000 τόνοι ή περίπου 26.000 κυβικά μέτρα καταναλισκομένων πυρηνικών καυσίμων βρίσκονται σε 75 τέτοιες προσωρινές εγκαταστάσεις σε όλη τη χώρα, ενώ συνεχίζονται σφοδρές πολιτικές αντιπαραθέσεις για το τι θα γίνουν όλα αυτά. Αυτή η ‘κληρονομιά’ των αποβλήτων αναμένεται να διπλασιαστεί μέχρι το 2050 – και επισκιάζεται από τα απόβλητα υψηλής ραδιενέργειας που έχουν απομείνει από το πρόγραμμα πυρηνικών όπλων της Αμερικής.

Τα πυρηνικά απόβλητα οφείλουν την ύπαρξή τους στις δράσεις των νετρονίων. Τα άτομα του ουράνιου-235, το δραστικό συστατικό των πυρηνικών καυσίμων, έχουν 143 νετρόνια, σαφώς και είναι πάρα πολλά για να είναι απόλυτα σταθερά. Με την πάροδο του χρόνου, ένα κομμάτι του ουρανίου-235 υφίστανται αργά την δική του μεταστοιχείωση: μεμονωμένοι πυρήνες σπάνε στα δύο με τη διαδικασία της σχάσης, αποβάλλοντας έτσι δύο νετρόνια και πολλή ενέργεια. Εάν ένα από αυτά τα νετρόνια πετύχει να εισχωρήσει σε ένα γειτονικό πυρήνα ουρανίου-235, τότε μπορεί κι αυτό να καταρρεύσει, παράγοντας με τη σειρά του κι άλλα νετρόνια, και ούτω καθεξής. Το αποτέλεσμα είναι μία αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση που δίνει ενέργεια.

Προβληματικά απόβλητα

Τα προβλήματα ξεκινούν όταν δεν θα συμβεί η σχάση. Περίπου το 95% των χρησιμοποιημένων πυρηνικών καυσίμων εξακολουθεί να είναι υπό τη μορφή του ουρανίου – κυρίως ουρανίου-238, ένα μη-σχάσιμο ραδιενεργό ισότοπο αλλά που κυριαρχεί στην εξόρυξη του μεταλλεύματος. Το ουράνιο μπορεί να εξαχθεί και να επανεπεξεργαστεί σε καύσιμα σε εγκαταστάσεις όπως στη Νορμανδία, αλλά αυτό είναι μια δαπανηρή επιχείρηση. Η ​​εξόρυξη νέου ουρανίου είναι πολύ φθηνότερη, γι αυτό και οι περισσότερες χώρες αφήνουν τα αναλωμένα πυρηνικά καύσιμα, όπως είναι.

Και είτε επανεπεξεργάζονται είτε όχι, αυτά τα χρησιμοποιημένα καύσιμα περιέχουν και άλλα, λιγότερο προβληματικά απόβλητα.  Μερικές φορές όταν ένας πυρήνας του ουρανίου έχει ‘κτυπηθεί’ από ένα νετρόνιο σε έναν αντιδραστήρα, το απορροφά απλά. Αυτό μπορεί να συμβεί σε οποιονδήποτε πυρήνα αρκετές φορές, με αποτέλεσμα να παράγονται μια σειρά από βαριά στοιχεία, όπως το πλουτώνιο, το αμερίκιο και το ποσειδώνιο. Αυτά τα βαριά στοιχεία είναι το πραγματικό πρόβλημα στα πυρηνικά απόβλητα. Ο τυπικός χρόνος ημιζωής τους που είναι χιλιάδες χρόνια σημαίνει ότι θα παραμείνουν επικίνδυνα ραδιενεργά για δεκάδες ή και εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, πολύ περισσότερο από τα περισσότερα άλλα συστατικά των πυρηνικών αποβλήτων που έχουν διασπαστεί.

Αλλά αν τα νετρόνια παράγουν αυτά τα υψηλής ραδιενέργειας απόβλητα, προσφέρουν, επίσης, κι έναν τρόπο για να τα καθαρίσουμε. Εάν ένα νετρόνιο κτυπήσει ένα βαρύ πυρήνα της σειράς του ακτινίου αρκετά δυνατά, τότε μερικές φορές αυτός ο πυρήνας μπορεί να πάθει σχάση. Τα στοιχεία που προκύπτουν τότε είναι ελαφρύτερα, κατά κανόνα, με πολύ μικρότερο πρόβλημα.

