Ο κόσμος χρειάζεται πολλή ενέργεια. Η τεχνολογική ανάπτυξη σήμερα απαιτεί πολύ περισσότερη ενέργεια από ό,τι έχει παραχθεί μέχρι τώρα. Τα δεδομένα δείχνουν ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ΑΕΠ, τόσο μεγαλύτερη είναι η παραγωγή και η κατανάλωση ενέργειας ανά κεφαλή και όσο μεγαλύτερη είναι η παραγωγή ενέργειας, τόσο υψηλότερη είναι η μακροβιότητα των ανθρώπων. Η πιο συνηθισμένη παραγωγή ενέργειας βασίζεται στην καύση ορυκτών (ξύλο, άνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό αέριο), αλλά αυτοί οι φυσικοί πόροι θα εξαντληθούν σύντομα ή θα γίνουν απαγορευτικά ακριβοί. Οι τρέχουσες εκτιμήσεις κυμαίνονται από περίπου 50 έως 150 χρόνια. Αργά ή γρήγορα θα χρειαστούμε άλλες μορφές ενέργειας. Θα μπορούσε η πυρηνική ενέργεια να είναι η απάντηση;

Όλοι οι φυσικοί πόροι όπως η γεωθερμική ενέργεια, η αιολική ενέργεια, η ηλιακή ενέργεια κ.λπ. συνεπάγονται υψηλό κόστος και λόγω του διαλείποντος χαρακτήρα της αιολικής ή ηλιακής ενέργειας απαιτούν ισχυρή υποστήριξη με τη μορφή αξιόπιστων συστημάτων βασικής ενέργειας. Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι μια σημαντική και φθηνή πηγή ενέργειας και μπορεί να λειτουργεί σταθερά ως σύστημα βασικής φόρτωσης, αλλά οι πόροι της είναι περιορισμένοι και σε πολλές χώρες αυτοί οι πόροι έχουν ήδη εκμεταλλευτεί μέχρι εξάντλησης.

Έχουμε ήδη μια εξαιρετική, εξαιρετικά αποτελεσματική (περισσότερο από οποιαδήποτε άλλη!), πηγή ενέργειας στη διάθεσή μας – δηλαδή την πυρηνική ενέργεια. Επί του παρόντος, περίπου το 16% της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται σε όλο τον κόσμο είναι πυρηνικής προέλευσης. Αυτή η ενέργεια μπορεί να καλύψει την ενεργειακή ανάγκη της ανθρωπότητας για χιλιάδες χρόνια – και ακόμα καλύτερα, εκτιμάται ότι οι αναπαραγωγικοί αντιδραστήρες μπορούν να παρέχουν ενέργεια για έως και μερικά δισεκατομμύρια χρόνια! Το συνολικό κόστος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από πυρηνικούς σταθμούς, συμπεριλαμβανομένου του κόστους των συστημάτων ασφαλείας, της προστασίας έναντι της διάδοσης σχάσιμων υλικών, της μελλοντικής παροπλισμού του αντιδραστήρα και του κόστους της επεξεργασίας και προστασίας των πυρηνικών αποβλήτων, έχει αποδειχθεί ότι είναι ένα από τα χαμηλότερα μεταξύ των διαφόρων πηγών ενέργειας.

Η παραγωγή πυρηνικής ενέργειας δεν δημιουργεί περιβαλλοντική ρύπανση και δεν συμβάλλει στη παγκόσμια υπερθέρμανση. Θα ήταν λοιπόν τρομερή σπατάλη πόρων εάν η ανθρωπότητα δεν έκανε εκτεταμένη χρήση της πυρηνικής ενέργειας. Το τεχνικό πρόβλημα είναι να τη χρησιμοποιούμε με τον ασφαλέστερο δυνατό τρόπο. Για παράδειγμα, κάθε 22 τόνοι ουρανίου που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας εξοικονομούν την εκπομπή περίπου ενός εκατομμυρίου τόνων διοξειδίου του άνθρακα που θα προέκυπταν από την ισοδύναμη χρήση άνθρακα.

