Γνωρίστε το πρόγραμμα ITER, σκοπός του οποίου είναι η παραγωγή ενέργειας μέσω σύντηξης υδρογόνου με την ελπίδα να βρεθεί εναλλακτική λύση στα ορυκτά καύσιμα.
Η συναρμολόγηση του πολυαναμενόμενου θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα ITER ξεκίνησε και επίσημα στα τέλη Ιουλίου, στην έδρα του προγράμματος στη νότια Γαλλία. Πρόκειται για μία από τις μεγαλύτερες πειραματικές προσπάθειες στην πυρηνική Φυσική, καθώς «υπόσχεται» άφθονη, φθηνή και «πιο καθαρή» πυρηνική ενέργεια με τον τρόπο που παράγεται στον Ήλιo. Αν λειτουργήσει όπως προβλέπουν οι εμπνευστές του, πολλά πράγματα θα αλλάξουν στον κόσμο της ενέργειας.
Τι είναι το ITER
To ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) είναι ένα διεθνές ερευνητικό πρόγραμμα που θέλει να επιδείξει ότι είναι εφικτή η παραγωγή ενέργειας από πυρηνική σύντηξη με τη κατασκευή και λειτουργία ενός τοροειδούς θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα, που λέγεται Tokamak (τόκαμακ), σε πλήρη κλίμακα. Το πρόγραμμα έχει τις απαρχές του στο μακρινό 1985, όταν ξεκίνησε ως συνεργασία μεταξύ της τότε Σοβιετικής Ένωσης, των ΗΠΑ, της τότε ΕΟΚ και της Ιαπωνίας. Στην τρέχουσα μορφή του, το ITER ξεκίνησε επίσημα το Νοέμβριο του 2006 με την υπογραφή συνθήκης ανάμεσα σε συνολικά 35 χώρες: όλες τις χώρες της ΕΕ (συμπεριλαμβανομένης και της Μ. Βρετανίας), την Ελβετία, τη Ρωσία, την Κίνα, την Ινδία, την Ιαπωνία, τη Ν. Κορέα και τις ΗΠΑ. Τον Νοέμβριο του 2006, τα επτά βασικά μέλη αποφάσισαν να χρηματοδοτήσουν την κατασκευή και λειτουργία του αντιδραστήρα στο Κανταράς της Νότιας Γαλλίας, όπου λειτουργούσε ήδη ο πειραματικός αντιδραστήρας Tore Supra.
Δεκατέσσερα χρόνια μετά, το πρόγραμμα άρχισε να παίρνει σάρκα και οστά μια και ξεκίνησε η συναρμολόγηση του Tokamak, δηλαδή του τοροειδούς κυρίως θαλάμου του αντιδραστήρα που θα βρίσκεται σε μια τρύπα (pit) βάθους 30 μέτρων κάτω από τη γη και θα ζυγίζει εκατοντάδες τόνους. Μόνο το «καπάκι» του κρυοστάτη, μέσα στον οποίο θα τοποθετηθεί το Tokamak, ζυγίζει 650 τόνους, ενώ συνολικά ο κρυοστάτης του ITER θα ζυγίζει 3800 τόνους και θα έχει όγκο 16000 κυβικά μέτρα.
Αν αναρωτέστε για το περίεργο όνομα "τοκαμακ", η απάντηση είναι πως "Токамак" το βάφτισαν οι Σοβιετικοί επιστήμονες που είχαν την ιδέα και κατασκεύασαν το πρώτο αντιδραστήρα του είδους το 1958: από την ακροστοιχίδα της ρωσικής φράσης “Τοροειδής θάλαμος σε μαγνητικές περιελίξεις”. Δείτε τις παρακάτω εικόνες για να αντιληφθείτε τα μεγέθη και την πολυπλοκότητα του εγχειρήματος.
Εγκάρσια τομή του τρισδιάστατου μοντέλου του θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα ITER. Διακρίνεται ο τοροειδής θάλαμος στη μέση. Ο αντιδραστήρας περιβάλλεται εξωτερικά από τεράστιο κρυοστάτη. (Πηγή εικόνας: iter.org)
Τους τελευταίους μήνες, πολλά εξαρτήματα του αντιδραστήρα έφτασαν στο σημείο από την Ινδία, την Κίνα, την Ιαπωνία, τη Ν. Κορέα και την Ιταλία. Σύμφωνα με τον γενικό διευθυντή του ITER, Μπερνάρ Μπιγκό, η διαδικασία συναρμολόγησης θα διαρκέσει μέχρι τα τέλη του 2024. Αξίζει να σημειωθεί ότι το κτίριο του ITER, που έχει κατασκευαστεί ήδη, έχει το ύψος 4ώροφης πολυκατοικίας.
Το ξεκίνημα της συναρμολόγησης του Tokamak γιορτάστηκε με επίσημη τελετή που πραγματοποιήθηκε στην έδρα του ITER στο Σεν-Πολ-λε-Ντυράν. «Με τη σύντηξη, το υδρογόνο μπορεί να αποτελέσει την υπόσχεση του μέλλοντος», δήλωσε ο πρόεδρος της Γαλλίας Εμανουέλ Μακρόν σε βίντεο που προβλήθηκε κατά τη διάρκεια της τελετής.
