Γιατί το Θόριο, μια δυνητικά ασφαλέστερη εναλλακτική λύση για το ουράνιο, δεν χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες;

Η πρωτοποριακή έρευνα και ανάπτυξη στον πυρηνικό τομέα πραγματοποιήθηκε με σκοπό τη δημιουργία πυρηνικών όπλων. Δεδομένου ότι η σχάση του θορίου δεν παράγει πλουτώνιο (ένα από τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται στα πυρηνικά όπλα) ως υποπροϊόν, το ουράνιο, το πυρηνικό καύσιμο διπλής χρήσης, είχε προτεραιότητα. Ωστόσο, τα κράτη άρχισαν επιτέλους να κατανοούν τις πτυχές ασφάλειας του θορίου ως πυρηνικού καυσίμου και άρχισαν να αναπτύσσουν πυρηνικούς αντιδραστήρες με βάση το θόριο.

Αφού συμμετείχα πρόσφατα στην εκπομπή Chernobyl , βρέθηκα βαθιά στις λαγότρυπες της Google, σκαλίζοντας τα μυστήρια των πυρηνικών αντιδραστήρων και τον τρόπο λειτουργίας τους. Σύντομα ανακάλυψα ότι η σύγχρονη ανθρώπινη ιστορία είναι γεμάτη με πυρηνικά ατυχήματα. Από την έναρξη λειτουργίας του πρώτου πυρηνικού εργοστασίου το 1954, έχουν σημειωθεί περισσότερα από 100 σοβαρά πυρηνικά ατυχήματα, καθένα από τα οποία επηρέασε τις ζωές χιλιάδων —ή και εκατομμυρίων!— ανθρώπων και ζώων.

Στο επίκεντρο αυτών των ατυχημάτων βρίσκεται το ουράνιο, το στοιχείο που χρησιμοποιείται ως το κύριο πυρηνικό καύσιμο σε όλους τους πυρηνικούς αντιδραστήρες που έχουν κατασκευαστεί μέχρι αυτό το σημείο. Προς έκπληξή μου, ωστόσο, διαπίστωσα ότι υπάρχει στην πραγματικότητα μια καλύτερη και δυνητικά ασφαλέστερη εναλλακτική λύση για το ουράνιο με τη μορφή θορίου .

Αυτό με έκανε να αναρωτηθώ… Θα μπορούσε ο μακρύς κατάλογος των πυρηνικών ατυχημάτων και οι συνέπειές τους να είχαν αποφευχθεί με τη χρήση θορίου αντί ουρανίου;’.

Το θόριο βρίσκεται δύο θέσεις στα αριστερά του ουρανίου στον περιοδικό πίνακα και έχει συγκρίσιμες ιδιότητες.

Πώς λειτουργούν οι πυρηνικοί αντιδραστήρες;

Προτού κατηγορήσουμε τους πρώτους πυρηνικούς επιστήμονες ότι χρησιμοποιούν ουράνιο αντί για θόριο, ας ρίξουμε μια γρήγορη ματιά στον τρόπο λειτουργίας των πυρηνικών αντιδραστήρων.

Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες λειτουργούν αξιοποιώντας την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης, μια χημική αντίδραση κατά την οποία ένας μεγαλύτερος πυρήνας χωρίζεται σε δύο ή τρεις μικρότερους πυρήνες, απελευθερώνοντας μεγάλη ποσότητα θερμότητας και νετρονίων. Η θερμική ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη σχάση χρησιμοποιείται για την εξάτμιση του νερού σε ατμό, ο οποίος στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη λειτουργία ενός στροβίλου και τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ή μηχανική ενέργεια. Απλό, σωστά; Λοιπόν, η όλη διαδικασία είναι στην πραγματικότητα πολύ πιο περίπλοκη από ό,τι φαίνεται και απαιτεί μεγάλη προσοχή και τεχνογνωσία για την ασφαλή διαχείριση.

Λειτουργία πυρηνικού σταθμού.