Υπάρχουν κίνδυνοι που συνδέονται με τη δυνατότητα σοβαρής βλάβης αντιδραστήρα, την ιονίζουσα ακτινοβολία που απελευθερώνεται, τον χειρισμό πυρηνικών αποβλήτων και τη διάδοση σχάσιμων υλικών. Η αξιολόγηση αυτών των κινδύνων, ωστόσο, είναι μια δύσκολη εργασία, καθώς δεν εμπίπτουν στη γενική κατηγορία των «εκούσιων» κινδύνων. Ωστόσο, για μια χοντρική ιδέα μπορούμε να δούμε τα «θάνατοι ανά παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια». Ο συμβατικός εξόρυξη άνθρακα και ατυχήματα πετρελαιοπηγών, μαζί με τη ρύπανση του αέρα που προκαλείται από την καύση ορυκτών καυσίμων, οδηγούν σε συντελεστή κινδύνου που είναι περίπου 40 φορές υψηλότερος από ό,τι σε ολόκληρη τη πυρηνική βιομηχανία, από την εξόρυξη ουρανίου έως τις πιθανές βλάβες των πυρηνικών σταθμών, συνδυαστικά. Μια μεμονωμένη αστοχία φράγματος ή απλό ατύχημα σε χημικό εργοστάσιο μπορεί να σκοτώσει έως και χιλιάδες ανθρώπους, ενώ σε ό,τι ήταν πιθανώς η χειρότερη (και πολύ μοναδική) καταστροφή σε όλη την ιστορία της πυρηνικής ενέργειας, στο Τσερνόμπιλ, σκοτώθηκαν μόνο 31 άνθρωποι, 28 από αυτούς από μεγάλη δόση απορροφούμενης ακτινοβολίας. Ολόκληρο το αμερικανικό πυρηνικό πρόγραμμα φέρει έναν κίνδυνο παρόμοιο με την αύξηση του ορίου ταχύτητας στον αυτοκινητόδρομο από 80 χλμ/ώρα σε 81 χλμ/ώρα!

Το γράφημα αριστερά απεικονίζει τους σχετικούς κινδύνους (μετρούμενους ως θάνατοι ανά TWh παραγόμενης) διαφόρων πηγών ενέργειας: (Πηγή εικόνας: www.adamsmith.org)

Κατά την πρόσφατη βλάβη του πυρηνικού σταθμού Φουκουσίμα, υπήρξε μαζική απελευθέρωση ραδιενεργού υλικού στο περιβάλλον, και οι εμπειρογνώμονες προβλέπουν ότι θα υπάρξει σημαντική αύξηση στα κρούσματα καρκίνου μεταξύ του τοπικού πληθυσμού κατά τα επόμενα 50 χρόνια. Ωστόσο, ο άμεσος αριθμός θανάτων λόγω ακτινοβολίας ήταν μηδέν.

Γνωρίζουμε πλέον ότι κατά τη σχάση παράγονται ραδιενεργοί πυρήνες. Ο αριθμός των νετρονίων στο ουράνιο (143 ή 146) υπερβαίνει κατά πολύ τον αριθμό των πρωτονίων (92), καθιστώντας το σχετικά σταθερό (η διάρκεια ζωής του ²³⁸U είναι 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, και η διάρκεια ζωής του ²³⁵U είναι 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια). Σε μικρότερους πυρήνες, ο λόγος νετρονίου προς πρωτόνιο που απαιτείται για ένα σταθερό ισότοπο είναι μικρότερος. Έτσι, όταν ο πυρήνας χωρίζεται σε μικρότερους, ο αριθμός των νετρονίων σε κάθε θραύσμα είναι μεγαλύτερος από αυτό που χρειάζεται για να είναι σταθερό. Αυτό σημαίνει ότι τα θραύσματα σχάσης είναι ασταθή, δηλαδή ραδιενεργά – και αρκετά από αυτά έχουν μεγάλες διάρκειες ζωής.

