Πυρηνική σύντηξη

Πυρηνική σύντηξη

Στο εγγύς μέλλον θα έχουμε μια αστείρευτη και αβλαβή για το περιβάλλον πηγή ενέργειας.

Τι είναι;

Εδώ και 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια ο Ήλιος μάς παρέχει την ευεργετική ακτινοβολία του. Όμως ποιο αιώνιο καύσιμο είναι η πηγή της ενέργειάς του; Μόλις στις αρχές του 20ού αιώνα η επιστήμη έδωσε την απάντηση σ' αυτό το ερώτημα. Ο Ήλιος, όπως και όλα τα αστέρια, χρησιμοποιεί πυρηνικά καύσιμα, προσφεύγει δηλαδή σε πυρηνικές αντιδράσεις κατά τη διάρκεια των οποίων η μάζα του μετατρέπεται σε ενέργεια, όπως προβλέπει η Θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν: E = m.c². Αυτή η διεργασία ονομάζεται θερμοπυρηνική σύντηξη.

Η πολύ μεγάλη πίεση και θερμοκρασία που επικρατούν στον Ήλιο κάνουν εφικτές τις αντιδράσεις σύντηξης. Η πίεση ανέρχεται στα 300 εκατομμύρια ατμόσφαιρες και η θερμοκρασία στους 14 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Σε τέτοιες συνθήκες δύο πρωτόνια -άτομα υδρογόνου χωρίς ηλεκτρόνια- συντήκονται και δημιουργούν το δευτέριο, ισότοπο του υδρογόνου. Στη συνέχεια το δευτέριο συντήκεται μ' ένα άλλο πρωτόνιο και δημιουργούν ήλιο-3, τον πυρήνα ισοτόπου του ηλίου. Τέλος, δύο άτομα ηλίου-3 συντήκονται με τη σειρά τους και σχηματίζουν ένα άτομο ηλίου-4.

Πώς γίνεται

Για να επιτευχθεί η ελεγχόμενη σύντηξη πάνω στη Γη πρέπει πρώτα να δημιουργήσουμε συνθήκες ανάλογες μ' εκείνες του Ήλιου. Οι ερευνητές πρότειναν διάφορους αντιδραστήρες σύντηξης. Στο εσωτερικό τους ένα αεριώδες νέφος από ισότοπα, το πλάσμα, θερμαίνεται σε θερμοκρασίες πάνω από 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, ώστε τα ισότοπα να συντήκονται. Εδώ η απαιτούμενη θερμοκρασία είναι πολλαπλάσια της ηλιακής, γιατί δεν έχουμε τη δυνατότητα να δημιουργήσουμε συνθήκες πίεσης ανάλογες μ' εκείνες που επικρατούν στον Ήλιο. Πρόκειται για το μεγαλύτερο τεχνικό πρόβλημα. Πράγματι, η ανάπτυξη τόσο υψηλών θερμοκρασιών και η συμπύκνωση του θερμού πλάσματος στα όρια ενός γήινου αντιδραστήρα δεν αποτελεί υπόθεση ρουτίνας.

Η πυρηνική σύντηξη στη Γη αποτελεί ζητούμενο για πολλούς ερευνητές τα τελευταία πενήντα χρόνια. Αν το επιτύχουν το όφελος θα είναι διπλό. Αφενός θα αποκτήσουμε μια αστείρευτη πηγή ενέργειας που θα παράγεται από το πιο άφθονο στοιχείο της φύσης, το νερό, αφετέρου θα απαλλαγούμε από τα ορυκτά καύσιμα και τους ρύπους που εκπέμπονται από τη χρήση τους. Γι' αυτό η πυρηνική σύντηξη είναι καθαρή πηγή ενέργειας.

Η κατάσταση σήμερα

Πολύ υψηλές θερμοκρασίες, μεγάλη πυκνότητα και μεγάλο χρονικό διάστημα συντήρησης του πλάσματος. Αυτή είναι θεωρητικά η συνταγή για την ελεγχόμενη διαδικασία θερμοπυρηνικής σύντηξης. Εκείνο που ταλανίζει τους ειδικούς είναι το "ελεγχόμενη". Αντίθετα, μη ελεγχόμενες πυρηνικές συντήξεις έχουν πραγματοποιηθεί επιτυχώς με τις βόμβες υδρογόνου, όμως μόνο αν η σύντηξη είναι ελεγχόμενη μπορεί να καταστεί εκμεταλλεύσιμη πηγή ενέργειας.

Η πρώτη μηχανή σύντηξης

κατασκευάστηκε το 1968 στην πρώην Σοβιετική Ένωση. Ονομάστηκε Τόκαμακ (Tokamak) κι έμοιαζε με χοντρή ατσάλινη σαμπρέλα. Ο τοροειδής, στρογγυλός θάλαμος εξωτερικά ήταν καλυμμένος με χοντρό σύρμα οι απολήξεις του οποίου συνδέονταν με μια γεννήτρια ηλεκτρικού ρεύματος. Η ροή του ρεύματος μέσα απ' αυτή την περιέλιξη δημιουργούσε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο που εμπόδιζε το καυτό πλάσμα να πλησιάσει τα ατσάλινα τοιχώματα της σαμπρέλας. Η πρώτη συσκευή προκάλεσε έναν ακόμα ψυχροπολεμικό ανταγωνισμό ανάμεσα σε Δύση και Ανατολή. Σύντομα κατασκευάστηκαν το TFTR (Δοκιμαστικός Αντιδραστήρας Σύντηξης) στις ΗΠΑ και αργότερα ο JET (Τοροειδές της Ενωμένης Ευρώπης) στην Αγγλία, δύο γιγάντειες, εξελιγμένες παραλλαγές του σοβιετικού Τόκαμακ. "Όλες οι μηχανές σύντηξης βελτίωσαν σημαντικά τις μεθόδους χειραγώγησης του πλάσματος. Η ελεγχόμενη πυρηνική σύντηξη δεν ήταν τελικά άπιαστο όνειρο αλλά ρεαλιστική προοπτική" εξηγεί ο δρ Αντρέας Θεοφίλου, μέλος της Εκτελεστικής Επιτροπής του Εργαστηρίου JET της Ευρωπαϊκής Ένωσης και διευθυντής ερευνών στο Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών "Δημόκριτος".

Ο πυρετός της σύντηξης συνεχίζεται αδιάκοπα μέχρι σήμερα. Ερευνητές από κάθε γωνιά του κόσμου προσπαθούν να κατασκευάσουν σύγχρονους αντιδραστήρες που θα καταστήσουν την πυρηνική σύντηξη εφικτή και εμπορικά εκμεταλλεύσιμη. Πρόσφατη εξέλιξη είναι οι μηχανές αδρανειακής συγκράτησης πλάσματος. Σ' αυτές το δευτέριο και το τρίτιο βρίσκονται μέσα σε μια κάψουλα και βομβαρδίζονται ακατάπαυστα από μια δέσμη επιταχυνόμενων σωματιδίων ή από μια δέσμη ακτίνων λέιζερ. Πρωτοπόρο ίδρυμα είναι το Εργαστήριο Λόρενς Λίβερμορ, στην Καλιφόρνια, και το γαλλικό πρόγραμμα Laser Megajoule, στην Ευρώπη. Μέσα σε κλάσματα δευτερολέπτου η πυκνότητα του υλικού στην κάψουλα αυξάνεται κατά 10.000 φορές, επιτρέποντας την ανάφλεξη του υλικού και τη σύντηξη των πυρήνων. Το πρόβλημα είναι ότι αυτή η αντίδραση σβήνει σχεδόν αμέσως και δεν καταφέρνει να αυτοσυντηρηθεί. Ένα άλλο ενδιαφέρον ερευνητικό πρόγραμμα είναι οι λεγόμενες Μηχανές-Ζ, οι οποίες δοκιμάζονται στο Εργαστήριο Σάντια του Νέου Μεξικού. Εκεί οι ερευνητές ελπίζουν να επιτύχουν τη σύντηξη χρησιμοποιώντας μια ηλεκτρική ώση μεγέθους πενήντα χιλιάδων δισεκατομμυρίων Βατ, η οποία διατρέχει έναν αγωγό σχήματος Ζ και καταλήγει σ' ένα μεταλλικό θάλαμο μέσα στον οποίο βρίσκεται το πλάσμα.

Πόσο ακίνδυνη είναι;

Η ελεγχόμενη σύντηξη είναι η καλή όψη των πυρηνικών αντιδράσεων. Η καθαυτή αντίδραση σύντηξης δεν αφήνει ραδιενεργά κατάλοιπα, αν και το τρίτιο είναι ραδιενεργός μορφή του υδρογόνου. Επίσης ένας αντιδραστήρας σύντηξης δεν μπορεί να υποστεί τήξη. Η ποσότητα καύσιμου υλικού είναι τόσο μικρή, ώστε σύντομα εξαντλείται. Επιπλέον η αντίδραση σύντηξης είναι τόσο δύσκολο να συντηρηθεί, ώστε οποιαδήποτε βλάβη ή ατύχημα στον αντιδραστήρα θα τη σταματούσε ακαριαία. Τέλος, στην περίπτωση διαφυγής του τριτίου αυτό ανεβαίνει αμέσως στα ψηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας.

Βασικό πρόβλημα είναι η μεγάλη ροή νετρονίων που παράγονται ως προϊόν κάθε αντίδρασης σύντηξης. Aυτά καθιστούν με το πέρασμα του χρόνου ραδιενεργά τα εσωτερικά τοιχώματα του αντιδραστήρα. Η μεγαλύτερη πρόκληση όμως για τους επιστήμονες είναι το πώς θα ελέγξουν αποτελεσματικά τις τεράστιες θερμοκρασίες που αναπτύσσονται μέσα στους αντιδραστήρες.

Οι μηχανές

Υπάρχουν πολυάριθμοι αντιδραστήρες σύντηξης σ' ολόκληρο τον πλανήτη. Οι σημαντικότεροι είναι οι εξής:

TFTR (Tokomak Fusion Test Reactor)

Ήταν ενεργός μέχρι το 1977 στο Εργαστήριο Πλάσματος του Πρίνστον, στις ΗΠΑ. Έδωσε τη μέγιστη θερμοκρασία που μια μηχανή Τόκαμακ μπόρεσε ποτέ να παραγάγει: 510 εκατομμύρια βαθμούς.

NSTX (National Spherical Torus Experiment)

Ο διάδοχος του TFTR. Ήταν ένας μεγάλος αντιδραστήρας ικανός να επιτύχει υψηλή πυκνότητα πλάσματος με σχετικά μικρά μαγνητικά πεδία.

ALCATOR C-Mod

Βρίσκεται στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) των ΗΠΑ. Πρόκειται για μηχανή μαγνητικής συγκράτησης που μελετά τη συμπεριφορά του πλάσματος με υψηλές πυκνότητες σωματιδίων.

TCV (Tokamak Configuration Variable)

Λειτουργεί από το 1992 στο Κέντρο Ερευνών Φυσικής του Πλάσματος, στην Ελβετία, και μελετά τη δυνατότητα θέρμανσης του πλάσματος με μικροκύματα.

DIII-D

Ιδιοκτησία της General Atomics, στο Σαν Ντιέγκο των ΗΠΑ. Είναι το μεγαλύτερο εν ενεργεία Τόκαμακ στις ΗΠΑ. Πέτυχε αξιοσημείωτη σταθεροποίηση του πλάσματος.

ASDEX U (Axially Symmetric Divertor Experiment Upgrade)

Βρίσκεται στη Γερμανία και σκοπός του είναι να διερευνήσει τα προβλήματα ενός μελλοντικού εμπορεύσιμου αντιδραστήρα.

JET (Joint European Torus)

Το μεγάλο Κοινό Ευρωπαϊκό Τοροειδές, στην Αγγλία. Έχει διάμετρο 15 μ. και ύψος 12 μ. Έχουν πραγματοποιηθεί πολλά σημαντικά πειράματα κι έχει επιτύχει θερμοκρασία 300 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.

JT 60

Λειτουργεί από το 1985 στην Ιαπωνία. Μελετά τη συμπεριφορά του πλάσματος δευτερίου-τριτίου.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)

Το πιο φιλόδοξο μέχρι σήμερα διεθνές πρόγραμμα. Συμμετέχουν η Ευρωπαϊκή Ένωση, η Ιαπωνία, ο Καναδάς και η Ρωσία. Σκοπός της υπερμεγέθους μηχανής είναι να επιτύχει μια αυτοσυντηρούμενη σύντηξη. Θα ολοκληρωθεί σε τριάντα χρόνια.

Το μέλλον

Οι μελλοντικές προοπτικές εκμετάλλευσης της ελεγχόμενης πυρηνικής σύντηξης φαίνεται να εξαρτώνται από την επιτυχία του προγράμματος του Διεθνούς Θερμοπυρηνικού Πειραματικού Αντιδραστήρα ή ITER (βλ. πλαίσιο 6). Ο πρώτος κύκλος των εργασιών του προγράμματος ολοκληρώθηκε επιτυχώς το 1997, όμως ο προϋπολογισμός για τα επόμενα βήματα ήταν οχτώ δισεκατομμύρια δολάρια, υπερβολικός δεδομένης της παγκόσμιας οικονομικής ύφεσης. Οι υπεύθυνοι έκαναν μια πιο μετριοπαθή πρόταση, μειώνοντας το κόστος περίπου 50%.

Ο σχεδιασμός του από μηχανολογικής άποψης ολοκληρώθηκε το 2001. Η Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας ανακοίνωσε ότι ο αντιδραστήρας θα είναι σε θέση να παραγάγει ισχύ 500 μεγαβάτ για μερικές εκατοντάδες δευτερόλεπτα. Το ITER θα αποτελέσει τον οδηγό για την κατασκευή ενός πειραματικού κέντρου παραγωγής μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας. Δυσεπίλυτο παραμένει το πρόβλημα επιλογής του τόπου κατασκευής των εγκαταστάσεων. Μέχρι στιγμής έχουν θέσει υποψηφιότητα ο Καναδάς, η Ιαπωνία, η Γαλλία και η Ισπανία. Ωστόσο η χώρα που θα επιλεγεί για την κατασκευή του ITER οφείλει να αναλάβει τουλάχιστον τα μισά έξοδα για την αποπεράτωση του αντιδραστήρα.