"Τα προϊόντα της σχάσης είναι πολλά και ποικίλα," λέει ο Geoff Parks, ένας πυρηνικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ. «Σχεδόν όλα τους είναι ραδιενεργά, αλλά ο χρόνος υποδιπλασιασμού τους είναι, σε γενικές γραμμές, μερικές τάξεις μεγέθους μικρότερος.» Τα απόβλητα αποτελούνται κατά το μεγαλύτερο μέρος τους ισότοπα, όπως το κρυπτό-85 ή το καίσιο-137, με χρόνο ημιζωής 11 και 30 έτη, αντίστοιχα. Θα πρέπει να αποθηκευτούν για μερικές εκατοντάδες χρόνια για να είναι η ραδιενέργεια τους αρκετά χαμηλή ώστε να είναι ασφαλή – εξακολουθούν να αποτελούν πρόβλημα, αλλά όχι τόσο πολύ για αμέτρητες μελλοντικές γενιές. Αυτή είναι και η υπόσχεση που μας δίνει η μεταστοιχείωση.

Αν το μόνο που χρειάζονται τα ραδιενεργά στοιχεία είναι τα νετρόνια για να ξεκινήσουν τις μεταστοιχειώσεις, είναι δελεαστικό τότε να σκεφτούμε ότι η μεταστοιχείωση μπορεί να συμβεί από μόνο της: υπάρχουν άφθονα νετρόνια που διατρέχουν έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. Αλλά νετρόνια που απελευθερώνονται από το διασπώμενο ουράνιο-235 επιβραδύνονται σε ένα συμβατικό αντιδραστήρα μέχρι να αποκτήσουν ενέργεια 0,025 eV. Αυτή είναι η ακριβής τιμή που πρέπει να έχουν για την διάσπαση κι άλλου ουράνιου, αλλά οκτώ τάξεις μεγέθους κάτω από τα MeV που απαιτούνται για να διασπαστεί ένα βαρύ ακτινίδιο. Πάντως προηγούμενες προσπάθειες για τη δημιουργία αντιδραστήρων "γρήγορων νετρονίων" ικανών να διασπούν ραδιενεργούς πυρήνες της σειράς του ακτινίου, έχουν καθυστερήσει για λόγους κόστους και ασφάλειας.

Εδώ συναντάμε και την χρησιμότητα των επιταχυντών. Κτυπώντας τα προϊόντα που παράγουν – υψηλής ταχύτητας πρωτόνια – πάνω σε στόχο μολύβδου, μπορεί να εκτοξευτεί ένα ρεύμα νετρονίων υψηλής ενέργειας. Διοχετεύοντας αυτά σε έναν αντιδραστήρα που περιέχει αναλωμένα πυρηνικά καύσιμα, μπορούν να διασπάσουν τους βαρείς πυρήνες της σειράς του ακτινίου.

Αυτή μας λέει  η θεωρία, τουλάχιστον, και δεν είναι νέα: ο σωματιδιακός φυσικός και βραβευμένος με Νόμπελ Carlo Rubbia πίεζε για να φτιαχτεί ένα σύστημα με τη βοήθεια επιταχυντή (ADS) 20 χρόνια πριν. Αλλά η τεχνολογία έχει μείνει πίσω. Είναι πρόβλημα η παραγωγή νετρονίων με ενέργειες αρκετά υψηλές ώστε να διασπαστούν βαριά άτομα. Οι υψηλής ισχύος σημερινοί επιταχυντές πρωτονίων παράγουν σωματίδια κατά ριπάς, και δεν είναι σχεδιασμένοι με αξιοπιστία για άλλα, όπως έχουν στον πρωταρχικό στόχο τους. Τείνουν να «ταξιδεύουν» ή χάνουν την πορεία τους τακτικά: δεν είναι και μεγάλο πρόβλημα σε έναν ερευνητικό επιταχυντή, αλλά δεν είναι και καλή ιδέα για την να διατηρήσεις ένα αντιδραστήρα συνεχώς για μεταστοιχείωση και σταθερά να παρέχει νετρόνια. «Η απώλεια της ευθύγραμμης δέσμης σε ένα επιταχυντή ADS σημαίνει ότι ο αντιδραστήρας σας θα κλείσει και θα αρχίσει να κρυώνει," λέει ο Hamid Aït Abderrahim του βελγικού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών. Εν τέλει αυτό θα μπορούσε να προκαλέσει δυνητικά επικίνδυνες τάσεις στα υλικά που περιέχουν τον αντιδραστήρα.

Τομή του υβριδικού αντιδραστήρα MYRRHA

O Aït Abderrahim διευθύνει ένα πρότζεκτ για να δείξει ότι τέτοια προβλήματα μπορούν να ξεπεραστούν. Το MYRRHA – ένας υβριδικός αντιδραστήρας πολλαπλών χρήσεων για εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας – θα είναι η πρώτη μεγάλης κλίμακας δοκιμή του επιταχυντή ADS. Χρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση, και η κατασκευή αναμένεται να ξεκινήσει το 2015 ενώ ο αντιδραστήρας θα πρέπει να τεθεί σε λειτουργία μέχρι το 2023.