Εκτός από τα θραύσματα σχάσης, υπερουράνια στοιχεία παράγονται επίσης μέσω σύλληψης νετρονίων εντός του πυρηνικού καυσίμου. Ας πούμε ότι ένα γρήγορο νετρόνιο συλλαμβάνεται από ²³⁸U. Τότε, μετά από δύο βήτα διασπάσεις, σχηματίζεται ²³⁹Pu – ένα σχάσιμο στοιχείο που στους αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες χρησιμεύει ως καύσιμο (και τότε μιλάμε για τον κύκλο ουρανίου-πλουτωνίου). Ωστόσο, το ίδιο ισότοπο σε αντιδραστήρα τύπου PWR γίνεται πυρηνικό απόβλητο. Πρέπει επίσης να θυμόμαστε ότι κατά τη λειτουργία του αντιδραστήρα τα δομικά υλικά του αντιδραστήρα ενεργοποιούνται (ένα τυπικό προϊόν μιας τέτοιας ενεργοποίησης είναι ο ⁶⁰Co) και πρέπει να χειρίζονται σωστά.

Κατάταξη πυρηνικών αποβλήτων:

Τύπος	Κατά Όγκο	Κατά Ραδιενεργό Περιεχόμενο
Απόβλητα Υψηλού Επιπέδου	3%	95%
Απόβλητα Μεσαίου Επιπέδου	7%	4%
Απόβλητα Χαμηλού Επιπέδου	90%	1%

Τα απόβλητα υψηλού επιπέδου αποτελούν μόλις το 3% του συνολικού όγκου αποβλήτων που προκύπτουν από την πυρηνική παραγωγή, αλλά περιέχουν το 95% της ραδιενέργειας. Τα απόβλητα χαμηλού επιπέδου αντιπροσωπεύουν το 90% του συνολικού όγκου ραδιενεργών αποβλήτων, αλλά περιέχουν μόνο περίπου 1% της ραδιενέργειας.

Τα πυρηνικά απόβλητα δημιουργούν σοβαρά τεχνολογικά προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν για να γίνει η πυρηνική ενέργεια ασφαλής για το κοινό. Σε αντίθεση με τον άνθρακα, το πετρέλαιο ή το φυσικό αέριο, το πυρηνικό καύσιμο δεν καίγεται ποτέ πλήρως. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι κατά τη διαδικασία της «καύσης», δημιουργείται ένας αριθμός πυρήνων που απορροφούν έντονα νετρόνια. Με τον καιρό, τα νετρόνια που παράγονται κατά τη σχάση θα απορροφώνται κυρίως από προϊόντα προηγούμενων αντιδράσεων. Ο πολλαπλασιασμός του αριθμού τους σε μια μεμονωμένη πράξη σχάσης δεν θα είναι αρκετός για να διατηρηθεί η αλυσιδωτή αντίδραση. Τότε το στοιχείο καυσίμου δεν μπορεί να χρησιμεύσει ως καύσιμο και γίνεται εξαιρετικά ραδιενεργό πυρηνικό απόβλητο.

Επιπλέον, οι χρόνοι ημιζωής των στοιχείων που παράγονται στην αντίδραση σχάσης είναι συχνά τόσο μεγάλοι όσο δεκάδες ή ακόμα και εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, οπότε πρέπει να λαμβάνεται ιδιαίτερη μέριμνα κατά την αποθήκευση τέτοιων αποβλήτων, και πρέπει να αποθηκεύονται με ασφάλεια για πολύ, πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτό δημιουργεί σοβαρά κοινωνικά, πολιτικά και ρυθμιστικά προβλήματα για τη διάθεση αυτών των αποβλήτων.

Σε ερευνητικούς αντιδραστήρες που δεν παράγουν τόσο πολύ αναλωμένο καύσιμο, ο απλούστερος τρόπος είναι η χρήση δεξαμενής νερού, συνήθως τοποθετημένης δίπλα στη δεξαμενή του αντιδραστήρα. Το αναλωμένο καύσιμο μπορεί να διατηρηθεί όσο επιτρέπει η διάβρωση στις θήκες καυσίμου, συνήθως περίπου 30-40 χρόνια. Εν τω μεταξύ, η θερμοκρασία των αναλωμένων ράβδων καυσίμου μειώνεται και οι φυσικές διαδικασίες διάσπασης κάνουν τη δραστηριότητά τους χαμηλότερη. Πρέπει να παρέλθουν άλλα 40 ή 50 χρόνια αποθήκευσης προτού η δραστηριότητα αναλωμένου καυσίμου γίνει αρκετά χαμηλή για να αποσταλεί στο τελικό αποθετήριο πυρηνικών αποβλήτων.

