Σίγουρα έχετε ακούσει για πυρηνικές (ή ατομικές) βόμβες — ένα παράδειγμα στρατιωτικής χρήσης της πυρηνικής ενέργειας. Μια πυρηνική βόμβα είναι μια συσκευή που περιλαμβάνει μία ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση σχάσιμου υλικού. Αυτή η διαδικασία είναι εξαιρετικά γρήγορη, οπότε η ενέργεια συσσωρεύεται και η θερμοκρασία γίνεται εξαιρετικά υψηλή, φτάνοντας δεκάδες εκατομμύρια βαθμούς.

Little Boy (Πηγή εικόνας: US National Archives, RG 77-AEC, αποχαρακτηρίστηκε το 1960).

Η πίεση εντός του σχάσιμου υλικού σε τέτοια θερμοκρασία γίνεται τεράστια και η συσκευή εκρήγνυται. Για να συμβεί αυτό, η βόμβα πρέπει να περιέχει κρίσιμη μάζα (ακόμα και υπερκρίσιμη μάζα) σχάσιμου υλικού. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι όλο το υλικό σχίζεται. Η έκρηξη συμβαίνει πριν όλοι οι πυρήνες ²³⁵U έχουν την ευκαιρία να υποστούν σχάση — στη βόμβα που ρίχτηκε στη Χιροσίμα, για παράδειγμα, μόλις περίπου 2% των πυρήνων ουρανίου υπέστησαν σχάση. Αυτό ήταν αρκετό για να προκαλέσει τεράστια καταστροφή.

Η θανατηφόρα δύναμη τέτοιων βομβών εγείρει σημαντικά ηθικά ζητήματα σχετικά με την έρευνα και ανάπτυξη τέτοιων όπλων.

Η πιθανότητα τρομοκράτες να αποκτήσουν και να χρησιμοποιήσουν πυρηνικά όπλα είναι μια επείγουσα και δυνητικά καταστροφική πρόκληση για την παγκόσμια ασφάλεια. Τον Απρίλιο του 2010, η Σύνοδος Κορυφής για την Πυρηνική Ασφάλεια στην Ουάσινγκτον, D.C., επικεντρώθηκε στην απειλή της πυρηνικής τρομοκρατίας και οι συμμετέχοντες κατέληξαν σε συγκεκριμένες συμφωνίες, όπως η βελτίωση της ασφάλειας πυρηνικών υλικών και η μείωση της διαθεσιμότητας πλουτωνίου και ιδιαίτερα εμπλουτισμένου ουρανίου.

Η πυρηνική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολύ μικρές συσκευές όπως μπαταρίες. Στην εξερεύνηση των πλανητών και του διαστήματος χρειάζεται να διαθέτει κανείς ανθεκτικές και αποδοτικές μπαταρίες (στην πραγματικότητα, οι λεγόμενοι βηματοδότες που χρησιμοποιούνται από άτομα με σοβαρές καρδιακές παθήσεις τροφοδοτούνται επίσης από τέτοιες μπαταρίες). Ραδιενεργές πηγές ισχύος χρησιμοποιούνται για αυτόν τον σκοπό από το 1961.

Υπάρχουν δύο είδη τέτοιων πηγών ισχύος:

1) θερμοϊοντικοί ραδιοϊσοτοπικοί γεννήτριες ισχύος, στις οποίες η πυρηνική θερμότητα χρησιμοποιείται για τη δημιουργία διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ δύο μεταλλικών ηλεκτροδίων, και

2) RTG — ραδιοϊσοτοπικοί θερμοηλεκτρικοί γεννήτριες, στους οποίους η θερμότητα αποδιέγερσης π.χ. ²³⁸Pu (0,56 W/g) χρησιμοποιείται για τη θέρμανση μιας επαφής ημιαγωγού τύπου p-n (θερμοζεύγος)

Οι διαστημικές ανιχνευτές Voyager, η αποστολή Galileo στον Δία και η αποστολή Cassini στον Κρόνο τροφοδοτούνται όλες από RTG. Τα ρόβερ Άρη Spirit και Opportunity έχουν χρησιμοποιήσει ηλιακά πάνελ για ηλεκτρισμό και RTG για θέρμανση. Το ρόβερ Άρη Curiosity χρησιμοποιεί RTG για θέρμανση και ηλεκτρισμό, καθώς τα ηλιακά πάνελ από μόνα τους δεν θα μπορούσαν να παρέχουν αρκετό ηλεκτρισμό.

