Σύντηξη: Η ενέργεια του μέλλοντος;

4ο ΓΕΝΙΚΟ ΛΥΚΕΙΟ ΧΑΝΙΩΝ

Υπεύθυνη καθηγήτρια: Ιωάννα-Νικόλ Αρετάκη

Ονόματα των παιδιών του προγράμματος:

Βεργανελάκης Παντελής

Γρηγορούδης Θεόδωρος

Κουτλή Νικολέτα

Λυβιάκη Στέλλα

Μανωλάκη Κορνηλία

Μαργαριτάκη Σταυρούλα

Νικολακάκη Μαρία

Ορφανάκη Αγγελική

Πεντάρης Μάριος

Σταγάκη Μαριάννα

Στεργίοπουλος Αναστάσιος

Τσιβουράκης Αντώνης

Τσιμπερίδης Κωνσταντίνος

Φαλελάκη Σταυρούλα

1

Περίληψη

Από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα μας απασχολεί η ηλιακή ενέργεια. Για την

άντληση αυτής της ενέργειας καταφύγαμε σε ποικίλες μεθόδους όπως εκείνη της

πυρηνικής σχάσης μέχρι να καταλήξουμε στη σύντηξη που έχει εμφανώς

περισσότερα οφέλη. Πυρηνική σύντηξη ονομάζεται η συνένωση ελαφρών πυρήνων

σε βαρύτερους με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας η οποία υπολογίζεται από

την εξίσωση του Αϊνστάιν. Τα αντιδρώντα της είναι το δευτέριο και το τρίτιο

(ισότοπα υδρογόνου) ενώ μπορεί να συμβεί και με ήλιο-3 και ήλιο-4. Οι κυριότερες

μέθοδοι για την επίτευξη της είναι: η μέθοδος μαγνητικής συγκράτησης ενώ η

δεύτερη είναι η μέθοδος αδρανειακής συγκράτησής. Από το 1968 έως και σήμερα

ερευνητές ασχολούνται με την κατασκευή κατάλληλων αντιδραστήρων γι' αυτές

(tokamak και stellarator). Σε ευρωπαϊκό επίπεδο το ITER και το HiPER αποτελούν τα

προγράμματα που στοχεύουν στην υλοποίησή της μεθόδου με μαγνητικής

συγκράτησης και της μεθόδου με αδρανειακή συγκράτηση αντίστοιχα. Παράλληλα

στην Αμερική το NIF αναπτύσσει μεθόδους σύντηξης με λέιζερ. Σαφώς εντοπίζονται

προβλήματα στην πραγματοποίηση της εν λόγω αντίδρασης, σε περίπτωση όμως που

την κατορθώσουμε θα έχουμε πληθώρα θετικών στοιχείων για όλον τον κόσμο.

Πρόλογος

Ο άνθρωπος από τα περασμένα χρόνια επιδίωκε να πάρει τη ζωογόνο ενέργεια του

ηλίου καθώς αυτός καταφέρνει να παράγει τεράστια ποσά ενέργειας ακτινοβολώντας

τα στο διάστημα. Με το πέρασμα των χρόνων και με την ραγδαία αύξηση του

πληθυσμού της γης η ανάγκη για ενέργεια μεγάλωνε. Σήμερα, έχουμε τη δυνατότητα

να καλύψουμε αυτή την ανάγκη με τη μέθοδο της πυρηνικής σύντηξης, η οποία

υπόσχεται ατελείωτη ενέργεια, ευημερία και ίσως και ειρήνη. Σύμφωνα με το λεξικό,

πυρηνική σύντηξη ονομάζεται η συνένωση ελαφρών πυρήνων σε βαρύτερους με

ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας.

2

Iστορική αναδρομή

Η ιστορία της πυρηνικής ενέργειας ξεκινά με την Γερμανίδα φυσικό καθώς και

χημικό, Ida Noddacκ η οποία ήταν η πρώτη που μίλησε για την πυρηνική διάσπαση

το 1934. Η Ida Noddacκ αναφέρει τη σχάση ως μια υπόθεση για την μη ύπαρξη

πυρήνων με Ζ>92 (μεγάλη διάρκεια ζωής).[1]

Την ίδια χρονιά, ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi διεξήγαγε πείραμα μεταστοιχείωσης

βομβαρδίζοντας νετρόνια. Κατά την διάρκεια του ¨βομβαρδισμού¨ ουρανίου,

επιτεύχθηκε πυρηνική σχάση όπου λανθασμένα παρερμηνεύτηκε. [2]

To 1938, o Otto Hahn μαζί με τον Fritz Strassmann κατά λάθος με ένα πείραμα

βομβαρδισμού ουρανίου παρήγαγαν Βάριο (Ba), στοιχείο πολύ πιο ελαφρό απ’ το

ουράνιο. Ταυτόχρονα, η βοηθός καθώς και θεία του Otto, Lise Meitner αναγκάστηκε

να εγκαταλείψει το Βερολίνο λόγο των ρατσιστικών νόμων της ναζιστικής Γερμανίας

και να καταφύγει στην Σουηδία. Η Lise, κατάφερε να ερμηνεύσει αυτό το

αποτέλεσμα ως προϊόν πυρηνικής σχάσης και το 1944 ο Hahnβραβεύτηκε με βραβείο

Νόμπελ.[3]

Αργότερα η ομάδα Joliot-Curie ανακάλυψε ότι με την σχάση ουρανίου

απελευθερώνονται δευτερεύοντα νετρόνια τα οποία καθιστούν έτσι εφικτή μια

αλυσιδωτή αντίδραση.[4]

Τον Νοέμβριο 1942 κατασκευάστηκε ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας από τους

Fermi και Szilard. Αποτελούταν από 45.000 τούβλα γραφίτη που χρησιμοποιούταν

για την ρύθμιση των νετρονίων και τροφοδοτούταν από 6 τόνους ουρανίου και από

50 περίπου τόνους οξειδίου του ουρανίου. [5]

Εντούτοις, η εξίσωση που έφερε δραματικές αλλαγές στη θεώρηση της φυσικής είναι

εκείνη του Albert Einstein το 1905, γνωστή ως E=mc2. Αναλυτικότερα, στον κόσμο

τον υποατομικών διεργασιών, οι μάζες των σωματιδίων μπορούν να

μετασχηματίζονται σε ενέργεια υπό την μορφή φωτός, θερμότητας ή κίνησης.

Παρομοίως, η ενέργεια μπορεί επίσης να μετατρέπεται σε μάζα. Οι επιταχυντές

σωματιδίων εκμεταλλεύονται αυτήν την ιδέα ωθώντας σε σύγκρουση ταχέως

κινουμένων σωματιδίων. Οι υψηλές ενέργειες αυτών των συγκρούσεων

3

μετατρέπονται σε νέα σωματίδια, τα οποία μπορούν να έχουν πολύ μεγαλύτερη μάζα

από την αντίστοιχη των σωματιδίων που συγκρούστηκαν αρχικά.

Η μετατροπή της μάζας σε ενέργεια είναι ο στόχος των επιστημόνων στην διαδικασία

της πυρηνικής σύντηξης. Κατά τη σύντηξη πρωτονίων και νετρονίων δημιουργείται

πυρήνας με μάζα μικρότερη από τις μάζες των συστατικών του. Αυτό το έλλειμμα

μάζας εμφανίζεται ως ενέργεια, η οποία μπορεί να αξιοποιηθεί -- κατ' αρχήν -- ως

ωφέλιμη ισχύ: E=mc2! [6]

Η αρχή της έρευνας για ενέργεια πυρηνικής σύντηξης τοποθετείται χρονικά το 1920.

Περίπου το 1920 έχουμε την έναρξη της έρευνας για την ενέργεια σύντηξης καθώς ο

φυσικός Einstein είχε μετρήσει το «έλλειμμα μάζας» στο στοιχείο ήλιο, το οποίο

συνιστούσε την πιθανότητα ανάπτυξης μεγάλου ποσού ενέργειας με την δημιουργία

ενός πυρήνα ηλίου (He) από ελαφρύτερα στοιχεία.

Έπειτα, αξίζει να αναφερθούμε ότι η σύντηξη ανακαλύφθηκε στα τέλη της δεκαετίας

του 1930 από το Γερμανό φυσικό Hans Albrecht Bethe που κέρδισε και το βραβείο

Nobel για αυτήν του την ανακάλυψη. Μία ανακάλυψη που έμελλε να αλλάξει τον

κόσμο όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας για τους επόμενους αιώνες.[7]

Πυρηνική σύντηξη

Μόλις τα τελευταία εκατό χρόνια ο άνθρωπος διαπίστωσε πώς ο Ήλιος καταφέρνει να

παράγει αυτά τα τεράστια ποσά ενέργειας που ακτινοβολεί στο διάστημα.

Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι χρειάζονται πέντε δισεκατομμύρια χρόνια

αναμονής για έναν πυρήνα υδρογόνου (πρωτόνιο) στον Ήλιο πριν μπει στη

διαδικασία να συντηχθεί με ένα άλλο πυρήνα υδρογόνου για να σχηματίσουν

δευτέριο. Αν συνέβαινε αυτό γρηγορότερα, ο Ήλιος θα είχε εξαντλήσει τα καύσιμά

4

του πολύ πριν και έτσι δεν θα υπήρχε ανθρώπινη ζωή. Η ενέργεια που ελευθερώνεται

κατά τη διάρκεια της σύντηξης μετατρέπεται σε φωτόνια: φως. [8]

Σύμφωνα με τον Προμηθέα, από λίγο θαλασσινό νερό βγάζεις δύο πυρήνες

υδρογόνου, οι οποίοι έχουν ελάχιστες διαφορές μεταξύ τους. Ο πρώτος λέγεται

δευτέριο και έχει ένα νετρόνιο και ένα πρωτόνιο, ενώ ο δεύτερος λέγεται τρίτιο και

έχει δύο νετρόνια και ένα πρωτόνιο. Αυτά τα δύο πήζονται σε φωτιά, ώσπου να

ενωθούν. Το αποτέλεσμα της σύντηξης είναι ένας βαρύτερος πυρήνας, με το όνομα

ήλιο και έχει δύο νετρόνια και δυο πρωτόνια.

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.[9] Οι Πυρηνικές αντιδράσεις διαφέρουν από τις χημικές αντιδράσεις

υπό την έννοια ότι περιλαμβάνουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια στο πυρήνα, αντί

ηλεκτρονίων. Για να επιτευχθεί η απελευθέρωση της ενέργειας σε μια αντίδραση

σύντηξης, μικρότεροι, λιγότερο σταθεροί πυρήνες πρέπει να ενώνονται μεταξύ τους

για να σχηματίσουν έναν πιο σταθερό πυρήνα.

Η ενέργεια που απελευθερώνεται προκύπτει από τη διαφορά μεταξύ των ενεργειών

των πυρηνικών δεσμών των αρχικών και την τελικών αντιδρώντων/ προϊόντων . Η

ενέργεια που σχετίζεται με τους δεσμούς των αρχικών συστατικών είναι μεγαλύτερη

από εκείνη που αντιστοιχεί με τα προϊόντα της αντίδρασης, και είναι αυτή η διαφορά

ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της σύντηξης. Είναι ενδιαφέρον,

πως αυτές οι μικρές διαφορές στην ενέργεια των δεσμών αντικατοπτρίζονται στην

περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν που περιγράφει την ισοδυναμία μάζας και ενέργειας:

E = mc2. Δηλαδή, τα αντιδρώντα μετά την αντίδραση ζυγίζουν λιγότερο από εκείνα

πριν από την αντίδραση και η διαφορά μάζας απελευθερώνεται ως ενέργεια. Η

εξίσωση του Αϊνστάιν δίνει μια ένδειξη για την κλίμακα της αναλογικότητας μεταξύ

της μάζας και της ενέργειας και εξηγεί γιατί πολύ μικρές αλλαγές της μάζας στις

πυρηνικές καύσεις μπορούν να απελευθερώσουν μια μεγάλη ποσότητα

χρησιμοποιήσιμης ενέργειας.

