Εισαγωγή στην Πυρηνική Τεχνολογία

Πρόλογος 2ης έκδοσης

Το ανά χείρας βιβλίο καλύπτει σχεδόν το σύνολο του εύρους της πυρηνικής τεχνολογίας, χωρίς όμως να ασχολείται με τη σύντηξη.
Η διδακτική εμπειρία των είκοσι ετών, που έχουν παρέλθει από την πρώτη έκδοση (1984), οδήγησε σε νέο σχεδιασμό μεγάλου μέρους του περιεχόμενου του βιβλίου. Οι στόχοι του νέου σχεδιασμού είναι:

• να καταστεί ευκολότερη, για το σπουδαστή, η κατανόηση δύσκολων εννοιών και μεθοδολογιών,
• ο εκσυγχρονισμός ορισμένων γνωστικών αντικειμένων και
• η προσθήκη θεμάτων πιο πρόσφατου επιστημονικού ενδιαφέροντος.

Οι σημαντικότερες αλλαγές και προσθήκες είναι οι εξής:
Η επιβράδυνση νετρονίων με ελαστικές σκεδάσεις (κεφάλαιο 2.8) παρουσιάζεται τώρα με απλούστερο τρόπο. Η αυστηρή μαθηματική διατύπωση της κινητικής των ελαστικών σκεδάσεων παρουσιάζεται, για όποιον ενδιαφέρεται, στο παράρτημα Ι.
Οι αλληλεπιδράσεις ύλης και ακτινοβολιών (κεφάλαιο 2.10), η ανίχνευση και μέτρηση ακτινοβολιών (κεφάλαιο 2.11), τα φάσματα ραδιενεργών διασπάσεων (κεφάλαιο 2.12) και οι εφαρμογές (κεφάλαιο 2.13), αναπτύσσονται με εντελώς νέο τρόπο. Ιδιαίτερα, όσο αφορά το θέμα της ανίχνευσης και μέτρησης των ακτινοβολιών, επιδιώχθηκε η προσέγγιση πλήρους παρουσίασης, σε μεγάλη έκταση, λόγω του πρακτικού ενδιαφέροντος, που έχει σε μεγάλο εύρος σύγχρονων επιστημονικών, βιομηχανικών, ιατρικών κ.ά. εφαρμογών, στη χώρα μας. Για τους ίδιους λόγους προστέθηκε το παράρτημα ΙΙ (μετρούμενα φάσματα γ).
Η θεωρία διάχυσης νετρονίων (ενότητα 4) αναδιατυπώθηκε, με απλή εισαγωγή των εννοιών, των εξισώσεων, των μεθοδολογιών επίλυσής των και των ορίων αξιοπιστίας του μοντέλου διάχυσης. Η ενότητα 4 αρκεί για την κατανόηση της θεωρίας αντιδραστήρων, η οποία ακολουθεί. Η σχετικά δύσκολη, αυστηρή μαθηματική διατύπωση της εξίσωσης μεταφοράς (εξίσωση Βoltzman) και της μετάβασης από αυτήν στην εξίσωση διάχυσης, παρατίθεται στο παράρτημα ΙΙΙ.
Η ενότητα της ακτινοπροστασίας (ενότητα 7) είναι και αυτή εντελώς νέα, προκειμένου να είναι συμβατή με τους σύγχρονους κανονισμούς ακτινοπροστασίας.
Προστέθηκαν οι ενότητες της διαχείρισης των ραδιενεργών καταλοίπων (ενότητα 8) και των ατυχημάτων σε πυρηνικές εγκαταστάσεις (ενότητα 9), ενώ στο παράρτημα ΙV δίδονται λεπτομέρειες για το ατύχημα του Τσέρνομπιλ και των επιπτώσεων του ατυχήματος διεθνώς και στη χώρα μας.
Στο παράρτημα Δ δίνονται στοιχεία της πυρηνικής ηλεκτρικής ενέργειας, διεθνώς.

