Nishati ya nyuklia

Nishati ya nyuklia (pia: nishati ya atomi, ing. nuclear energy) ni matumizi ya nishati inayopatikana ndani ya kiini cha atomi. Atomi ni kitu kidogo sana lakini inatunza ndani yake nishati kubwa ambayo ni ya lazima kwa kushika pamoja neutroni na protoni ndani ya kiini chake. Wakati muundo wa kiini cha atomi unabadilishwa, sehemu ya nishati hii inapatikana. Nishati inayotokea hapo inaweza kutumiwa katika mitambo. Inapatikana hasa kwa njia ya joto ambalo kwa kawaida linatumiwa kuchemsha maji yanayozungusha rafadha za kutengenezea umeme.

Teknolojia ya nishati ya nyuklia ina uwezo wa kuzalisha umeme kwa viwango vikubwa. Takriban asilimia 15 ya umeme wote unaotengenezwa duniani unatokana na nishati ya nyuklia http://www.abc.net.au/radionational/programs/rearvision/the-history-of-nuclear-power/2991954#transcript.  

Kwa upande mwingine nishati ya nyuklia ina matatizo na hatari ambazo ni pamoja na ajali na mnururisho hatari. Tatizo lisilo na utatuzi bado ni suala la kutunza salama zile takataka nururifu hatari zinazobaki baadaye kwa muda wa miaka elfu kadhaa. 

Misingi ya kifizikia
Kuna namna tatu za kutumia nishati iliyomo ndani ya atomi: 
mbunguo nyuklia (nuclear decay), 
mwatuko nyuklia (fission),  na 
myeyungano nyuklia (fusion). 

Kati ya hizi tatu myeyungano nyuklia bado iko katika hali ya majaribio. Mbunguo nyuklia ni mchakato asilia unaotokea katika ganda la dunia na kuchangia kwenye joto lililopo chini ya uso wa dunia. Katika nchi mbalimbali joto hilo linatumiwa kwa njia ya maji ya moto kutoka vilindi vya ardhi.

Nishati ya nyuklia inayozalishwa kiteknolojia siku hizi inapatikana kwa njia ya mwatuko nyuklia yaani kwa kupasua atomi katika matanuri ya nyuklia.

Kiini cha atomi hufanywa na nyutroni na protoni. Kuna njia ya kupasua atomi hizi: kazi hiyo huitwa mwatuko nyuklia. Wakati wa mwatuko nyuklia nyutroni na protoni zinaachana na kuwa atomi mpya mbili, nyutroni kadhaa zinawekwa huru pamoja na sehemu ya nguvu iliyohitajika hadi sasa kushika chembe zote ndani ya kiini.

Kupasuliwa kwa atomi (mwatuko nyuklia) hutekelezwa kwa kufyatulia neutroni zinazopiga kiini cha atomi na kukipasua. Kazi hii inatekelezwa kwa kutumia tabia nururifu ya urani au plutoni. Urani si elementi imara maana kila baada ya muda fulani atomi moja ya urani inajigawa na kutupa nje sehemu ya chembe za kiini chake, hasa nyutroni. Kama idadi kubwa ya kutosha ya urani inakusanywa mahali pamoja chembe hizo zitagonga kiini kingine cha urani na kusababisha kupasuliwa kwake. Hapo ni tena nyutroni mpya zinazoachishwa katika mazingira na kugongana tena na viini vingine vya atomi za urani na kadhalika. Mmenyuko huo unaendelea. Katika mitambo ya tanuri nyuklia mwatuko huo wa atomi unaongozwa na kuna kiasi fulani tu ya urani kinachoingizwa katika mchakato huo na kinachotokea ni mmenyuko mfululizo unaosimamiwa na kutumiwa kwa kuzalisha joto. Mwendo wa mmenyuko unatawaliwa kwa kuongeza au kupunguza vizuizi vya mata inayozuia mwendo wa nyutroni (kama vile kadimi, boroni au kinywe) kati ya vipande vya urani.

Kama urani yote iliyopo mahali pamoja pa karibu inaruhusiwa kuathiriwa na neutroni zinazojitokeza, mchakato huo wa mmenyuko mfululizo unatokea haraka sana, katika sehemu ya nukta, na nishati yote hupatikana mara moja kwa umbo la mlipuko wa nyuklia. Mbinu hiyo inatumiwa katika bomu la nyuklia.

Pale ambako mchakato huu unaendeshwa kunatokea viwango vikubwa vya joto linalotumiwa kwa kuzalisha umeme.