Στη γη αντιδράσεις σύντηξης πραγματοποιούνται στους αντιδραστήρες

σύντηξης. Στους αντιδραστήρες σύντηξης, σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 100

5

εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, και σε πίεση 2 ή και 3 ατμόσφαιρες, δύο πυρήνες με

χαμηλό ατομικό αριθμό συγκρούονται και στη συνέχεια συντήκονται (συνενώνονται)

για να σχηματίσουν βαρύτερα στοιχεία συνήθως ήλιο. Η συνένωση απελευθερώνει

και μεγάλα ποσά θερμικής ενέργειας.

Η θερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για να ζεστάνει νερό. Το νερό εξαερώνεται και

ο ατμός που δημιουργείται χρησιμοποιείται για να κινήσει την ατμοτουρμπίνα.

Έτσι, η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική. Η ατμοτουρμπίνα γυρίζει μία

ηλεκτρική γεννήτρια που είναι συνδεδεμένη στον ίδιο άξονα με αυτήν. Η κινητική

ενέργεια της ατμοτουρμπίνας μετατρέπεται, έτσι, σε ηλεκτρική στη γεννήτρια.

Οι αντιδραστήρες σύντηξης χρησιμοποιούν ειδικά ισότοπα του υδρογόνου ως

καύσιμο, διότι αυτά μπορούν να αντιδράσουν σε χρήσιμο ποσοστό για παραγωγή

ηλεκτρικής ενέργειας, επιτρέποντας μια γρήγορη αντίδραση σε πιο εύκολα εφικτές

θερμοκρασίες. Οι περισσότεροι αντιδραστήρες χρησιμοποιούν το δευτέριο και το

τρίτιο. Όλα αυτά τα άτομα έχουν ένα μόνο πρωτόνιο αλλά, ενώ το υδρογόνο δεν έχει

νετρόνια, δευτέριο έχει ένα και τρίτιο έχει δύο.

Το δευτέριο βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στο θαλασσινό νερό και το τρίτιο

παράγεται από το λίθιο που υπάρχει σε αφθονία στην επιφάνεια τη γης.

Στο πλαίσιο της προετοιμασίας για τη σύντηξη, αυτά τα ισότοπα θερμαίνονται έτσι

ώστε να γίνουν ένα πλάσμα. Αυτό είναι ένα ιοντισμένο αέριο που αποτελείται από

ελεύθερα ηλεκτρόνια και πυρήνες που δεν δεσμεύονται σε άτομα, είναι μια

ξεχωριστή κατάσταση της ύλης, μαζί με στερεά, υγρά και αέρια. Αυτό επιτρέπει τους

ατομικούς πυρήνες να απομακρυνθούν από το άτομο. Για να συμβεί σύντηξη, η

δύναμη της απώθησης πρέπει να ξεπεραστεί, αναγκάζοντας αυτούς τους

ελαφρύτερους πυρήνες να έρθουν αρκετά κοντά μεταξύ τους για αρκετή ώρα ώστε να

έρθουν σε σύγκρουση. Αυτό συνεπάγεται τον εγκλεισμό του πλάσματος σε πολύ

υψηλές θερμοκρασίες και ταυτόχρονα, την απομάκρυνση του από τα τοιχώματα του

δοχείου για την πρόληψη των ρύπων. Η σταθερότητα του πλάσματος παραμένει

ακόμα μεγάλη συζήτηση της έρευνας της φυσικής της σύντηξης. Το πλάσμα της

σύντηξης πρέπει να περιορίζεται και να διατηρείται καθαρό για το μεγαλύτερο

δυνατό χρονικό διάστημα της αντίδρασης της σύντηξης.

6

Η απελευθερωμένη ενέργεια απορροφάται από τα δύο νέα σωματίδια αντιστρόφως

ανάλογα με τη μάζα τους. Δηλαδή, το ένα πέμπτο παραλαμβάνεται από την κινητική

ενέργεια του πυρήνα ηλίου και τα τέσσερα πέμπτα από την κινητική ενέργεια του το

νετρονίου. Στη διαδικασία της σύντηξης, ένα άλλο παράξενο σωματίδιο

σχηματίζεται: το νετρίνο. Ένα νετρίνο πολύ δύσκολα αλληλεπιδρά με την ύλη, και

μπορεί κατά συνέπεια να δραπετεύσει από τον Ήλιο σε μια στιγμή. Τεράστιος

αριθμός από νετρίνο σχηματίζονται στον Ήλιο: κάθε δευτερόλεπτο, 100

δισεκατομμύρια ηλιακά νετρίνο περνάνε από το άκρο κάθε δαχτύλου σας. Τα

περισσότερα νετρίνο διαπερνούν ολόκληρη τη Γη, χωρίς να επηρεαστούν καθόλου

απ’ αυτή. Στην πραγματικότητα, ένα νετρίνο θα διαπερνούσε ένα έτος φωτός από

μόλυβδο, χωρίς να σταματήσει.[10]

Το Σχήμα παρακάτω απεικονίζει την αντίδραση σύντηξης μεταξύ ενός δευτερίου και

ενός τριτίου, απελευθερώνοντας ένα πυρήνα ηλίου και ένα νετρόνιο, όπως επίσης και

17.6 MeV (2,82 × 10-12 Joule) ενέργεια.

+ + n Q= 17.6 MeV

7

Βέβαια εκτός της παραπάνω αντίδρασης υπάρχουν και άλλες οι οποίες επίσης

χρησιμοποιούνται σε αντιδραστήρες σύντηξης:

+ + n Q=3.3 MeV

+ + Q=4.0 MeV

+ + n Q= 17.6 MeV

Όπως είναι φανερό η τελευταία αντίδραση στην οποία αντιδρούν ο πυρήνας του

δευτερίου και ο πυρήνας του τριτίου έχει την μεγαλύτερη απόδοση σε ενέργεια (Q=

17.6 MeV). To μειονέκτημα αυτής της αντίδρασης είναι ότι το τρίτιο εξαιτίας του

μικρού χρόνου διάρκειας της ζωής του δεν βρίσκεται σε αφθονία στη φύση. Γι’ αυτό

το λόγο είναι απαραίτητη η τεχνητή δημιουργία του, με τις εξής αντιδράσεις:

n (ταχύ) + + + n (αργό)

N (αργό) + + + 4.8 MeV

Πώς όμως δημιουργείται το τρίτιο; Πολλά από τα νετρόνια που θα δημιουργηθούν

από τις αντιδράσεις θα αφήσουν τον αντιδραστήρα και πάνε να «ξεκουραστούν» σε

ένα συστατικό γνωστό ως "η κουβέρτα". Αυτό περιλαμβάνει υλικό σχεδιασμένο να

επιβραδύνει τα ταχέα νετρόνια και με αυτό τον τρόπο να γίνεται θερμότητα. Αυτή η

θερμότητα, με τη σειρά της, μεταφέρθηκε σε αέριο υψηλής πίεσης ή ατμού. Αυτό το

ζεστό, υψηλής πίεσης αέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση ενός

στροβίλου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Μερικά μόρια του σταθμού της

κουβέρτας περιλαμβάνουν λίθιο, το οποίο αντιδρά με τα ταχέα νετρόνια και

παράγουν τρίτιο, ένα από τα δύο καύσιμα που απαιτούνται για την αντίδραση. Με

αυτόν τον τρόπο ένας σταθμός παραγωγής ενέργειας από σύντηξη θα μπορούσε να

παράγει ένα συστατικό της δικής της καύσης επί τόπου.

Υπάρχουν δύο μέθοδοι που προσεγγίζουν ικανοποιητικά την πυρηνική σύντηξη σε

ένα σταθμό παραγωγής ενέργειας: 1) Η μέθοδος μαγνητικής συγκράτησης για τη

σύντηξη, όπου μαγνητικά πεδία κρατούν το πλάσμα σε απομόνωση, ενώ πολύ υψηλές

8

θερμοκρασίες, που αντιστοιχούν σε πολύ υψηλές ταχύτητες για τους πυρήνες,

δημιουργούν τις αναγκαίες συγκρούσεις. 2) Η μέθοδος αδρανειακής συγκράτησής,

όπου υψηλή πίεση εφαρμόζεται πολύ γρήγορα, εγκαινιάζοντας ένα σύντομο παλμό

σύντηξης. Αδρανειακή συγκράτηση μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση υψηλής ισχύος

λέιζερ. [11,12]

Ιστορική αναδρομή μεθόδων σύντηξης με μαγνήτες

H πρώτη μηχανή σύντηξης κατασκευάστηκε το 1968 στην πρώην σοβιετική ένωση,

και ονομάστηκε Tokamak. Στο εξωτερικό μέρος του θαλάμου υπήρχε κατάλληλο

κύκλωμα με ειδικό σύρμα από το οποίο περνούσε ρεύμα. Η ροή του ρεύματος

δημιουργούσε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο που εμπόδιζε το καυτό πλάσμα να

πλησιάσει τα εσωτερικά τοιχώματα του αντιδραστήρα. Στη συνέχεια,

κατασκευάστηκε ο TFTR στις ΗΠΑ το 1970, ο οποίος ήταν ενεργός μέχρι το 1977

στο Εργαστήριο Πλάσματος του Πρίνστον, στις ΗΠΑ. Έδωσε τη μέγιστη

θερμοκρασία που μια μηχανή Tokamak μπόρεσε ποτέ να παραγάγει: 510

εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.

Έπειτα κατασκευάστηκε και ο JET στην Aγγλία το 1983. Έχει διάμετρο 15 μ. και

ύψος 12 μ. Έχουν πραγματοποιηθεί εκεί πολλά σημαντικά πειράματα κι έχει επιτύχει

θερμοκρασία 300 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.

Οι δυο μεταγενέστερες παραλλαγές του Τοκαμακ, αξίζει να σημειωθεί, ότι

ξεπέρασαν τον πρόγονό τους και σε μέγεθος και σε τεχνολογική σχεδίαση. Η

κατασκευή αυτών των αντιδραστήρων, βέβαια, δεν ολοκλήρωσε τις προσπάθειες των

ερευνητών οι οποίοι μέχρι και σήμερα πασχίζουν να δημιουργήσουν μηχανές που θα

καταστήσουν την πυρηνική σύντηξη εφικτή και εμπορικά εκμεταλλεύσιμη.

