Wednesday, 20 May 2009

Μια νέα αρχή για την πυρηνική ενέργεια (2ο μέρος)

Οι γενιές των αντιδραστήρων
Ο πρώτος σταθμός πυρηνικής ενέργειας άνοιξε στη Βρετανία το 1956 και λειτούργησε επί σχεδόν μισό αιώνα προτού κλείσει το 2003. Ήταν της 1ης γενιάς και τύπου Magnox. Οι αντιδραστήρες χρησιμοποιούσαν δοχείο μαγνησίου, το οποίο περιείχε το καύσιμο ουρανίου υπό μορφή ράβδων. Για τον έλεγχο της αλυσιδωτής αντίδρασης οι αντιδραστήρες Magnox χρησιμοποιούσαν γραφίτη ο οποίος απορροφά τα νετρόνια, και ως ψυκτικό και επιβραδυντικό των νετρονίων χρησιμοποιούσαν διοξείδιο του άνθρακα. Το πλεονέκτημα αυτού του τύπου αντιδραστήρα ήταν ότι δεν χρειαζόταν ο εμπλουτισμός του καυσίμου αλλά μόνο ουράνιο-235.

Οι 4 γενιές των πυρηνικών αντιδραστήρων σύμφωνα με το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ. Οι πρώτες εγκαταστάσεις των Magnox (δεκαετία '50 και '60), πολλές από τις οποίες είναι ακόμα σε χρήση, είναι της γενιάς Ι, ενώ οι διάδοχοί τους στη δεκαετία του '70 και τη δεκαετία του '80 - οι αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος (LWRs) - ονομάστηκαν γενιάς ΙΙ. Είναι η πλειοψηφία των σημερινών σταθμών πυρηνικής ενέργειας. Τα σχέδια για τη γενιά ΙΙΙ, που είναι παρόμοιοι αντιδραστήρες με τη γενιά ΙΙ αλλά με ενισχυμένα χαρακτηριστικά ασφάλειας, είναι έτοιμα να χτιστούν, ενώ μερικές χώρες ακολουθούν την ελαφρώς πιο προηγμένη γενιά ΙΙΙ+. Υπάρχουν πιο μακροπρόθεσμα σχέδια για τη γενιά IV - από τα οποία το Υπουργείο Ενέργειας έχει επιλέξει έξι - είναι στα αρχικά τους στάδια, αλλά υπόσχονται μια πολύ καθαρότερη και πιο οικονομική πυρηνική ενέργεια προς τα μέσα του αιώνα.

Σε μία προσπάθεια να αυξηθεί η αναλογία της ηλεκτρικής ως προς τη θερμική ισχύ δημιουργήθηκε μια νέα γενιά αντιδραστήρων τύπου AGR (Advanced Cooled Reactors). Έχουν την ίδια περίπου κατασκευή με τους αντιδραστήρες Magnox μόνο που δουλεύουν σε μεγαλύτερη θερμοκρασία (600 βαθμοί Κελσίου αντί για 370 στους Magnox) και έτσι έχουν μεγαλύτερη απόδοση. Χρησιμοποιούν για τον έλεγχο της αντίδρασης γραφίτη και σαν ψυκτικό μέσο το διοξείδιο του άνθρακα. Χρησιμοποιούν όμως οξείδια του ουρανίου ως καύσιμο ενώ αναπτύχθηκε στα μέσα της δεκαετίας του '70, και πολλοί από αυτούς λειτουργούν ακόμα. Και καθώς οι αντιδραστήρες τύπου Magnox γίνονται μαλακοί και μπορούν να αναφλεγούν στον αέρα στις θερμοκρασίες που δουλεύει ο AGR, γι αυτό χρησιμοποιείται ως επένδυση ο ανοξείδωτος χάλυβας. Επειδή ο ανοξείδωτος χάλυβας απορροφά περισσότερα νετρόνια από το Magnox, οι αντιδραστήρες AGR απαιτούν ουράνιο περιεκτικότητας λίγα τοις εκατό σε 235.

Στην ίδια γενιά ανήκουν και οι αντιδραστήρες LWR (ελαφρού ύδατος) οι οποίοι χρησιμοποιούν κανονικό νερό ως επιβραδυντικό και ψυκτικό μέσο, ενώ το καύσιμο είναι και πάλι οξείδιο του ουρανίου. Θερμαίνεται και πάλι νερό που με τη βοήθεια ατμοστροβίλου παράγεται ηλεκτρισμός. Υπάρχει και ένας τρίτος τύπος αντιδραστήρα 2ης γενιάς που λέγεται CANDU, αλλά αντί για κανονικό νερό χρησιμοποιεί βαρύ ύδωρ, δηλαδή νερό με δευτέριο αντί για πρώτιο.