Matanuri ya nyuklia yanatumia ama urani au plutoni. Atomi hizi zikipigwa na nyutroni zinaelekea kupasuka na kuwa atomi mbili nyepesi zaidi. Nishati inayopatikana katika mchakato huo ni kubwa. Gramu 1 ya Urani-235 au Plutoni-239 inatoa nishati ya joto sawa na kuchoma tani 2.8 za makaamawe, tani 10 za makaa kahawia au tani 1.9 za mafuta. 

Urani ni elementi nururifu ya kufaa inayotokea kiasili ilhali imesambazwa katika ardhi bila kufikia kiwango cha kuanzisha mmenyuko Isipokuwa mahali pachache duniani penye tanuri nyuklia asilia. Plutoni inatokea katika matanuri ya nyuklia.

Historia ya matumizi ya nishati ya nyuklia
Majaribio ya kwanza ya kugundua unururifu yalitekelezwa mnamo mwaka 1890 na Antoine Henri Becquerel, Marie Curie na Pierre Curie na wengine.

Otto Hahn na Fritz Strassmann waligundua mwaka 1938 mwatuko nyuklia wa urani. Mwaka 1939 Lise Meitner na Otto Frisch walifaulu kutoa maelezo yake katika nadharia ya fizikia.

Frédéric Joliot-Curie na Irène Joliot-Curie waliweza kuonyesha ya kwamba pia mmenyuko mfulizo unawezekana na hivi kudokeza nafasi nyingi za matumuzi ya mwatuko nyuklia.

Ilionekana pia ya kwamba kiwango kikubwa ya nishati kinachoweza kupatikana kinaruhusu kutengezeza silaha kali sana.

Habari hiyo ilisambaa kati ya wanafizikia duniani mwaka 1939. Mwaka uleule Vita Kuu ya Pili ya Dunia ilianza, na mara serikali za Ujerumani, Marekani na Umoja wa Kisovyeti zilikusanya wataalamu kwa kusudi la kugundua njia za kutumia elimu hiyo kwa kutengeneza silaha. 

Ilikuwa huko Marekani kwamba serikali iliingiza pesa nyingi katika ujenzi wa taasisi mpya na tangu mwaka 1942 mradi wa Manhattan ulilenga kutengeneza silaha ya nyuklia. Zaidi ya watu 100,000 walishiriki, wataalamu wa fizikia pamoja na wahandisi na wafanyakazi.

Mwezi wa Julai 1945 mlipuko wa kwanza wa nyuklia ulifaulu. Wakati ule vita kuu katika Ulaya ilikuwa imekwisha tayari. Kwa hiyo mabomu mawili yaliyoweza kutengenezwa yaliangushwa kwa ndege huko Japani kwenye miji ya Hiroshima na Nagasaki.

Wajerumani hawakufaulu hadi mwisho wa vita kumaliza utengenezaji wa silaha ya nyuklia – ilionekana baadaye ya kwamba wataalamu viongozi Wajerumani walikuwa na wasiwasi kama kweli walitaka kukubali silaha za aina hii kutokana na uharibifu wake mkubwa.

Baada ya vita wataalamu waliendelea kufanya utafiti wa kuunda matanuri ya nyuklia kwa shabaha ya kutumia nishati nyuklia kwa matumizi ya kiraia – lakini pia kwa sababu tanuri nyuklia ilikuwa lazima kwa kutengeneza plutoni kwa ajili ya silaha kali zaidi.

Tanuri nyuklia ya kwanza kwa ajili ya uzalishaji wa umeme ulianza kazi mwaka 1951 nchini Marekani. Reactors Designed by Argonne National Laboratory: Fast Reactor Technology". U.S. Department of Energy, Argonne National Laboratory. 2012. (imeangaliwa 5-10-2014) 

Tanuri nyuklia la kwanza lililotengeneza umeme kwa ajili ya nyumba za watu na viwanda lilikuwa mwaka 1954 kituo cha Obninsk karibu na mji wa Moscow nchini Urusi, kikifuatwa na kituo cha Calder Hall, Sellafield huko Uingereza. 

Kuanzia hapo vituo vya matanuri nyuklia vilianza kusambaa haraka katika nchi za viwanda. Uwezo wa kuzalisha umeme ulikua haraka pia. Ilhali kituo cha kwanza Marekani kilikuwa na uwezo wa kilowati 100, kituo cha kwanza cha Kirusi na megawati 5, vituo vya baadaye vilifikia zaidi ya gigawati moja. Mnamo mwaka 1990 uwezo wa vituo vyote duniani ulikuwa wa takriban gigawati 300, na mwaka 2005 wa gigawati 366. 

Tangu miaka ya 1990 ongezeko la matanuri nyuklia likapungua. Mipango mingi ya ujenzi wa matanuri ilifutwa tena kabla ya ujenzi. Sababu zake zilikuwa mbalimbali, pamoja na kupanda kwa gharama, upinzani wa wananchi dhidi ya teknolojia ya nyuklia, suala la kushughulikia takataka na ajali zilizotokea kwenye matanuri ya nyuklia.

