Γιατί λάμπει μπλε το νερό στον πυρηνικό αντιδραστήρα;

Τι είναι η μπλε λάμψη

Το μπλε φως γύρω από την ενεργό ζώνη ενός πυρηνικού αντιδραστήρα λέγεται ακτινοβολία Cerenkov, από τον Ρώσο φυσικό Pavel Cherenkov.1 Το ίδιο φως βγάζει και το αναλωμένο καύσιμο μέσα στις δεξαμενές φύλαξης.2 Παράγεται όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο διασχίζει ένα διηλεκτρικό υλικό, όπως το νερό, με ταχύτητα μεγαλύτερη από τη φασική ταχύτητα του φωτός μέσα στο ίδιο υλικό.3 Στο πέρασμά του το σωματίδιο πολώνει τα μόρια του υλικού, και αυτά εκπέμπουν φως καθώς επανέρχονται.3

Ο Cherenkov μελέτησε συστηματικά τη λάμψη ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο Ινστιτούτο Lebedev της Μόσχας, και τη μαθηματική εξήγηση την έδωσαν οι συνάδελφοί του Ilya Frank και Igor Tamm.4 Οι τρεις μοιράστηκαν το Νόμπελ Φυσικής του 1958 «για την ανακάλυψη και την ερμηνεία του φαινομένου Cherenkov».5

Ταχύτερα από το φως, αλλά όχι στο κενό

Η θεωρία της σχετικότητας βάζει όριο την ταχύτητα του φωτός στο κενό. Μέσα σε ένα υλικό όπως το νερό ή το γυαλί το φως κινείται πιο αργά, και η ταχύτητά του αλλάζει με το μήκος κύματος.4 Στο νερό πέφτει περίπου στο 75% της ταχύτητας στο κενό.1 Ένα πολύ γρήγορο ηλεκτρόνιο μπορεί λοιπόν να κινείται μέσα στο νερό ταχύτερα από το φως χωρίς να παραβιάζει τη σχετικότητα.4

Στη διάλεξη του Νόμπελ ο Tamm διατύπωσε τη συνθήκη με ακρίβεια: το φορτίο εκπέμπει όταν η ταχύτητά του ξεπερνά τη φασική ταχύτητα του φωτός στο υλικό για τη συγκεκριμένη συχνότητα, ενώ το όριο για κάθε υλικό σώμα μένει η ταχύτητα του φωτός στο κενό.6 Για ηλεκτρόνιο σε νερό, με δείκτη διάθλασης περίπου 1,33 στο ορατό, το κατώφλι είναι κινητική ενέργεια 264 keV.3 Το φως βγαίνει σε κώνο γύρω από την τροχιά του σωματιδίου.3

Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ μιλά για «ωστικό κύμα» φωτός, παρόμοιο με τον ηχητικό κρότο όταν ένα αντικείμενο ξεπερνά την ταχύτητα του ήχου.1 Στον λόγο της απονομής, ο καθηγητής K. Siegbahn, μέλος της Σουηδικής Ακαδημίας Επιστημών, το συνέκρινε με το κύμα της πλώρης ενός σκάφους που κινείται ταχύτερα από τα κύματα της επιφάνειας.4 ## Γιατί μπλε

Το φάσμα της ακτινοβολίας Cerenkov είναι συνεχές. Ο αριθμός των φωτονίων ανά μήκος κύματος είναι αντιστρόφως ανάλογος του τετραγώνου του μήκους κύματος, όπως δίνει ο τύπος Frank–Tamm, οπότε η εκπομπή κορυφώνεται στο υπεριώδες και στο μπλε.3 Τα φωτόνια έχουν μικρό μήκος κύματος και υψηλή συχνότητα, και στο ανθρώπινο μάτι φαίνονται μπλε ή ιώδη.1

Από πού έρχονται τα ηλεκτρόνια

Στο αναλωμένο καύσιμο μέσα σε νερό, το φως οφείλεται κυρίως στην ακτινοβολία γάμμα των προϊόντων σχάσης μέσα στο καύσιμο.7 Τα φωτόνια γάμμα δεν δίνουν τα ίδια το φως: όπως γίνεται γενικά με την ακτινοβολία γάμμα, δίνουν δευτερογενή ηλεκτρόνια με φωτοηλεκτρική απορρόφηση ή σκέδαση Compton, και το φως το προκαλούν αυτά τα ηλεκτρόνια.3 Συμβολή έχουν και σωματίδια βήτα που περνούν το καύσιμο και το περίβλημα (cladding) και μπαίνουν στο νερό με αρκετή ενέργεια· σε μια ομάδα στοιχείων καυσίμου που μελετήθηκε, έδιναν το 10 έως 40% της συνολικής έντασης.7 Τι είναι η γάμμα και τα βήτα και τι σταματά το καθένα, το εξηγούμε στο άρθρο για την ακτινοβολία.