Η Βρετανία διεξήγαγε επίσης έρευνα για "γρήγορους αντιδραστήρες" μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του '90. Τα νετρόνια που ελευθερώνονται σε μια διάσπαση σε αυτούς μπορεί να έχουν μεγάλη κινητική ενέργεια γιατί δεν υπάρχει έλεγχος της αντίδρασης. Κατά συνέπεια, οι γρήγοροι αντιδραστήρες μπορούν να μετατρέψουν εμπλουτισμένο ουράνιο (δηλ. ουράνιο χωρίς σχεδόν κανένα ουράνιο-235) σε πλουτώνιο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως πυρηνικό καύσιμο. Ο γρήγορος όμως αντιδραστήρας δημιουργεί περισσότερα διασπούμενα υλικά από αυτά που καταναλώνει, και με αυτόν τον τρόπο αυξάνει τα απόβλητα κατά πολύ. Ο γρήγορος αντιδραστήρας ήταν περισσότερο σύνθετος και πιο ακριβός από τον αντιδραστήρα Magnox ή AGR, και γι αυτό ποτέ δεν χρησιμοποιήθηκε εμπορικά.

Οι αντιδραστήρες LWR επειδή ήταν πιο οικονομικοί σε κατασκευή και λειτουργία χρησιμοποιήθηκαν από τις ΗΠΑ και τη Γαλλία. Τελευταία οι αντιδραστήρες αυτοί είχαν βελτιωθεί αρκετά, έτσι ώστε τώρα μπορούν να έχουν μεγαλύτερη απόδοση από τους AGR, που αναπτύχθηκαν μόνο στη Βρετανία. Ας σημειωθεί ότι οι αντιδραστήρες LWR συμφέρουν και επειδή το νερό είναι το πιο αποτελεσματικό όλων των συνήθως χρησιμοποιημένων επιβραδυντών των νετρονίων.

Νέες κατασκευές της 3ης γενιάς

Σήμερα πολλές χώρες καταπιάνονται με το εξής αντιφατικό πρόβλημα: να ικανοποιήσουν τις ενεργειακές απαιτήσεις τους παράγοντας όσο λιγότερο γίνεται διοξείδιο του άνθρακα. Έτσι η Βρετανία έχει δεχτεί ότι ο μόνος τρόπος να εκπληρωθούν οι φιλόδοξοι στόχοι για τη μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα είναι να διατηρηθεί η συμβολή της πυρηνικής ενέργειας τουλάχιστον στο 18%.

Η κατασκευή ενός σταθμού πυρηνικής ενέργειας δεν πραγματοποιείται σε μια νύχτα. Όταν και εάν μια κυβέρνηση αποφασίσει να προχωρήσει σε πυρηνικές εγκαταστάσεις, πρέπει έπειτα να αποφασίσει ποια τεχνολογία θα επιλέξει και που θα χτίσει τα εργοστάσια. Συνολικά αυτή η διαδικασία διαρκεί περίπου 10 χρόνια προτού να μπορέσουν οι νέες πυρηνικές εγκαταστάσεις να ενσωματωθούν στο εθνικό δίκυο.

Η παραγωγή πυρηνικής ενέργειας αρχίζει στον πυρήνα ενός αντιδραστήρα, όπου νετρόνια πυροδοτούν τους πυρήνες του ουρανίου-235 αναγκάζοντας τους να διασπαστούν σε ελαφρύτερους πυρήνες συν κάποια (2 ή 3) νέα νετρόνια. Αυτά τα νετρόνια πρέπει να επιβραδυνθούν από έναν επιβραδυντή έτσι ώστε να είναι σε θέση να αρχίσουν κι άλλες αντιδράσεις διάσπασης και να στηρίξουν μια αλυσιδωτή αντίδραση. Στην περίπτωση ενός αντιδραστήρα PWR (στο σχήμα δεξιά), χρησιμοποιείται το νερό ως επιβραδυντής των νετρονίων, ή γραφίτης ή βαρύ ύδωρ. Οι "ράβδοι ελέγχου" που απορροφούν τα νετρόνια, που μπορούν να παρεμβληθούν στην καρδιά του αντιδραστήρα, είναι ικανοί να μεταβάλλουν το ρυθμό των αντιδράσεων ή να τις σταματήσουν τελείως. Οι συγκρούσεις μεταξύ των προϊόντων της σχάσης και των ατόμων που τα περιβαλλουν παράγουν θερμότητα, η οποία εξάγεται από ένα ψυκτικό μέσο (νερό στην περίπτωση του PWR), που κυκλοφορεί μέσω της καρδιάς του αντιδραστήρα και παράγει ατμό σε ένα δευτερογενές κύκλωμα. Ο ατμός οδηγείται σε έναν στρόβιλο και μια γεννήτρια, οι οποίοι συνδέονται μέχρι το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας.