Uchumi wa nishati ya nyuklia
Tangu kuanzishwa kwa teknolojia hii kulikuwa na matumaini ya kwamba matanuri nyuklia yatazalisha umeme kwa bei ndogo sana. Kwa kweli gharama za fueli nyuklia na uendeshaji wa vituo hivi ni za chini. 

Lakini gharama za kutengeneza matanuri nyuklia ni ya juu. Sababu yake ni hasa sheria nyingi zinazohusu majengo haya. Sheria hizi zimesababishwa na hatari ya ajali kubwa inayoweza kutoa uchafu hatari hewani na kwenye maji na kuhatarisha mali na afya ya wananchi. Gharama kubwa zinatokea pia baada ya muda wa matumizi wa kituo cha nyuklia kwa sababu kubomoa majengo na mashine kunachukua muda mrefu, hasahasa kwa sababu metali na saruji za sehemu za ndani zimekuwa nururifu na ubomoaji unapaswa kutekelezwa polepole na makampuni ya pekee, tena baada ya kipindi cha miaka baada ya mwisho wa kazi ya tanuri kwa kusubiri kupoa kwa unururifu. 

Suala ambalo bado halina usuluhisho ni suala la bima. Hakuna kampuni inayoweza kutoa ahadi ya bima kwa uharibifu wote unaoweza kutokea baada ya ajali kubwa. Hata kama wataalamu wanaona uwezekano wa ajali kubwa ya aina hii ni ndogo sana, bado haiwezekani kupata bima kamili. Kwa hiyo ni azimio la serikali kuwa tayari kusaidia hapo kwa pesa za umma kama ajali kubwa inatokea. 

Hali hii imefanya nishati nyuklia kuwa nishati ambayo matumizi yake haiwezi kuamuliwa kiuchumi pekee lakini pia kisiasa. Hivyo majadiliano juu ya nishati hii yamesababisha kutokea kwa vyama vipya vya siasa vinavyopinga matumizi ya nishati nyuklia na kuathiri siasa ya nchi mbalimbali.

Baada ya ajali mbili za Chernobyl (Ukraine, mwaka 1986) na Fukushima (Japani, mwaka 2011) imeonekana ya kwamba gharama zilikuwa za juu mno. 

Pia suala la kutunza takataka nururifu halijapata usuluhisho. Takataka hiyo itaendelea kuwa nururifu na hatari kwa afya kwa kipindi cha miaka elfu kadhaa. Hadi sasa hakuna nchi iliyopata mahali pa kudumu ambako takataka hii inaweza kutunzwa salama kwa milenia inayokuja.

Matatizo ya nishati ya nyuklia
Matatizo ya matumizi ya nishati nyuklia ni hasa pamoja na ajali nyuklia, kuathiriwa kwa watu na mnururisho kutoka ajali, fueli au takataka, utunzaji wa takataka nururifu, na mashaka juu ya gharama kwa jumla.

Ajali nyuklia
Hadi mwaka 2014 ajali kadhaa zilitokea na kuathiri maoni ya watu duniani kuhusu nishati hii. Ajali zilizojulikana sana zilikuwa pamoja na:
 Ajali ya nyuklia ya Three Mile Island huko Marekani mwaka 1979 ambako teknolojia ya kupoza joto ndani ya tanuri ilikwama na fueli ya nyuklia ilianza kuyeyushwa; hakuna watu waliojeruhiwa na kupata hasara kiafya lakini hatari ilikuwepo kwa muda.
 Ajali ya nyuklia ya Chernobyl nchini Ukraine mwaka 1986 ambako tanuri nyuklia ilishika joto hadi kuharibiwa kabisa; idadi kubwa ya mata nururifu ilitoka nje; hadi leo (2014) kuna maeneo makubwa yasiyoweza kukaliwa na watu; hektari milioni 1.5 katika Ukraine, Urusi na Byelorusi haziwezi kutumiwa hadi leo. Wananchi 130,000 walipaswa kuondoka katika nyumba zao na hawajaweza kurudi. Takriban watu 50 walikufa kutokana na unururifu, na maelfu kadhaa (hadi 9000) wamekadiriwa kuwa walipata magonjwa ya kansa kwa sababu ya unururifu waliopokea. Katika nchi nyingi za Ulaya mazao mbalimbali yaliathiriwa na hayakuweza kutumiwa kwa muda wa wiki au miezi kadhaa kwa sababu upepo ulipeleka vumbi na mvua yenye nururisho ya Chernobyl kwa umbali wa kilomita elfu kadhaa.
 Ajali ya nyuklia ya Fukushima nchini Japani mwaka 2011 ilisababishwa na tetemeko la ardhi na mawimbi ya tsunami. Kituo kilikuwa na matanuri nyuklia 6 na 4 ambayo yaliharibika kabisa. Katika matanuri 3 fueli katika kiini cha tanuri iliyeyuka. Idadi kubwa ya mata nururifu ilitoka nje. Hata kama sehemu kubwa ya mata hii ilitelemka baharini kuna takriban watu 150,000 waliopaswa kuondoka katika nyumba zao ambao hawezi kurudi kwa miaka ijayo. Hakuna watu waliokufa mara moja kutokana na mnururisho lakini matibabu yanategemea kupatikana kwa wagonjwa wa kansa mbalimbali katika miaka ijayo, na idadi yao imekadiriwa kuwa kati ya 100 na 1000 kutokana na unururifu. Shughuli za kusafisha mahali zinaendelea kwa miaka ijayo kwa sababu bado kuna kiasi kikubwa cha maji nururifu ndani ya majengo. "Japan nuclear plant suffers worst radioactive water leak". cbcnews. 08/02/13.ilitazamiwa 05-10-2014

