Ανακύκλωση πυρηνικών αποβλήτων:Γιατί δεν μπορούν τα ραδιενεργά απόβλητα να επαναχρησιμοποιηθούν;

Ανάλογα με τον τύπο ραδιενεργών «απόβλητων» για τα οποία μιλάτε, μπορούν είτε να επαναχρησιμοποιηθούν/ανακυκλωθούν είτε να απορριφθούν με ασφάλεια. Υπάρχουν πολλές κοινές παρανοήσεις σχετικά με τα πυρηνικά απόβλητα, αλλά μπορεί να είναι το κλειδί για ένα πράσινο και βιώσιμο μέλλον.

Κάποια στιγμή τις τελευταίες δεκαετίες, σχεδόν σίγουρα έχετε δει μια ταινία δράσης με πλοκή που βασίζεται σε μια τρομοκρατική συνωμοσία για να πυροδοτήσει μια βρώμικη βόμβα ή κάποιο άλλο είδος πυρηνικού μηχανισμού, αλλά η πόλη συνήθως σώζεται στο τέλος στιγμή από τον ήρωα της ταινίας. Σε ορισμένες από αυτές τις ταινίες, το ραδιενεργό υλικό που χρησιμοποιήθηκε στη βόμβα κλάπηκε από μια κρατική εγκατάσταση και μπορεί ακόμη και να είναι μια μορφή πυρηνικών αποβλήτων!

Το Χόλιγουντ απέχει πολύ από την πραγματική ζωή, αλλά πραγματικά υπάρχει τεράστια ποσότητα πυρηνικών αποβλήτων που αποθηκεύονται σε διάφορα μέρη σε όλο τον κόσμο και οι κυβερνήσεις ξοδεύουν πολύ χρόνο και ενέργεια για να διατηρούν αυτές τις τοποθεσίες προστατευμένες και περιορισμένες. Αντί να αποθηκεύονται χιλιάδες τόνοι πυρηνικών αποβλήτων, μια προφανής λύση θα ήταν η ανακύκλωσή τους με κάποιο τρόπο, αλλά είναι κι αυτό εφικτό; Είναι τα πυρηνικά απόβλητα ικανά να ανακυκλωθούν ή να εξουδετερωθούν και αν ναι, γιατί δεν είναι αυτή η διαδικασία λειτουργίας για κάθε πυρηνικό έθνος στη Γη;

Τι είναι τα πυρηνικά απόβλητα;

Τα πυρηνικά απόβλητα είναι ένας ευρύς όρος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει πολλά πράγματα, συμπεριλαμβανομένων υλικών που έχουν μολυνθεί από ακτινοβολία, όπως το δομικό υλικό των κτιρίων που περιβάλλουν το Τσερνομπίλ ή υποπροϊόντα ορισμένων ιατρικών και ερευνητικών εργασιών. Σε ιατρεία και νοσοκομεία, θα δείτε συχνά προειδοποιητικές πινακίδες σε ορισμένους κάδους απόρριψης με το σύμβολο για ραδιενεργά απόβλητα. Αυτό το είδος απορριμμάτων μπορεί συνήθως να αποτεφρωθεί ή να συμπιεστεί και στη συνέχεια να ταφεί. Ωστόσο, για τους σκοπούς αυτού του άρθρου, θα συζητήσουμε την πιο κοινή και αμφιλεγόμενη μορφή πυρηνικών αποβλήτων—αναλωθέν πυρηνικό καύσιμο, που παράγεται μετά τη χρήση πυρηνικού καυσίμου σε αντιδραστήρα για παραγωγή ενέργειας ή μέσω άλλων πυρηνικών τεχνολογιών.