Εστιάζοντας μόνο στη χημική πλευρά των πραγμάτων, το εμπλουτισμένο ουράνιο είναι η ουσία (πυρηνικό καύσιμο) που υφίσταται σχάση στους περισσότερους αντιδραστήρες (ορισμένοι πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούν MOX, ένα μείγμα πλουτωνίου και κάποια μορφή ουρανίου, ως πυρηνικό καύσιμο). Περίπου το 99% του ουρανίου που βρίσκεται στη Γη είναι 238U, το μη σχάσιμο ισότοπο, ενώ λιγότερο από 1% είναι 235U, το σχάσιμο και επομένως πιο πολύτιμο ισότοπο ουρανίου. Το εμπλουτισμένο ουράνιο, μέσω της εφαρμογής τεχνικών όπως ο διαχωρισμός ισοτόπων, περιέχει αυξημένο ποσοστό 235U στο συνολικό μείγμα.

Μια αντίδραση σχάσης ξεκινά όταν το εμπλουτισμένο ουράνιο βομβαρδίζεται με ένα νετρόνιο. Κατά την πρόσκρουση, το 235U αρχίζει να διασπάται σε μικρότερους πυρήνες και να απελευθερώνει νετρόνια υψηλής ενέργειας. Τα υψηλής ενέργειας νετρόνια απορροφώνται από άλλα άτομα 235 U, πυροδοτώντας μια αλυσιδωτή αντίδραση μέσα στον πυρηνικό αντιδραστήρα. Κατά τη διαδικασία απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα θερμικής ενέργειας, μαζί με την απελευθέρωση ακτινοβολίας γάμμα και πρόσθετων νετρονίων.

Η ποσότητα της θερμικής ενέργειας που παράγεται εξαρτάται από τον ρυθμό αυτών των αλυσιδωτών αντιδράσεων σχάσης. Ο περιορισμός του ρυθμού και της έκτασης αυτών των αλυσιδωτών αντιδράσεων τραβάει επίσης τη γραμμή μεταξύ ενός πυρηνικού αντιδραστήρα και ενός πυρηνικού όπλου.

Η πρωταρχική χρήση της πυρηνικής ενέργειας

Πολύ πριν από την ανάπτυξη του πρώτου πυρηνικού σταθμού, η πυρηνική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε αρχικά για καταστροφικούς σκοπούς. Το Manhattan Project, μια πρωτοβουλία έρευνας και ανάπτυξης όπλων που ανατέθηκε από την κυβέρνηση των ΗΠΑ, πρωτοστάτησε στη χρήση της πυρηνικής ενέργειας αποκαλύπτοντας τα πρώτα πυρηνικά όπλα. Το έργο του Μανχάταν, που ιδρύθηκε το 1939, φόβισε τον κόσμο με την έκρηξη του πρώτου πυρηνικού όπλου (μια επίδειξη γνωστή ως δοκιμή Trinity) το 1945. Ένα μήνα αργότερα, το ίδιο έθνος δημιούργησε περαιτέρω τις τεράστιες καταστροφικές δυνατότητες των πυρηνικών όπλων με βομβαρδίζοντας περιβόητα τη Χιροσίμα και το Ναγκασάκι, τερματίζοντας ουσιαστικά τον ρόλο της Ιαπωνίας στον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο.

Ο φόβος ενός εχθρικού έθνους που κατείχε τέτοια καταστροφική ικανότητα οδήγησε άλλα έθνη που συμμετείχαν στον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο να ξεκινήσουν τη δική τους ατομική έρευνα στον πυρηνικό τομέα. Αυτό που ακολούθησε ήταν μια άνοδος στην παραγωγή πυρηνικών όπλων, παρά η ανάπτυξη της εμπορικής πυρηνικής ενέργειας.

Η Σοβιετική Ένωση, το Ηνωμένο Βασίλειο, η Γαλλία και η ΛΔΚ, ακολουθούμενες από την Ινδία και το Πακιστάν, έχουν αναπτύξει πυρηνικά όπλα όλα αυτά τα χρόνια. Μερικές άλλες χώρες, συμπεριλαμβανομένης της Βόρειας Κορέας και του Ισραήλ, πιστεύεται επίσης ότι έχουν αναπτύξει πυρηνικά όπλα. Μια άλλη χώρα που ανέπτυξε πυρηνικά όπλα είναι η Νότια Αφρική, αλλά κατέστρεψε οικειοθελώς όλο το απόθεμα πυρηνικών όπλων της και διέκοψε την περαιτέρω παραγωγή τη δεκαετία του 1990.