Watetezi wa matumizi ya nishati ya nyuklia wanasema ya kwamba hadi sasa ni watu wachache waliokufa au kupata hasara kutokana na ajali hizo kulingana na njia nyingine za kuzalisha umeme. Kuzalisha umeme kwa kutumia makaa mawe, mafuta ya petroli, gesi asilia na umememaji kulisababisha vifo vingi kuliko nishati ya nyuklia.http://www.forbes.com/sites/jamesconca/2012/06/10/energys-deathprint-a-price-always-paid/ with Chernobyl's total predicted linear no-threshold cancer deaths included, nuclear power is safer when compared to many alternative energy sources' immediate, death rate. If you cannot access the paper via the above link, the following link is open to the public, credit to the authors.
http://gabe.web.psi.ch/pdfs/_2012_LEA_Audit/TA01.pdf
Page 962 to 965. Comparing Nuclear's latent cancer deaths, such as cancer with other energy sources immediate deaths per unit of energy generated(GWeyr). This study does not include Fossil fuel related cancer and other indirect deaths created by the use of fossil fuel consumption in its "severe accident", an accident with more than 5 fatalities, classification. 

Lakini hasara za njia nyingine za kuzalisha nishati hutokea kwa njia ya ajali ndogo zinazoathiri watu wachache na eneo dogo zaidi katika mazingira ya vituo vya umeme au pale makaa yanapochimbwa au mafuta kusafirishwa. Kinyume chake ajali za nyuklia zina uwezo wa kuathiri watu wengi na maeneo makubwa jinsi ilivyoonekana katika ajali za Chernobyl na Fukushima. Gharama za kuhamisha maelfu ya watu, kuwajengea nyumba mpya, kujenga upya viwanda na kadhalika ni kubwa sana na hadi sasa hakuna kampuni iliyokuwa tayari kutoa bima kwa ajili ya ajali za nyuklia.

Takataka nyuklia
Takataka kutoka tanuri nyuklia inaendelea kuwa nururifu kwa muda mrefu sana. Urani inayotokea kwa mchanganyiko na madini nyingine si nururifu sana katika hali asilia. Lakini baada ya kusafishwa na kuingizwa katika tanuri nyuklia na kuingia katika mchakato wa mwatuko nyuklia elementi nyingine zinatokea mle kama vile Plutoni au Neptuni au isotopi nururifu za elementi nyingine. Hii takataka ni hatari sana kutokana unururifu wake wa juu. Sehemu ya isotopi hizi zinaendelea kuwa nururifu kwa muda wa miaka elfu kadhaa; Plutoni ni hatari kwa muda wa miaka mia elfu na zaidi kutegemeana na kiasi chake. Kwa hiyo ni lazima kuweka takataka hii mahali salama kabisa pasipopatikana kwa binadamu na ambako nururisho haiwezi kufikia watu au kutoka nje na kuingia katika maji na hewa. 

Hadi 2014 mahali pa aina hii hapajapatikana. Wala huko Urusi wala China wala Marekani ghala ya kudumu kwa takataka nururifu zimejengwa kutokana na mashaka kati ya wataalamu na wananchi kama mahali palipopendekezwa ni salama kweli. Uswidi, Ufini na Marekani zina mipango kwa ajili ya takataka nururifu sana. Nchi mbalimbali zina ghala kwa takataka yenye unururifu hafifu. Lakini kuna mifano ambayo imeonekana ya kwamba ghala hizi hazikufaa, kwa mfano baada ya miaka 20 maji yameingia mle.  

Marejeo

Jamii:Nishati
Jamii:Kemia
Jamii:Fizikia
Jamii:Hifadhi ya mazingira