Τόπος πυρηνικής καταστροφής στο Τσερνόμπιλ (Προσφορά φωτογραφίας:Pixabay)

Όταν οι περισσότεροι άνθρωποι σκέφτονται τα πυρηνικά απόβλητα, φαντάζονται μια λίμνη λαμπερής πράσινης λάσπης που διαρρέει από μια ρωγμή σε ένα κατεστραμμένο βαρέλι, αλλά να θυμάστε ότι η πραγματική ζωή δεν είναι τόσο συναρπαστική όσο το Χόλιγουντ. Το πυρηνικό καύσιμο τυπικά λαμβάνει μια τυπική μορφή συγκροτημάτων καυσίμου. είναι σφραγισμένοι μεταλλικοί σωλήνες που είναι γεμάτοι με σφαιρίδια ουρανίου (καυσίμου). Όταν αυτό το καύσιμο "εξαντλείται", βγαίνει με την ίδια σχεδόν μορφή, ακόμα ως στερεό σε σφραγισμένους μεταλλικούς σωλήνες, που περιέχει το ραδιενεργό υλικό.

Αυτό ονομάζεται απόβλητο «υψηλού επιπέδου», καθώς εξακολουθεί να περιέχει πολύ υψηλές συγκεντρώσεις ακτινοβολίας, παρά το γεγονός ότι έχει περάσει συχνά 3-5 χρόνια για την παραγωγή ενέργειας σε έναν αντιδραστήρα. Αυτά τα μη ανακυκλωμένα απόβλητα υψηλής ραδιενέργειας πρέπει να αποθηκεύονται σε ασφαλή και μόνιμη αποθήκη, καθώς μπορούν να παραμείνουν ραδιενεργά για εκατοντάδες χιλιάδες, αν όχι εκατομμύρια χρόνια . Εκτός από αυτά τα πυρηνικά απόβλητα υψηλής ραδιενέργειας, υπάρχουν επίσης υποπροϊόντα πυρηνικών αποβλήτων χαμηλής ραδιενέργειας που παράγονται από τέτοιους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, τα οποία πρέπει επίσης να χειρίζονται, να μεταφέρονται και να αποθηκεύονται με ασφάλεια. Ο χρόνος ημιζωής αυτών των απορριμμάτων χαμηλής στάθμης είναι πολύ χαμηλότερος και μπορεί να εξουδετερωθεί πλήρως μέσα σε λίγες δεκαετίες.

Το σοκαριστικό είναι ότι οι περισσότεροι αντιδραστήρες εξάγουν μόνο ένα μικρό ποσοστό της δυνητικής ενέργειας από το πυρηνικό καύσιμο προτού θεωρηθεί «πυρηνικό απόβλητο» και αντικατασταθεί με φρέσκο ​​καύσιμο μέγιστης απόδοσης. Δεδομένου ότι το ουράνιο και άλλα ραδιενεργά στοιχεία είναι πεπερασμένοι πόροι στον πλανήτη μας και λαμβάνοντας υπόψη τους μακροπρόθεσμους κινδύνους που θέτουν τα μη ανακυκλωμένα πυρηνικά απόβλητα στις μελλοντικές γενιές (π.χ. ατυχήματα σε χώρους διάθεσης ή κατά τη μεταφορά, διαρροή, σεισμική δραστηριότητα, κλοπή και τρομοκρατία , κ.λπ.), θα ήταν πολύ χρήσιμο αν μπορούσαμε με κάποιο τρόπο να ανακυκλώνουμε ή να επαναχρησιμοποιούμε τα απόβλητα.

Μπορούν τα πυρηνικά απόβλητα να ανακυκλωθούν;