Μικροί πυρηνικοί αντιδραστήρες που χρησιμοποιούν θερμοηλεκτρικούς ή θερμοϊοντικούς μετατροπείς έχουν κατασκευαστεί και αναπτύσσονται για διάφορες εφαρμογές σε διαστημόπλοια, για παράδειγμα στην κίνησή τους.

Η χρήση πυρηνικού καυσίμου σε πυρηνικό αντιδραστήρα έχει ως αποτέλεσμα παραγωγή ενέργειας περίπου 100 εκατομμύρια (10⁸) φορές μεγαλύτερη από αυτή που προκύπτει από τη χρήση ισοδύναμης ποσότητας χημικών αντιδραστηρίων!

Δύο συστήματα κίνησης που χρησιμοποιούν πυρηνικούς αντιδραστήρες έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα. Το πρώτο, το λεγόμενο πυρηνικό θερμικό σύστημα κίνησης (εν συντομία NTR για Nuclear Thermal Rockets), συνίσταται στη θέρμανση προωθητικού υδρογόνου που αποθηκεύεται σε χαμηλές θερμοκρασίες σε υγρή μορφή. Το αέριο υδρογόνο σε περίπου 2500 °C εκτοξεύεται στη συνέχεια μέσω ακροφυσίου για να δώσει ώθηση. Το δεύτερο σύστημα, η πυρηνική-ηλεκτρική κίνηση (NEP), συνίσταται στη μετατροπή της πυρηνικής ενέργειας σε ηλεκτρική και στη συνέχεια στη χρήση αυτής της ηλεκτρικής ενέργειας για την τροφοδοσία κατάλληλης ηλεκτρομαγνητικής συσκευής που επιταχύνει ιόντα σε πολύ υψηλές ταχύτητες. Τα επιταχυνόμενα ιόντα, περνώντας μέσα από έναν εξουδετερωτή στο ακροφύσιο, παράγουν μια δέσμη ουδέτερων ατόμων που εξέρχεται από τον κινητήρα και παράγει ώθηση. Αυτό το είδος κίνησης χρησιμοποιήθηκε σε πολυάριθμες, κυρίως σοβιετικές, αποστολές σε τροχιά. Σίγουρα, ιδίως σε μακροπρόθεσμες αποστολές, η πυρηνική κίνηση είναι πλεονεκτικότερη από τη χημική.

Η χρήση πυρηνικής ενέργειας σε υποβρύχια και αεροσκάφη εξετάστηκε σχεδόν από την αρχή της ιστορίας των πυρηνικών αντιδραστήρων. Ο κίνδυνος που συνδέεται με τη χρήση πυρηνικών αντιδραστήρων σε αεροσκάφη δεν επέτρεψε την πραγματική ανάπτυξη της ιδέας ούτε σε αεροπλάνα επιβατικής ούτε στρατιωτικής χρήσης, παρόλο που η ιδέα αναπτύχθηκε, χρησιμοποιήθηκε και συνεχίζει να αναπτύσσεται στην κίνηση διαστημοπλοίων. Ωστόσο, η πυρηνική κίνηση χρησιμοποιείται πολύ επιτυχώς σε σύγχρονα πολεμικά ναυτικά και πολιτικά πλοία.

Το πρώτο αμερικανικό υποβρύχιο με πυρηνική κίνηση «Nautilus», η κατασκευή του οποίου ξεκίνησε ήδη από το 1946 και καθελκύσθηκε το 1954, ήταν το πρώτο που διέσχισε τον Βόρειο Πόλο κάτω από την αρκτική παγοσκεπή στις 23 Ιουλίου 1958. Ο πυρηνοκίνητος παγοθραυστής «Αρκτική» της πρώην Σοβιετικής Ένωσης ήταν το πρώτο πλοίο επιφανείας που έφτασε στον Βόρειο Πόλο στις 17 Αυγούστου 1977. Οι ΗΠΑ κατασκεύασαν επίσης αεροπλανοφόρα. Το πρώτο, το USS Enterprise, καθελκύσθηκε το 1960. Το πρώτο φορτηγό πλοίο, NS Savannah, καθελκύσθηκε στις ΗΠΑ το 1959. Η Ιαπωνία καθέλκυσε το εμπορικό πλοίο Mutsu το 1962.

