Μεταστοιχειώσεις, Σχάση και Σύντηξη ⚛️
Τι είναι η Μεταστοιχείωση
Μεταστοιχείωση ονομάζεται η μεταβολή ενός χημικού στοιχείου σε άλλο, μέσα από μια πυρηνική αντίδραση. Φυσικές, αυθόρμητες μεταστοιχειώσεις συμβαίνουν συνεχώς στη φύση, στα ραδιενεργά υλικά. Η πρώτη τεχνητή μεταστοιχείωση ήταν εκείνη που πραγματοποίησε ο Rutherford, μετατρέποντας άζωτο σε οξυγόνο μέσω βομβαρδισμού με σωματίδια άλφα.
Οι πρώτες τεχνητές μεταστοιχειώσεις, που γίνονταν με σωματίδια μικρής ενέργειας, ήταν εξαιρετικά δύσκολες: μόνο 1 σωματίδιο στα 250.000.000 προκαλούσε τελικά την επιθυμητή πυρηνική μεταβολή. Με την ανάπτυξη των επιταχυντών σωματιδίων (όπως το κύκλοτρο), έγινε δυνατή η πραγματοποίηση εκατοντάδων μεταστοιχειώσεων, ενώ με τις ίδιες τεχνικές συντέθηκαν και τα υπερουράνια στοιχεία (στοιχεία με ατομικό αριθμό μεγαλύτερο του 92).
Η τεχνική της τεχνητής μεταστοιχείωσης συνίσταται στον βομβαρδισμό στοιχείων-στόχων με ταχέως κινούμενα υποατομικά ή ατομικά σωματίδια, όπως νετρόνια, πρωτόνια, δευτερόνια (πυρήνες του ισοτόπου ) και σωματίδια άλφα.
Από ενεργειακή και τεχνολογική άποψη, οι πλέον ενδιαφέρουσες πυρηνικές αντιδράσεις είναι η σχάση και η σύντηξη.
Πυρηνική Σχάση
Στην πυρηνική σχάση (σχάση), ορισμένα βαρέα άτομα, όπως το και το , βομβαρδίζονται με νετρόνια κατάλληλης ενέργειας. Τότε οι πυρήνες τους σπάζουν σε δύο μικρότερους πυρήνες, ενώ ελευθερώνονται ταυτόχρονα δύο ή περισσότερα ταχέα νετρόνια και μεγάλες ποσότητες ενέργειας.
Από τα νετρόνια που ελευθερώνονται, τουλάχιστον ένα προκαλεί νέα σχάση, με αποτέλεσμα να ξεκινά μια αλυσιδωτή αντίδραση.
Αν ο ρυθμός της αλυσιδωτής αντίδρασης ελέγχεται, τότε έχουμε έναν ατομικό (πυρηνικό) αντιδραστήρα, ο οποίος παράγει ενέργεια με ασφαλή τρόπο. Αν όμως η αλυσιδωτή αντίδραση εξελιχθεί ανεξέλεγκτα και εκρηκτικά γρήγορα, τότε έχουμε την ατομική βόμβα. Η διαφορά ανάμεσα σε μια ειρηνική πηγή ενέργειας και ένα καταστροφικό όπλο βρίσκεται αποκλειστικά στον έλεγχο του ρυθμού της ίδιας βασικής αντίδρασης.
Πυρηνική Σύντηξη
Στην πυρηνική σύντηξη (σύντηξη), ελαφροί πυρήνες, όπως το , το και το (τα τρία ισότοπα του υδρογόνου), συγχωνεύονται και δίνουν βαρύτερους πυρήνες, όπως το , με ταυτόχρονη έκλυση πολύ μεγαλύτερων ποσοτήτων ενέργειας απ' ό,τι στη σχάση.
Στην κοσμολογία γίνεται δεκτό ότι στα άστρα συμβαίνουν συνεχώς αντιδράσεις σύντηξης, οι οποίες μετατρέπουν το υδρογόνο σε ήλιο. Αυτά τα δύο στοιχεία αποτελούν, άλλωστε, το μεγαλύτερο ποσοστό της μάζας των ενεργών αστεριών.
Για να πραγματοποιηθεί η σύντηξη, απαιτείται πολύ υψηλή θερμοκρασία, μεγαλύτερη από 10.000.000 °C. Στη λεγόμενη βόμβα υδρογόνου, πραγματοποιείται πρώτα μια έκρηξη σχάσης (ουρανίου), ώστε η θερμοκρασία να ανέβει τοπικά αρκετά, για να ακολουθήσει η αντίδραση σύντηξης.