Σε αντίθεση με ό,τι πιστεύετε εάν διαβάζετε αυτό το άρθρο ως πολίτης των Ηνωμένων Πολιτειών, ταπυρηνικά απόβλητα μπορούν να ανακυκλωθούν. Στην πραγματικότητα, μεγάλες πυρηνικές χώρες όπως η Γαλλία και η Ιαπωνία ανακυκλώνουν τακτικά τα πυρηνικά τους απόβλητα, επιτρέποντάς τους να αξιοποιήσουν στο έπακρο τους πόρους τους. Αυτό ελαχιστοποιεί επίσης τον όγκο των δυνητικά τοξικών αποβλήτων που πρέπει να αποθηκεύσουν για τις επόμενες χιλιετίες. Προτού μπορέσουμε να μπούμε σε λεπτομέρειες σχετικά με τον τρόπο ανακύκλωσης των πυρηνικών αποβλήτων, ας ρίξουμε μια γρήγορη ματιά στον τρόπο με τον οποίο δαπανώνται τα πυρηνικά καύσιμα. πιο συγκεκριμένα, ας δούμε τον μετασχηματισμό που συμβαίνει στο πυρηνικό υλικό.

Περίπου το 11% της παγκόσμιας ενέργειας προέρχεται από πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας και κάθε χρόνο κατασκευάζονται περισσότερα. Όλοι οι πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούν πυρηνική σχάση για την παραγωγή ενέργειας, και το ουράνιο είναι το πιο κοινό ραδιενεργό στοιχείο που χρησιμοποιείται για αυτή τη διαδικασία. Το φυσικό ουράνιο που βρίσκεται στον φλοιό της Γης είναι ένα μείγμα ελαφρώς διαφορετικών μορφών—γνωστών ως ισότοπων—συμπεριλαμβανομένων των U-238, U-235 και U-234. Αυτά τα ισότοπα διαφέρουν ως προς τον αριθμό των νετρονίων που βρίσκονται στον πυρήνα. Το U-235 είναι ένα ιδιαίτερα ειδικό ισότοπο, καθώς είναι το μόνο φυσικό υλικό στη Γη που είναι σχάσιμο , που σημαίνει ότι μπορεί εύκολα να χωριστεί για να απελευθερώσει μεγάλες ποσότητες ενέργειας.

Πυρηνική σχάση (Φωτογραφία:OSweetNature/Shutterstock)

Όταν εξορύσσεται φυσικό ουράνιο, συνήθως εμπλουτίζεται, γεγονός που αυξάνει τη συγκέντρωση της U-235 από περίπου 0,7% της σύνθεσης του ουρανίου σε 3-5%. Ουράνιο χαμηλού εμπλουτισμού κυμαίνεται από 1-5% U-235, ουράνιο υψηλού εμπλουτισμού έως 20% και ουράνιο οπλικής ποιότητας έως 90% U-235!

Όταν εμπλουτισμένο ουράνιο εισάγεται στον πυρηνικό αντιδραστήρα, ξεκινά μια ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση. Φανταστείτε ότι ένα νετρόνιο συνθλίβεται σε έναν πυρήνα ουρανίου, προκαλώντας τη διάσπασή του, που εκτοξεύει ακόμη περισσότερα νετρόνια. Αυτά τα διάσπαρτα νετρόνια συνεχίζουν να διασπούν άλλους ατομικούς πυρήνες, προκαλώντας έτσι την αλυσιδωτή αντίδραση. Κάθε φορά που ένα άτομο χωρίζεται, απελευθερώνει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας και θερμότητας, η οποία χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ατμού που κινεί τους στρόβιλους, παράγοντας έτσι ενέργεια!

Τώρα, μόλις εξαντληθεί το U-235, υπάρχει ακόμα μεγάλη ποσότητα U-238 στο πυρηνικό καύσιμο, αλλά είναι ασθενώς ραδιενεργό σε σύγκριση με τα άλλα ισότοπά του. Στο παρελθόν, αυτό το καύσιμο θεωρούνταν πλέον «πυρηνικά απόβλητα» και έπρεπε να αντιμετωπιστεί, αλλά το U-238 είναι ένα πολύ «γόνιμο» ισότοπο, που σημαίνει ότι καλωσορίζει τα νετρόνια στον πυρήνα του, οπότε γίνεται U-239 (92 πρωτόνια, 147 νετρόνια). Ωστόσο, χάρη στη διάσπαση βήτα σε ραδιενεργά ισότοπα, αυτό το επιπλέον νετρόνιο θα χωριστεί σε ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, και έτσι θα γίνει Ποσειδώνιο-239 (93 πρωτόνια, 146 νετρόνια). Μέσα σε δύο ημέρες, θα συμβεί άλλη μια διάσπαση βήτα, με αποτέλεσμα το Pu-239, ένα ισότοπο πλουτωνίου (94 πρωτόνια και 145 νετρόνια).