Εν τω μεταξύ, από τον Ιανουάριο του τρέχοντος έτους, οι ερευνητές έχουν ένα δοκιμαστικό μίνι αντιδραστήρα που θα το χρησιμοποιήσουν για να δοκιμάσουν την αρχή που στηρίζεται και να δείξουν ότι μπορούν να υπολογίζουν και να ελέγχουν τα επίπεδα των νετρονίων στον πυρήνα του αντιδραστήρα.

Επιστροφή στο μέλλον με Θόριο

Σε μια προσπάθεια να ξεφύγει από το πρόβλημα ενεργοποίησης, το MYRRHA δεν θα κατευθύνει πρωτόνια γύρω από ένα κύκλο, όπως γίνεται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN. Αντιθέτως, θα τα επιταχύνει σε μια ευθεία γραμμή. Αυτός είναι ένας απλούστερος και πιο αξιόπιστος σχεδιασμός, αλλά αυτό σημαίνει ότι ο επιταχυντής θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερος, και πιο ακριβός, για να επιτευχθεί η αναγκαία ταχύτητα των σωματιδίων: ο επιταχυντής θα έχει μήκος αρκετές εκατοντάδες μέτρα, σε σύγκριση με μια ακτίνα 10 έως 20 μέτρα για την αντίστοιχη κυκλική μηχανή.

Αυτό δεν πρόκειται να κερδίσει αυτούς που πιστεύουν ότι η πυρηνική ενέργεια είναι ήδη τρομερά ακριβή. Αλλά το MYRRHA έχει επίσης σχεδιαστεί για να δοκιμάσει μια ιδέα που για πρώτη φορά κυκλοφόρησε ο Rubbia στη δεκαετία του 1990: ότι συστήματα που καθοδηγούνται από επιταχυντή μπορεί να χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για να γίνει αυτό, θα πρέπει να αναμιχθούν τα πυρηνικά απόβλητα με ένα σχάσιμα καύσιμο. Χρησιμοποιώντας λοιπόν το ουράνιο-235 θα είναι κάτι το αυτο-καταστροφικό – που απλώς θα παράγει περισσότερα από τα βαριά στοιχεία που προσπαθείτε να ξεφορτωθείτε. Όμως, η εικόνα αλλάζει όταν δοκιμάσετε ένα εναλλακτικό καύσιμο: θορίου.

Το θόριο είναι ένα πυρηνικό καύσιμο με έναν μακρύ κατάλογο πιθανών πλεονεκτημάτων σε σχέση με το ουράνιο. Είναι τρεις έως τέσσερις φορές πιο άφθονο, και όλα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο, ενώ τα φυσικά κοιτάσματα του ουρανίου περιέχουν μόνο 0,7 τοις εκατό του ουρανίου-235.

Το θόριο χρησιμοποιήθηκε εκτενώς στους αρχικούς πρότυπους αντιδραστήρες σχάσης. Όταν η πυρηνική ενέργεια πραγματικά απογειώθηκε στη δεκαετία του 1970, ωστόσο, ανακαλύφθηκαν πολλά νέα κοιτάσματα ουρανίου, ενώ οι αντιδραστήρες θορίου έπασχαν από μια ακόμη πιο μειονεκτική θέση: σε αντίθεση με τους αντιδραστήρες ουρανίου, αυτοί δεν παράγουν πολύ πλουτώνιο, την πρώτη ύλη για τις πυρηνικές βόμβες.

"Είμαι πεπεισμένος ότι το ουράνιο κέρδισε, επειδή δεν υπάρχει στρατιωτική εφαρμογή του θορίου,” λέει ο Roger Barlow, ένας φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Huddersfield, ο οποίος ερευνά το θόριο ως καύσιμο. “Η πυρηνική ενέργεια και τα πυρηνικά όπλα αναπτύχθηκαν χέρι-χέρι."

Το ίδιο το θόριο δεν είναι σχάσιμο. Τα άτομα του αρχικά απορροφούν νετρόνια για να σχηματίσουν το ουράνιο-233, το οποίο είναι σχάσιμου και καταρρέει μέσα σε μια έκρηξη ενέργειας όταν το κτυπούν νετρόνια. Η διατήρηση αυτής της διαδικασίας σε δύο στάδια απαιτεί περισσότερα νετρόνια από όσα παράγονται, γι αυτό και χρειάζεται μια εξωτερική πηγή νετρονίων – αυτά ακριβώς που θα προμηθεύσει ο επιταχυντής.