Οι αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται σε ναυτικές εφαρμογές είναι τύπου PWR. Όλα τα ρωσικά υποβρύχια και όλα τα πλοία επιφανείας τροφοδοτούνται από δύο αντιδραστήρες. Επομένως, είναι σημαντικό αυτοί οι αντιδραστήρες να είναι όσο το δυνατόν πιο συμπαγείς. Αρχικά, αυτό επιτυγχανόταν με τη χρήση ιδιαίτερα εμπλουτισμένου πυρηνικού καυσίμου: συγκεντρώσεις ²³⁵U 90%. Πρόσφατα, ωστόσο, βαθμοί εμπλουτισμού περίπου 20-25% στους αμερικανικούς πυρήνες αντιδραστήρων και περίπου 50% στους ρωσικούς είναι πιο συνηθισμένοι.

Με την πρώτη ματιά θα φαινόταν φυσικό να επιθυμεί κανείς να τροφοδοτεί αυτοκίνητα μέσω πυρηνικής ενέργειας. Συγκεκριμένα, η μηχανή θα μπορούσε να λειτουργεί για πολλά χρόνια χωρίς την ανάγκη αλλαγής των στοιχείων καυσίμου. Ωστόσο, η πηγή ενέργειας — ένας μικρός πυρηνικός αντιδραστήρας ουσιαστικά — θα παρήγε νετρόνια που αποτελούν ιδιαίτερα διαπεραστική ιοντίζουσα ακτινοβολία. Αυτή η ακτινοβολία θα ήταν επιβλαβής για όλους μέσα στο αυτοκίνητο και ακόμα και για τους πεζούς γύρω από το αυτοκίνητο. Για να μην εκτίθεται ο οδηγός και οι επιβάτες σε ακτινοβολία νετρονίων, η βιολογική θωράκιση του πυρήνα θα έπρεπε να είναι πολύ ογκώδης και πολύ βαριά — κάτι που δεν ταιριάζει με την τρέχουσα ιδέα μας για ένα χρήσιμο επιβατικό αυτοκίνητο.

Ωστόσο, ακόμα και αν κατάφερνε κανείς να κατασκευάσει ένα ασφαλές αυτοκίνητο χρησιμοποιώντας π.χ. αποτελεσματικούς θερμοηλεκτρικούς μετατροπείς, θα παρέμενε το πρόβλημα του ελέγχου των ραδιενεργών υλικών.

Το Ford Nucleon ήταν ένα πρότυπο αυτοκίνητο concept που αναπτύχθηκε από την Ford Motor Company το 1958 ως ιδέα για το πώς θα μπορούσε να μοιάζει ένα πυρηνοκίνητο αυτοκίνητο. Ο σχεδιασμός δεν περιελάμβανε κινητήρα εσωτερικής καύσης· αντίθετα, το όχημα επρόκειτο να τροφοδοτείται από έναν μικρό πυρηνικό αντιδραστήρα στο πίσω μέρος του, βασισμένο στην υπόθεση ότι αυτό θα ήταν κάποτε εφικτό λόγω της συρρίκνωσης των μεγεθών. Το αυτοκίνητο επρόκειτο να χρησιμοποιεί ατμομηχανή που τροφοδοτείται από σχάση ουρανίου, παρόμοια με τον τρόπο λειτουργίας των πυρηνικών υποβρυχίων.

Το υδρογόνο παίζει αυξανόμενο ρόλο στη χημεία, στη γεωργία (παραγωγή αζωτούχων λιπασμάτων), στη βιομηχανία πετρελαίου και ως δυνητική πηγή ενέργειας, δηλαδή ως καύσιμο. Θα ανέμενε κανείς ότι μεταξύ των ποικίλων δυνατών εφαρμογών του υδρογόνου, η χρήση του σε κυψέλες καυσίμου θα γινόταν η πιο δημοφιλής. Υπό το φως του αυξανόμενου ενδιαφέροντος για το υδρογόνο, υπάρχουν εκτιμήσεις ότι η ενέργεια που χρειάζεται για την παραγωγή του μπορεί σύντομα να είναι τόσο μεγάλη όσο η τρέχουσα παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Υπάρχει επομένως μεγάλο ενδιαφέρον για αποδοτικές πηγές ενέργειας που μπορούν να παράγουν υδρογόνο, και εδώ η χρήση πυρηνικών αντιδραστήρων θα μπορούσε να είναι ζωτικής σημασίας. Οι αντιδραστήρες μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια για την εκτέλεση ηλεκτρόλυσης νερού. Η πυρηνική θερμική ενέργεια μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου από φυσικό αέριο και σε θερμοχημικές διεργασίες από νερό. Σε αντίθεση με τη χημική διεργασία κατά την οποία ο ατμός αναμορφώνει το φυσικό αέριο, οι θερμοχημικές αντιδράσεις έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν παράγεται διοξείδιο του άνθρακα. Επειδή και στις δύο περιπτώσεις απαιτούνται σχετικά υψηλές θερμοκρασίες (1000–1300 K), αντιδραστήρες υψηλής θερμοκρασίας είναι πιθανό να χρησιμοποιηθούν για αυτόν τον σκοπό. Ενώ λειτουργούν ως κανονικά πυρηνικά εργοστάσια παρέχοντας ηλεκτρισμό στο δίκτυο κατά τη διάρκεια της ημέρας, τέτοιοι αντιδραστήρες θα μπορούσαν να παράγουν υδρογόνο κατά τη διάρκεια της νύχτας, προετοιμάζοντας την παράδοση υδρογόνου για την επόμενη μέρα.