Είτε το πιστεύετε είτε όχι, το Pu-239 είναι ένα άλλο σχάσιμο ισότοπο, αν και όχι φυσικά. Αυτό το πλουτώνιο-239 συμπεριφέρεται με παρόμοιο τρόπο με το U-235 και μπορεί να ανακυκλωθεί στη διαδικασία παραγωγής ενέργειας του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής, αντί να απορριφθεί μαζί με τα άλλα απόβλητα, δηλαδή τα προϊόντα σχάσης.

Ο κύκλος καυσίμου είναι η διαδρομή που ακολουθεί το πυρηνικό καύσιμο καθώς κινείται μέσα από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. Ένας κύκλος καυσίμου που διαρκεί μία φορά αποτελείται από το πυρηνικό καύσιμο (ουράνιο) που χρησιμοποιείται μία φορά και στη συνέχεια όλο το εξαντλημένο ουράνιο —συμπεριλαμβανομένης μεγάλης ποσότητας U-238, πλουτωνίου και προϊόντων σχάσης— αποθηκεύεται ως απόβλητο. Σε έναν κλειστό κύκλο καυσίμου , μια μονάδα ανακύκλωσης διαχωρίζει τα προϊόντα σχάσης από τα χρησιμοποιήσιμα προϊόντα ουρανίου και πλουτωνίου. Το χρησιμοποιήσιμο καύσιμο στις διάφορες μορφές του εμπλουτίζεται εκ νέου (στην περίπτωση του ουρανίου) και επανατοποθετείται στον πυρηνικό αντιδραστήρα για περαιτέρω παραγωγή ενέργειας. Μόνο τα προϊόντα σχάσης αποστέλλονται σε μεσοπρόθεσμη αποθήκευση ως απόβλητα.

Τέλος, σε έναν κύκλο καυσίμου εκτροφής, Αυτοί οι «γρήγοροι» αντιδραστήρες έχουν επιπλέον νετρόνια που πετούν στο εσωτερικό τους και είναι σε θέση να αντλούν την περισσότερη ενέργεια από τους πόρους καυσίμου ουρανίου. Ο αντιδραστήρας αναπαραγωγής μπορεί να παράγει περισσότερα σχάσιμα προϊόντα από αυτά που μπορεί να χρησιμοποιήσει στην πραγματικότητα, τα οποία μπορούν στη συνέχεια να σταλούν σε μια μονάδα ανακύκλωσης και στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν σε κανονικούς αντιδραστήρες για μέγιστη απόδοση πόρων. Το κόστος και η υποδομή των αντιδραστήρων αναπαραγωγής είναι υψηλά και η τεχνογνωσία και η εμπειρία σε αυτόν τον τομέα είναι χαμηλή, αλλά δημιουργεί τη μικρότερη ποσότητα πυρηνικών αποβλήτων και μπορεί νόμιμα να θεωρηθεί βιώσιμη μορφή πυρηνικής ενέργειας.