Πρόλογος 1ης έκδοσης

Το βιβλίο αυτό, είναι ακριβώς ότι δηλώνει ο τίτλος του: εισαγωγή στην πυρηνική τεχνολογία. Το μεγαλύτερο μέρος του βασίζεται στις σημειώσεις των μαθημάτων που δίδαξε ο συγγραφέας στον κοινό μεταπτυχιακό (ΜSc) κύκλο σπουδών Πυρηνικής Τεχνολογίας των Queen Mary College και Ιmperial College του Πανεπιστημίου του Λονδίνου (1977–1980) και των προπτυχιακών μαθημάτων που δίδαξε στην Πολυτεχνική Σχολή του ΑΠΘ (1981–1984).
Η οργάνωση της ύλης είναι προσαρμοσμένη στα μαθήματα που διδάσκονται στο 4ο και 5ο έτος του Τμήματος Ηλεκτρολόγων και στο 3ο έτος του Τμήματος Μηχανολόγων της Πολυτεχνικής Σχολής του ΑΠΘ. Στο 1ο κεφάλαιο διατυπώνεται το αντικείμενο της πυρηνικής τεχνολογίας: η μετατροπή πυρηνικής ενέργειας σε ηλεκτρική ή/και θερμική, και οι τεχνολογικές εφαρμογές της πυρηνικής φυσικής στην παραγωγή και τις επιστήμες. Γίνεται επίσης σύγκριση των συμβατικών με τους πυρηνικούς σταθμούς. Στο 2ο κεφάλαιο αναπτύσσονται εκείνα τα στοιχεία πυρηνικής φυσικής που είναι απαραίτητα για την κατανόηση του αντικειμένου, υποθέτοντας ότι ο σπουδαστής δεν έχει προηγούμενες γνώσεις πυρηνικής φυσικής. Τα μαθήματα διατάσσονται και αναπτύσσονται με κατευθυντήριο άξονα τις εφαρμογές, έχουν δηλαδή σκοπό να εκπαιδεύσουν μηχανικούς μάλλον, παρά φυσικούς. Το κεφάλαιο τελειώνει με την περιγραφή των βασικών αρχών ανίχνευσης των ακτινοβολιών και την περιγραφή των κυριοτέρων εφαρμογών.
Το υπόλοιπο μέρος του βιβλίου αφορά τους πυρηνικούς αντιδραστήρες σχάσης. Σκοπός των μαθημάτων δεν είναι η παραγωγή πυρηνικών μηχανικών. Είναι η εισαγωγή του σπουδαστή στη σχετική θεωρία και τεχνολογία. Με την ολοκλήρωση των μαθημάτων, ο σπουδαστής είναι σε θέση να εκτιμήσει βασικές παραμέτρους σχεδιασμού του αντιδραστήρα, να διαμορφώσει επιστημονική γνώμη και να συζητήσει το ζήτημα των πυρηνικών σταθμών και της μόλυνσης του περιβάλλοντος. Έχει τέλος τις απαραίτητες γνώσεις που θα του χρειαστούν όταν συναντήσει, όπως είναι πολύ πιθανό, σχετικές εφαρμογές κατά την άσκηση του επαγγέλματός του.