Βέβαια, δεν υπάρχουν μόνο Tokamak αντιδραστήρες. Οι Stellarator, αντιδραστήρες

διαφορετικής σχεδίασης και κατασκευής από τους Tokamak, χρησιμοποιούνται

επίσης στην πυρηνική σύντηξη. Πιο συγκεκριμένα, η Stellarator είναι μια συσκευή

που χρησιμοποιείται για να περιορίσει καυτό πλάσμα με μαγνητικά πεδία,

προκειμένου να διατηρήσουν μια ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση σύντηξης. Το

9

όνομα αναφέρεται στη δυνατότητα αξιοποίησης της πηγής ενέργειας του ήλιου, ένα

αστρικό αντικείμενο, εξ’ ου stellar-ator. Είναι μία από τις πρώτες συσκευές

ελεγχόμενης σύντηξης. Το πρώτο καθαρά πειραματικό μοντέλο, το μοντέλο Α, ήταν

σε λειτουργία το 1953. Μεγαλύτερα μοντέλα ακολούθησαν, αλλά αποδεικνύεται πως

γενικά είχαν κακή απόδοση, σε σχέση με την αναμενόμενη. Οι Stellarator ήταν

δημοφιλείς στη δεκαετία του 1950 και του 1960, αλλά τα πολύ καλύτερα

αποτελέσματα που παρήγαγε ο σχεδιασμός Tokamak οδήγησε στον παραγκωνισμό

τους στη δεκαετία του 1970. Ο μεγαλύτερος Stellarator που ακολουθούσε τα αρχικά

σχέδια, Princeton, μοντέλο C, ξεκίνησε τη λειτουργία του το 1961 και συνέχισε να

λειτουργεί μέχρι το 1969, που μετατράπηκε σε Tokamak.

Λίγα λόγια για τους Stellarator

H αρχική έρευνα πυρηνικής σύντηξης ακολούθησε γενικά δύο κύριες γραμμές

μελέτης, συσκευές που βασίζονταν σε στιγμιαία συμπίεση του καυσίμου σύντηξης σε

υψηλές πυκνότητες, όπως και οι συσκευές συστολής που μελετήθηκαν κυρίως στο

Ηνωμένο Βασίλειο, και τις συσκευές που χρησιμοποιούν χαμηλότερες πυκνότητες

αλλά μεγαλύτερους χρόνους συγκράτησης, όπως ο μαγνητικός καθρέφτης και οι

stellarator. Στα τελευταία συστήματα, το βασικό πρόβλημα ήταν ο περιορισμός του

πλάσματος για μεγάλο χρόνο χωρίς να διαφεύγουν τα πιο θερμά, άρα και τα πιο

πολύτιμα σωματίδια από τη συσκευή.

Καθώς το πλάσμα είναι ηλεκτρικά φορτισμένο, και ως εκ τούτου υπόκειται σε

δύναμη Lorentz, μπορεί να περιοριστεί από κατάλληλη διάταξη των μαγνητικών

πεδίων. Η απλούστερη διάταξη που πληροί τις προϋποθέσεις είναι ένας κύλινδρος,

που αποτελείται από έναν έλικα του σύρματος τυλιγμένο γύρω από ένα κυλινδρικό

υποστήριγμα. Ένα πλάσμα μέσα στον κύλινδρο θα δεχτεί μια δύναμη προς ένα

κατευθυντήριο κέντρο της τροχιάς του, το οποίο κινείται μόνο παράλληλα προς το

εφαρμοζόμενο πεδίο. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση το πλάσμα δεν θα δει καμία

δύναμη κατά μήκος του μεγάλου άξονα, και θα ρέει ταχέως έξω από τα άκρα του

κυλίνδρου, διαφεύγοντας.

Μία λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να λυγίσει απλά το πηνίο σχηματίζοντας ένα

δαχτυλίδι. Ωστόσο, στην περίπτωση αυτή το μαγνητικό πεδίο δεν είναι πλέον

ομοιόμορφο. Οι ηλεκτρικές περιελίξεις στο εσωτερικό του κυλίνδρου είναι πιο κοντά

μεταξύ τους από αυτές που βρίσκονται στο εξωτερικό κομμάτι του. Αυτό οδηγεί σε

10

ένα ασθενέστερο πεδίο στο εξωτερικό από το εσωτερικό. Η τροχιά ενός σωματιδίου

θα έχει μεγαλύτερες καμπύλες στο εσωτερικό σκέλος της τροχιάς σε σχέση με της

εξωτερικής, που οδηγεί σε μια μετακίνηση μακριά από το κέντρο της σπείρας. Αυτά

τα σωματίδια θα παρασυρθούν τελικά έξω από την περιοχή περιορισμού.

Το πρόβλημα αυτό κατάφερε να επιλύσει ο Lyman Spitzer to 1951, γεννώντας την

ιδέα των Stellarator. H καινοτομία του Spitzer ήταν μια αλλαγή στη γεωμετρία που

μείωσε την ολίσθηση που εμφανίζεται σε ένα κυλινδρικό σύστημα συγκράτησης.

Πρότεινε την παράταση της σπείρας με ευθεία τμήματα ώστε να σχηματιστεί ένα

σχήμα παρόμοιο με αγωνιστική πίστα, και στη συνέχεια να περιστραφεί ένα άκρο

κατά 180 μοίρες για να παραχθεί μια συσκευή σε σχήμα 8. Όταν ο αντιδραστήρας

έχει σχήμα σπείρας, ένα σωματίδιο που ξεκινά στο «εσωτερικό» της συσκευής

παραμένει εκεί ενώ κυκλοφορεί γύρω από τον μακρύ άξονα. Έτσι προκαλείται η

καθαρή απόκλιση σε σύγκριση με τα σωματίδια στο «εξωτερικό». Στον Stellarator,

όταν ένα σωματίδιο βρίσκεται στο εσωτερικό σε ένα από τα καμπυλωτά τμήματα,

από τη στιγμή που αυτό ρέει μέσα από την ευθεία περιοχή και εντός του άλλου

καμπυλωτού τμήματος είναι τώρα στο εξωτερικό. Αυτό σημαίνει ότι η ανοδική

μετατόπιση από τη μία πλευρά αντισταθμίζεται από την καθοδική μετατόπιση από

την άλλη.

Για να μπορούν οι σωλήνες να διέρχονται χωρίς να χτυπούν μεταξύ τους, τα τμήματα

σπείρας σε κάθε άκρο περιστράφηκαν ελαφρώς, έτσι ώστε τα άκρα να μην είναι

ευθυγραμμισμένα μεταξύ τους. Αυτή η διάταξη δεν ήταν τέλεια, καθώς ένα

σωματίδιο στο εσωτερικό τμήμα στο ένα άκρο δεν θα καταλήξει στο εξωτερικό

τμήμα στο άλλο, αλλά σε κάποιο άλλο σημείο περιστρεμμένο από τη ιδανική

τοποθεσία, λόγω της κλίσης των δύο άκρων [13,14,15,16]

Λίγα λόγια για τους Tokamak

Το Tokamak είναι μια πειραματική μηχανή σχεδιασμένη να αξιοποιήσει την ενέργεια

της σύντηξης. Μέσα στο Tokamak η ενέργεια που παράγεται μέσω της σύντηξης των

ατόμων απορροφάται σα θερμότητα στους τοίχους του σωλήνα. Όπως ακριβώς σε

ένα συμβατό εργοστάσιο ηλεκτρισμού μια μονάδα παραγωγής ενέργειας σύντηξης θα

χρησιμοποιεί αυτή τη θερμότητα για να παράγει ατμό και έπειτα ηλεκτρισμό μέσω

τουρμπίνων και γεννητριών.

11

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.

Μία διάταξη Tokamak περιλαμβάνει τα ακόλουθα βασικά μέρη:

1. Τον δακτυλιοειδή θάλαμο κενού εντός του οποίου εισάγεται υδρογόνο.

2. Μία μεγάλη σειρά πηνίων που περιβάλει τον παραπάνω θάλαμο και

δημιουργεί δακτυλιοειδές μαγνητικό πεδίο προκαλώντας ισχυρές ηλεκτρικές

εκκενώσεις που καθιστούν το υδρογόνο ιονισμένο και θερμό.

3. Μια άλλη επίσης σειρά πηνίων πέριξ του θαλάμου που διατηρεί την

ύλη σε κατάσταση πλάσματος.

4. Συμπληρωματικά επαγωγικά δακτυλιοειδή πηνία σε παράλληλη

διάταξη υπεράνω και κάτω του θαλάμου που δημιουργούν επίσης πολικά

πεδία.

Εσωτερικά, υπό την επήρεια εξαιρετικά μεγάλων ποσών θερμότητας και πίεσης το

καύσιμο αέριου υδρογόνου γίνεται ένα πλάσμα – ένα καυτό ηλεκτρικά φορτισμένο

αέριο. Σε έναν αστέρα όπως σε μια μηχανή καυσίμων τα πλάσματα παρέχουν το

περιβάλλον στο οποίο στοιχεία φωτός μπορούν να δώσουν ενέργεια.

Τα φορτισμένα σωματίδια του πλάσματος μπορούν να σχηματιστούν και να

ελεγχθούν από τα μαζικά μαγνητικά πηνία που τοποθετούνται γύρω από το σωλήναˑ

οι φυσικοί χρησιμοποιούν αυτή τη σημαντική ιδιοκτησία για να συγκρατήσουν το

καυτό πλάσμα μακριά από τα τοιχώματα του σωλήνα. Ο όρος Tokamak έρχεται σε

εμάς από ένα ρώσικο ακρωνύμιο που σημαίνει «δακτυλιοειδής θάλαμος με μαγνητικά

πηνία».

Το Tokamak αν και πρωτοαναπτύχθηκε από σοβιετικές έρευνες στα τέλη του 1960,

έχει υιοθετηθεί από όλο τον κόσμο σαν το πιο πολλά υποσχόμενη διαμορφωμένη

μηχανή μαγνητικής σύντηξης.[17,18,19,20,21]

Σύγκριση:

12

Ο σχεδιασμός Tokamak παρέχει την απαιτούμενη συστροφή προς τις γραμμές του

μαγνητικού πεδίου όχι από το χειρισμό του πεδίου με εξωτερικά ρεύματα, αλλά με

την οδήγηση ενός ρεύματος μέσα από το ίδιο το πλάσμα. Οι γραμμές πεδίου γύρω

από το ρεύμα του πλάσματος συνδυάζονται με την σπείρα για την παραγωγή

ελικοειδών γραμμών πεδίου, οι οποίες τυλίγονται γύρω από την σπείρα και στις δύο

κατευθύνσεις.

Αν και έχουν επίσης μια δακτυλιοειδή τοπολογία μαγνητικoύ πεδίου, οι Stellarators

είναι διακριτοί από τους Tokamaks κατά το ότι δεν είναι αζιμουθιακά συμμετρικοί.

Αντιθέτως, έχουν μια διακριτή περιστροφική συμμετρία, συχνά πενταπλάσια, όπως

ένα κανονικό πεντάγωνο.

Έχει υποστηριχθεί ότι η ανάπτυξη των Stellarator είναι λιγότερο προηγμένη από τον

Tokamak, όμως η εσωτερική σταθερότητα που προσφέρουν ήταν αρκετή για την

ενεργό ανάπτυξη της ιδέας αυτής.

Η τρισδιάστατη φύση του πεδίου, το πλάσμα, και το σκάφος κάνουν πολύ πιο

δύσκολη την διεξαγωγή θεωρητικής ή πειραματικής διαγνωστικής με Stellarator.

Είναι πολύ πιο δύσκολο να σχεδιάσουμε ένα εκτροπέα (το τμήμα του τείχους που

λαμβάνει τη δύναμη της εξάτμισης από το πλάσμα) σε έναν Stellarator, του οποίου τα

μαγνητικά πηνία (κοινά σε πολλούς σύγχρονους Stellarator και, ενδεχομένως, όλους

τα μελλοντικούς) είναι πολύ πιο δύσκολο να κατασκευαστούν σε σχέση με τις απλές,

επίπεδες σπείρες που αρκούν για ένα Tokamak, και η αξιοποίηση του όγκου του

μαγνητικού πεδίου και η δύναμη είναι γενικά χαμηλότερη από εκείνη των Tokamak.