Σύννεφο μανιταριών σχηματίστηκε μετά την έκρηξη του πρώτου επιτυχημένου πυρηνικού όπλου (δοκιμή Trinity). (Φωτογραφία:Υπουργείο Ενέργειας Ηνωμένων Πολιτειών/Wikimedia Commons)

Γιατί ουράνιο;

Το εμπλουτισμένο ουράνιο μπορεί να περιέχει αυξημένο ποσοστό 235 U, αλλά διατηρεί επίσης 238 U σε σημαντικές ποσότητες. Το 238U, με την απορρόφηση ενός από τα υψηλής ενέργειας νετρόνια που επιπλέουν στον αντιδραστήρα, μεταμορφώνεται σε 239U πριν διασπαστεί σε άλλες ραδιενεργές ενώσεις, όπως το νεπτούνιο-239 και το πλουτώνιο-239. Το τελευταίο από τα δύο θυγατρικά προϊόντα είναι αυτό που κέντρισε το ενδιαφέρον όλων όσων εργάζονται για την πυρηνική ενέργεια και την πρόοδο.

Ανακαλύφθηκε ακριβώς στην κορύφωση του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, οι επιστήμονες και τα έθνη έσπευσαν να κατανοήσουν τις καταστροφικές δυνατότητες του πλουτωνίου-239. Η ατομική βόμβα που έπεσε στο Ναγκασάκι ήταν μια βόμβα πλουτωνίου-239 που ονομάζεται «Fat Man», ενώ αυτή που έπεσε στη Χιροσίμα ήταν μια βόμβα ουρανίου-235. Το πλουτώνιο-239 έχει τη μικρότερη κρίσιμη μάζα από όλα τα πυρηνικά καύσιμα, πράγμα που σημαίνει ότι το πλουτώνιο μπορεί να διατηρήσει μια αλυσιδωτή αντίδραση με τη μικρότερη ποσότητα ύλης.

Ωστόσο, σχεδόν όλο το πλουτώνιο είναι ανθρωπογενές και μόνο μια αμελητέα ποσότητα μπορεί να εξορυχθεί από τον φλοιό της Γης. Το μόνο μέρος που βρίσκει κανείς το πλουτώνιο-239 σε σημαντικές ποσότητες είναι μέσα σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα όπου το ουράνιο-238 αλληλεπιδρά με τα νετρόνια. Στις ΗΠΑ, έχουν δημιουργηθεί αντιδραστήρες στην τοποθεσία του ποταμού Savannah και στο Hanford για την παραγωγή πλουτωνίου-239.

Από την άλλη πλευρά, η σχάση του θορίου δεν παράγει το πλουτώνιο-239 ως υποπροϊόν. Ο κύκλος καυσίμου θορίου (που φαίνεται παραπάνω) ξεκινά με τη μεταστοιχείωση του 232Th σε 233U μέσω μιας σειράς διασπάσεων. Το 233U συνεχίζει να παίζει το ρόλο του πυρηνικού καυσίμου σε αυτούς τους αντιδραστήρες. Ο κύκλος καυσίμου θορίου παράγει επίσης πλουτώνιο, αλλά το μη οπλισμένο ισότοπο (πλουτώνιο-238). Το 233U μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε πυρηνικά όπλα, αλλά η παρουσία του 232Th στο μείγμα αναιρεί τις δυνατότητές του.

Για να τα συνδυάσουμε όλα μαζί, το θόριο δεν μπορεί να οπλιστεί, πράγμα που σήμαινε ότι η έρευνα και η ανάπτυξη αντιδραστήρων ουρανίου διπλής χρήσης ενθαρρύνθηκαν (και χρηματοδοτήθηκαν) σε πολλά έθνη μετά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο. Οι ερευνητές που εξέφρασαν τις απόψεις και την ενθάρρυνση τους για τους αντιδραστήρες θορίου ήταν είτε εκδιώχθηκαν από τις αντίστοιχες οργανώσεις τους ή οι ιδέες απορρίφθηκαν υπέρ των στρατιωτικών χρήσεων του ουρανίου.

Ουράνιο εναντίον θόριο ως πυρηνικό καύσιμο

Εκτός από ένα μη οπλισμένο πυρηνικό καύσιμο, το θόριο υπερτερεί του ουρανίου και με πολλούς άλλους τρόπους!