Τι δεν είναι

Η λάμψη δεν είναι η ιοντίζουσα ακτινοβολία που γίνεται ορατή. Είναι φως που παράγουν τα γρήγορα ηλεκτρόνια στο νερό, και το γλωσσάριο διασφαλίσεων του ΔΟΑΕ την κατατάσσει στη μη ιοντίζουσα ακτινοβολία.2

Ούτε είναι το νερό που λάμπει επειδή είναι ραδιενεργό. Πριν από τον Cherenkov, η αχνή μπλε λάμψη υγρών που ακτινοβολούνταν θεωρούνταν φθορισμός. Εκείνος έδειξε ότι ουσιαστικά δεν εξαρτάται από τη σύσταση του υγρού, ότι εμφανίζεται και σε διπλοαπεσταγμένο νερό, και ότι την προκαλούν τα γρήγορα ηλεκτρόνια.4 Στο αναλωμένο καύσιμο, η πηγή είναι το ίδιο το καύσιμο· το νερό είναι το μέσο όπου το πέρασμα των ηλεκτρονίων γίνεται φως.7

Πού το βλέπει κανείς

Όποιος κοιτάξει από πάνω σε έναν αντιδραστήρα «πισίνας» βλέπει όλη την ενεργό ζώνη να λάμπει μπλε, και σε αυτό το φως μπορεί να φωτογραφίσει το εσωτερικό του αντιδραστήρα.4 Στον ερευνητικό αντιδραστήρα HFIR του Oak Ridge, στις παύσεις για αλλαγή καυσίμου, όλη η δεξαμενή, περίπου στο μέγεθος ολυμπιακής πισίνας, λάμπει μπλε· το νερό της ψύχει και θωρακίζει.8

Η δεύτερη περίπτωση είναι οι δεξαμενές αναλωμένου καυσίμου. Το ακτινοβολημένο καύσιμο που φυλάσσεται σε δεξαμενή εκπέμπει γρήγορα ηλεκτρόνια και κάνει το νερό γύρω του να λάμπει μπλε, αφού έχει βγει από τον αντιδραστήρα.2 Γιατί το καύσιμο μένει πρώτα σε δεξαμενή νερού, στο πώς λειτουργεί ένας πυρηνικός σταθμός.

Σε τι χρησιμεύει

Ο ΔΟΑΕ τη χρησιμοποιεί στις διασφαλίσεις, για να επαληθεύει ακτινοβολημένο καύσιμο σε δεξαμενές. Μια συσκευή παρατήρησης Cerenkov πάνω από τα στοιχεία καυσίμου ξεχωρίζει το ακτινοβολημένο καύσιμο από αντικείμενα που δεν είναι καύσιμο, και η ποσότητα του φωτός βοηθά να επιβεβαιωθεί η ακεραιότητα των στοιχείων.2 Με το ψηφιακό DCVD οι επιθεωρητές συγκρίνουν τη μετρημένη ένταση με πρόβλεψη από τα δηλωμένα στοιχεία του καυσίμου, δηλαδή τον βαθμό καύσης, τον αρχικό εμπλουτισμό και τον χρόνο ψύξης, για να επαληθεύσουν ότι δεν έχει εκτραπεί το μισό ή περισσότερο ενός στοιχείου.7 Τι είναι οι διασφαλίσεις, στο άρθρο για ασφάλεια, προστασία και διασφαλίσεις.

Στη φυσική σωματιδίων, η γωνία του κώνου εξαρτάται από την ταχύτητα, και ανιχνευτές που στηρίζονται στο φαινόμενο καταγράφουν μεμονωμένα σωματίδια και μετρούν την ταχύτητά τους.4 Στην ιατρική έρευνα μελετάται η απεικόνιση του φωτός Cerenkov που παράγουν φορτισμένα σωματίδια μέσα σε βιολογικό ιστό.3