Στην περίπτωση των πυρηνικών σταθμών μπορούν να χρησιμοποιηθούν παρόμοιες μέθοδοι. Ωστόσο, μετά από λίγα χρόνια διατήρησης αναλωμένου καυσίμου στη δεξαμενή νερού, το καύσιμο μεταφέρεται σε εργοστάσια επανεπεξεργασίας όπου μπορεί να υποβληθεί σε χημική διαδικασία κατά την οποία ανακτώνται σχάσιμα στοιχεία (ουράνιο και πλουτώνιο και άλλα υπερουράνια στοιχεία) και χρησιμοποιούνται τελικά στην παραγωγή νέου καυσίμου αντιδραστήρα. Το υπόλοιπο υλικό, κυρίως σε υγρή μορφή, υαλοποιείται, τοποθετείται σε τεράστιους μεταλλικούς περιέκτες (casks) και αποστέλλεται στο αποθετήριο. Αυτή η τεχνολογία δεν είναι πολύ διαδεδομένη, καθώς απαιτεί περιβάλλον υψηλής τεχνολογίας. Εάν το αναλωμένο καύσιμο δεν επανεπεξεργαστεί, πρέπει να αποθηκεύεται απευθείας σε κατάλληλους μεταλλικούς περιέκτες, σε ειδικά αποθετήρια βαθιά κάτω από τη γη: για παράδειγμα σε παλιά αλατωρυχεία, άργιλο ή γρανιτικό βράχο.

Η αποθήκευση πυρηνικών αποβλήτων σε επίπεδα 500-1000 m κάτω από το έδαφος παρέχει υψηλότερη ασφάλεια από την επιφανειακή αποθήκευση. Η ακτινοβολία που εκπέμπεται μετά, ας πούμε, μια περίοδο 1000 ετών, θα βρίσκεται στο επίπεδο της φυσικής ακτινοβολίας στα πρώτα 1000 m του φλοιού της Γης. Φυσικά, εάν μάθουμε να μεταλλάσσουμε και να αποτεφρώνουμε τα πυρηνικά απόβλητα, το πρόβλημα θα γίνει ακόμα πιο εύκολο να λυθεί. Η βαθιά αποθήκευση δεν αποτελεί πραγματικό κίνδυνο για τους ανθρώπους που ζουν κοντά στα σημεία αποθήκευσης, εκτός εάν κάποιος τυχαία προσπαθήσει να χρησιμοποιήσει το έδαφος για άλλο σκοπό και αρχίσει να γεωτρεί. Ακόμα και σε μια τέτοια περίπτωση, ωστόσο, ο κίνδυνος θα παρέμενε τοπικός και σίγουρα δεν θα έφτανε σε παγκόσμιες αναλογίες.

Όταν συζητούνται οι κίνδυνοι που συνδέονται με τα βιομηχανικά πυρηνικά απόβλητα, συχνά ξεχνάμε ότι ο ίδιος ο φλοιός της Γης περιέχει πολλά ραδιενεργά στοιχεία που συνεχώς διαχέονται προς την επιφάνεια και αποτελούν μέρος του φυσικού ραδιενεργού υπόβαθρου.

Όπως απεικονίζει το παραπάνω σχήμα, τα πυρηνικά απόβλητα συμβάλλουν με μόνο μικρό ποσοστό στην ακτινοβολία φόντου. Για παράδειγμα, όλα τα ραδιενεργά απόβλητα που συσσωρεύτηκαν μέχρι το έτος 2000, αφού επιτραπεί η ψύξη για 500 χρόνια, θα εμφανίζουν δραστηριότητα ισοδύναμη με τη φυσική ραδιενέργεια μιας φέτας εδάφους 30x30x2 χλμ (τα 2 χιλιόμετρα είναι το τυπικό βάθος ενός υπόγειου αποθετηρίου αποβλήτων).

