Σύντηξη των πυρήνων στο ITER

Στη φύση η πυρηνική σύντηξη είναι η αποκλειστική πηγή ενέργειας στο εσωτερικό όλων των άστρων, για παράδειγμα, η τεράστια θερμότητα του δικού μας Ήλιου παράγεται από τη φυσική σύντηξη πυρήνων του υδρογόνου. Τεχνητά ωστόσο έχει επιτευχθεί ως τώρα μόνο στο εργαστήριο, σε μικρούς πειραματικούς αντιδραστήρες, και για διάρκεια μόλις τεσσάρων λεπτών και 25 δευτερολέπτων. Γι’ αυτό η κατασκευή του Iter, ο οποίος θα είναι διπλάσιος σε μέγεθος και πολλαπλάσιος σε ισχύ και επιδόσεις από τους σημερινούς πειραματικούς αντιδραστήρες σύντηξης, θεωρείται ότι θα βοηθήσει σημαντικά στην πρόοδο των ερευνών.

iter2

Στις συμβατικές πυρηνικές εγκαταστάσεις ενέργειας, βαρέα άτομα διασπώνται για να ελευθερώσουν την ενέργεια. Αλλά σε έναν αντιδραστήρα τήξης, η ενέργεια χρησιμοποιείται για να αναγκάσει τους πυρήνες των ελαφρών ατόμων να ενωθούν μαζί – η ίδια διαδικασία που πραγματοποιείται στον πυρήνα του ήλιου και τον κάνει να λάμπει.

Οι υπερασπιστές του προγράμματος λένε ότι οι εμπορικές εγκαταστάσεις τήξης του μέλλοντος, θα μπορούσαν να είναι φτηνές και φιλικές προς το περιβάλλον, με πολύ λιγότερα ραδιενεργά απόβλητα. Επίσης, ο κίνδυνος έκρηξης είναι ανύπαρκτος αφού και η παραμικρή διαρροή θέτει τον αντιδραστήρα εκτός λειτουργίας λόγω πτώσης της απαραίτητης θερμοκρασίας.

Εντούτοις, η ανάπτυξη της απαραίτητης τεχνολογίας αποδείχτηκε πολύ ακριβή, χρονοβόρα και δυσβάστακτη για ένα κράτος, ακόμα και για την πλουσιότερη χώρα του κόσμου, τις ΗΠΑ.

Για να χρησιμοποιηθούν οι αντιδράσεις τήξης ως πηγή ενέργειας, είναι απαραίτητο να θερμανθεί ένα αέριο σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν τα 100 εκατομμύρια Κελσίου – πολλές φορές θερμότερο από το κέντρο του ήλιου. Σε αυτές τις θερμοκρασίες, το αέριο γίνεται ένα πλάσμα.

Κάτω από αυτούς τους όρους, τα σωματίδια του πλάσματος, από δευτέριο και τρίτιο, τήκονται για να σχηματίσουν το ήλιο και  νετρόνια υψηλής ταχύτητας, απελευθερώνοντας με αυτό το τρόπο τεράστια ενέργεια.

Ενώ στα άστρα η σύντηξη του υδρογόνου συντελείται λόγω της βαρυτικής πίεσης που ασκεί η τεράστια μάζα του, στη Γη, όμως, η απαιτούμενη πίεση πρέπει να επιτευχθεί με άλλο τρόπο. Αυτό μπορεί να συμβεί χρησιμοποιώντας ισχυρά μαγνητικά πεδία σε ειδικές συσκευές που ονομάζονται Tokamak ή με ακτίνες laser.

Ο νέος αντιδραστήρας θα κατασκευαστεί βάσει της τεχνολογίας Tokamak, η οποία ξεκίνησε από τη Ρωσία και αναπτύχθηκε από πολλές χώρες. Οι πειραματικοί αντιδραστήρες σύντηξης που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι όλοι Tokamak, κάθε χώρα όμως έχει να επιδείξει καλύτερες επιδόσεις σε έναν συγκεκριμένο τομέα: ο βρετανικός Jet, για παράδειγμα, έχει επιτύχει την ισχυρότερη αντίδραση ενώ ο γαλλικός Torre Supra έχει επιτύχει την αντίδραση με τη μεγαλύτερη διάρκεια. Η συνένωση όλων των τεχνογνωσιών αναμένεται να δώσει σημαντικά αποτελέσματα.

Οι αντιδραστήρες Tokamak διαθέτουν μια τοροειδή (σε σχήμα ντόνατ) μαγνητική δομή, η οποία επιτρέπει τη δημιουργία και τη διατήρηση των συνθηκών που απαιτούνται για την παραγωγή ελεγχόμενων αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης.

Όταν το υδρογόνο συμπιεστεί, σχηματίζεται πλάσμα, δηλαδή γυμνοί πυρήνες όπως στον Ήλιο. Αν και αξιοποιείται στην κατασκευή πυρηνικών όπλων, οι Φυσικοί ακόμη δεν έχουν κατορθώσει μέχρι σήμερα να παράγουν ενέργεια με ελεγχόμενο τρόπο από τη διαδικασία αυτή.

Σε αυτή την κατάσταση, την τέταρτη κατάσταση της ύλης, οι ατομικοί πυρήνες κινούνται σε ιλιγγιώδεις ταχύτητες, με αποτέλεσμα να μπορούν να συναντηθούν και να ενωθούν.

Στις άνω των 100 εκατ. βαθμών Κελσίου θερμοκρασίες που απαιτούνται για τη σύντηξη προκαλούνται συγκρούσεις οι οποίες αφαιρούν ηλεκτρόνια από τα άτομα του δευτερίου και του τρίτιου, δημιουργώντας  το πλάσμα, ένα αεριώδες νέφος από ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια και πυρήνες.