Εμπόδια στην ανακύκλωση πυρηνικών αποβλήτων

Σαφώς, υπάρχουν επιλογές για την ανακύκλωση πυρηνικών αποβλήτων και τη μείωση της ανάγκης για επικίνδυνες τεχνικές αποθήκευσης, επομένως τι εμποδίζει τις χώρες να επενδύσουν πλήρως σε αυτόν τον τύπο βιώσιμης τεχνολογίας;

Όπως συμβαίνει με κάθε οδό παραγωγής ενέργειας, το κόστος που προκύπτει από την πυρηνική ανακύκλωση είναι υψηλό και στο παρελθόν, η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την ανακύκλωση του καυσίμου ήταν μεγαλύτερη από την παραγόμενη ενέργεια. Ωστόσο, η ανακύκλωση των πυρηνικών αποβλήτων έχει γίνει πολύ πιο αποτελεσματική και οι νέες τεχνικές την καθιστούν πιο βιώσιμη συνεχώς. Οι Ηνωμένες Πολιτείες εξακολουθούν να αρνούνται να ανακυκλώσουν τα πυρηνικά τους απόβλητα υψηλής ραδιενέργειας και έχουν περισσότερους από 70.000 τόνους πυρηνικών αποβλήτων αποθηκευμένους σε διάφορους πυρηνικούς σταθμούς σε όλη τη χώρα.

Η απαγόρευση της Αμερικής για την ανακύκλωση αναλωμένων καυσίμων, η οποία θεσπίστηκε το 1977, εξακολουθεί να ισχύει και εμποδίζει τη χώρα να είναι πραγματικός ηγέτης στη βιώσιμη ενεργειακή ανεξαρτησία. Ένας λόγος για αυτό είναι ο φόβος ότι τρομοκράτες ή κακοπιστίες θα επιχειρήσουν να κλέψουν ανακυκλωμένα πυρηνικά απόβλητα ή να φτιάξουν δικά τους, για απαίσιους σκοπούς. Μέχρι σήμερα, κανένα αναλωμένο πυρηνικό καύσιμο δεν έχει επαναχρησιμοποιηθεί ή πολλαπλασιαστεί μέσω της ανακύκλωσης πυρηνικών καυσίμων. Αυτή η ενσωματωμένη ασφάλεια οφείλεται στα υψηλά επίπεδα επίβλεψης και ασφάλειας, καθώς και στο κόστος και την τεχνική αυστηρότητα που απαιτείται για τη διαδικασία.

Άλλες χώρες, όπως η Γαλλία, η Ιαπωνία, το Βέλγιο, η Γερμανία, η Ελβετία και η Ρωσία, έχουν υιοθετήσει μια πιο προοδευτική στάση και ανακυκλώνουν τακτικά τα πυρηνικά τους απόβλητα (μέσω των εναλλακτικών κύκλων καυσίμων που εξηγούνται παραπάνω). Ενώ το κόστος και η οργάνωση της υποδομής για την ανακύκλωση πυρηνικών αποβλήτων είναι υψηλά, ο μετριασμός της ανάγκης για μακροπρόθεσμες αποθήκες αποθήκευσης και η αποτροπή της εξάντλησης των πόρων ουρανίου αξίζει τον συμβιβασμό. Καθώς το κόστος της αποθήκευσης πυρηνικών αποβλήτων συνεχίζει να αυξάνεται, η ανακύκλωση αναλωμένου καυσίμου θα γίνει αναγκαιότητα για τα πυρηνικά έθνη του κόσμου.

Μια τελευταία λέξη

Η πυρηνική ενέργεια είναι θεωρητικά μια από τις πιο βιώσιμες και χαμηλές επιλογές για την παραγωγή ενέργειας. Τα πυρηνικά απόβλητα που παράγονται σε αυτή τη διαδικασία ήταν πρόβλημα στο παρελθόν, αλλά τώρα υπάρχουν πολλαπλές επιλογές για ανακύκλωση και επαναχρησιμοποίηση. Απαιτούνται προηγμένες εγκαταστάσεις και εργάτες υψηλής ειδίκευσης, αλλά αυτό που χρειάζεται περισσότερο είναι η προθυμία των πυρηνικών χωρών να επενδύσουν πλήρως στην υποδομή ανακύκλωσης και να μειώσουν την ανάγκη για μακροπρόθεσμες αποθήκες απορριμμάτων υψηλού επιπέδου που θα παραμείνουν πιθανή απειλή για εκατοντάδες χιλιάδες ετών.