Ωστόσο, οι Stellarator, σε αντίθεση με τους Tokamak, δεν απαιτούν δακτυλιοειδές

ρεύμα, έτσι ώστε να μπορεί να αποφευχθεί η δαπάνη και η πολυπλοκότητα της

μετάδοσης του ρεύματος ή / και η απώλεια της διαθεσιμότητας και των περιοδικών

πιέσεων της παλμικής λειτουργίας, και δεν υπάρχει κανένας κίνδυνος διαταραχών στο

σπειροειδές ρεύμα. Θα μπορούσε να είναι δυνατή η χρήση αυτής της μεγαλύτερης

ελευθερίας του σχεδιασμού για τη βελτιστοποίηση ενός Stellarator με τρόπους που

δεν είναι δυνατοί σε Tokamak. [22,23,24]

13

ΙΤΕR

Παρότι επισήμως το ITER, ως οργανισμός, ιδρύθηκε το 2008, η ιδέα για τη

δημιουργία του γεννήθηκε στη Σύνοδο Κορυφής της Γενεύης τον Νοέμβριο του

1985. Μετά από συζητήσεις με τον πρόεδρο της Γαλλίας, Φρανσουά Μιτεράν και την

πρωθυπουργό της Βρετανίας, Μάργκαρετ Θάτσερ, ο γενικός γραμματέας της τότε

Σοβιετικής Ένωσης Μιχαήλ Γκορμπατσόφ πρότεινε στον Αμερικανό πρόεδρο

Ρόναλντ Ρίγκαν την εκκίνηση ενός διεθνούς προγράμματος με σκοπό την ανάπτυξη

της θερμοπυρηνικής σύντηξης για ειρηνικούς σκοπούς.

Σήμερα, το ITER πλαισιώνεται από 34 έθνη και χιλιάδες επιστήμονες. Πιο

συγκεκριμένα, αυτή τη στιγμή μόνο στο εργοτάξιο απασχολούνται περίπου 400

εργάτες, οι οποίοι αναμένεται να ξεπεράσουν τους 2.000 μέχρι το τέλος του 2017.

Χωρίς αμφιβολία, το σημαντικότερο κτίριο για το ITER είναι εκείνο που θα στεγάσει

τον θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα σύντηξης, τεχνολογίας Tokamak.

Κάθε κομμάτι της πολύπλοκης αυτής συσκευής κατασκευάζεται από διαφορετικές

ομάδες σε όλο τον κόσμο, καθιστώντας την τελική συναρμολόγησή του το πιο

σύνθετο παζλ που έχουν κληθεί ποτέ να ολοκληρώσουν η επιστημονική κοινότητα

και η παγκόσμια βαριά βιομηχανία.

Για να ξεκινήσει η διαδικασία, πρώτα απολυμαίνεται ο θάλαμος κενού. Ύστερα, τα

μαγνητικά συστήματα που θα βοηθήσουν να περιοριστεί και να ελεγχθεί το πλάσμα

φορτίζονται και εισέρχονται τα αέρια καύσιμα. Καθώς ένα ισχυρό ηλεκτρικό ρεύμα

διαπερνά το σωλήνα, το αέριο διασπάται ηλεκτρικά, ιονίζεται (τα ηλεκτρόνια

απογυμνώνονται από τον πυρήνα) και σχηματίζεται ένα πλάσμα.

Καθώς τα σωματίδια του πλάσματος ενεργοποιούνται και συγκρούονται, ξεκινάνε

επίσης και να θερμαίνονται. Συμπληρωματικές μέθοδοι θέρμανσης βοηθούν το

πλάσμα να φτάσει τις θερμοκρασίες σύντηξης (μεταξύ 150 και 300 εκατομμυρίων

βαθμών Κελσίου). Τα σωματίδια που είναι «φορτισμένα» σε τόσο υψηλές

θερμοκρασίες μπορούν να ξεπεράσουν τις φυσικές ηλεκτρομαγνητικές τους δυνάμεις

14

προκειμένου να συγκρουστούν και να συντηχθούν, απελευθερώνοντας τεράστια ποσά

ενέργειας.

Το ITER θα είναι το μεγαλύτερο Tokamak του κόσμου – δυο φορές το μέγεθος της

μεγαλύτερης έως τώρα μηχανής σε λειτουργία, με δεκαπλάσιο όγκο πλάσματος.

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. δολάρια 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. [25]

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).

15

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. Το επόμενο στάδιο είναι η δημιουργία ενός DEMO

αντιδραστήρα, που είναι ένας προτεινόμενος σταθμός πυρηνικής σύντηξης. Η

σχεδίασή του περιλαμβάνει την τήρηση ορισμένων προϋποθέσεων, όπως η παράγωγη

ηλεκτρικής ενέργειας τουλάχιστον 2 gigawatt, καθώς και παραγωγή ισχύος 25 φορές

περισσότερης από αυτήν που απαιτείται για τον παράγοντα απόδοσης της ενέργειας

που είναι ίσο με τη μονάδα. [26]

LASER

Παράλληλα με τους μαγνητικούς αντιδραστήρες Stellarator και Tokamak

αναπτύχθηκε άλλη μία μέθοδος πραγματοποίησης της σύντηξης, αυτή μέσω λέιζερ.

Στη δεκαετία του '70 η εφεύρεση του λέιζερ αιχμαλώτισε τη σκέψη των ερευνητών

της σύντηξης και ξεκίνησαν τα πειράματα. Εστίασαν ισχυρές δέσμες ακτίνων λέιζερ

16

σε ένα σφαιρίδιο που εμπεριείχε ως καύσιμο μικρογραμμάρια δευτερίου και τριτίου,

προκαλώντας έτσι απότομη υπερθέρμανση. Με βάση τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα το

εξωτερικό περίβλημα του στόχου εξερράγη, ενώ το υπόλοιπο τμήμα ενερράγη προς

τα μέσα προξενώντας έτσι συμπίεση στο περιεχόμενο καύσιμο. Αυτή η εσωτερική

συμπίεση προξένησε ανάφλεξη, η οποία μεταδόθηκε αστραπιαία και παράχθηκε

ενέργεια πολλαπλάσια από αυτή που χρησιμοποιήθηκε.

Εκτός από το ITER στη Νότια Γαλλία, που ασχολείται με την πυρηνική σύντηξη σε

μαγνητικό επίπεδο, είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ το

Lawrence Livermore National Laboratory έστησε το δικό του ερευνητικό σταθμό -

τον National Ignition Facility (ΝIF). Το NIF ασχολείται με την αδρανειακή σύντηξη

-το αντίστοιχο πρόγραμμα αδρανειακής σύντηξης σε ευρωπαϊκό επίπεδο είναι το

HiPER-.

Η απόφαση να χτιστεί το NIF ελήφθη το 1994, στο τέλος του Ψυχρού Πολέμου. Τα

κονδύλια δόθηκαν από την Επιτροπή Ελέγχου Πυρηνικών Αποθεμάτων του

υπουργείου Αμύνης. Το έργο αυτό ξεκίνησε με προϋπολογισμό 900 εκατ. δολάρια και

στόχο αποπεράτωσης το 2002, για να καταλήξει να ολοκληρωθεί το 2009 με κόστος

3,5 δις. δολάρια. Κάποιος θα αναρωτιόταν γιατί είναι τόσο ακριβό το να φτιάξεις έναν

ερευνητικό σταθμό πυρηνικής σύντηξης;

Το στοίχημα του ΝΙF

Αν πάει κανείς κατευθείαν στον τεθωρακισμένο σφαιρικό " θάλαμο του στόχου ",

όπου επιτελείται η ανάφλεξη, θα δει μια διάταξη που θυμίζει ...τα κάτοπτρα του

Αρχιμήδη : 192 φακοί ακτινών λέιζερ, σε παραβολική διάταξη ,στοχεύουν το άμοιρο

σφαιρίδιο διαμέτρου μόλις δυο χιλιοστών, που εμπεριέχει τα δυο είδη υδρογόνου και

είναι κατεψυγμένο στους 18 βαθμούς Κέλβιν. Για να φτάσει όμως κάποιος σε αυτόν

τον θάλαμο προηγείται ένα κτίριο μεγέθους τριών γηπέδων αμερικανικού

ποδοσφαίρου και ύψους δέκα ορόφων, που εμπεριέχει τον μεγαλύτερο μηχανισμό του

πλανήτη και ταυτόχρονα την ισχυρότερη εγκατάσταση λέιζερ. Όλος αυτός ο

εξοπλισμός που προαπαιτείται έχει να κάνει με το ζητούμενο της μέγιστης

θερμοκρασίας που προκύπτει από έναν ομογενή βομβαρδισμό του σφαιριδίου με

17

ακτίνες.

Μετά από πολλά πειράματα και προσπάθειες, την πρώτη εβδομάδα του Σεπτεμβρίου

του 2011, το NIF ανακοίνωσε ότι πέτυχε την πολυπόθητη σύντηξη με έκλυση

ενέργειας μεγαλύτερη από αυτή που δαπανήθηκε. Πιο συγκεκριμένα ξόδεψε 500

terawatt ενώ η ενέργεια που εκλύθηκε ισοδυναμούσε με την κατανάλωση ενέργειας -

στον ίδιο χρόνο κλάσματος του δευτερολέπτου - όλου του πλανήτη. Αυτό το

επίτευγμα ήταν τόσο μεγάλο ώστε η Βρετανία και η Ισπανία έσπευσαν αμέσως να

υπογράψουν μνημόνια συνεργασίας με το NIF. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι πρόκειται

να γίνει άμεσα η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από εργοστάσια σύντηξης, καθώς

για να είναι αποδοτικός ένας σταθμός σύντηξης θα πρέπει να παράγει ενέργεια

τουλάχιστον δεκαπλάσια από αυτή που εναποθηκεύεται στους πυκνωτές του

σταθμού. Έτσι η πρόβλεψη για τα πρώτα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας από

σύντηξη παραμένει ,προς το παρόν, στον ορίζοντα του 2040 μ.Χ.[27]

HiPER

Αντίστοιχο ευρωπαϊκό πρόγραμμα που ασχολείται με την αδρανειακή συγκράτηση

είναι το HiPER.

Το πρόγραμμα HiPER (High Power Experimental Research Facility) αφορά την

πυρηνική σύντηξη ταχείας ανάφλεξης με χρήση laser. Το συγκεκριμένο πρόγραμμα

HiPER άνθισε ως ιδέα από τον διευθυντή της Κεντρικής Εγκατάστασης Laser του

Rutheford Appleton, Mike Dunne, του οποίου τα λόγια ειπώθηκαν ως εξής : «Αυτό

που εμείς θέλουμε να κάνουμε είναι βασικά ένας εμπορικά βιώσιμος πυρηνικός

κινητήρας εσωτερικής καύσης, όπου στη θέση των πιστονιών θα έχουμε μια σφαίρα.