Στο 3ο κεφάλαιο, αφού γίνει η εισαγωγή στη βασική έννοια της κρισιμότητας, περιγράφεται η συγκρότηση και οι τύποι των αντιδραστήρων, ενώ γίνεται αναφορά στα οικονομικά – πολιτικά κριτήρια που οδήγησαν στις συγκεκριμένες τεχνολογικές επιλογές. Έτσι, κατά τη διάρκεια της μελέτης της θεωρίας των αντιδραστήρων που ακολουθεί (κεφ. 4, 5 και 6), ο σπουδαστής γνωρίζει που και γιατί χρειάζεται στην πράξη η θεωρία που μελετάει. Το βιβλίο τελειώνει με τη ραδιοπροστασία (κεφ. 7).
Στη διατύπωση της θεωρίας ακολουθήθηκε η σύγχρονη παιδαγωγική αντίληψη που εγκαινιάστηκε με το βιβλίο του P. F. Zweifel: το μεγαλύτερο μέρος της ανάλυσης εισάγεται στα πλαίσια της θεωρίας διάχυσης μιας ομάδας νετρονίων. Η σχετική θεωρία εξάρτησης από την ενέργεια των νετρονίων (θεωρία μεταφοράς, μοντέλα πολλαπλών ομάδων νετρονίων) δεν περιλαμβάνεται σ’ αυτό τον τόμο. Ίσως, εάν και όταν χρειαστεί να διδαχτεί, αποτελέσει αντικείμενο δεύτερου τόμου.
Τα κεφάλαια 1, 2, 3, 4, 5 και 7 συνιστούν το περιεχόμενο ετήσιου μαθήματος, (4ο ηλεκτρολόγων και 3ο μηχανολόγων) ενώ, το κεφ. 6 της δυναμικής των αντιδραστήρων συνιστά το περιεχόμενο του μαθήματος στο 5ο έτος των ηλεκτρολόγων μηχανικών. Με το νέο πρόγραμμα σπουδών το μάθημα θα πρέπει να οργανωθεί σε δύο εξάμηνα. Το περιεχόμενο των 1, 2, 3 και 7 πρέπει να ενταχθεί στο 4ο ή 5ο εξάμηνο του ενδεικτικού προγράμματος σπουδών, αποτελεί «εισαγωγή στις εφαρμογές της πυρηνικής τεχνολογίας» και γνωστικά, αποτελεί προϋπόθεση για το εξαμηνιαίο μάθημα της «θεωρίας των αντιδραστήρων» (κεφ. 4, 5, και 6).
Αντί άλλων σχολίων, ας μου επιτραπεί να θυμίσω ότι η πυρηνική τεχνολογία δεν αφορά μόνο στους πυρηνικούς σταθμούς. Πλήθος εφαρμογών στην παραγωγή και στις επιστήμες, είναι πια καθημερινή πραγματικότητα. Σχετικά με τον εύλογο προβληματισμό γύρω από τις επιπτώσεις των πυρηνικών σταθμών στο περιβάλλον (φυσικό και πολιτικό), ας επαναλάβω τη γνωστή διαπίστωση: το ζήτημα δεν είναι τεχνικό. Είναι οικονομικό, σε τελευταία ανάλυση είναι ζήτημα πολιτικής επιλογής. Οι τεχνικές λύσεις υπάρχουν ήδη, ή βρίσκονται, και οπωσδήποτε έπονται της πολιτικής επιλογής. Παρά το περιβαλλοντικό κίνημα, ή μάλλον παράλληλα μ’ αυτό και με εμφανείς τις θετικές επιπτώσεις απ’ αυτό, υπάρχει σήμερα συγκεκριμένη πραγματικότητα, με σαφή δυναμική και κατεύθυνση. Αυτή που απεικονίζουν οι πίνακες παραγωγής ηλεκτρικής από πυρηνική ενέργεια (παράρτημα Δ).