Τελικά, ένας εμπορικός σταθμός ενέργειας θα χρησιμοποιήσει την θερμότητα που παράγεται από τα ενεργητικά νετρόνια, τα οποία θα επιβραδύνονται από το λίθιο, για να παραχθεί έτσι ηλεκτρική ενέργεια.

Φυσικά ο αντιδραστήρας Iter δεν θα παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Θα είναι απλώς ένας πειραματικός αντιδραστήρας για την καλύτερη κατανόηση της πυρηνικής σύντηξης, το τελευταίο βήμα για την κατασκευή ενός πειραματικού σταθμού παραγωγής ενεργείας από την πυρηνική σύντηξη. Παρ’ όλα αυτά οι χώρες που τον υποστηρίζουν είναι πρόθυμες να δαπανήσουν 5,5 δισ. δολάρία για την κατασκευή του και μερικά ακόμη δισ. δολάρια για τη λειτουργία του.

Τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται είναι ουσιαστικά ανεξάντλητα. Το δευτέριο και το τρίτιο είναι και τα δύο ισότοπα του υδρογόνου. Το δευτέριο εξάγεται από το νερό και το τρίτιο κατασκευάζεται από ένα ελαφρύ μέταλλο, το λίθιο, το οποίο βρίσκεται σε όλο τον κόσμο.

Υπολογίζεται ότι ένα χιλιόγραμμο τέτοιου υλικού παράγει το ίδιο ποσό ενέργειας με 10.000.000 κιλά ορυκτών καυσίμων.

Οι επιστήμονες κατόρθωσαν να μελετήσουν σε έναν βαθμό τη συμπεριφορά της κατάστασης πλάσματος (η οποία στη φύση συναντάται σε φαινόμενα όπως οι κεραυνοί και το Βόρειον Σέλας) χάρη στις μεγάλης διάρκειας αντιδράσεις του Torre Supra. Οι διαστάσεις του Iter έχουν σχεδιαστεί με βάση τις διαπιστώσεις τους κυρίως ως προς την κατανομή του πλάσματος μέσα στον αντιδραστήρα. Για να φθάσουν ωστόσο οι πυρήνες τόσο κοντά ώστε να ενωθούν, το πλάσμα πρέπει να θερμανθεί σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 100.000 βαθμών Κελσίου.

Τόσο υψηλές θερμοκρασίες παρουσιάζουν δύο σημαντικά προβλήματα: αφενός είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθούν, αφετέρου κανένα υλικό δεν μπορεί να τις αντέξει. Το δεύτερο πρόβλημα έχει λυθεί μέσω ενός συστήματος πολύ ισχυρών μαγνητών που κρατούν το πλάσμα στο κέντρο του αντιδραστήρα, μακριά από τα τοιχώματά του (τα οποία παρ’ όλα αυτά θα πρέπει να αντέχουν θερμοκρασίες εκατοντάδων βαθμών και οι έρευνες για την τελειοποίηση των υλικών τους συνεχίζονται).

Το πρώτο πρόβλημα είναι λίγο πιο περίπλοκο, καθώς η λύση του απαιτεί τη χρήση ενός συνδυασμού πηγών θερμότητας. Ως κύρια πηγή χρησιμοποιούνται ήδη μαγνητικές μπομπίνες που θέτουν τα ηλεκτρόνια σε κίνηση, η οποία όμως δεν είναι τέτοια ώστε να παράγει τους επιθυμητούς 100.000 βαθμούς Κελσίου. Για την ενίσχυσή της οι ερευνητές στρέφονται προς δύο κατευθύνσεις. Μια σκέψη είναι η περαιτέρω επιτάχυνση των ιόντων του πλάσματος με την παρεμβολή ανάμεσά τους ουδέτερων ατόμων που θα κινούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα από αυτά. Μια άλλη σκέψη είναι η αύξηση της θερμότητας με την παρεμβολή κυμάτων υψηλών συχνοτήτων.

Το μεγάλο πλεονέκτημα του Iter έγκειται στην παραγωγή ατόμων ηλίου. Από κάποιο σημείο της αντίδρασης και μετά επιτυγχάνεται το λεγόμενο φαινόμενο της «ανάφλεξης»: αρχίζουν να παράγονται άτομα ηλίου τα οποία με την ενέργειά τους διατηρούν μόνα τους τη θερμότητα του πλάσματος, όπως ακριβώς συμβαίνει στον Ήλιο. Στους σημερινούς αντιδραστήρες η θέρμανση από το ήλιο φθάνει μόλις το 10%. Στον Iter αναμένεται ότι θα πλησιάζει το 60%. Για τον λόγο αυτόν ο νέος αντιδραστήρας αναμένεται ότι θα παράγει αντιδράσεις κατά πολύ ισχυρότερες και μεγαλύτερης διάρκειας από τους σημερινούς, οι οποίες θα φθάνουν τα 500 μεγαβάτ επί 400 δευτερόλεπτα.

Οι εντυπωσιακές αυτές επιδόσεις θεωρούνται μόνο η αρχή ενός μεγαλεπήβολου και μακροπρόθεσμου σχεδίου. Ο Iter θα είναι το πρώτο βήμα για τη μελέτη και τη συνέχιση των ερευνών που θα επιτρέψουν το επόμενο στάδιο, την πειραματική δοκιμή ενός αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, του Demo, ο οποίος προγραμματίζεται για το 2050.

Advertisements

Σχολιάστε

Συνδεθείτε για να δημοσιεύσετε το σχόλιο σας:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s