Στην πυρηνική σύντηξη εισάγουμε το καύσιμο σε μορφή σφαίρας, την

«πυροβολούμε» με ακτίνες λέιζερ, αυτή φθάνει σε κατάσταση πλάσματος,

18

συντήκεται και μας χαρίζει την πολλαπλάσια ενέργεια. Θα συμπιέζουμε το καύσιμο

λίγο και, όταν αυτό φθάσει στο ύψιστο σημείο συμπίεσης, θα εισάγουμε λίγη ακόμη

ενέργεια για να αρχίσει η πυρηνική καύση.» [28] Η μέθοδος που περιγράψαμε

ονομάζεται «fast ignition» και για να επιτευχθεί χρησιμοποιεί βομβαρδισμό λέιζερ

μακρού παλμού για τη συμπίεση του καύσιμου υδρογόνου και βραχέος παλμού για

την έναρξη της πυρηνικής αντίδρασης. Ο βομβαρδισμός γίνεται συμμετρικά - εξ ου

και η σφαιρική μορφή του «στόχου» - από πολλές ακτίνες λέιζερ. Το κέρδος είναι ότι

κάτι τέτοιο απαιτεί πολύ μικρότερη εγκατάσταση από τους μαγνητικούς δακτυλίους

ενός ITER, άρα και κόστος. Εκτιμάται ότι θα κοστίσει μόλις 800 εκατ. το πρόγραμμα

HiPER (High Power Experimental Research Facility) που αφορά πυρηνική σύντηξη

ταχείας ανάφλεξης με χρήση laser. Τελικός στόχος είναι να αποδειχτεί η δυνατότητα

παραγωγής ενέργειας και να κατασκευαστεί πιλοτικός πυρηνικός αντιδραστήρας

σύντηξης. Tο HiPER περιλαμβάνεται στον κατάλογο 35 συνολικά έργων που είναι

γνωστός ως Οδικός Xάρτης για την ανάπτυξη Ευρωπαϊκών Yποδομών Έρευνας. Ο

οδικός χάρτης (roadmap) εκπονήθηκε από ειδική επιτροπή της Ε.Ε (ESFRI) μετά από

μελέτη 2 ετών και τη συμμετοχή 1000 περίπου επιστημόνων και εμπειρογνωμόνων

όλων των ειδικοτήτων. Ο συνολικός εκτιμώμενος από την επιτροπή προϋπολογισμός

του έργου είναι 850 εκ. Ευρώ, από τους υψηλότερους μεταξύ των προτεινόμενων

έργων (50 εκ. Ευρώ για την α΄ φάση της μελέτης και 800 εκ. Ευρώ για τη β΄ φάση της

κατασκευής). Στην κοινοπραξία συμμετέχουν 15 συνολικά χώρες. Επιπλέον, το

πρόγραμμα HiPER θα βασιστεί σε ένα μεγάλο αριθμό ερευνητών, μεταδιδακτορικών

ερευνητών και ανταποκρινόμενου μαθησιακού πληθυσμού. Όπως άλλα διεθνή

προγράμματα αντίδρασης με λέιζερ, το HiPER θα γίνει μια πλούσια πηγή ταλέντων

σε ένα ευρύ φάσμα των σχετικών πεδίων της εμπειρογνωμοσύνης. Εκτός από το

βασικό του σκοπό στην έρευνα για την πυρηνική σύντηξη, το HiPER θα διευκολύνει

την παγκόσμια έρευνα σε ένα φάσμα σχετικών πεδίων της φυσικής. Αν το

επιστημονικό δυναμικό που θα εργαστεί για την επίτευξη αυτού του φιλόδοξου

στόχου ολοκληρώσει με επιτυχία το έργο του, η Ευρώπη θα κατακτήσει την

παγκόσμια πρωτοπορία σε δύο σημαντικότατους τομείς: Την ενέργεια και την

προστασία του περιβάλλοντος.

Το μέγεθος και το κόστος μπορεί να είναι μικρά, αναλογικά, αλλά οι τεχνικές

δυσκολίες μεγάλες. Τα «πυροβόλα λέιζερ» που απαιτούνται είναι δύο τάξεις μεγέθους

19

μεγαλύτερα απ' οτιδήποτε υπάρχει σήμερα. Η απόδοσή τους πρέπει να κυμαίνεται

στο 20%, όταν σήμερα έχουμε μόνο 1%. Η επαναληπτικότητά τους επίσης πρέπει να

επιτρέπει πέντε ριπές ανά δευτερόλεπτο, όταν οι τώρα κατασκευαζόμενες μεγάλες

διατάξεις λέιζερ «πυροβολούν» μία φορά κάθε λίγες ώρες. Άλλο μεγάλο πρόβλημα

είναι το καύσιμο: Χρειάζονται τέλειες σφαίρες δευτερίου και τριτίου, διαμέτρου ενός

χιλιοστού, που θα παράγονται και θα διατηρούνται σε κρυογενείς συνθήκες λόγω του

ότι είναι ασταθή ισότοπα. Καθόσον θα «ξοδεύονται» 5 σφαίρες καυσίμου ανά

δευτερόλεπτο, θα απαιτηθεί το στήσιμο ολόκληρης βιομηχανίας τέτοιων σφαιριδίων -

με τεχνολογίες παραγωγής που δεν έχουν ακόμη δοκιμαστεί.

Ωστόσο η πιο μεγάλη πρόκληση για τη σύμπραξη HiPER είναι ο ίδιος ο

αντιδραστήρας. Το δέσιμο ενός συστήματος που θα ρίχνει τα σφαιρίδια στο κέντρο

ενός θαλάμου κενού, με τρόπο ώστε να μπορούν τα λέιζερ να τα χτυπούν εντελώς

ομοιόμορφα και ενόσω το όλο σύστημα θα διατηρείται σε κρυογενείς συνθήκες, αλλά

και θα αντέχει μια πιθανή θερμοπυρηνική έκρηξη χρειάζεται τεχνογνωσία ονειρική

ακόμη και για βιομηχανία οπλικών συστημάτων. Για να μη σταθούμε στο ότι το όλο

σύστημα θα πρέπει να καθαρίζεται ύστερα από κάθε ομοβροντία.[29]

ΤΕΙ Κρήτης συμμετέχει στο πρόγραμμα HiPER

Το Ρέθυμνο, είναι εδώ και λίγα χρόνια το κέντρο μιας ερευνητικής προσπάθειας με

προδιαγραφές και όρους λειτουργίας ανωτάτου επιπέδου, με επιστημονικούς στόχους

που ανταποκρίνονται σε κρίσιμες σύγχρονες ανάγκες, με εξοπλισμό εξελιγμένων

προδιαγραφών και με προσωπικό υψηλών προσόντων. Αναφερόμαστε στο Κέντρο

Φυσικής Πλάσματος και Laser, με τις δραστηριότητες του οποίου το ΤΕΙ Κρήτης

συμμετέχει στο πρόγραμμα HiPER.

Το πρόγραμμα HiPER (High Power Experimental Research Facility)αφορά την

πυρηνική σύντηξη ταχείας ανάφλεξης με χρήση laser. Τελικός στόχος είναι να

αποδειχτεί η δυνατότητα παραγωγής ενέργειας και να κατασκευαστεί πιλοτικός

πυρηνικός αντιδραστήρας σύντηξης. Όταν ο στόχος επιτευχθεί θα είναι μια

επανάσταση στην παραγωγή καθαρής και απεριόριστης ενέργειας. Το πρόγραμμα

ξεκίνησε το 2005 μετά από συζητήσεις μεταξύ επιστημόνων στην κατεύθυνση της

λύσης του ενεργειακού προβλήματος. Λίγο καιρό μετά κατατέθηκε η πρόταση στα

αρμόδια όργανα της Ε.Ε. που την ενέταξε στον οδικό της χάρτη για την ενέργεια.

20

Επιστημονικός φορέας αυτής της προσπάθειας είναι το Κέντρο Φυσικής

Πλάσματος και Λέιζερ του ΤΕΙ Κρήτης, σε ένα ερευνητικό κέντρο εγκατεστημένο σε

κτιριακό συγκρότημα ειδικών κατασκευαστικών προτύπων, ώστε να φιλοξενήσει

κορυφαίο εξοπλισμό συστημάτων Laser διεθνούς επιπέδου. Την ευθύνη και την

εποπτεία του έχει άριστα καταρτισμένο πάνω στα συγκεκριμένα συστήματα,

επιστημονικό προσωπικό. Το Εργαστήριο Laser έχει ήδη ενταχθεί στο Ευρωπαϊκό

Δίκτυο, ελέγχεται η πρόοδος των εργασιών του και ενισχύεται ανάλογα. Σήμερα

απασχολεί 30 εξειδικευμένους νέους επιστήμονες (φυσικούς, χημικούς, μηχανικούς,

τεχνολόγους) και στόχος του είναι η παραγωγή ενέργειας με αντιγραφή προτύπων

από την ίδια τη φύση, όπως το γεγονός της ένωσης 2 πυρήνων υδρογόνου στο

εσωτερικό του ήλιου με σύντηξη και της δημιουργίας του στοιχείου Ήλιον με

ταυτόχρονη έκλυση τεράστιας ποσότητας ενέργειας. Η ενέργεια αυτή που παράγεται

με πρώτη ύλη το νερό είναι απαλλαγμένη από ρυπογόνες καύσεις. Παράλληλα οι

ερευνητικές υποδομές σε laser υψηλής ισχύος θα δώσουν ώθηση σε πολύ

ενδιαφέροντες επιστημονικούς τομείς αιχμής, από την αστροφυσική ως την

τεχνολογία υλικών. Το ΤΕΙ Κρήτης διαθέτει το απαραίτητο ερευνητικό δυναμικό και

τον απαιτούμενο εξοπλισμό για ουσιαστική συμμετοχή σε ένα έργο που συνενώνει

και αξιοποιεί μεγάλο αριθμό εργαστηρίων και επιστημόνων από την παγκόσμια

επιστημονική κοινότητα. [30]

Το νέο σύστημα Laser, από τα μεγαλύτερα της Ευρώπης, κοστίζει 1,2 εκ. ευρώ,

χρηματοδοτήθηκε μέσω ΕΣΠΑ και χρησιμοποιείται σε μια πρωτοποριακή

επιστημονική προσπάθεια, που εκτός των άλλων αποδίδει μεγάλη επιστημονική

αίγλη και στον τόπο που τη φιλοξενεί, το Ρέθυμνο. Η περιφερειακή ευρωπαϊκή

εγκατάσταση για τη σύντηξη υδρογόνου βάζει το Ρέθυμνο στον επιστημονικό χάρτη

της έρευνας στις θετικές επιστήμες και αυξάνει το επιστημονικό κύρος της χώρας. Το

Ρέθυμνο, μέσω του εργαστηρίου, θα γίνει εξειδικευμένο ευρωπαϊκό κέντρο

αναφοράς, όπου Ευρωπαίοι Επιστήμονες, μεταπτυχιακοί και διδακτορικοί φοιτητές

θα έρχονται στο Ρέθυμνο για να κάνουν πειράματα και να εκπαιδευτούν.

Οφέλη

✓Η προνομιακή χρήση της απεριόριστης μελλοντικής καθαρής ενέργειας που

θα παραχθεί από την σύντηξη υδρογόνου.

21

✓Η Ελληνική ψήφος για την επιλογή της Ευρωπαϊκής χώρας που θα στεγάσει

την Κεντρική Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση.

✓Η ενίσχυση των ελληνικών επιστημονικών ομάδων μέσα από τη συμμετοχή

τους σε κοινά πειράματα στις μεγάλες ευρωπαϊκές εγκαταστάσεις του HiPER, η

ενίσχυση των ελληνικών εταιρειών και των νέων Ελλήνων επιστημόνων που θα

παρακολουθήσουν αυτό το νέο επιστημονικό/ τεχνολογικό τομέα από κοντά και θα

είναι έτοιμοι για τις νέες προκλήσεις.