Περιεχόμενα

1. Το αντικείμενο
1. Πυρηνική τεχνολογία
2. Συμβατικές και πυρηνικές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής

2. Στοιχεία πυρηνικής φυσικής
1. Άτομο και πυρήνας
2. Ραδιενέργεια
3. Έλλειμα μάζας – ενέργεια σύνδεσης
4. Πυρηνικές αντιδράσεις
5. Τα προϊόντα της σχάσης
6. Διατομές αντιδράσεων
7. Εξάρτηση των διατομών αντιδράσεων από την ενέργεια των νετρονίων
8. Επιβράδυνση νετρονίων με ελαστικές σκεδάσεις
9. Συνέπειες της θερμικής κίνησης των πυρήνων – Φαινόμενο Doppler
10. Αλληλεπιδράσεις ύλης και ακτινοβολιών
11. Ανίχνευση και μέτρηση ακτινοβολιών
12. Φάσματα ραδιενεργών διασπάσεων με α , β και γ ακτινοβολίες
13. Εφαρμογές

3. Πυρηνικοί αντιδραστήρες σχάσης
1. Κρισιμότητα: ο τύπος των 4 συντελεστών (ε, η, f, p)
2. Πυρηνικά καύσιμα – Αναπαραγωγή
3. Συγκρότηση πυρηνικού αντιδραστήρα
4. Τύποι αντιδραστήρων ισχύος

4. Θεωρία διάχυσης νετρονίων
1. Ρεύματα νετρονίων
2. Ο νόμος του Fick
3. Εξίσωση διάχυσης μονοενεργειακών νετρονίων
4. Μήκος διάχυσης
5. Μήκος επιβράδυνσης
6. Μοντέλο ενεργειακών ομάδων νετρονίων

5. Κρισιμότητα
1. Μοντέλο μιας ομάδας νετρονίων
2. Ανακλαστής
3. Συνθήκη κρισιμότητας μοντέλου δύο ομάδων νετρονίων
4. Υπολογισμοί κρισιμότητας με μοντέλο πολλαπλών ομάδων νετρονίων

6. Δυναμική των αντιδραστήρων
1. Το αντικείμενο
2. Χαρακτηριστικές παράμετροι
3. Μοντέλο σημειακού αντιδραστήρα
4. Μεταβολή αντιδραστικότητας κατά βήμα
5. Προσέγγιση άπειρου χρόνου καθυστέρησης
6. Προσέγγιση ακαριαίου άλματος
7. Φυσικοί μηχανισμοί ανάδρασης
8. Μεταβατικό φαινόμενο με ανάδραση θερμοκρασίας
9. Συναρτήσεις μεταφοράς – Απόκριση συχνότητας
10. Δηλητήρια προϊόντα της σχάσης
11. Εξάντληση καυσίμου
12. Μέθοδοι ελέγχου της αντιδραστικότητας
13. Δυναμικά χαρακτηριστικά αντιδραστήρων ισχύος

7. Ακτινοπροστασία
1. Η αφετηρία των βιολογικών επιπτώσεων των ακτινοβολιών
2. Δόσεις ραδιενέργειας
3. Ραδιενέργεια περιβάλλοντος
4. Βιολογικές επιπτώσεις
5. Όρια δόσεων
6. Το πρόβλημα της θωράκισης

8. Διαχείριση των ραδιενεργών καταλοίπων
1. Kατηγορίες ραδιενεργών καταλοίπων
2. Βραχυπρόθεσμη και μεσοπρόθεσμη διαχείριση των πυρηνικών καταλοίπων
3. Μακροπρόθεσμη διαχείριση

9. Ατυχήματα σε πυρηνικές εγκαταστάσεις
1. Τα γνωστά σοβαρά ατυχήματα
2. Το ατύχημα στο ΤΜΙ
3. Το ατύχημα στο Τσέρνομπιλ – Ως προς τις επιπτώσεις στη Ελλάδα

Παραρτήματα
Παράρτημα Ι: Κινητική των ελαστικών σκεδάσεων
Παράρτημα ΙΙ: Μετρούμενα φάσματα-γ
Παράρτημα ΙΙΙ: Από την εξίσωση μεταφοράς στην εξίσωση διάχυσης
Παράρτημα ΙV: Τα αίτια και οι επιπτώσεις του ατυχήματος του Τσέρνομπιλ
Παράρτημα Α: Μονάδες και σταθερές
Παράρτημα B: Πίνακας Ραδιοϊσοτόπων
Παράρτημα Γ: Διατομές αντιδράσεων με θερμικά νετρόνια
Παράρτημα Δ