Το θόριο είναι τρεις φορές πιο άφθονο από το ουράνιο και δεν χρειάζεται επανεπεξεργασία ή εμπλουτισμό όπως το ουράνιο-235. Οι εκτιμήσεις προβλέπουν ότι υπάρχει αρκετό θόριο μόνο στις ΗΠΑ για να τροφοδοτήσει τη χώρα για άλλα 1.000 χρόνια (στο τρέχον ενεργειακό επίπεδο της χώρας). Επίσης, το μετάλλευμα θορίου περιέχει μεγαλύτερο ποσοστό θορίου από την ποσότητα ουρανίου που βρίσκεται στο αντίστοιχο μετάλλευμά του, καθιστώντας την εξόρυξη θορίου πιο οικονομική και πιο φιλική προς το περιβάλλον.

Όσον αφορά τις πτυχές ασφάλειας, οι αντιδραστήρες θορίου θα παράγουν λιγότερα πυρηνικά απόβλητα από τα ισοδύναμα ουρανίου τους. Η ραδιενέργεια των πυρηνικών τους αποβλήτων προβλέπεται επίσης ότι θα μειωθεί σε ασφαλή επίπεδα μετά από μερικές εκατοντάδες χρόνια, ενώ τα πυρηνικά απόβλητα που παράγονται από τους σημερινούς αντιδραστήρες παραμένουν ραδιενεργά για χιλιάδες των ετών. Αυτό μειώνει το κόστος διαχείρισης των αναλωμένων καυσίμων και των απορριμμάτων.

Το πιο σημαντικό, το θόριο είναι ένα γόνιμο υλικό, αλλά όχι σχάσιμο. Τα γόνιμα στοιχεία δεν υφίστανται αντιδράσεις σχάσης από μόνα τους, αλλά κατά την ακτινοβολία σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, μπορούν να μετατραπούν σε σχάσιμο υλικό. Αυτό σημαίνει ότι οι αντιδραστήρες θορίου μπορούν να κλείσουν σχεδόν αμέσως με απλή απενεργοποίηση της πηγής νετρονίων.

Τελικές λέξεις

Με πολλά γνωστά και προβλεπόμενα οφέλη σε σχέση με τους παραδοσιακούς αντιδραστήρες ουρανίου, γιατί ο κόσμος δεν έχει δει τους αντιδραστήρες θορίου να κυριαρχούν; Γιατί με την αρετή έρχεται η κακία!

Χρειάζεται ακόμη πολλή έρευνα, πρακτική εργασία και δοκιμές πριν από τη μετάβαση στο θόριο, μαζί με την απαίτηση κεφαλαίου για την αδειοδότηση και την κατασκευή καυσίμων. Επιπλέον, η λέξη "πυρηνικό" έχει γίνει συνώνυμη με το ουράνιο, επομένως η πιθανότητα μιας ασφαλέστερης εναλλακτικής λύσης είναι ανήκουστη από τις μάζες και ακόμη και από ορισμένες αρχές πυρηνικού τομέα.

Ωστόσο, υπάρχει κάποια ελπίδα για αλλαγή, καθώς πολλές χώρες έχουν ξεκινήσει έρευνα και ανάπτυξη πυρηνικών αντιδραστήρων με βάση το θόριο. Κορυφαία από το μέτωπο είναι η Ινδία, με σχέδιο τριών σταδίων για την κάλυψη του 30% των ηλεκτρολογικών αναγκών της χώρας με τη χρήση αντιδραστήρων θορίου έως το 2050, ενώ ο κόσμος θα μπορούσε να δει τον πρώτο εμπορικό της αντιδραστήρα θορίου ήδη από το 2025. Άλλες χώρες όπως ο Καναδάς, η Κίνα, Η Νορβηγία, το Ηνωμένο Βασίλειο και οι ΗΠΑ κάνουν επίσης ένα βήμα προς τη χρήση της καθαρής και ασφαλέστερης πυρηνικής ενέργειας του θορίου.

Όσο για το ερώτημα που τέθηκε προηγουμένως — θα μπορούσαν να είχαν αποφευχθεί οι συνέπειες και οι ζημιές από αυτές τις πολλές πυρηνικές καταστροφές; Ισως ναι. Ίσως όχι… αλλά το να προτιμήσετε μια αποδεδειγμένα ασφαλέστερη εναλλακτική λύση θα είχε σίγουρα βοηθήσει!