✓Για το Ρέθυμνο βέβαια λόγω του γεγονός ότι το Κέντρο Φυσικής Πλάσματος

και Λέιζερ έχει την ευθύνη για το πρόγραμμα της βασικής επιστήμης για το

πρόγραμμα διεθνώς, έχει μια παραπάνω σημασία αφού στο Ρέθυμνο θα

διοργανώνονται όλα τα διεθνή μεταπτυχιακά και σχολεία και ήδη από πέρυσι έχει

ξεκινήσει η διαδικασία αυτή. Δημιουργείται επίσης ένα διεθνές πρόγραμμα master

στο Ρέθυμνο. [31]

Κάποιες από τις μελλοντικές καινοτόμες ιδέες είναι η εξαγωγή Ηλίου -3 από τη

Σελήνη , η δημιουργία μικρών φορητών συσκευών παραγωγής ενέργειας από ψυχρή

σύντηξη και η δημιουργία νέων κραμάτων που να αντέχουν σε πολύ υψηλές

θερμοκρασίες. Παρακάτω παρατίθενται αναλυτικά κατά πόσο είναι δυνατόν να

υλοποιηθούν οι ιδέες αυτές.

Κρύβει η Σελήνη ενεργειακό θησαυρό;

Βέβαια, για να επιτευχθεί η σύντηξη, σε οποιοδήποτε από τα παραπάνω

προγράμματα, είναι απαραίτητα συγκεκριμένα καύσιμα.

Το ήλιο-3 θεωρείται ένα ασφαλές, φιλικό προς το περιβάλλον υποψήφιο καύσιμο για

τους αντιδραστήρες σύντηξης, που ενώ είναι λιγοστό στη γη είναι άφθονο στο

φεγγάρι. Το ήλιο-3 μεταδίδεται με τους ηλιακούς ανέμους, αλλά το γήινο μαγνητικό

πεδίο αναγκάζει το ισότοπο αυτό να απομακρυνθεί μακριά. Χάρη στο αμελητέα

μαγνητικό πεδίο του το φεγγάρι επιτρέπει στο ήλιο-3 να καθίσει πάνω στον

ρεγκόλιθο, το στρώμα του βράχου και της σκόνης που καλύπτει το φεγγάρι.

Δύο τύποι αντιδράσεων σύντηξης κάνουν χρήση του ηλίου-3 για την παραγωγή

καθαρής ενέργειας. Η πρώτη χρησιμοποιεί το δευτέριο που αντιδρά με το ήλιο-3, για

22

να παράγει ήλιο-4 και ένα πρωτόνιο. Το δεύτερο είδος των αντιδράσεων χρησιμοποιεί

δύο άτομα ηλίου-3 για να δημιουργήσει ήλιο-4 και δύο πρωτόνια

Ένα από τα καλύτερα σημεία της προτεινόμενης αντίδρασης του ηλίου-3 είναι η

παντελής έλλειψη ραδιενεργών υποπροϊόντων. Δεν εκπέμπονται νετρόνια και δεν

αφήνουν πίσω τους ισότοπα, που θα μπορούσαν να δώσουν ραδιενέργεια. Το

πρωτόνιο είναι ένα ιδιαίτερα καλό προϊόν, επειδή η καθαρή. ενέργεια μπορεί να

αξιοποιηθεί από αυτό το αδέσποτο πρωτόνιο όταν εισέλθει μέσα σε ένα

ηλεκτροστατικό πεδίο.

Οι παραδοσιακές πυρηνικές αντιδράσεις σχάσης παράγουν θερμότητα, που στη

συνέχεια χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του νερού. Το καυτό νερό χρησιμοποιείται

σε στροβίλους για να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Στην διαδικασία της σύντηξης

με το ήλιο-3, η ενέργεια δημιουργείται από την ίδια την αντίδραση, χωρίς την

παρουσία δυσάρεστου ραδιενεργού υλικού για τις μελλοντικές γενιές. [32]

Φυσικοί πιστεύουν ότι το ισότοπο ήλιο-3 θα μπορούσε να προσφέρει το σύνολο των

ενεργειακών μας αναγκών στο μέλλον. Με καμία απολύτως ρύπανση. Κατά συνέπεια,

οι επιστήμονες έχουν αρχίσει να εξετάζουν με ποιο τρόπο μπορούν να εξαγάγουν

ήλιο-3 στη Σελήνη για να αντικαταστήσουν τα ορυκτά καύσιμα.

Ωστόσο, παρά τα ενεργειακά οφέλη που προσφέρει η Σελήνη, δεν παύουν να

υπάρχουν και ορισμένα προβλήματα.

Συγκεκριμένα, η απόκτηση του ηλίου-3 από το ‘κάλυμμα’ του σεληνιακού εδάφους

δεν θα είναι εύκολη και κάπου εδώ αρχίζουν τα προβλήματα.

Αρχικά οι καλύτερες δυνατές εκτιμήσεις του ηλίου-3 που περιέχει είναι 50 μέρη ανά

δισεκατομμύριο στο σεληνιακό έδαφος. Άρα για την εξόρυξη του θα πρέπει να

δημιουργηθούν ορυχεία τα οποία κυριολεκτικά θα «ξηλώσουν» ολόκληρη την

επιφάνεια της Σελήνης για να συλλέξουμε αρκετό ήλιο-3 για να είναι χρήσιμο σε

αντιδράσεις σύντηξης στη Γη. Μετά την εξόρυξη του σεληνιακού βράχου, το ήλιο-3

χωρίζεται με τη θέρμανση της μάζας του πάνω από 600 βαθμούς Κελσίου, μια

διαδικασία που καταναλώνει μεγάλη ποσότητα ενέργειας.

Ακόμη όμως και αν υποθέσουμε ότι σκάβεται όλη η Σελήνη και επιτυγχάνεται ο

διαχωρισμός του ηλίου-3 υπάρχει ένα ακόμη σοβαρό εμπόδιο.

23

Ένα διαστημόπλοιο θα μπορεί να μεταφέρει στη Γη στην καλύτερη περίπτωση

μερικούς τόνους ηλίου-3. Ακόμη και ένα στόλος διαστημικών-τάνκερ να

δημιουργηθεί για την μεταφορά του ηλίου-3 οι ποσότητες που θα φθάνουν στη Γη θα

είναι επαρκείς για να αξιοποιηθούν σε τοπικό και όχι πλανητικό επίπεδο. Αυτό που οι

επιστήμονες βλέπουν ως πιο πιθανό σενάριο για τη χρήση του σεληνιακού ηλίου-3

είναι το ισότοπο να χρησιμοποιηθεί για τις ενεργειακές ανάγκες των βάσεων αρχικά

και των αποικιών αργότερα που θα γίνουν στη Σελήνη ώστε να μην είναι απαραίτητη

η μεταφορά καυσίμων εκεί από τη Γη.

Λόγω της προσπάθειας και της ενέργειας που απαιτείται για την εξόρυξη του ηλίου-

3, τη θερμότητα, και τη μεταφορά προς τη Γη, δεν θα είναι μια φθηνή πηγή ενέργειας,

αλλά μια καθαρή εναλλακτική λύση, που πιθανόν να πρέπει να στραφούμε στα

επόμενα 100 χρόνια. Τα συχνά ταξίδια στο φεγγάρι μπορεί επίσης να ανοίξουν την

σεληνιακή τουριστική βιομηχανία, καθώς οι επιβάτες θα ταξιδεύουν μαζί με τα

μεταλλικά κουτιά του ηλίου-3 που προορίζονται για χρήση σε αντιδράσεις σύντηξης

πίσω στη Γη.

Ποιοί όμως θα εκμεταλλευτούν και θα ελέγχουν τις ενεργειακές πηγές της Σελήνης;

Το καλύτερο θα είναι να υπάρχει μια ομάδα κρατών κι όχι μια ιδιωτική εταιρεία.

Η ρωσική εταιρεία Energia ισχυρίστηκε το 2006 ότι θα έχει μια μόνιμη βάση στο

φεγγάρι το 2015 και θα αρχίσει τη συγκομιδή του ηλίου-3 από το 2020. Όμως, η

εταιρεία φαίνεται να είναι πολύ πίσω στο χρονοδιάγραμμα για να γίνουν αυτοί οι

ισχυρισμοί πραγματικότητα.

Αλλά ακόμη και αν τα αποθέματα του ηλίου-3 της Σελήνης κοστίζουν πολύ ακριβά

για να μεταφερθούν πίσω στη Γη, ο μοναδικός μας φυσικός δορυφόρος μας, θα

μπορούσε μια μέρα να γίνει διαστημικό "βενζινάδικο" για τα σκάφη που θα

ταξιδεύουν στο διάστημα, καθώς η ανθρωπότητα θα ταξιδεύει προς τα αστέρια. [33]

Σύντηξη στο σπίτι

24

Με αφορμή το νέο αυτό ενεργειακό θησαυρό (την πυρηνική σύντηξη) όλο και

περισσότερες καινοτομίες αλλά και τρόποι εκμετάλλευσης όσο το δυνατόν

περισσότερης ενέργειας έχουν αρχίσει να αναπτύσσονται παγκοσμίως.

Μια μεγάλη καινοτομία στον τομέα της ενέργειας που ανατρέπει τα μέχρι σήμερα

δεδομένα και ταυτόχρονα μια σημαντική επένδυση που θα αξιοποιήσει σε

βιομηχανικό επίπεδο την συγκεκριμένη επιστημονική ανακάλυψη, σύμφωνα

τουλάχιστον με τις εκτιμήσεις, θα ταράξει τα νερά και θα προκαλέσει το διεθνές

ενδιαφέρον.

Όχι μόνον τα στελέχη της εταιρείας, αλλά και άνθρωποι της αγοράς που γνωρίζουν

τις λεπτομέρειες της υπόθεσης βεβαιώνουν ότι, χωρίς υπερβολή, μπορεί να ανατρέψει

το ενεργειακό σκηνικό σε παγκόσμια κλίμακα και να κάνει τη χώρα μας

πρωταγωνιστή μιας νέας ενεργειακής επανάστασης, με ότι αυτό συνεπάγεται για την

ελληνική οικονομία. H ελληνική εταιρεία Defkalion Green Technologies

SA κατάφερε να μετατρέψει σε βιομηχανικό προϊόν μια σημαντική ανακάλυψη

Ιταλών επιστημόνων και ξεκινά οσονούπω από την Ξάνθη τη μαζική παραγωγή και

παγκόσμια διάθεση μονάδων (Hyperion) που μπορούν να εγκατασταθούν σε κάθε

σπίτι ή επαγγελματικό χώρο και να παράγουν θερμική και ηλεκτρική ενέργεια με

ελάχιστο κόστος. [34]

Η εταιρεία φρόντισε, στηριζόμενη σε Έλληνες επιστήμονες, να "μεταφράσει" τεχνικά

τα επιστημονικά αποτελέσματα και να δημιουργήσει μια συσκευή η οποία μετά την

αρχική ενεργοποίησή της παράγει θερμότητα χωρίς την ανάγκη περαιτέρω

τροφοδοσίας και μάλιστα χωρίς να δημιουργεί ρύπους ή επιβλαβείς για τον άνθρωπο

ακτινοβολίες.