Η πυρηνική ενέργεια χρησιμοποιείται ήδη για την αφαλάτωση νερού — ένα πρόβλημα εξαιρετικής σημασίας για μεγάλο μέρος του κόσμου που υποφέρει από έλλειψη πόσιμου νερού, ένα ιδιαίτερα σοβαρό πρόβλημα στην Ασία και τη Βόρεια Αφρική. Τέτοιοι αντιδραστήρες μπορούν επιπλέον να παράγουν ηλεκτρισμό, δηλαδή να λειτουργούν ως μικρά πυρηνικά εργοστάσια. Παράδειγμα πυρηνικού αντιδραστήρα που παράγει τόσο ηλεκτρισμό όσο και αφαλατωμένο νερό είναι ο γρήγορος αντιδραστήρας BN-350 στο Aktau του Καζακστάν. Η Ιαπωνία, η Ρωσία και ο Καναδάς έχουν όλες εμπειρία με πυρηνικούς αντιδραστήρες που χρησιμοποιούνται στην αφαλάτωση νερού και η Διεθνής Υπηρεσία Ατομικής Ενέργειας (ΔΥΑΕ) προωθεί έντονα αυτή τη χρήση πυρηνικής ενέργειας. Η ιδέα είναι να χρησιμοποιούνται τα πυρηνικά εργοστάσια για την παραγωγή ηλεκτρισμού για το δίκτυο κατά τις περιόδους μεγαλύτερης ζήτησης, και όταν η ζήτηση μειωθεί, να χρησιμοποιείται μέρος του παραγόμενου ηλεκτρισμού για σκοπούς αφαλάτωσης. Έργα αναπτύσσονται στην Ινδία, Κίνα, Ρωσία, Πακιστάν, Τυνησία, Μαρόκο, Αίγυπτο, Αλγερία, Ιράν, Νότια Κορέα, Ινδονησία και Αργεντινή.

Τα νετρόνια είναι σωματίδια μεγάλου επιστημονικού ενδιαφέροντος. Μπορεί να μην έχουν φορτίο, αλλά συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες: λέμε ότι έχουν μαγνητική ροπή. Τα ελεύθερα νετρόνια αποδιεγείρονται σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο με χρόνο ημιζωής 10,25 λεπτά, οπότε τα νετρόνια που παράγονται στον Ήλιο δεν έχουν καμία πιθανότητα να φτάσουν στον πλανήτη μας. Παρόλο που υποτίθεται ότι δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, οι φυσικοί αναζητούν ακόμα ένα μικροσκοπικό φορτίο· η ανακάλυψη ενός τέτοιου φορτίου θα ήταν πρωτοσέλιδο. Μέχρι τώρα αποδείχθηκε ότι το φορτίο πρέπει να είναι μικρότερο από 10^-21 στοιχειώδη φορτία! Αλλά γνωρίζουμε ότι υπάρχουν θετικά και αρνητικά φορτία μέσα σε ένα νετρόνιο και αυτό μας κάνει να αναρωτιόμαστε αν σχηματίζουν ένα λεγόμενο ηλεκτρικό δίπολο με θετικά και αρνητικά φορτία χωρισμένα από μικρή απόσταση. Μέχρι τώρα αποδείχθηκε πειραματικά ότι ένας τέτοιος χωρισμός πρέπει να είναι μικρότερος από 10^-26 cm, μαρτυρώντας την ακρίβεια των τρεχόντων πειραμάτων.

Για να γίνουν τέτοιες μελέτες χρειάζεται κανείς πολλά νετρόνια και οι πυρηνικοί αντιδραστήρες είναι εξαιρετικά χρήσιμοι καθώς αποτελούν γιγαντιαία εργοστάσια νετρονίων. Οι αντιδραστήρες που σχεδιάστηκαν για την παραγωγή νετρονίων για πειράματα ονομάζονται αντιδραστήρες έρευνας. Υπάρχουν πολυάριθμες εφαρμογές ερευνητικών αντιδραστήρων στην επιστήμη, την ιατρική και την τεχνολογία.