Ξεκινά κανείς με την εξόρυξη του μεταλλεύματος ουρανίου. Το μετάλλευμα κονιορτοποιείται και αλέθεται σε λεπτή σκόνη. Τέλος υποβάλλεται σε χημική διαδικασία που επιτρέπει τον διαχωρισμό του ουρανίου από το μετάλλευμα. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνεται οξείδιο ουρανίου U₃O₈. Για να λειτουργήσει ένας πυρηνικός σταθμός που παράγει, ας πούμε, 1000 MW ηλεκτρικής ισχύος, χρειάζονται περίπου 200 τόνοι U₃O₈ ανά έτος.

Το επόμενο βήμα συνίσταται στον εμπλουτισμό του ουρανίου σε ²³⁵U. Η διαδικασία ξεκινά με τη μετατροπή του τριοξειδίου του ουρανίου σε αέριο εξαφθοριούχο ουράνιο (UF₆). Φυγόκεντροι υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιούνται για τον διαχωρισμό του αερίου σε δύο μέρη: η αφαίρεση ²³⁸U κάνει ένα ρεύμα εμπλουτισμένο σε ²³⁵U, ενώ ένα άλλο είναι φτωχό σε ²³⁵U. Το πρώτο θα χρησιμοποιηθεί για κατασκευή πυρηνικού καυσίμου, ενώ το τελευταίο, «εξαντλημένο ουράνιο», μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παράδειγμα σε μεταλλική μορφή ως πολύ αποτελεσματική ασπίδα κατά της γάμα ακτινοβολίας.

Μετά την καύση του καυσίμου σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, το αναλωμένο καύσιμο αποθηκεύεται και στη συνέχεια είτε επανεπεξεργάζεται για ανάκτηση σχάσιμων στοιχείων (²³⁵U και ²³⁹Pu) από αυτό, είτε ετοιμάζεται για μακροχρόνια αποθήκευση χωρίς επανεπεξεργασία.

Υπάρχει ισχυρό κίνητρο για τη μείωση, κατά παράγοντα 100 ή περισσότερο, του όγκου και της ραδιοτοξικότητας των Υψηλής Ενεργειακής Δραστηριότητας Αποβλήτων (HLW) που προορίζονται για αποθήκευση βαθιά κάτω από τη γη. Αποδεικνύεται ότι περίπου το 97% του αναλωμένου καυσίμου μπορεί να ανακυκλωθεί, ενώ το υπόλοιπο παραμένει ως εξαιρετικά ραδιενεργά πυρηνικά απόβλητα. Το ανακτημένο ουράνιο περιέχει περίπου 1% ²³⁵U μόνο (λεγόμενο «εξαντλημένο ουράνιο»). Εκτός από τη γεωλογική αποθήκευση, υπάρχει επίσης ενδιαφέρον για Τεχνολογίες Διαχωρισμού και Μετάλλαξης (P&T) που θα επέτρεπαν διαχωρισμό ακτινιδίων (ιδίως Pu), λεγόμενων δευτερευόντων ακτινιδίων (Np, Am και Cm) και ορισμένων προϊόντων σχάσης μεγάλης διάρκειας, μετατρέποντάς τα σε βραχύβια ή ακόμα και σταθερά προϊόντα.

Οδικές μεταφορές αναλωμένου πυρηνικού καυσίμου στην Ιαπωνία (Πηγή εικόνας: The Energy Library):