Η θερμική αυτή ενέργεια υποστηρίζουν οι ίδιοι οι δημιουργοί της, μπορεί να

χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ζεστού νερού και τη θέρμανση χώρων και ένα

ποσοστό της, γύρω στο 40%, να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω ενός κοινού

μετατροπέα. Το τρίτο στάδιο είναι αυτό το οποίο ξεκίνησε ήδη, για τη βιομηχανική

παραγωγή στη χώρα μας, σε μαζική κλίμακα, αυτής της συσκευής.

Μια πάμφθηνη ενέργεια από μία χούφτα χώμα, παραγόμενη σε θερμοκρασία

δωματίου από μια συσκευή μεγέθους... μιας μηχανής του καφέ..

25

Στον αντιδραστήρα Νi-H πραγματοποιείται η εξώθερμη πυρηνική αντίδραση μεταξύ

Νικελίου και Υδρογόνου. Ο πυρήνας Νικελίου (Το Νικέλιο συνίσταται 68% από το

ισότοπο 58Ni, 26% από το 60Ni και 6% από 61Ni και 62Ni) απορροφά ένα πρωτόνιο

(υδρογόνο) και μετατρέπεται σε πυρήνα Χαλκού, παράγοντας ενέργεια. Ο Χαλκός

στη συνέχεια μετατρέπεται πάλι σε Νικέλιο διαμέσου της βήτα διάσπασης

Στις 23 Μαρτίου 2009 τόλμησε επίσημος ερευνητικός φορέας - το ερευνητικό κέντρο

του Πολεμικού Ναυτικού των ΗΠΑ (SPAWAR), στο Σαν Ντιέγκο της Καλιφόρνιας -

να ανακοινώσει κάτι σχετικό. Εισάγοντας ηλεκτρόδιο νικελίου ή χρυσού σε διάλυμα

χλωριδίου του παλλαδίου αναμεμειγμένο με «βαρύ ύδωρ» (δηλαδή δευτέριο, ένα

σταθερό ισότοπο του υδρογόνου) και διοχετεύοντας ηλεκτρικό ρεύμα στο διάλυμα,

συνέλαβαν τα όποια σωματίδια υψηλής ενέργειας και τα νετρόνια που εκπέμφθηκαν

από τη σύντηξη των ατόμων του δευτερίου. Βρήκαν «τριπλά ίχνη» των σωματιδίων,

που δεν εμφανίζονταν παρά μόνον όταν το πείραμα περιελάμβανε δευτέριο.

Θεωρητική εξήγηση για το πώς συνέβαινε αυτή η «ψυχρή σύντηξη» δεν δόθηκε,

αλλά η εν λόγω μελέτη καταγράφηκε ως η πιο σοβαρή ένδειξη ύπαρξης αυτού του

μυστηριώδους φαινομένου.

Δύο χρόνια μετά, στις 23 Ιουνίου 2011, μία συνέντευξη Τύπου τράβηξε την προσοχή

των εγχώριων τηλεοπτικών καναλιών. Τη διοργάνωσε μία νεόδμητη εταιρεία, η

Δευκαλίων Πράσινες Τεχνολογίες ΑΕ, θυγατρική της επίσης άγνωστης σ' εμάς

κυπριακής εταιρείας Praxen. Το αντικείμενο της συνέντευξης το παρουσίασε κυρίως

ένας ελληνοκαναδός οικονομολόγος, με προϋπηρεσία στην Επιτροπή Ενέργειας της

ΕΕ και νυν μέλος του ΔΣ της εταιρείας, ο κ. Αλέξανδρος Ξανθούλης. Τον πλαισίωναν

ένας συνταξιούχος καθηγητής Χημείας στο Πανεπιστήμιο της Μπολόνιας, ο κ.

Αντρέα Ρόσι (Andrea Rossi). Όπως προέκυψε, ο τρίτος είχε εφεύρει έναν καταλύτη

και μια διεργασία που, από την ανάμειξη νικελίου με υδρογόνο, έβγαζε απρόσμενα

μεγάλη ποσότητα θερμικής ενέργειας. Ο δεύτερος σύστησε τον τρίτο στον πρώτο και

έπειτα από ενάμιση χρόνο επαφών και δοκιμών βρήκαν χρηματοδότες και συνέπηξαν

την εν λόγω εταιρεία, με στόχο την παραγωγή ενεργειακών συσκευών στην Ελλάδα.

Επένδυση-απογείωση για την Ελλάδα:

26

Όπως δήλωσαν, το ύψος της επένδυσης θα έφτανε τα 200 εκατ. ευρώ, εκ των οποίων

περίπου τα μισά θα πήγαιναν για τη δημιουργία εργοστασίου στην Ξάνθη, με

παραγωγική δυνατότητα 300.000 συσκευών τον χρόνο – για τη διεθνή αγορά εκτός

των ΗΠΑ – και τα άλλα μισά για πληρωμή των δικαιωμάτων του εφευρέτη κ. Ρόσι.

Από τη θερμική ενέργεια που απέδιδε η συσκευή θα μπορούσε να παραχθεί

ηλεκτρική ενέργεια φθηνότερη από εκείνη της ΔΕΗ κατά 90%. Το ετήσιο κόστος για

υδρογόνο και νικέλιο - τα «καύσιμα» μιας συσκευής δυναμικότητας 20 κιλοβάτ –

αναμενόταν να είναι περίπου 1.300 ευρώ, όταν η αξία της παραγόμενης ενέργειας σε

τρέχουσες τιμές θα υπερέβαινε τα 14.000 ευρώ! [35,36]

Κράματα

Όπως είδαμε παραπάνω, για την επίτευξη της σύντηξης απαραίτητη είναι η παρουσία

συγκεκριμένων αντιδραστήρων όπως οι tokamak και οι stellarators, οι οποίοι όμως

απαιτούν ειδικά υλικά για την κατασκευή τους.

Η εύρεση νέων υλικών που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην κατασκευή

αντιδραστήρων tokamak και stellarator δεν είναι μια εύκολη υπόθεση.

Η ακριβής φύση του αντιδραστήρα απαιτεί την χρήση υλικών που ακολουθούν

αυστηρές προδιαγραφές. Πιο συγκεκριμένα, αυτά πρέπει να μπορούν να αντέξουν τις

ακραίες συνθήκες του αντιδραστήρα κατά την διάρκεια της λειτουργίας του, δηλαδή

τις υψηλές θερμοκρασίες και τον βομβαρδισμό από ραδιενέργεια, χωρίς να

επηρεαστούν σε μεγάλο βαθμό. Για να εξετάσουμε τα κριτήρια επιλογής με

μεγαλύτερη ακρίβεια, θα πρέπει να διαχωρίσουμε τον αντιδραστήρα σε 3 κομμάτια:

Το εσωτερικό τοίχωμα, την επιφάνεια που θα έρθει σε επαφή με το πλάσμα, και τα

διαγνωστικά συστήματα.

Καταρχάς, το εσωτερικό τοίχωμα, το οποίο παίζει το διπλό ρόλο της αναπαραγωγής

του αναλώσιμου τριτίου, και την σύλληψη της ενέργειας από την αντίδραση

σύντηξης, πρέπει να έχει τις εξής ιδιότητες: καλή αντοχή στην φθορά από

ραδιενέργεια και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα κύρια υλικά υποψήφια για

εσωτερικό τοίχωμα είναι πειραματικά κράματα χάλυβα ODS (Oxide Dispersion-

27

Strengthened steel), η νανο-σύνθεση του οποίου το καθιστά ανθεκτικό στην

ραδιενέργεια και τις υψηλές

θερμοκρασίες, και συνθετικά υλικά που αποτελούνται από πολύ ανθεκτικές ίνες

καρβιδίου του πυριτίου. Αν και είναι ακριβά και δύσκολα στην παραγωγή, πολλά

πειράματα έχουν δείξει πως τα υλικά αυτά υπόσχονται πολλά στο μέλλον του

αντιδραστήρα σύντηξης. Έπειτα, η επιφάνεια που θα έρθει σε επαφή με το πλάσμα

πρέπει να μπορεί να μην επηρεάσει το πλάσμα, και ούτε να επηρεαστεί από αυτό.

Άρα χρειάζεται ένα υλικό που θα έχει χαμηλό ατομικό βάρος και θα ιοντίζεται

εύκολα, και ταυτόχρονα θα πρέπει να έχει ένα υψηλό σημείο τήξης, και συνεπώς

υψηλό ατομικό βάρος. Η απάντηση σε αυτό το οξύμωρο αίτημα φαίνεται πως θα είναι

ένας πολύπλοκος συνδυασμός υλικών. Πλάκες ή εξαρτήματα κατασκευασμένα από

ένα ευρύ φάσμα υλικών, συμπεριλαμβανομένων το βολφράμιο ή τον γραφίτη, θα

μπορούσαν να επικαλυφθούν με μια μικροκρυσταλλική ή νανοκρυσταλλική

προστατευτική επικάλυψη από διαμάντι. Προκαταρκτικά πειράματα με πλάκες από

αδαμαντοφόρο μολυβδαίνιο, πυρίτιο και γραφίτη έχουν δώσει ενθαρρυντικά

αποτελέσματα και περαιτέρω πειράματα προγραμματίζονται. Τελικά, τα διαγνωστικά

συστήματα πρέπει να αντιμετωπίσουν το σκληρό περιβάλλον της υψηλής ενέργειας

νετρονίων και ροής ακτίνων γάμμα, που διεισδύουν πέρα από τον εσωτερικό τοίχο.

Τα υλικά που θα χρησιμοποιούνται στο διαγνωστικό σετ θα πρέπει να διατηρήσουν

όχι μόνο μηχανική αντοχή, αλλά και μια σειρά άλλων ιδιοτήτων όπως ηλεκτρική και

θερμική αγωγιμότητα, διηλεκτρικές απώλειες και οπτικά χαρακτηριστικά. Η φθορά

των οπτικών ιδιοτήτων είναι το πρωταρχικό μέλημα για καθρέφτες, παράθυρα,

φακούς και οπτικές ίνες. Αυτό καθιστά την εύρεση του κατάλληλου υλικού φοβερά

δύσκολη. Προς το παρόν, το μόνο υλικό που μπορεί να ικανοποιήσει τα περισσότερα

κριτήρια είναι υψηλής ποιότητας ταινίες CVD (συνθετικού) διαμαντιού, που έχουν

χαμηλές απώλειες και υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Συμπερασματικά, η επιστήμη

των υλικών παίζει έναν φοβερά σημαντικό ρόλο ως προς την μελλοντική υλοποίηση

ενός ενεργειακά πρακτικού αντιδραστήρα σύντηξης. [37,38]

Αντίλογος :

Ωστόσο είναι σημαντικό να αναφερθεί η επικίνδυνη και αφανής πλευρά της

πυρηνικής σύντηξης.

28

Η Βόμβα υδρογόνου είναι ένα σύγχρονο θερμοπυρηνικό όπλο που η λειτουργία του

βασίζεται στη σύντηξη πυρήνων βαρέων ισοτόπων του υδρογόνου (δευτερίου και

τριτίου) σε πυρήνες ηλίου. Κατά τη σύντηξη αυτή παράγεται τεράστια ποσότητα

ενέργειας που συνοδεύεται από μεγάλο θερμικό κύμα, ωστικό κύμα και ραδιενεργό

ακτινοβολία. Η υδρογονοβόμβα, όπως επίσης λέγεται, αναπτύχθηκε στις αρχές της

δεκαετίας του '50 και από τις δύο πλευρές του τότε Ψυχρού πολέμου, και μέχρι

σήμερα αποτελεί ένα από τα ισχυρότερα όπλα μαζικής καταστροφής στον πλανήτη.