Και παρόλο που ένας επιταχυντής για να τρέξει απαιτεί ένα φοβερό ποσό ηλεκτρικής ενέργειας, αυτή ενέργεια θα δίνεται από την έξοδο του αντιδραστήρα: έτσι θα χρειαστείτε έναν επιταχυντή μόλις 20 μεγαβάτ για τη δημιουργία 600 MW, υποστηρίζει ο Geoff Parks, και, ενδεχομένως, ακόμη μικρότερο από αυτόν.

Η όλη εγκατάσταση έχει άλλο ένα μεγάλο πλεονέκτημα: η αντίδραση σχάσης μπορεί να ενεργοποιηθεί και να απενεργοποιηθεί με το πάτημα ενός διακόπτη. «Η αλυσιδωτή αντίδραση θα σταματήσει εάν δεν υπάρχουν νετρόνια από τον επιταχυντή, πράγμα που σημαίνει ότι είναι αδύνατο ένα ατύχημα στιλ Τσερνομπίλ", τονίζει ο Parks.

Το κρίσιμο σημείο, όμως, είναι ότι οι πυρήνες θορίου έχουν μικρότερο αριθμό νετρονίων – 142 στο θόριο-232 έναντι 146 στο ουράνιο-238 – και αυτό μας κάνει μια τεράστια διαφορά στα απόβλητα που παράγει. Ένα άτομο θορίου πρέπει να συλλάβει περισσότερα νετρόνια για να φτιάξει τα ενοχλητικά βαριά στοιχεία των ακτινιδών, έτσι ώστε ο αντιδραστήρας κάνει λιγότερα από αυτά.

"Το πιο σπουδαίο όμως είναι ότι έχετε μια συσκευή που παράγει ταυτόχρονα ισχύ, αξιοποιώντας διαθέσιμους πόρους και μας απαλλάσσει από το πρόβλημα των αποβλήτων", συνεχίζει.

“Είναι μια λογική ιδέα," λέει ο Aït Abderrahim. "Και έχει νόημα να μεταβούμε στην παραγωγή της ενέργειας." Με το MYRRHA η ομάδα του θα ελέγξει πόσο σωστά λειτουργεί αυτή η τεχνολογία στην πράξη.

Ο δε Barlow και οι συνεργάτες του στην συνεργασία CONFORM, εν τω μεταξύ, εργάζονται για να μειώσουν το μέγεθος και συνεπώς το κόστος κάθε μελλοντικής εγκατάστασης. Αναπτύσσουν σχέδια για χρήσιμους επιταχυντές εξουδετερώνοντας όλο και περισσότερο την ακανόνιστη συμπεριφορά των σωματιδίων, καθώς πλησιάζουν τις υψηλές ενέργειες. Πέρυσι, η ομάδα του έχτισε ένα πρωτότυπο που ονομάζεται ΕΜΜΑ στο Εργαστήριο Daresbury στο Ηνωμένο Βασίλειο.

Το επόμενο βήμα είναι να κατασκευάσει μια συσκευή προδιαγραφών ADS, αλλά θα χρειαστούν πέντε χρόνια για να ολοκληρωθεί, λέει ο Barlow. "Λίγα χρόνια ανάπτυξης του επιταχυντή θα μπορούσε να φέρει το κομμάτι που μας έλειπε από το παζλ”, λέει.

Βεβαίως το να πάρουμε ενέργεια από τεχνολογία που χρησιμοποιεί θόριο θα πάρει πολύ χρόνο, επίσης. Οι μικρές ποσότητες του στοιχείου επί του παρόντος που παράγονται ως υποπροϊόν της εξόρυξης των πολύτιμων σπάνιων γαιών είναι αρκετό για να κρατήσει τους ερευνητικούς αντιδραστήρες, αλλά όχι για να τροφοδοτήσει μια βιομηχανία.

Θα χρειαστεί ασφαλώς μια εντελώς νέα υποδομή, από την εξόρυξη έως τον καθαρισμό. Αυτό δεν είναι ουσιαστικά δύσκολο, λέει ο Parks – όμως δεν θα έρθει δωρεάν.

Πάντως δεν θα υπάρξει καμιά ουσιαστική λύση στο πρόβλημα των πυρηνικών αποβλήτων. Φανταστείτε εάν, σε μια δεκαετία περίπου, τα τρένα CASTOR αρχίζουν να διατρέχουν σε όλη την Ευρώπη μεταφέροντας τα τοξικά φορτία τους σε μια εγκατάσταση στην οποία μπορεί να καταστραφούν. Δεν θα μπορούσε και τότε κάποιος να διαμαρτυρηθεί;

Πηγή: New Scientist

physics4u