Το Πρόβλημα των Πυρηνικών Αποβλήτων
Τα απόβλητα των θερμοηλεκτρικών σταθμών παραγωγής ρεύματος που καταναλώνουν κάρβουνο (π.χ. λιγνίτη) περιέχουν, μεταξύ άλλων, οξείδια του θείου και στάχτη. Όταν όμως χρησιμοποιείται πυρηνικό «καύσιμο», τα απόβλητα περιέχουν πλήθος ραδιενεργών στοιχείων — άλλα ιδιαίτερα χρήσιμα, άλλα εξαιρετικά επικίνδυνα. Εδώ και αρκετά χρόνια υπάρχει έντονη διαμάχη σε επίπεδο κυβερνήσεων, επιστημόνων και τεχνικών, σχετικά με τον τρόπο διαχείρισης αυτών των αποβλήτων.
Μία από τις προτάσεις προβλέπει την απομάκρυνση των σχάσιμων υλικών από τα πυρηνικά απόβλητα, ώστε αυτά να μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν ως πυρηνικά «καύσιμα». Μια τυπική «ράβδος» πυρηνικού καυσίμου περιέχει ουράνιο (3,3% και 96,7% ). Καθώς το σχάσιμο καταναλώνεται δίνοντας ενέργεια, ποσότητες μετατρέπονται ραδιενεργά σε υπερουράνια στοιχεία, όπως τα ραδιοϊσότοπα του πλουτωνίου και , τα οποία μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν ως καύσιμο. Για να διαχωριστεί και να παραληφθεί το πλουτώνιο, η ράβδος διαλύεται σε οξύ και το σχάσιμο υλικό απομονώνεται από το διάλυμα με χημικούς διαχωρισμούς. Το μίγμα οξειδίων του και του πλουτωνίου χρησιμοποιείται με τη μορφή οξειδίων μετάλλων ως πυρηνικό καύσιμο.
Το μειονέκτημα της ανακύκλωσης πυρηνικών καυσίμων οφείλεται εν μέρει στη δυνατότητα χρησιμοποίησης του παραγόμενου πλουτωνίου για την παραγωγή πυρηνικών όπλων από παρακρατικές οργανώσεις ή τρομοκρατικές ομάδες. Επιπλέον, η διαδικασία αφήνει υγρά απόβλητα με εξαιρετικά μεγάλη ραδιενέργεια, επικίνδυνα για πολλά, ίσως και χιλιάδες, χρόνια.
Στην υγρή φάση που παραμένει από τη διεργασία υπάρχουν προϊόντα σχάσης, όπως το (στρόντιο-90) με ημιζωή 29 χρόνια και το (καίσιο-137) με ημιζωή 30 χρόνια. Θα πρέπει να περάσουν περίπου 400 χρόνια, ώστε η ραδιενέργεια από αυτά τα παραπροϊόντα να μειωθεί σε ανεκτά επίπεδα. Ακόμη και μετά τα 400 αυτά χρόνια, θα εξακολουθεί να υπάρχει κίνδυνος από ραδιενεργά κατάλοιπα, όπως το (αμερίκιο-241) και το (θόριο-229), των οποίων η ημιζωή μετριέται σε χιλιάδες ή και εκατομμύρια χρόνια.
Το πλέον συζητημένο σχέδιο διαχείρισης προβλέπει τη μετατροπή των υγρών αποβλήτων σε υαλώδεις κεραμικές ράβδους, με μήκος περίπου 3 m και διάμετρο 30 cm η καθεμία. Οι ράβδοι στη συνέχεια θα «θάβονταν» σε κατάλληλες γεωλογικές θέσεις, όπως γρανίτες, παλιά ορυχεία και στρώματα αλάτων, όπου θα παρέμεναν επί χιλιάδες χρόνια, όσα χρειάζονται τα ραδιενεργά στοιχεία για να εξαντληθούν. Τα απόβλητα ενός μόνο πυρηνικού σταθμού ισχύος 1.000 MW θα χωρούσαν σε 10 τέτοιες ράβδους.
Αρκετές μελέτες έχουν δείξει ότι η μέθοδος της γεωλογικής ταφής είναι εφικτή και ότι μπορούν να βρεθούν κατάλληλες θέσεις. Ωστόσο, επειδή τα υλικά αυτά πρέπει να παραμείνουν θαμμένα για χιλιάδες χρόνια, κανείς δεν μπορεί να εγγυηθεί για τις στάσεις και τις συμπεριφορές των μελλοντικών γενεών. Τα ήδη υπάρχοντα πυρηνικά απόβλητα είτε φυλάσσονται μέχρι να βρεθεί μια γενικότερη λύση είτε ενταφιάζονται σε επιλεγμένες θέσεις. Έχουν μάλιστα καταγραφεί περιστατικά παράνομης διακίνησης πυρηνικών αποβλήτων, γεγονός που δείχνει ότι η τελική τους τύχη δεν έχει ακόμη κριθεί οριστικά.
Η διαχείριση των ραδιενεργών υλικών γίνεται πάντοτε με αυστηρότατα μέτρα ασφαλείας, όπως, για παράδειγμα, μέσω ρομποτικών συστημάτων που λειτουργούν πίσω από τζάμια πολύ μεγάλου πάχους.