Γνωστή διεθνώς και ως H-Bomb (Hydrogen Bomb), συγκριτικά είναι 100 έως και

1.000 φορές πιο καταστροφική απ' ότι μια απλή ατομική βόμβα σχάσης. Βέβαια, δεν

αποτελεί ουσιαστικό μειονέκτημα αυτή καθαυτή η πυρηνική σύντηξη. Αυτό

συμβαίνει διότι ο άνθρωπος ανέκαθεν δε χρησιμοποιούσε τη γνώση και την ισχύ που

διέθετε για αποκλειστικά ωφέλιμους σκοπούς. Συμπερασματικά, έγκειται στη δική

μας διαχείριση η αστείρευτη ενέργεια που παράγεται από την εν λόγω αντίδραση.[39]

Πλεονεκτήματα πυρηνικής σύντηξης

Έτσι λοιπόν, αν ο άνθρωπος καταφέρει να διαχειριστεί σωστά τη συγκεκριμένη

ενέργεια θα μπορέσει να αποκομίσει ποικίλα οφέλη. Ειδικότερα, η πυρηνική σύντηξη,

η ενέργεια που τροφοδοτεί τον Ήλιο και τα άλλα αστέρια, είναι η κύρια πηγή

ενέργειας στο Σύμπαν, και ίσως στο μέλλον, εάν καταφέρουμε να τη θέσουμε στην

υπηρεσία μας, να τροφοδοτήσει και τις ενεργοβόρες δραστηριότητες της

ανθρωπότητας. Η πυρηνική σύντηξη κρύβει μέσα της τη λύση στο ενεργειακό

πρόβλημα του μέλλοντός μας, το οποίο έχει αρχίσει να γίνεται πιεστικό, τόσο από

άποψη μείωσης των διαθέσιμων φυσικών πηγών όσο και από άποψη επιβάρυνσης του

περιβάλλοντος. Το αποτέλεσμα ενός τέτοιου εγχειρήματος είναι ύψιστης σημασίας.

Δίνει τη δυνατότητα να παραχθεί καθαρή ενέργεια, με ελάχιστο αντίκτυπο στο

περιβάλλον και μηδενικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου. Οι αυξημένες ενεργειακές

απαιτήσεις του σύγχρονου κόσμου, σε συνδυασμό με την επιτακτική ανάγκη

αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής, έχουν δημιουργήσει τις κατάλληλες

συνθήκες για τη δυναμική επανεμφάνιση της «πυρηνικής λύσης». Η πυρηνική

σύντηξη παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα όσον αφορά τα θέματα

περιβάλλοντος, λειτουργίας και ασφάλειας:

29

• Οι βασικοί πόροι καυσίμων (υδρογόνο) για τη σύντηξη είναι άφθονοι και

υπάρχουν σχεδόν παντού στη Γη.

• Η στάχτη που θα προκύπτει από την καύση της σύντηξης είναι ήλιο. Είναι µη

ραδιενεργή, όπως επίσης τα βασικά καύσιμα (σε αντίθεση με τα ισότοπα του

ουρανίου).

• Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής µε σύντηξη θα διαθέτουν εγγενείς πτυχές

ασφάλειας – είναι αδύνατον να συμβούν ατυχήματα διαφυγής ή τήξεως του

πυρήνα.

• Με την κατάλληλη επιλογή υλικών για την ίδια τη μηχανή σύντηξης, τα όποια

απόβλητα που θα προκύπτουν από την ενέργεια σύντηξης δεν θα αποτελούν

μακροπρόθεσμη επιβάρυνση για τις μελλοντικές γενιές.

• Το ενδιάμεσο καύσιµο (τρίτιο) παράγεται από το λίθιο στο μανδύα του

αντιδραστήρα. ∆εν απαιτείται η μεταφορά ραδιενεργών υλικών για την

καθημερινή λειτουργία ενός σταθµού ηλεκτροπαραγωγής µε σύντηξη

• Οι σταθµοί ηλεκτροπαραγωγής µε σύντηξη θα διαθέτουν εγγενείς πτυχές

ασφάλειας – είναι αδύνατον να συµβούν ατυχήµατα διαφυγής ή τήξεως του

πυρήνα

• Με την κατάλληλη επιλογή υλικών για την ίδια τη μηχανή σύντηξης, τα όποια

απόβλητα, που θα προκύπτουν από την ενέργεια σύντηξης, δεν θα αποτελούν

µμακροπρόθεσμη επιβάρυνση για τις μελλοντικές γενιές

• Η παραγωγή της ενέργειας σύντηξης δεν θα δημιουργήσει εκπομπές αερίων

φαινομένου θερμοκηπίου

• Στην πυρηνική σύντηξη δεν παράγονται ραδιενεργά απόβλητα, σε αντίθεση με

την πυρηνική σχάση, γι’ αυτό και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον είναι μηδαμινές.

Παράλληλα, ακόμα και το ραδιενεργό ενδιάμεσο, το τρίτο διασπάται γρήγορα,

παράγοντας ένα e- (ακτινοβολία β) πολύ χαμηλής ενέργειας. Ωστόσο, το τρίτιο

είναι επιβλαβές αν εισχωρήσει στο ανθρώπινο σώμα. Γι’ αυτό, έχουν ληφθεί τα

απαραίτητα μέτρα προστασίας όπως οι δικλείδες ασφαλείας.

30

Η ενέργεια σύντηξης προσφέρει µια βιώσιµη πηγή ενέργειας μεγάλης κλίµακας, η

οποία δεν εξαρτάται από τις κλιµατικές συνθήκες και είναι διαθέσιµη για συνεχή

παροχή ενέργειας βασικού φορτίου. Η πυρηνική σύντηξη, η «καθαρή και ασφαλής

πυρηνική ενέργεια», θα είναι διαθέσιμη ως μελλοντική ενεργειακή επιλογή μέχρι τα

μέσα του 21ου αιώνα, και αναπόφευκτα θα αποκτήσει σημαντικό ρόλο στην παροχή

μιας βιώσιμης, ασφαλούς και αξιόπιστης λύσης, ως απάντηση των ευρωπαϊκών και

παγκόσμιων ενεργειακών αναγκών.

Επίλογος

Έτσι λοιπόν καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η πυρηνική σύντηξη είναι η ενέργεια

του μέλλοντος. Είναι η ελπίδα για αστείρευτη καθαρή ενέργεια για όλη την υφήλιο

που ίσως αποτελέσει και λύση για σοβαρότερα προβλήματα της ανθρωπότητας όπως

είναι ο πόλεμος και οι διχόνοιες μεταξύ κρατών για ενεργειακά ζητήματα.

Πιστεύουμε ότι μπορεί κάτι τέτοιο να συμβεί με τη διαρκή επιμόρφωση των πολιτών,

αλλά και την ταυτόχρονη εμπιστοσύνη και χρηματική υποστήριξη των κρατών. Παρά

τις αμφιβολίες που υφίστανται είναι σίγουρο ότι η υλοποίηση αυτού του έργου θα

επιφέρει ίσως τα πιο θετικά αποτελέσματα που έχουν καταγράφει ποτέ στην ιστορία.

Βιβλιογραφία

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Ida_Noddack

31

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Enrico_Fermi

[3] https://www.chemheritage.org/historical-profile/otto-hahn-lise-meitner-and-

fritz-strassmann

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Fr%C3%A9d%C3%A9ric_Joliot-Curie

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Enrico_Fermi

[6] http :// www . physics . ntua . gr / POPPHYS /60/ emc 2. html

[7] www.physics.ntua.gr/gr/dpms/diplomatikes/katsipis.pdf Μιχαήλ Ιωάννου

Κατσίπης

[8] Gottingham W.N., Greenwood D.A. Εισαγωγή στην Πυρηνική Φυσική,

Εκδόσεις: Τυπωθήτω & Scott P.E, Akulina D.K., Gorini G. And Sindoni E.,

Diagnostics for contemporary fusion experiments. Editrice Compositori, Bologna

[9] Gottingham W.N., Greenwood D.A. Εισαγωγή στην Πυρηνική Φυσική,

Εκδόσεις: Τυπωθήτω & http :// www . emc 2- explained . info / Emc 2/ Fusion . htm #. WJh -

VW - LTIV

[10] Stangeby P.C. ang McCracken G.M., Plasma boundary phenomena in

Tokamaks, Nuclear Fusion, 30, 1225 (1990) ] & «Bικιπαίδια η ελεύθερη

εγκυκλοπαίδεια», el.wikipedia.org

[11] https://www.iop.org/publications/iop/2008/file_38224.pdf

[12] http://ekfe.reth.sch.gr/index.php?

option=com_content&task=view&id=346&Itemid=9

[13] Braams, C.M. & Stott, P.E. (2002). Nuclear Fusion: Half a Century of

Magnetic Confinement Research. Institute of Physics Publishing. ISBN 0-7503-

0705-6.

[14] Dolan, Thomas J. (1982). Fusion Research, Volume 1 - Principles. Pergamon

Press. LCC QC791.D64.

[15] Nishikawa, K. & Wakatani, M. (2000). Plasma Physics. Springer-

Verlag. ISBN 3-540-65285-X.

32

[16] Raeder, J.; et al. (1986). Controlled Nuclear Fusion. John Wiley &

Sons. ISBN 0-471-10312-8.

[17] Wesson, John; et al. (2004). Tokamaks. Oxford University Press. ISBN 0-19-

850922-7.

[18] Daniel Clery (2015). "The bizarre reactor that might save nuclear

fusion". Science. doi:10.1126/science.aad4746.

[19] "After ITER, Many Other Obstacles for Fusion Power" . Science. January 17,

2013.

[20] Wakatani, M. (1998). Stellarator and Heliotron Devices. Oxford University

Press. ISBN 0-19-507831-4.

[21] Harris, J. H.; Cantrell, J. L.; Hender, T. C.; Carreras, B. A.; Morris, R. N.

(1985). "A flexible heliac configuration". Nuc. Fusion. 25 (5):

623. doi:10.1088/0029-5515/25/5/005.

[22] New stellerator a step forward in plasma research (news article on phys.org)

[23] "Omnigeneity – FusionWiki" . fusionwiki.ciemat.es. Retrieved 2016-01-31.

[24] A general comparison between tokamak and stellarator plasmas (Yuhong Xu),

[25] https://physics4u.wordpress.com/2011/06/01/%CF%8D-%CE%AE-iter/

[26] https://www.iter.org/mach

[27] http :// www . tovima . gr / science / article /? aid =181981

[28] http://www.tovima.gr/science/article/?aid=420103

[29] Chessman, 7 Οκτωβρίου 2007, http://www.the lab.gr

[30] http://www.hiper-hellas.teicrete.gr/announcements.html

[31] http://www.rethnea.gr/article.aspx?id=37824

[32] http://www.tovima.gr/science/physics-space/article/?aid=621125

33

[33] http://www.physics4u.gr/news/2006/scnews2696.html //physics4u.wordpress.c

om/2012/05/15/ θα - μπορούσε - το - ήλιο -3- να - λύσει - πραγματικ /

[34] http://www.tovima.gr/science/article/?aid=486578

[35] http://energypress.gr/news/ependysi-400-ekat-eyro-stin-xanthi-gia-psyhri-

syntixi-ydrogonoy

[36] http://www.tovima.gr/science/article/?aid=430840

[37] http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/33/029/33029

033.pd

[38] http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/368/1923/3315

[39] https://el.wikipedia.org/wiki/ Βόμβα _ υδρογόνου

34