TRIGA Ερευνητικός Αντιδραστήρας στο AERE, στο Μπαγκλαντές (Πίστωση εικόνας: ΙΑΕΑ).

Οι πιο δημοφιλείς πηγές νετρονίων για έρευνα είναι σταθεροί αντιδραστήρες που παράγουν νετρόνια συνεχώς. Στους περισσότερους από αυτούς ο πυρήνας του αντιδραστήρα είναι βυθισμένος σε δεξαμενή νερού. Το νερό αποτελεί μέρος του συστήματος ψύξης, χρησιμεύει ως βιολογική θωράκιση και αποτελεί επίσης μέρος του επιβραδυντή νετρονίων. Όλα τα πυρηνικά εργοστάσια χρησιμοποιούν σταθερούς αντιδραστήρες.

Υπάρχουν επίσης παλμικές πηγές νετρονίων που παράγουν περιοδικές εκρήξεις νετρονίων. Μερικές από αυτές χρησιμοποιούν αντίδραση αποσπαστικής αποσύνθεσης αντί σχάσης.

Μια διαδικασία που σήμερα απαιτεί μεγάλη δεξιοτεχνία συνέβη στην πραγματικότητα αυθόρμητα στη φύση περίπου δύο δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Στο ορυχείο ουρανίου Oklo στη Γκαμπόν, Δυτική Αφρική, ανακαλύφθηκε μια συγκλονιστική ανακάλυψη τον Ιούνιο του 1972. Ανακαλύφθηκε ότι η περιεκτικότητα σε ²³⁵U στο μετάλλευμα ουρανίου ήταν σημαντικά μικρότερη από το 0,72% που βρίσκεται παντού αλλού. Πώς μπορούσε να συμβεί αυτό;

Δεδομένου ότι το ²³⁵U έχει μικρότερο χρόνο ημιζωής από το ²³⁸U, η σχετική αφθονία του ²³⁵U στο Ουράνιο 2 δισεκατομμύρια χρόνια πριν θα πρέπει να ήταν στο επίπεδο του 3-4% αντί του τυπικού 0,72%. Αλλά ένας εμπλουτισμός 3-4% ουρανίου σε ²³⁵U είναι αρκετά τυπικός για τους σημερινούς αντιδραστήρες ισχύος. Οι υδρογεωλογικές συνθήκες γύρω από το εμπλουτισμένο μετάλλευμα ουρανίου ήταν ευνοϊκές για αλυσιδωτή αντίδραση. Το νερό είναι καλός επιβραδυντής νετρονίων και μπορεί να χρησιμεύσει επίσης ως ανακλαστήρας. Ο «αντιδραστήρας» μπορούσε να λειτουργεί όταν υπήρχε νερό. Όταν εξατμιζόταν το νερό, ο αντιδραστήρας σταματούσε, μέχρι να είναι διαθέσιμο και πάλι φρέσκο νερό κοντά στο μετάλλευμα ουρανίου. Το μετάλλευμα έγινε σταθερά φτωχότερο σε ²³⁵U, έτσι ώστε αυτό που ανακαλύφθηκε το 1972 ήταν ²³⁵U που είχε εξαντληθεί από αυτόν τον φυσικό «αντιδραστήρα» σχάσης.

Υπολογίζεται ότι αυτοί οι φυσικοί αντιδραστήρες (17 απολιθωμένοι αντιδραστήρες ανακαλύφθηκαν μέχρι τώρα στο Oklo) λειτούργησαν για περίπου 1 εκατομμύριο χρόνια. Οι μελέτες έχουν δείξει ότι οι αντιδραστήρες του Oklo παρήγαγαν επίσης ²³⁹Pu που αποδιεγέρθηκε (μέσω άλφα αποδιέγερσης) σε ²³⁵U, οπότε ήταν φυσικοί αναπαραγωγικοί αντιδραστήρες! Το Oklo ήταν ένα δώρο για την ανθρωπότητα, επειδή μελέτες για το πώς τα μακρόβια τμήματα σχάσης του Oklo διαχέονται μέσα από το έδαφος μας επιτρέπουν να εκτιμήσουμε την αποτελεσματικότητα υπόγειων αποθηκευτικών χώρων πυρηνικών αποβλήτων που κατασκευάζονται σήμερα.