Σήμερα συζητιούνται δύο κυρίως αντιδραστήρες της 3ης γενιάς. Ο Areva EPR (European pressurized water reactor) και Westinghouse AP-1000 με ισχύ 1000 MW (AP σημαίνει αυξημένης ασφάλειας). Υπάρχουν κι άλλοι τύποι αντιδραστήρων, όπως ο καναδικός Candu (ACR). Αυτές οι μονάδες είναι παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούσαν βαρύ ύδωρ σαν επιβραδυντή, αλλά με δευτέριο αντί για πρώτιο στο νερό. Βέβαια το βαρύ ύδωρ δεν συλλαμβάνει σχεδόν κανένα από τα νετρόνια, αλλά χρησιμοποιείται για να τα επιβραδύνει. Αυτό σημαίνει ότι είναι διαθέσιμα περισσότερα νετρόνια από τις διασπάσεις, επιτρέποντας στους αντιδραστήρες ACR να λειτουργήσουν με καύσιμα χαμηλής περιεκτικότητας.

Το κοινό χαρακτηριστικό όλων αυτών των μελλοντικών αντιδραστήρων της 3ης γενιάς είναι ότι λειτουργούν απλά: απαιτούν λιγότερη επέμβαση, λιγότερα καύσιμα και είναι ευκολότερα να συντηρηθούν από ότι οι προηγούμενοι. Έχουν επίσης προηγμένα, παθητικά χαρακτηριστικά ασφάλειας που στηρίζονται στις φυσικές δυνάμεις όπως είναι η βαρύτητα και η μεταφορά, με ελάχιστη ή καμία ανάγκη για μηχανικές συσκευές όπως είναι οι αντλίες. Εντούτοις, ορισμένες ομάδες όπως είναι η CND (για τον πυρηνικό αφοπλισμό) και η GREENPEACE έχουν αγνοήσει τέτοια χαρακτηριστικά και αντιθέτως έχουν επικεντρωθεί στις ανησυχίες του κόσμου για τα πυρηνικά απόβλητα, που θα παρήγαγε ένας νέος στόλος σταθμών πυρηνικής ενέργειας.

Ενώ είναι αλήθεια βεβαίως ότι περισσότεροι σταθμοί πυρηνικής ενέργειας θα φέρουν περισσότερα πυρηνικά απόβλητα, ο όγκος των αποβλήτων που παράγεται ανά κιλοβατώρα ενέργειας είναι πολύ λιγότερος στη νέα γενιά απ' ό,τι στις παλαιότερες. Παραδείγματος χάριν, ένας στόλος 10 νέων αντιδραστήρων LWR 1 gigawatt, θα πρόσφερε διπλάσια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας στα 60 χρόνια της ζωής τους, καθώς ο σημερινός στόλος εργοστασίων ακόμα θα παρήγαγε ένα πρόσθετο 10% μόνο υψηλού επιπέδου ραδιενεργών αποβλήτων κατά τη διάρκεια της ίδιας περιόδου. Επιπλέον, αυτοί οι νέοι αντιδραστήρες θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν σαν καύσιμα "μικτά οξείδια", φτιαγμένα από οξείδια ουράνιου και πλουτώνιου.

Οι AP-1000, EPR, ACR και BWR θα κάνουν χρήση του ιδίου καυσίμου και των άλλων βασικών συστατικών με τους σημερινούς της 1ης και 2ης γενιάς. Γι αυτό και οι νέοι σταθμοί βασισμένοι σε αυτά τα νέα σχέδια θα μπορούσαν να χτιστούν αμέσως. Στη Φινλανδία και στη Γαλλία κατασκευάζονται ήδη της 3ης γενιάς, ενώ η Κίνα έχει παραγγείλει αρκετά AP-1000.

Ίσως 20 χρόνια από τώρα να μπορούμε να χτίσουμε αντιδραστήρες της 4ης γενιάς.

Πηγές: PhysicsWorld, Physics4u

No comments: