Μια μικρή εισαγωγή στην πυρηνική σύντηξη και την σημασία της

Αντώνης Βασιλείου

Σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με αποδοτικότητα 40 % απαιτείται η καύση:

• 2.5 δισεκατομύρια τόνων άνθρακα
• 100. 000 τόνων ουρανίου σε συμβατικούς αντιδραστήρες σχάσεως
• 1300 τόνων λιθίου σε αντιδραστήρες συντήξεως D-T
• 135 τόνων δευτερίου σε αντιδραστήρες συντήξεως D-D
• 1000 τόνων ουρανίου σε ταχείς αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες (υβριδικοί)

Η μεγαλύτερη χώρα παραγωγός Λιθίου είναι η Χιλή

Για τις λεγόμενες «ανανεώσιμες» πηγές ενέργειας απαιτούνται σπάνιες γαίες και μέταλλα που πολύ γρήγορα θα εξαντληθούν.

Δεν υπάρχουν στοιχεία για αποθέματα Σαμαρίου, Νεοδυμίου, Γαδολινίου κλπ αλλά τον έλεγχο αυτών των μετάλλων έχει η Κίνα.

Πολύ πιθανά το επόμενο ισχυρό νόμισμα (που ενδεχομένως θα αντικαταστήσει το δολλάριο) είναι τα μέταλλα των σπανίων γαιών και τον απόλυτο έλεγχο θα τον ασκεί η Κίνα και δευτερευόντως η Ρωσία.

Για την παραγωγή του ισοδυνάμου της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας

Επισήμανση για τον αναγνώστη

• Εδώ κάνω μια προσπάθεια απομυθοποίησης του «μυστηριώδους» κόσμου της πυρηνικής φυσικής.
• Ο κόσμος δεν είναι μυστήριος. Το μοναδικό μυστήριο του κόσμου είναι ότι είναι κατανοητός. Μένει να τον κατανοήσουμε καλύτερα.

Οι έννοιες που πρέπει να συγκρατήσουμε είναι .

• Η ενέργεια σύνδεσης του πυρήνα
• Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο.
• Ο σταθερότερος πυρήνας είναι του ατόμου του σιδήρου
• Η διαφορά σχάσης και σύντηξης.
• Η αλυσιδωτή αντίδραση.
• Η ελεγχόμενη και μη ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση.

Πως μοιάζει ο πυρήνας

Τα σωματίδια που αποτελούν τον πυρήνα λέγονται νουκλεόνια και είναι δύο ειδών , τα πρωτόνια και τα νετρόνια

Νοητή σφαίρα που δείχνει το μέγεθος του πυρήνα

Το νετρόνιο εκτός πυρήνα είναι ασταθές και διασπάται με χρόνο ημίσειας ζωής 13 λεπτά σε πρωτόνιο ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο. Η διάσπαση του νετρονίου οφείλεται στην ασθενή πυρηνική δύναμη.

Βασικά για τους πυρήνες

Πώς και γιατί υπάρχει ο πυρήνας;

(α) απωστική ηλεκτρική δύναμη Coulomb προσπαθεί να τον διασπάσει

(β) H παραμένουσα «ισχυρή πυρηνική δύναμη» τον συγκρατεί ενωμένο

Η (παραμένουσα) ισχυρή πυρηνική δύναμη

(α) έχει πολύ μικρή εμβέλεια (ακτίνα δράσης 2.10^-15 m

(β) είναι ελκτική,

(γ) δρά ανάμεσα σε ζεύγη p-p, n-n, και p - n

(δ) είναι 100 φορές ισχυρότερη από την ηλεκτροστατική άπωση Coulomb

​

​

​

Ο ανταγωνισμός ανάμεσα σε αυτές τις δύο δυνάμεις καθορίζει την σταθερότητα του πυρήνα

Τα πρωτόνια απωθούνται λόγω της άπωσης μεταξύ ομώνυμων θετικών φορτίων, και απομακρύνονται. Παρόλα αυτά οι πυρήνες των ατόμων περιέχουν πολλά πρωτόνια. Πώς γίνεται αυτό;

Υπάρχει μια δύναμη, που αναπτύσσεται μεταξύ των πρωτονίων, μεταξύ των νετρονίων και μεταξύ και των δύο, που λέγεται (παραμένουσα) ισχυρή πυρηνική δύναμη. Χωρίς αυτήν δεν θα υπήρχαν πυρήνες.

Είναι περίπου 100 φορές πιο ισχυρή από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη και καταφέρνει να κρατά κοντά τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον πυρήνα. Αλλά σε συνδυασμό με την μικρή της εμβέλεια, σημαίνει πως αν πάμε περίπου πάνω από 100 πρωτόνια στον πυρήνα, αυτός δεν θα είναι πια σταθερός, αλλά θα διασπάται. Το ακριβές είναι Ζ= 83πρωτόνια, θα έχει ο τελευταίος σταθερός πυρήνας που γνωρίζουμε στην φύση. Πρόκειται για το Βισμούθιο ₈₃²⁰⁹Bi Όλοι οι άλλοι με περισσότερα από 83 πρωτόνια θα είναι ραδιενεργοί, δηλαδή θα διασπώνται αυθόρμητα, σε μικρότερους πυρήνες.

Επίσης οι σταθεροί πυρήνες με πολλά πρωτόνια, έχουν περισσότερα νετρόνια απότι πρωτόνια, επειδή τα νετρόνια προσθέτουν ισχυρή πυρνηνική έλξη, χωρίς να απωθούνται ηλεκτρικά.

Για να εκδηλωθεί η ισχυρή πυρηνική έλξη, πρέπει τα πρωτόνια και τα νετρόνια σχεδόν να ακουμπούν μεταξύ τους. Εκδηλώνεται μόνο στα διπλανά νουκλεόνια, όχι στα παραδιπλανά.

Δηλαδή η παραμένουσα ισχυρή πυρηνική δύναμη δεν έχει άπειρη ακτίνα δράσης. Αν ήταν έτσι, όλο το σύμπαν θα ήταν ένας και μοναδικός τεράστιος πυρήνας. Δρά μονο σε μικρές αποστάσεις , περίπου στο μέγεθος του πυρήνα και γιαυτό αργήσαμε να την ανακαλυψουμε.

Για παράδειγμα το Βισμούθιο ₈₃²⁰⁹Bi έχει 83πρωτόνια και 209 – 83 = 126 νετρόνια

Πυρήνες και σταθερότητα

• Σήμερα είναι γνωστοί περίπου 400 σταθεροί πυρήνες και εκατοντάδες ασταθείς
• Οι ελαφροί πυρήνες είναι πιο σταθεροί όταν ο αριθμός πρωτονίων και νετρονίων είναι ίδιος (όπως συμβαίνει στο Ηe με 2 πρωτόνια και δύο νετρόνια)
• Βαρείς πυρήνες θα είναι σταθεροί, όταν έχουν περισσότερα νετρόνια από ότι πρωτόνια ώστε η άπωση μεγάλης εμβέλειας των πρωτονίων να αντισταθμιστεί από την έλξη μικρής εμβέλειας των νετρονίων και να είναι σταθερός ο πυρήνας.
• Αυτό συμβαίνει μέχρι περίπου Z=83 πρωτόνια στο στοιχείο Βισμούθιο ₈₃Bi.
• Όταν Ζ > 83 ο πυρήνας είναι ασταθής όσα και αν είναι τα νετρόνια.
• Γενικά οι περισσότεροι σταθεροί πυρήνες έχουν άρτιο άθροισμα πρωτονίων και νετρονίων.

Το βασικό διάγραμμα της πυρηνικής Φυσικής. Ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο

Ο πυρήνας του σιδήρου εμφανίζει την μέγιστη ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο, άρα είναι ο σταθερότερος πυρήνας

Αυτό σημαίνει ότι όταν δημιουργούνται συνθήκες πυρηνικών αντιδράσεων, τότε οι πυρήνες όλων των στοιχείων θα εμφανίζουν αυθόρμητη τάση μετατροπής τους σε πυρήνα σιδήρου

Το ήλιο εμφανίζει μεγάλη ενέργεια σύνδεσης, σε σχέση με τους γειτονικούς του πυρήνες. Άρα υπάρχει αυθόρμητη τάση μετατροπής του υδρογόνου σε ήλιο . Αυτό συμβαίνει στα άστρα

Βασικές έννοιες και το βασικό διάγραμμα της πυρηνικής φυσικής χαμηλών ενεργειών

• Ο πυρήνας είναι ελαφρύτερος από το άθροισμα των μαζών των πρωτονίων και των νετρονίων που τον αποτελούν. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως έλλειμα μάζας του πυρήνα.
• Η διαφορά αυτή οφείλεται στην ενέργεια σύνδεσης του πυρήνα, λόγω της ισοδυναμίας μάζας - ενέργειας της θεωρίας της σχετικότητας (Ο διασημoς τύπος E= m.c²)
• Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο, εκφράζει την μέση τιμή της ενέργειας που πρέπει να καταβάλεις, για να αποσπάσεις (νουκλεόνιο) δηλαδή ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο από τον πυρήνα ενός στοιχείου.
• Άρα όσο πιο μεγάλη είναι αυτή η ενέργεια σύνδεσης, τόσο πιο σταθερός είναι ο πυρήνας.

• Επειδή ο σίδηρος (₂₆⁵⁶Fe) έχει την μεγαλύτερη ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο, όπως φαίνεται διαγράμματα, συμπεραίνουμε, ότι ο πιο σταθερός πυρήνας στην φύση είναι ο πυρήνας του σιδήρου.
• Αυτό σημαίνει ότι όταν υπάρχουν οι κατάλληλες συνθήκες, όλοι οι πυρήνες θα εμφανίζουν αυθόρμητη τάση να μετατραπούν σε σίδηρο.
• Ο σίδηρος όμως έχει μεσαίο μέγεθος. Άρα
• Οι ελαφρείς πυρήνες θα θέλουν να συνενωθούν και να δώσουν πυρήνες μεγαλύτερης μάζας. Αυτό είναι η πυρηνική σύντηξη.
• Οι πιο βαρείς θα θέλουν να διασπαστούν και να δώσουν πυρήνες μικρότερης μάζας που θα είναι όσο πιο κοντά γίνεται στον σίδηρο. Αυτό είναι η πυρηνική σχάση

Η σταθερότητα του πυρήνα του σιδήρου και οι συνέπειες

• Το πρόβλημα με την σχάση δηλαδή την διάσπαση βαριών πυρήνων σε πυρήνες μεσαίου μεγέθους, είναι ότι πρέπει να ξεφορτωθούν τα παραπάνω νετρόνια που πρέπει να έχει ο βαρύς πυρήνας.
• Αυτή η εκπομπή νετρονίων, κάνει την σχάση επκίνδυνη, δύσκολη στον περιορισμό της ραδιενέργειας, αλλά και τον έλεγχο διάδοσης της αλυσιδωτής αντίδρασης.

Το βασικό μειονέκτημα της σχάσης έναντι της σύντηξης

Πυρηνική σχάση

Ο πυρήνας Ουρανίου 235 απορροφά ένα νετρόνιο, γίνεται ασταθές Ουράνιο 236 και στη συνέχεια διασπάται σε δύο ενδιάμεσους πυρήνες Βαρίου και Κρυπτού, με παράλληλη απελευθέρωση 3 νετρονίων

¹n + ²³⁵U → “²³⁶U” → ⁹¹Kr + ¹⁴²Ba + 3 ¹n + Ενέργεια

0 92 92 36 56 0

Η αντίδραση που λαμβάνει χώρα στην παραπάπω προσομοίωση είναι η

¹n + ²³⁵U → “²³⁶U” → ⁹¹Kr + ¹⁴²Ba + 3 ¹n + Ενέργεια

0 92 92 36 56 0

Παρατηρείστε ότι και στις δύο περιπτώσεις παράγονται περισσότερα από ένα νετρόνια τα οποία μπορεί να προσβάλλουν άλλους πυρήνες στην συνέχεια και να παρχθούν ακόμη περισσότερα νετρόνια άρα ακόμη περισσότερες διασπάσεις κ.ο.κ. Αυτό ακριβώς είναι η αλυσιδωτή αντίδραση

Αλυσιδωτή αντίδραση.Η ελεγχόμενη και ανεξέλεγκτη σχάση

Αλυσιδωτή αντίδραση

Στα παραπροϊόντα τής σχάσης περιλαμβάνονται και 3 νετρόνια, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν περαιτέρω 3σχάσεις και μετά 9 σχάσεις κλπ.

Η αύξηση των σχάσεων με γεωμετρική πρόοδο δημιουργεί μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση.

​

​

​

Σε μια μη ελεγχόμενη παραγωγή νετρονίων, μέσα σε ένα κλασμα μικρότερο από το εκατομυριοστό του δευτερολέπτου θα προκληθεί σχάση όλης της ποσότητας του ουρανίου και η τεράστια απελευθέρωση ενέργειας , προκαλεί έκρηξη της οποίας η ισχύς είναι μεγαλύτερη από κάθε έκρηξη που προέρχεται από χημικές αντιδράσεις (πυρηνικά όπλα).

Εάν η παραγωγή νετρονίων είναι ελεγχόμενη τότε η αντίδραση προχωρεί με χαμηλή ταχύτητα και παράγει αξιοποήσιμη ενέργεια. Έτσι λειτουργούν οι πυρηνικοί αντιδραστήρες σχάσεως.

​

Ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας κατασκευάστηκε στα πλαίσια του σχεδίου Μανχάταν, το 1942, υπό την καθοδήγηση του Ενρίκο Φέρμι στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Το καύσιμο που χρησιμοποιήθηκε ήταν φυσικό ουράνιο, το οποίο περιέχει σε ποσοστό μικρότερο του 1% το ισότοπο του ουρανίου U-235 και κατά 99% αποτελείται από U-238 το οποίο δεν υφίσταται εύκολη σχάση.

​

Ο Φέρμι είχε παρατηρήσει ότι η πιθανότητα σχάσης αυξανόταν όταν κάποιο μέσο επιβράδυνε τα νετρόνια και έτσι στον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα που κατασκεύασε χρησιμοποιήθηκαν επιβραδυντές αποτελούμενοι από γραφίτη. Το ουράνιο που αποτελούσε το καύσιμο λαμβανόταν από οξείδιο του ουρανίου που τοποθετούνταν σε μεγάλες ποσότητες πάνω σε στήλες γραφίτη.

Χρησιμοποίησε επίσης και ρυθμιστικές ράβδους καδμίου , που απορροφούν τα πλεονάζοντα νετρόνια και αποτρέπουν την ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση.

​

Ο Φέρμι, πριν τη λειτουργία του αντιδραστήρα, έδωσε εντολή να αφαιρεθούν όλες οι ρυθμιστικές ράβδοι εκτός από μία η οποία ήταν ικανή να σταματήσει τη δημιουργία αλυσιδωτής αντίδρασης. Μετά αφαιρέθηκε και αυτή σταδιακά και σε κάθε στάδιο ελεγχόταν ο ρυθμός της σχάσης για να διαπιστωθεί αν ήταν ίδιος με αυτόν που είχε υπολογιστεί θεωρητικά. Όταν αφαιρέθηκε και το τελευταίο τμήμα της ρυθμιστικής ράβδου, η έκλυση της ενέργειας ανοδικά έφτασε σε ένα σταθερό επίπεδο και αυτό αποτέλεσε τον πρώτο (τεχνητό) έλεγχο πυρηνικής σχάσης.

​

Ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας σχάσης

Γενικό διάγραμμα αντιδραστήρα σχάσης

1. Παραγωγή θερμότητας στην καρδιά του αντιδραστήρα
2. Με νερό ή τηγμένο άλας, η θερμότητα μεταφέρεται σε θάλαμο παραγωγής ατμού, ενώ ταυτόχρονα ψύχεται ο αντιδραστήρας
3. Ο ατμός κινεί ατμοστρόβιλο και γεννήτρια ηλεκτικού ρεύματος

• Σε έναν τυπικό πυρηνικό αντιδραστήρα για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ο πυρήνας του αντιδραστήρα (reactor core) αποτελείται από 80 με 100 τόνους ουρανίου σε παραπάνω από 30000 ράβδους καυσίμων.
• Οι ράβδοι καυσίμων αποδίδουν τη θερμότητα που παράγουν στο νερό, σε μια σειρά ατμοπαραγωγών δοχείων(μπόϊλερ)
• Ο ατμός συνεχίζει την πορεία του για την κίνηση ατμοστροβίλων (τουρμπίνες) που συνδέονται με μια ηλεκτρική γεννήτρια.
• Ακολουθεί ψύξη του κορεσμένου ατμού που εξέρχεται από τους ατμοστροβίλους, ο οποίος συμπυκνώνεται και διοχετεύεται και πάλι στο σύστημα.
• Οι μεγάλες ποσότητες ατμού που βλέπουμε να εξέρχονται από τους πύργους ψύξης προέρχονται από κύκλωμα νερού ψύξης που είναι ανεξάρτητο από το σύστημα ατμοπαραγωγής.
• Στην Γαλλία το 80% της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται σε αντιδραστήρες σχάσης.

​

Πυρηνικά απόβλητα σχάσης

​

Οι μεγαλύτερες ποσότητες ραδιενεργών αποβλήτων αποτελούν περιπτώσεις πυρηνικών καυσίμων, συστατικά αντιδραστήρα και ουράνιο. Τα απόβλητα της σχάσης μπορούν να παραμείνουν ραδιενεργά, άρα και επικίνδυνα, για δεκάδες χιλιάδες χρόνια από τη δημιουργία τους.

​

Τα απόβλητα υψηλού κινδύνου, είναι πολύ θανατηφόρα, ακόμα και εάν κάποιος κάτσει κοντά τους έστω και για λίγες ημέρες. Αυτός ο τύπος αποβλήτων αντιπροσωπεύει ένα μικρό μόνο κλάσμα. Για παράδειγμα, στη Βρετανία μόλις το 0,3% του συνολικού όγκου των πυρηνικών αποβλήτων της χώρας είναι υψηλού κινδύνου.

​

Σήμερα, τα υψηλού επιπέδου απορρίμματα αντιμετωπίζονται με ψύξη σε νερό για αρκετά χρόνια και στη συνέχεια αναμιγνύονται με τετηγμένο γυαλί, και χύνονται σε χαλύβδινα δοχεία. Αυτά τα δοχεία αποθηκεύονται τελικά σε ένα δοχείο επενδυμένο με σκυρόδεμα.

​

Ο παροπλισμός μιας πυρηνικής εγκατάστασης, π.χ. ενός πυρηνικού σταθμού ή ενός ερευνητικού αντιδραστήρα, αποτελεί το τελικό στάδιο του κύκλου ζωής του.

Η όλη διαδικασία είναι πολύπλοκη και χρονοβόρα (έως και 30 έτη) και διενεργείται με τα υψηλότερα πρότυπα ασφάλειας.

• Μετά την καταστροφή του Τσερνόμπιλ το 1986, η ΕΕ αποφάσισε ότι οι αποκαλούμενοι αντιδραστήρες υψηλής ισχύος τύπου διαύλου (RBMK) και οι σοβιετικού σχεδιασμού πυρηνικοί αντιδραστήρες πρώτης γενιάς θα πρέπει να τεθούν εκτός λειτουργίας.
• Κατά την ένταξή τους στην ΕΕ, η Βουλγαρία, η Λιθουανία και η Σλοβακία συμφώνησαν να κλείσουν τους αντιδραστήρες στις τοποθεσίες Κοζλοντούι, Ιγκναλίνα και Μποχουνίτσε, αντίστοιχα.
• Για να τις βοηθήσει, η ΕΕ δρομολόγησε τα προγράμματα συνδρομής στον παροπλισμό πυρηνικών εγκαταστάσεων . Τα προγράμματα αυτά περιλαμβάνουν δράσεις για την απορρύπανση και την αποσυναρμολόγηση των εν λόγω αντιδραστήρων και των ερευνητικών εγκαταστάσεων, την ασφαλή διαχείριση των ραδιενεργών αποβλήτων, αλλά και να διασφαλιστεί η ευρεία διάδοση σ’ όλα τα κράτη μέλη της ΕΕ των γνώσεων που θα παραχθούν μ’ αυτόν τον τρόπο σχετικά με τον παροπλισμό των πυρηνικών εγκαταστάσεων.
• Σ’ όλες τις εγκαταστάσεις, οι δραστηριότητες του παροπλισμού έχουν προχωρήσει αισθητά: οι προγραμματισμένες ημερομηνίες ολοκλήρωσης είναι το 2025 για τη Σλοβακία, το 2030 για τη Βουλγαρία, το 2038 για τη Λιθουανία και το 2038 για την εγκατάσταση του ερευνητικού σταθμού στην Ίσπρα της Λιθουανίας.

Παρατήρηση. Ο παροπλισμός δηλαδή το πιο κοστοβόρο στάδιο του κύκλου ζωής ενός αντιδραστήρα, φορτώνεται στις πλάτες των λαών της ΕΕ. Δεν μπορεί η Αριστερά να αφήσει την πυρηνική ενέργεια στο έλεος του αρπακτικού κεφαλαίου

Πυρηνική σύντηξη

• Με τον όρο πυρηνική σύντηξη χαρακτηρίζεται η συνένωση πυρήνων π.χ. Υδρογόνο, Δευτέριο, Τρίτιο, προς σχηματισμό βαρύτερων.
• Είδαμε ότι το Ήλιο είναι εξαιρετικά σταθερό άρα υπάρχει δυνατότητα μετατροπής υδρογόνου ή ισοτόπων του σε ήλιο.
• Αντιδράσεις αυτού του είδους είναι κατά κύριο λόγο εξωενεργειακές, απελευθερώνοντας μεγάλες ποσότητες ενέργειας.
• Η σύντηξη σε σχέση με την σχάση πλεονεκτεί στο ότι τα υλικά προς σύντηξη υπάρχουν άφθονα στην φύση (υδρογόνο, δευτέριο και το τρίτιο μπορεί να το πάρουμε από το Λίθιο), ενώ είναι καθαρότερη από την σχάση επειδή τα ραδιενεργά κατάλοιπα έχουν πολύ μικρότερο χρόνο ζωής
• Υπάρχουν πολλές αντιδράσεις σύντηξης θα δούμε μερικές.

Το Big – Bang δημιούργησε υδρογόνο και δευτέριο 75% ήλιο 24% και Λίθιο ( Αρχέγονη πυρηνογέννεση ή Πυρηνοσύνθεση Big – Bang)

Όλα τα άλλα στοιχεία δημιουργήθηκαν στο εσωτερικό τεράστιων άστρων με αντιδράσεις σύντηξης και διασκορπίστηκαν στο μεσοαστρικό χώρο μετά από εκρήξεις σουπερνόβα (Αστρική πυρηνοσύνθεση)

​

• Ενα μεγάλο άστρο έχει μέση διάρκεια ζωής περί τα 100 εκατομύρια χρόνια
• Ενα άστρο σαν τον Ήλιο περί τα 10 δις χρόνια

​

Επομένως δεν είναι υποχρεωτικό η Γη να προήλθε από την ύλη που εκτοξεύτηκε από ενα και μόνο άστρο που πέθανε. Μπορεί να χρειάτηκε να πεθάνουν αρκετά άστρα γιαυτό

​

Αν εξαφανιστούν οι σπάνιες γαίες, δεν υπάρχει περίπτωση αναδημιουργίας τους. Η αιολική ενέργεια και τα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούν τεράστιες ποσότητες σπανίων γαιών και εξαντλούν με γοργούς ρυθμούς τα αποθέματά τους.

​

Δυστυχώς δεν μπορούν να αναπληρωθούν άρα η αιολική ενέργεια και τα φωτοβολταϊκά παρά την θέλησή μας, δεν είναι ανεξάντλητες πηγές ενέργειας λόγω των σπανίων γαιών που είναι απαραίτητες για την άντληση ενέργειας από τον άνεμο και την ηλιακή έκθεση. Όσο και αν η ροή ενέργειας είναι ανεξάντλητη, η άντλησή της δεν είναι λόγω των σπανίων γαιών που απαιτούνται

Η σημασία της σύντηξης και της πυρηνοσύνθεσης

Κάθε δευτερόλεπτο που περνάει, ο Ηλιος μετατρέπει με πυρηνική σύντηξη 600 εκατομύρια τόνους υδρογόνου, σε 595,4 εκατομύρια τόνους ηλίου και τα υπόλοιπα 4,6 εκατομμύρια τόνοι ύλης του μετατρέπονται σε ενέργεια, παράγοντας μια τεράστια ισχύ 4∙10²⁶ Watt

Από την τεράστια ηλιακή ενέργεια που εκπέμπεται από τον ήλιο μόλις τα 2 δισεκατομμυριοστά δέχεται ο πλανήτης μας . Δηλαδή φτάνουν στην γη 8∙10¹⁷ Watt

Η ενέργεια από τον ήλιο που φτάνει στην Γη σε μόλις δύο λεπτά, επαρκεί γαι τις ενεργειακές ανάγκες της ανθρωπότητας για ένα έτος

Από την ηλιακή ενέργεια η οποία φτάνει στα όρια της ατμόσφαιρας:

• Το ~31% ανακλάται στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας της γης

• Το ~47% φθάνει μέχρι την επιφάνεια της γης

• Το ~23% συμβάλει στην δημιουργία των ανέμων, των κυμάτων και γενικά ρυθμίζει το κλίμα • Οι ωκεανοί απορροφούν το 33% της ενέργειας που φθάνει στην επιφάνεια της γης

• Η ξηρά απορροφά το 14% της ενέργειας που φθάνει στην επιφάνεια της γης

• Το 0.1% της ηλιακής ενέργειας απορροφάται από τα φυτά

Ο Ζωοδότης Ήλιος

Μην ανησυχείτε. Δεν τελειώνουν εύκολα τα καύσιμα,. Αυτό θα συμβαίνει για 5 δις έτη ακόμη

Γεωθερμία ή γεωθερμική ενέργεια ονομάζουμε τη φυσική θερμική ενέργεια της Γης που διαρρέει από το θερμό εσωτερικό του πλανήτη προς την επιφάνεια. Η μετάδοση θερμότητας πραγματοποιείται με δύο τρόπους:

α) Με αγωγή από το εσωτερικό προς την επιφάνεια

β) Με ρεύματα μεταφοράς, που περιορίζονται όμως στις ζώνες κοντά στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών, λόγω ηφαιστειακών και υδροθερμικών φαινομένων.

​

Μεγάλη σημασία για τον άνθρωπο έχει η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας για την κάλυψη αναγκών του, καθώς είναι μια πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Ανάλογα με το θερμοκρασιακό της επίπεδο μπορεί να έχει διάφορες χρήσεις.

​

Η υψηλής ενθαλπίας (>150 °C) χρησιμοποιείται συνήθως για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ισχύς τέτοιων εγκαταστάσεων το 1979 ήταν 1.916 ΜW με παραγόμενη ενέργεια 12×10⁶ kWh/yr.

​

Η μέσης ενθαλπίας (80 έως 150 °C) που χρησιμοποιείται για θέρμανση ή και ξήρανση ξυλείας και αγροτικών προϊόντων καθώς και μερικές φορές και για την παραγωγή ηλεκτρισμού (π.χ. με κλειστό κύκλωμα φρέον που έχει χαμηλό σημείο ζέσεως).

​

Η χαμηλής ενθαλπίας (25 έως 80 °C) που χρησιμοποιείται για θέρμανση χώρων, για θέρμανση θερμοκηπίων, για ιχθυοκαλλιέργειες, για παραγωγή γλυκού νερού.

​

Γεωθερμία

Ολες οι μορφές ενέργειας, αέρας, κύματα, φωτοβολταϊκά καύση κλπ, προέρχονται από τον Ήλιο. Η γεωθερμία είναι μια άλλη μορφή ενέργειας που δεν προέρχεται από τον δικό μας ήλιο, αλλά κάποιο άλλο αστέρι που ανατινάχτηκε με έκρηξη σουπερνόβα ΙΙ και δημιούργησε τα βαριά στοιχεία που περιέχονται στην γη. Η γεωθερμία οφείλεται επίσης σε πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στο εσωτερικό της Γης και είναι απομεινάρια εκείνου του αστέρα ( η εκείνων των αστέρων).

​

Συμπέρασμα.

Ολες οι μορφές ενέργειας, ανανεώσιμες και μη προέρχονται από πυρηνική σύντηξη, είτε του δικού μας ήλιου είτε κάποιου άλλου ήλιου που υπήρξε στο παρελθόν.

Τα στοιχεία που δημιούργησαν την ζωή προήλθαν από πυρηνικές συντήξεις στο εσωτερικό κάποιων άστρων, και τα βαρύτερα στοιχεία από εκρήξεις σουπερνόβα, δηλαδή πάλι συντήξεις (ενδόθερμες όμως που απορρόφησαν μέρος από την ενέργεια της έκρηξης και δημιουργήθηκαν τα στοιχεία μετά τον σίδηρο)

Όλη η διαθέσιμη ενέργεια στην Γη προέρχεται από πυρηνική σύντηξη

• Τα άτομα υδρογόνου ή ισότοπα του υδρογόνου συγχωνεύονται με σύντηξη για να δημιουργήσουν ήλιο.
• Η μάζα του ηλίου είναι ελαφρώς μικρότερη (1%) από την αρχική μάζα με τη διαφορά μάζας (έλλειμμα μάζας) να εκπέμπεται ως ενέργεια
• Αντί για τη χρήση ατόμων υδρογόνου, είναι ευκολότερο να προωθηθεί η σύντηξη που χρησιμοποιεί δύο ισότοπα υδρογόνου, το δευτέριο και το τρίτιο
• Το δευτέριο είναι ένα φυσικό ισότοπο υδρογόνου που έχει ένα επιπλέον νετρόνιο
• Ένα άτομο υδρογόνου στα 6700 εμφανίζεται ως δευτέριο και μπορεί να διαχωριστεί από το υπόλοιπο σχετικά εύκολα
• Το Τρίτιο είναι πολύ πιο σπάνιο επειδή είναι φυσικά ραδιενεργό και αποσυντίθεται γρήγορα (χρόνος ημιζωής 12,3 έτη)
• Το τρίτιο μπορεί να κατασκευαστεί με βομβαρδισμό του φυσικού στοιχείου λιθίου με νετρόνια
• Το τρίτιο θα μπορούσε να δημιουργηθεί έχοντας μια "κουβέρτα" από λίθιο που περιβάλλει ένα δοχείο συγκράτησης σύντηξης (αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα έναν αντιδραστήρα εκτροφής τριτίου)
• Η σύντηξη μπορεί να επιτευχθεί μόνο σε θερμοκρασίες τυπικές για το κέντρο των άστρων, (της τάξης των 100 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου)

​

Βασική φυσική αντιδραστήρων σύντηξης (1)

• Το δευτέριο μπορεί να εξαχθεί από το νερό (Εάν όλη η ηλεκτρική ενέργεια του κόσμου παρέχεται με σύντηξη, το δευτέριο που υπάρχει στο νερό φτάνει να καλύψει τις ανάγκες για 30 εκατομμύρια χρόνια)
• Το τρίτιο δεν υπάρχει στην φύση και θα κπαράγεται από την κουβέρτα λιθίου που θα περιβάλλει τον αντιδραστήρα σύντηξης.
• Το λίθιο, το ελαφρύτερο μέταλλο, είναι άφθονο στον φλοιό της γης (αν όλη η ηλεκτρική ενέργεια του κόσμου παρέχεται με σύντηξη, τα γνωστά αποθέματα θα διαρκέσουν τουλάχιστον 10.000 χρόνια)
• Παρόλο που συμβαίνει σύντηξη μεταξύ Δευτερίου και Τριτίου, τα αναλώσιμα είναι Δευτέριο και Λίθιο.
• Για παράδειγμα, 10 γραμμάρια δευτερίου μπορούν να εξαχθούν από 500 λίτρα νερού και 15g τριτίου, παράγονται από 30g λιθίου θα παράγουν αρκετά καύσιμα για τις ανάγκες ηλεκτρικής ενέργειας μιας μέσης ανθρώπινης ζωής σε μια βιομηχανοποιημένη χώρα.

​

​

Βασική φυσική αντιδραστήρων σύντηξης (2)

Η σύντηξη p-p είναι (αυτή που γίνεται στα άστρα και δεν αφήνει καθόλου κατάλοιπα) περίπου10²⁶φορές πιο αργή από τη σύντηξη DT .

Ακόμη και εάν την καταφέρναμε, θα παίρναμε μόλις 700 Watt/ κυβικό μέτρο καυσίμου.

Επομένως δεν συμφέρει για το σημερινό επίπεδο κατανόησης της φυσική πλάσματος να αξιοποιηθεί ως πηγή ενέργειας.

Η θερμοκρασία ανάφλεξης στην σύντηξη DT είναι περίπου δεκαπλάσια από αυτήν που υπάρχει στο εσωτερικό του Ηλίου.

Αυτό αυξάνει τις τεχνικές δυσκολίες.

Η πιο σημαντική είναι ότι μας είναι σχεδόν άγνωστη η φυσική του πλάσματος σε αυτές τις θερμοκρασίες.

Όμως παράγει τεράστια ποσά ενέργειας λόγω της ταχύτητάς της και συμφέρει

Ενας κατάλογος αντιδράσεων σύντηξης

• Σύντηξη 4 πρωτονίων
• Σύντηξη δευτερίου -δευτερίου
• Σύντηξη δευτερίου - τριτίου

Στις επόμενες διαφάνειες θα δούμε τρεις αντιδράσεις σύντηξης που καταλήγουν σε ήλιο ₂⁴He

Σύντηξη πρωτονίου -πρωτονίου. Αυτή συμβαίνει στον Ήλιο

1^ο Βήμα Δύο πρωτόνια συγκρούονται και δίνουν ένα ποζιτρόνιο ένα νετρίνο και ένα πυρήνα Δευτερίου

p + p → D + ν + e⁺ + 0,42 ΜeV

​

2^ο Βήμα. Ενα πρωτόνιο και ένα Δευτέριο συγκρούονται και δίνουν ένα φωτόνιο ακτινοβολίας γάμμα, και ένα πυρήνα Ηλίου ₂³Ηe

D+ p →₂³Ηe + γ + 5,49 ΜeV

​

3^ο Βήμα. Δύο πυρήνες ηλίου ₂³Ηe συγκρούονται και δίνουν ένα πυρήνα ₂⁴Ηe Και δύο πρωτόνια

​

₂³Ηe + ₂³Ηe → ₂⁴Ηe + p + p + 12,86 ΜeV

​

Συνολικά. Τέσσσερα πρωτόνια δίνουν ένα πυρήνα ηλίου ₂⁴Ηe, ένα ποζιτρόνιο ,ένα νετρίνο και ενέργεια

​

p + p + p + p → ₂⁴Ηe + 2 ν + 2e⁺ + 2 γ + 26,73 ΜeV

Πλεονέκτημα. Εντελώς καθαρή κανένα κατάλοιπο, και το υδρογόνο είναι ανεξάντλητο

Μειονέκτημα. Υπερβολικά αργή, οπότε ένα κυβικό μέτρο καυσίμου θα παράγει μόλις 700Watt, Η σημερινή τεχνολογία δεν επιτρέπει την αξιοποίησή της. Σε κάποιο πολύ μακρινό μέλλον ίσως

+

Δευτέριο

+

Δευτέριο

+

+

₂⁴He

₂³He

+

+

Νετρόνιο υψηλής ενέργειας

+

+

Πρωτόνιο υψηλής ενέργειας

Ισότοπο ηλίου

Τρίτιο

₁³H

+

+

Ήλιο

Φωτόνιο ακτίνων

γάμμα

Τρία πιθανά σενάρια σύντηξης δευτερίου - δευτερίου

Τα τρία πιθανά σενάρια, σημαίνουν ότι το πλάσμα που παράγεται είναι πολύ πολύπλοκο , η φυσική του αρκετά πιο δύσκολη, πράγμα που θα δημιουργούσε ανυπέρβλητα τεχνικά προβλήματα, για το σημερινό επίπεδο κατανόησης της φυσικής πλάσματος. Άρα προς το παρόν η διαδικασία δεν ενδείκνυται για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

Ήλιο υψηλής ενέργειας που μπορεί να δισπαστεί με τρείς τρόπους

₂⁴He

Η αντίδραση σύντηξης δευτερίου -τριτίου

Ενώ πρόκειται για σύντηξη δευτερίου και τριτίου, τα πραγματικά αναλώσιμα είναι δευτέριο και λίθιο, επειδή το τρίτιο δεν υπάρχει στην φύση και πρέπει να το παραλάβουμε με βομβαρδισμό του λιθίου από νετρόνια στην κουβέρτα που περιβάλλει τον αντιδραστήρα

Η αντίδραση σύντηξης δευτερίου -τριτίου

Πλεονεκτήματα.

• Η αντίδραση αυτή είναι περίπου 10²⁶ φορές ταχύτερη από την σύντηξη 4 πρωτονίων που συμβαίνει στον Ήλιο. Επίσης είναι 20 φορές ταχύτερη από την σύντηξη δευτερίου- δευτερίου και απαιτεί το 1/3 της θερμοκρασίας που απαιτεί η σύντηξη D-D.
• Το πλάσμα που παράγεται περιέχει μόνο νετρόνια και σωμάτια α, άρα μπορεί να ελεγχθεί πιο εύκολα

Υπάρχουν τρεις τρόποι ελέγχου του πλάσματος δευτερίου τριτίου.

Ο μαγνητικός εγκλωβισμός και ο αδρανειακός εγκλωβισμός πλάσματος και ο εγκλωβισμός μεταλλικού πλέγματος

Μειονεκτήματα.

• Απαιτεί δεκαπλάσια θερμοκρασία ανάφλεξης απότι στο εσωτερικό του Ήλιου (150 εκατ. Κέλβιν), γεγονός που αυξάνει την δυσκολία ελέγχου του πλάσματος.
• Το νετρόνιο που παράγεται έχει υψηλή ενέργεια και προκαλεί δευτερεύουσες αντιδράσεις στην «κουβέρτα» του αντιδραστήρα παράγοντας ραδιενεργά υλικά
• Το Τρίτιο που απαιτείται δεν υπάρχει στην φύση άρα πρέπει να το δημιουργήσουμε με επιβράδυνση νετρονίων από κουβέρτα Λιθίου.

Ανετρονικές αντιδράσεις . Σύντηξη πρωτονίου Βορίου

Το όλο σύστημα διαφέρει ριζικά από τα tokamaks και τα stellarators. Στην πραγματικότητα, είναι πιο κοντά σε ιατρικές εφαρμογές, όπως οι ακτίνες πρωτονίων που χρησιμοποιούνται σε Κέντρα Θεραπείας Καρκίνου. Αυτό συμβαίνει επειδή η στοχευμένη δέσμη του επιταχυντή λειτουργεί στο σώμα όπως και στη θέρμανση και τον περιορισμό σωματιδίων μέσα στον αντιδραστήρα.

Το πλεονέκτημα των ανετρονικών αντιδράσεων είναι ότι δεν αφήνουν ραδιενεργά κατάλοιπα.

Το κύριο πρόβλημα των ανετρονικών αντιδράσεων είναι ότι απαιτείται ενέργεια δεκαπλάσια από αυτήν της σύντηξης δευτερίου τριτίου, άρα θερμοκρασίες της τάξης του 1 δις Κελσίου.

​

²D + ³He → ⁴He + p + 18.3 MeV

²D + ⁶Li → 2⁴He + 22.4 MeV

p + ⁶Li → ³He + 4He + 4.0 MeV

³He + ⁶Li → 2⁴He + p + 16.9 MeV

³He + ³He → ⁴He +2p + 12.86 MeV

p + ⁷Li → 2⁴He + 17.2 MeV

p + ¹¹B → 3 ⁴He + 8.7 MeV

p + ¹⁵N → ¹²C + ⁴He + 5.0 MeV

​

Η υβριδική πυρηνική σύντηξη -σχάση υποστηρίχτηκε πολύ έντονα από το Α Bethe στην δεκαετία του 70.

Η βασική ιδέα είναι η χρήση γρήγορων νετρονίων υψηλής ενέργειας από έναν αντιδραστήρα σύντηξης για να προκαλέσει σχάση σε μη σχάσιμα καύσιμα όπως το U-238 ή το Th-232 . Κάθε νετρόνιο μπορεί να προκαλέσει πολλά γεγονότα σχάσης, πολλαπλασιάζοντας την ενέργεια που απελευθερώνεται από κάθε αντίδραση σύντηξης εκατοντάδες φορές, αλλά δεν υπάρχει αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση από τη σχάση. Αυτό όχι μόνο θα έκανε τα σχέδια σύντηξης πιο οικονομικά από άποψη ισχύος, αλλά θα μπορούσε επίσης να κάψει καύσιμα που δεν ήταν κατάλληλα για χρήση σε συμβατικά εργοστάσια σχάσης, ακόμη και τα πυρηνικά τους απόβλητα .

Στους υβριδικούς αντιδραστήρες ουσιαστικά αντικαθιστούν την κουβέρτα λιθίου με μια κουβέρτα καυσίμου σχάσης, είτε φυσικού μεταλλεύματος ουρανίου είτε ακόμη και πυρηνικών αποβλήτων. Τα νετρόνια σύντηξης έχουν αρκετή ενέργεια για να προκαλέσουν σχάση στο U-238, καθώς και πολλά άλλα στοιχεία του καυσίμου, συμπεριλαμβανομένων μερικών από τα τρανσουρανικά απόβλητα. Η αντίδραση μπορεί να συνεχιστεί ακόμη και όταν όλο το U-235 έχει καεί. Ο ρυθμός της αντίδρασης δεν ελέγχεται από τα νετρόνια που προέρχονται από σχάση, αλλά τα νετρόνια που παρέχονται από τον αντιδραστήρα σύντηξης.

Υβριδικοί αντιδραστήρες σύντηξης -σχάσης

Στους υβριδικούς αντιδραστήρε υπάρχει το φαινόμενο του πολλαπλασιασμού σχάσης . Για κάθε γεγονός σύντηξης, μπορεί να συμβούν πολλά γεγονότα σχάσης, καθένα από τα οποία εκπέμπει πολύ περισσότερη ενέργεια από την αρχική σύντηξη, περίπου 11 φορές. Αυτό αυξάνει σημαντικά τη συνολική ισχύ εξόδου του αντιδραστήρα. Μια σειρά από μελέτες έχουν αποδείξει επανειλημμένα ότι αυτό μπορεί να έχει πρακτικές εφαρμογές όταν ο συνολικός αντιδραστήρας είναι πολύ μεγάλος, 2 έως 3 GWt, γεγονός που καθιστά δαπανηρή την κατασκευή του

Αυτές οι διαδικασίες έχουν επίσης την παρενέργεια της αναπαραγωγής Pu-239 ή U-233, τα οποία μπορούν να αφαιρεθούν και να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμο σε συμβατικούς αντιδραστήρες σχάσης.

Ανατομία ενός υβριδικού αντιδραστήρα. Tokamak Θεωρητικά, με την

τοποθέτηση πυρηνικών αποβλήτων στην «κουβέρτα» μεταξύ του πλάσματος και του

σχάσιμου υλικού αποικοδομούνται ραδιενεργά προϊόντα της διαδικασίας της σχάσης, που είτε γίνονται ακίνδυνα είτε μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα σε συμβατικούς αντιδραστήρες σχάσης

Το χαρακτηριστικό των άστρων, όπως ο ήλιος μας, είναι ότι η βαρύτητά τους διατηρεί τους πυρήνες που βρίσκονται πάνω τους τόσο κοντά και ζεστούς ώστε να ενεργοποιείται μια διαδικασία σύντηξης, παράγοντας τεράστιο ποσό ενέργειας. Αυτή η τεράστια ενέργεια αποτρέπει την βαρυτική κατάρρευση του άστρου.

Τα άστρα υπάρχουν εξαιτίας δύο ισχυρών αντίθετων τάσεων. Η βαρύτητα που προσπαθεί να συρικνώσει το άστρο, και η θερμική κινητική ενέργεια, από θερμοπυρηνική σύντηξη που προσπαθεί να το ανατινάξει.

1. Η θερμοκρασία πρέπει να είναι αρκετά υψηλή (150 εκατομύρια Κέλβιν) για να επιτρέψει στα ιόντα δευτέριου και τριτίου να έχουν αρκετή κινητική ενέργεια για να ξεπεράσουν το φράγμα Coulomb και να συνενωθούν.
2. Υψηλή πυκνότητα πλάσματος. Τα ιόντα δευτερίου και τριτίου, πρέπει να περιορίζονται σε υψηλή πυκνότητα ιόντων για να επιτευχθεί ο κατάλληλος ρυθμός αντίδρασης σύντηξης.  Αλλιώς η αντίδραση θα σβήσει.
3. Μεγάλος χρόνος εγκλωβισμού πλάσματος. Η μεγάλη πυκνότητα και η υψηλή θερμοκρασία πρέπει να διατηρούνται για αρκετό χρόνο ώστε να αποφεύγεται η ψύξη και να αυξηθεί η πιθανότητα σύντηξης.

Βασική φυσική αντιδραστήρων σύντηξης (3)

Τρεις βασικές προϋποθέσεις είναι απαραίτητες για μια ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη στην Γη (κριτήρια Lawson)

Kάτι ανάλογο προσπαθούν να επιτύχουν οι επιστήμονες με τη σύντηξη του υδρογόνου – διαδικασία που θα παράγει εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια απ’ αυτήν που απελευθερώνει η καύση του άνθρακα ή του πετρελαίου.

Αυτές οι τρεις προϋποθέσεις μπορεί να επιτευχθούν με τρείς τρόπους

Α. Μαγνητικός εγκλωβισμός πλάσματος. Εδώ υπάρχουν σε λειτουργία δύο διαφορετικές τεχνικές

Αα) Οι Stellarators

Αβ) OιTokamks

​

Β. Αδρανειακός περιορισμός πλάσματος. Εδω ο εγκλωβισμός μπορεί να γίνει είτε με μηχανική συμπίεση είτε με Laser. Η Σύντηξη Αδρανειακού Περιορισμού αποτελεί είδος σύντηξης κατά την οποία πυρηνικό καύσιμο (συνήθως μίγμα D και T) υπό τη μορφή pellet θερμαίνεται και συμπιέζεται σε μεγάλο βαθμό. Δεν είναι πολλά υποσχόμενη

​

Γ. Περιορισμός πλάσματος σε κρυσταλλικό πλέγμα Ερβίου. Νέα μέθοδος που αναπτύσσεται από την NASA αλλά θα αργήσει να έχει αποτελέσματα. Νομίζω ότι όπως και άλλες προσπάθειες στο παρελθόν που αφορούν την ψυχρή σύντηξη, πρόκειται για απάτη.

• Όταν ένα αέριο θερμανθεί σε θερμοκρασία πάνω από 3500 °C, οι πυρήνες διαχωρίζονται από τα ηλεκτρόνια τους λόγω της μεγάλης κινητικής ενέργειας που αποκτούν. Έτσι προκύπτει ένα θετικά φορτισμένο πλάσμα αερίου, το οποίο περιέχει θετικά ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια. Αφού το πλάσμα αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια μπορεί να ελεγχθεί με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.
• Τα μαγνητικά πεδία είναι ιδανικά για τον περιορισμό του πλάσματος καθώς τα
• διαχωριζόμενα ιόντα και τα ηλεκτρόνια ακολουθούν τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου.
• Ο στόχος των μαγνητικών πεδίων είναι να αποτρέψουν τα σωματίδια από το να έρχονται σε επαφή με τα τοιχώματα του αντιδραστήρα, καθώς αυτό θα απομακρύνει τη θερμότητα τους και θα τα επιβραδύνει.
• Η πιο αποτελεσματική μαγνητική διαμόρφωση είναι η σπειροειδής, σε σχήμα ντόνατ, στην οποία το μαγνητικό πεδίο καμπυλώνεται για να σχηματίσει ένα κλειστό βρόχο. Για τη σωστή συγκράτηση, αυτός ο σπειροειδής τομέας πρέπει να έχει πάνω του μια κατακόρυφη συνιστώσα πεδίου (ένα πολοειδές πεδίο). Το αποτέλεσμα είναι ένα μαγνητικό πεδίο με τις δυναμικές γραμμές να ακολουθούν μια σπείρα (ελικοειδή μονοπάτια) που περιορίζουν και ελέγχουν το πλάσμα.

Σύντηξη μαγνητικού εγκλωβισμού

Αντιδραστήρες Σύντηξης: Μαγνητικός Περιορισμός

• Θέρμανση αερίου D-T σε θερμοκρασία πλάσματος ώστε να διαχωριστούν e^- και πυρήνες
• Τα φορτισμένα σωματίδια ελέγχονται με μαγνητικά πεδία
• Με κατάλληλη διάταξη πηνίων επιτυγχάνεται περιορισμός, κίνηση, θέρμανση και συμπίεση πλάσματος
• Αναπαραγωγή T (μόλις 4*10^-15%) με τροφοδοσία πλάσματος με Li
• ⁶Li + n → T + ⁴He

Αντιδραστήρες Σύντηξης: Tokamak

• Τροφοδοσία αντιδραστήρα με καύσιμο D-T
• Περιορισμός, θέρμανση, συμπίεση και έναρξη σύντηξης σύμφωνα με τις γενικές αρχές
• Αναπαραγωγή T στις κουβέρτες Li κατά τη λειτουργία
• Απορρόφηση παραγόμενων νετρονίων και μεταφορά θερμότητας προς παραγωγή ατμού
• Ατμός σε ηλεκτρικές τουρμπίνες για παραγωγή ενέργειας

Αντιδραστήρες Σύντηξης: Stellarator

Wendelstein 7-X Stellarator,

Greifswald, Germany

Αντιδραστήρες Σύντηξης: Αδρανειακός Περιορισμός

• Ψύξη θαλάμου αντιδραστήρα σε θερμοκρασία λίγο χαμηλότερη από το τριπλό σημείο D-T(20 K, 50 mbar)
• Ακτινοβόληση κρυογονικού θαλάμου άμεσα με Laser ή έμμεσα με ακτίνες Χ
• Περιορισμός και συμπίεση του καυσίμου μέσω θέρμανσης από την ακτινοβόληση
• Επίτευξη συνθηκών σύντηξης και διατήρηση της διαδικασίας
• Παραγωγή ενέργειας από εναπόθεση της θερμότητας από τη θερμοπυρηνική καύση

​

Μαγνητική φιάλη

• Ένα φορτισμένο σωματίδιο που ξεκινάει από το ένα άκρο του πεδίου κάνει ελικοειδή κίνηση.
• Όταν φτάσει στο άλλο άκρο του πεδίου η κίνησή του αναστρέφεται και το σωματίδιο, διαγράφοντας και πάλι ελικοειδή τροχιά, επιστρέφει στο σημείο εκκίνησης.
• Η κίνηση αυτή του σωματιδίου επαναλαμβάνεται διαρκώς.
• Ένα τέτοιο πεδίο παγιδεύει τα φορτισμένα σωματίδια και αναφέρεται συχνά ως «μαγνητική φιάλη».

Η μαγνητική φιάλη και οι Stellarators

 Στην ατμόσφαιρα της Γης εισέρχονται φορτισμένα σωματίδια,κυρίως ηλεκτρόνια και πρωτόνια.Αυτά τα σωματίδια κυρίως προέρχονται από τον Ήλιο.Μερικά από τα σωματίδια αυτά εγκλωβίζονται στο μαγνητικό πεδίο της Γης και κινούνται διαρκώς από τον ένα πόλο στον άλλο. Έτσι δημιουργείται η ακτινοβολία Τσερένκοφ που αποτελεί το Bόρειο και Νότιο Σέλας

O stellarator του Max Planck Institute

Ένα φορτισμένο σωματίδιο που ξεκινάει από το ένα άκρο του πεδίου κάνει ελικοειδή κίνηση.Όταν φτάσει στο άλλο άκρο του πεδίου η κίνησή του αναστρέφεται και το σωματίδιο,διαγράφοντας και πάλι ελικοειδή τροχιά, επιστρέφει στο σημείο εκκίνησης.Η κίνηση αυτή του σωματιδίου επαναλαμβάνεται διαρκώς

  Ένα τέτοιο πεδίο παγιδεύει τα φορτισμένα σωματίδια και αναφέρεται συχνά ως «μαγνητική φιάλη».

 Σε μαγνητικές φιάλες έχει επιτευχθεί η παγίδευση μεγάλων ποσοτήτων πλάσματος (δηλαδή «αερίου» που βρίσκεται σε θερμοκρασία πάνω  από 10⁶ Κ και αποτελείται από ηλεκτρόνια και θετικά ιόντα).Η παγίδευση του πλάσματος είναι ένα από τα προβλήματα που πρέπει να λυθούν προκειμένου να επιτύχουμε ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη και να εκμεταλλευτούμε για ειρηνικούς σκοπούς την ενέργεια που μας δίνει.

   Μια μαγνητική φιάλη,που μόλις περιγράψαμε,σχηματίζει το μαγνητικό πεδίο της Γης.Όπως είναι γνωστό,οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου της Γης έχουν ίδια μορφή με τις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου ενός ευθύγραμμου μαγνήτη που θα είχε τους πόλους του κοντά στους γεωγραφικούς πόλους της Γης.Οι δυναμικές γραμμές αυτού του πεδίου είναι πυκνότερες στους πόλους

Θα λύσουν το πρόβλημα της ελεγχόμενης πυρηνικής σύντηξης;

• Σε μαγνητικές φιάλες έχει επιτευχθεί η παγίδευση μεγάλων ποσοτήτων πλάσματος (δηλαδή «αερίου» που βρίσκεται σε θερμοκρασία πάνω από 10⁶ Κ και αποτελείται από ηλεκτρόνια και θετικά ιόντα).
• Η παγίδευση του πλάσματος είναι ένα από τα προβλήματα που πρέπει να λυθούν προκειμένου να επιτύχουμε ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη και να εκμεταλλευτούμε για ειρηνικούς σκοπούς την ενέργεια που μας δίνει.

Μια μαγνητική φιάλη, σχηματίζει το μαγνητικό πεδίο της Γης

• Στην ατμόσφαιρα της Γης εισέρχονται φορτισμένα σωματίδια, κυρίως ηλεκτρόνια και πρωτόνια, που στο μεγάλο μέρος τους προέρχονται από τον Ήλιο.
• Μερικά από τα σωματίδια αυτά εγκλωβίζονται στο μαγνητικό πεδίο της Γης και κινούνται διαρκώς από τον ένα πόλο στον άλλο.

Το βόρειο σέλας είναι ακτινοβολία Cerenkov

• Η πυκνότητα των φορτισμένων σωματιδίων είναι ιδιαίτερα μεγάλη κοντά στους πόλους, όπου οι δυναμικές γραμμές του πεδίου πυκνώνουν. Εκεί, οι κρούσεις των φορτισμένων σωματιδίων με τα άτομα των αερίων της ατμόσφαιρας έχουν ως αποτέλεσμα την εκπομπή ορατής ακτινοβολίας.
• Η ακτινοβολία αυτή ονομάζεται «ακτινοβολία Cerenkov» (Τσερένκοφ).
• Το βόρειο σέλας, είναι αποτέλεσμα αυτής της ακτινοβολίας.
• Αντίστοιχο φαινόμενο, βέβαια, εκδηλώνεται και κοντά στο νότιο πόλο.

Βόρειο σέλας

Νότιο σέλας

Tokamak

Ο Tokamak σχεδιάστηκε το 1951 από τους σοβιετικούς φυσικούς Όλεγκ Λαβρέντιεφ , Αντρέι Ζαχάρωφ και Ίγκορ Ταμ.

Οι Tokamaks λειτουργούν εντός περιορισμένων παραμέτρων έξω των οποίων μπορεί να συμβεί μια ξαφνική απώλεια ενέργειας (διαταραχή), προκαλώντας μεγάλες θερμικές και μηχανικές καταπονήσεις στη δομή και τους τοίχους.

Παρ 'όλα αυτά, θεωρείται ο πιο πολλά υποσχόμενος σχεδιασμός, και η έρευνα συνεχίζεται σε διάφορους Tokamaks σε όλο τον κόσμο επειδή ο γιγαντιαίος αντιδραστήρας Tokamak είναι σχεδιασμένος ώστε να παράγει ισχύ της τάξης των GW από πλάσμα μόλις λίγων γραμμαρίων Δευτερίου και Τριτίου τα οποία περιστρέφονται μέσα σε ένα τόρο (σαμπρέλα).

Η Βασική αρχή του Tokamak. Ηλεκτρόνια και θετικά ιόντα περιστρέφονται σε κυκλικές τροχιές όταν κινούνται κάθετα σε μαγνητικό πεδίο .

Έτσι επιτυγχάνεται ο εγκλωβισμός του πλάσματος

• Ένας αντιδραστήρας σύντηξης ικανός να παράγει 1000 MW ηλεκτρικής ενέργειας θα ήταν πολύ μεγάλος και πολύπλοκος. Δεν μπορεί να κατασκευαστεί χωρίς την επιστημονική συμβολή όλων των χωρών του κόσμου. Επίσης το κόστος είναι τεράστιο. Για τον ΙΤΕR 20δις.
• Ενώ οι αντιδραστήρες σχάσης μπορούν να γίνουν αρκετά μικροί για να χρησιμοποιηθούν σε υποβρύχια ή δορυφόρους, το ελάχιστο μέγεθος ενός αντιδραστήρα σύντηξης θα ήταν παρόμοιο με αυτό των σημερινών μεγαλύτερων εμπορικών πυρηνικών εργοστασίων
• Το δύσκολο μέρος είναι η δημιουργία μιας βιώσιμης αντίδρασης σύντηξης. Η απαιτούμενη ενέργεια για τον περιορισμό του πλάσματος είναι στο ίδιο επίπεδο με την ηλεκτρική ενέργεια που παράγει ένας έναν αντιδραστήρας σχάσης. Ο ITER απαιτεί ισχύ 100 MW.
• Μια γεννήτρια σύντηξης 1000 MW θα κατανάλωνε μόνο 150 κιλά δευτέριο και 450 κιλά λιθίου ετησίως. Η Ελλάδα θα χρειαζόταν 1000 Κιλά δευτέριο και 3 τόνους Λίθιο ετησίως.
• Τα καύσιμα που απαιτούνται για τους αντιδραστήρες σύντηξης, δευτέριο και λίθιο, είναι τόσο άφθονα που η δυνατότητα σύντηξης είναι ουσιαστικά απεριόριστη.
• Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής με πετρέλαιο και φυσικό αέριο, καθώς και πυρηνικοί σταθμοί που βασίζονται σε ουράνιο, τελικά θα αντιμετωπίσουν έλλειψη καυσίμου καθώς καταναλώνονται αυτοί οι μη ανανεώσιμοι πόροι.
• Σε αντίθεση με τα ορυκτά καύσιμα, οι αντιδραστήρες σύντηξης δεν έχουν εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα (συμβάλλοντας στην υπερθέρμανση του πλανήτη) ή διοξειδίου του θείου (αιτία της όξινης βροχής).

​

Μειονεκτήματα και πλεονεκτήματα αντιδραστήρων σύντηξης

• Τo μεγαλύτερο εμπόδιο στη χρήση της πυρηνικής ενέργειας ήταν η δικαιολογημένη ανησυχία του κοινού για την ασφάλεια της λειτουργίας και τη διάθεση ραδιενεργών αποβλήτων
• Ατυχήματα όπως το Τσερνομπίλ και η Φουκουσίμα είναι ουσιαστικά αδύνατο να συμβούν σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης επειδή μόνο μια μικρή ποσότητα καυσίμου βρίσκεται στον αντιδραστήρα ανά πάσα στιγμή, και όχι όο το υλικό όπως στην σχάση.
• Είναι επίσης εξαιρετικά δύσκολο να διατηρηθεί μια αντίδραση σύντηξης (εάν κάτι πάει στραβά, η αντίδραση θα σταματήσει οπωσδήποτε λόγω διασκορπισμού του πλάσματος και ακαριαίας πτώσης της θερμοκρασίας)
• Τα μακράς διάρκειας εξαιρετικά ραδιενεργά απόβλητα που παράγονται από συμβατικά πυρηνικά εργοστάσια σχάσεως, δεν υπάρχουν στους αντιδραστήρες σύντηξης.
• Παρόλο που η ποσότητα ραδιενεργών αποβλήτων που παράγονται από έναν αντιδραστήρα σύντηξης μπορεί να είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από αυτή ενός συμβατικού πυρηνικού σταθμού, τα απόβλητα θα έχουν χαμηλά επίπεδα βραχείας διάρκειας ακτινοβολία, που θα αποσυντεθούν σχεδόν πλήρως μέσα σε 100 χρόνια.
• Επομμένως είναι πολύ πιο εύκολη η αδρανοποίση και η ταφή (με υαλοποίηση για να μην μολυνθεί το υπέδαφος) τους σε σχέση με την σχάση που κάτι τέτοιο απαιτεί 10.000 χρόνια.
• Τα κύρια μειονεκτήματα της πυρηνικής σύντηξης είναι τα τεράστια ποσά χρόνου και χρήματος που θα απαιτηθούν πριν από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τη σύντηξη.