Αντίθετα με τη δημοφιλή πεποίθηση, η μεταφορά αναλωμένου καυσίμου δεν είναι επικίνδυνη. Σημειώνουμε ότι κατά τα τελευταία 40 χρόνια καταγράφηκαν περίπου 3000 μεταφορές αναλωμένου καυσίμου μόνο στις ΗΠΑ. Αυτό το καύσιμο μεταφέρθηκε με φορτηγά και τρένα σε συνολική απόσταση περίπου 2,5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων, χωρίς να συμβεί ούτε ένα ατύχημα. Επίσης στην Ευρώπη δεν συνέβησαν ατυχήματα κατά τη διάρκεια οποιασδήποτε μεταφοράς αναλωμένου καυσίμου. Η ασφάλεια είναι σε μεγάλο βαθμό εγγυημένη από βαριούς (~120 τόνους) χαλύβδινους περιέκτες που χρησιμοποιούνται κατά τη μεταφορά. Τα τυπικά τοιχώματα έχουν πάχος περίπου 50 εκ. - περίπου 15 φορές περισσότερο από ό,τι στην περίπτωση περιεκτών που χρησιμοποιούνται για μεταφορά βενζίνης. Για κάθε τόνο αναλωμένου καυσίμου χρησιμοποιείται συνήθως τρεις φορές περισσότερο υλικό για τον περιέκτη και τη βιολογική θωράκιση. Τέτοιοι περιέκτες είναι κατασκευασμένοι να αντέχουν πυρκαγιά 30 λεπτών και πτώση 9 μ. σε σκυρόδεμα. Κατασκευάζονται ακόμα ώστε να αντέχουν σύγκρουση με αεροπλάνο αντίδρασης! Σε κάθε περιέκτη δεν υπάρχουν ποτέ περισσότερα από 9-12 αναλωμένα στοιχεία καυσίμου. Πιο πρόσφατα, η κατασκευή των περιεκτών έχει αρχίσει να τροποποιείται ώστε να γίνουν ανθεκτικοί σε πιθανές τρομοκρατικές επιθέσεις.

Εκτός από τα πυρηνικά απόβλητα που παράγονται από πυρηνικούς αντιδραστήρες και στρατιωτικές δραστηριότητες, πυρηνικά απόβλητα παράγονται οπουδήποτε χρησιμοποιούνται πηγές πυρηνικής ακτινοβολίας. Προέρχονται από νοσοκομεία (με τμήματα πυρηνικής ιατρικής και ακτινοθεραπείας), από πανεπιστημιακή και βιομηχανική έρευνα, από βιομηχανική χρήση πηγών (για παράδειγμα στη βιομηχανία χαρτιού, σε ορυχεία ουρανίου και άνθρακα, ανιχνευτές καπνού κ.λπ.). Σε αντίθεση με το αναλωμένο καύσιμο, αυτά τα απόβλητα είναι εξ ολοκλήρου χαμηλής ή μεσαίας δραστηριότητας και κυρίως με λογικά σύντομες διάρκειες ζωής. Τέτοια απόβλητα συνήθως συμπυκνώνονται πριν τελικά αποθηκευτούν σε ειδικούς περιέκτες που αποτρέπουν τη διαρροή ραδιενεργού υλικού στο περιβάλλον.

Υπάρχουν ορισμένες πιθανές εναλλακτικές λύσεις στη μακροχρόνια αποθήκευση πυρηνικών αποβλήτων. Η μετάλλαξη είναι μια διαδικασία μετατροπής, μέσω σύλληψης νετρονίων, ενός μακρόβιου ραδιενεργού ισοτόπου σε άλλο που έχει μικρότερο χρόνο ημιζωής ή είναι πιθανόν ακόμα και σταθερό. Αντίθετα, η αποτέφρωση είναι μια διαδικασία στην οποία η σύλληψη νετρονίων οδηγεί στη σχηματισμό ενός ισοτόπου που αποσυντίθεται σε σταθερό στοιχείο μέσω σχάσης. Εκτεταμένη εργασία γίνεται για να γίνουν και οι δύο τύποι αντιδράσεων εμπορικά αποτελεσματικοί. Τα συστήματα που οδηγούνται από επιταχυντές και η έννοια του λεγόμενου ενεργειακού ενισχυτή μας δίνουν ελπίδα ότι τα πυρηνικά απόβλητα που έχουν συσσωρευτεί μέχρι τώρα και αυτά που θα παραχθούν θα μπορούσαν να μετατραπούν σε βραχύβια απόβλητα που είναι πιο εύκολο να αποθηκευτούν.