«Μια ενέργεια που δεν ρυπαίνει, απαλλαγμένη από άνθρακα, ασφαλής και ουσιαστικά χωρίς απόβλητα. Το ITER αποτελεί μια υπόσχεση για την ειρήνη και την πρόοδο», είπε ο Γάλλος πρόεδρος
Και δεν έχει άδικο μια και το πρόγραμμα είναι ιδιαίτερα φιλόδοξο. Πως αλλιως να χαρακτηρίσεις κάτι που στοχεύει στην αναπαραγωγή της απεριόριστης ενέργειας του ήλιου και των άστρων μέσω της σύντηξης του υδρογόνου;
Πως θα λειτουργεί ο ITER - Γιατί λέγεται «Τεχνητός Ήλιος»;
Έχετε αναρωτηθεί ποτέ πως λειτουργεί ο Ήλιος; Ποιο είναι το καύσιμο από το οποίο παράγεται η ακτινοβολία χάρη στην οποία υπάρχει η ζωή όπως την ξέρουμε στη Γη; Λοιπόν, ο Ήλιος χρησιμοποιεί πυρηνικά καύσιμα σε μια διαδικασία που λέγεται θερμοπυρηνική σύντηξη. Στο καυτό και πυκνό εσωτερικό του Ήλιου, η ύλη φτάνει σε απίστευτα υψηλά επίπεδα θερμότητας και πίεσης, πράγμα που οδηγεί τα άτομα του υδρογόνου να ενώνονται βίαια μεταξύ τους εκλύοντας ενέργεια αλλά και ένα στοιχείο που λέγεται ήλιο. Αυτές οι αντιδράσεις συμβαίνουν μέσα στο “πλάσμα”, την τέταρτη μορφή της ύλης μετά τα στερεά, υγρά και τα αέρια. Το πλάσμα είναι μια κατάσταση της ύλης όπου τα ηλεκτρόνια διαφεύγουν από τα άτομα και κινούνται ελεύθερα. Όλα σχεδόν τα αστέρια ακτινοβολούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας που παράγεται από παρόμοιες διαδικασίες.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι μπορούν να επαναλάβουν την θερμοπυρηνική σύντηξη με ασφάλεια στη Γη προκειμένου να χρησιμοποιήσουμε την ενέργεια που εκλύεται για ειρηνικούς σκοπούς. Γι’ αυτό όμως θα πρέπει να εξομοιώσουν την κατάσταση που επικρατεί στον ίδιο τον Ήλιο, δηλαδή μεγάλες θερμοκρασίες και τεράστια πίεση. Η εξομοίωση αυτών των συνθηκών και ο απαιτούμενος έλεγχος της διαδικασίας γίνεται στο εσωτερικό των θερμοπυρηνικών αντιδραστήρων.
Οι συμβατικοί πυρηνικοί αντιδραστήρες που υπάρχουν σήμερα λειτουργούν με ελεγχόμενη σχάση ατόμων ραδιενεργών στοιχείων (συνήθως ουρανίου 235)… Η σχάση παράγει θερμότητα που προκαλεί βρασμό σε νερό το οποίο μετατρέπεται σε ατμό που κινεί στροβίλους οι οποίοι παράγουν ηλεκτρική ή κινητική ενέργεια. Η σχάση των βαρέων ατόμων του ουρανίου γίνεται από το βομβαρδισμό τους με νετρόνια υψηλής ενέργειας με αποτέλεσμα την εκπομπή θερμικής ενέργειας, ακτινοβολίας και νετρονίων που μπορούν να προκαλέσουν ακόμα περισσότερες σχάσεις, δημιουργώντας έτσι τη λεγόμενη αλυσιδωτή αντίδραση. Παράλληλα όμως παράγονται και ραδιενεργά απόβλητα (Κρυπτό, Βάριο) που δημιουργούν τουλάχιστον πονοκέφαλο όταν κανείς σκέφτεται πως θα τα διαθέσει.
Στους θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες γίνεται το αντίθετο: δύο άτομα ενώνονται για να δημιουργήσουν ένα νέο. Τα άτομα των ισοτόπων του υδρογόνου έρχονται πολύ κοντά δημιουργώντας άτομα ηλίου και εκπέμποντας νετρόνια αλλά και μεγάλες ποσότητες ενέργειας (δείτε εικόνα). Αυτό το είδος αντίδρασης, χωρίς έλεγχο, γίνεται και στη βόμβα υδρογόνου, αλλά οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αν την ελέγξουν μπορεί να δώσει μια πιο ασφαλή και πιο καθαρή πηγή ενέργειας απ’ ότι η σχάση, και με λιγότερα απόβλητα…
Σχηματική αναπαράσταση της σύντηξης δύο πυρήνων δευτερίου και τριτίου. Παράγεται ενέργεια της τάξης των 17,6 εκ. eV…
Τι είναι η πυρηνική σύντηξη
Η πυρηνική σύντηξη είναι η συνένωση ατόμων με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας και μπορεί να γίνει μόνο από στοιχεία που είναι ελαφρύτερα του σιδήρου, όπως τα ισότοπα του υδρογόνου (δευτέριο και τρίτιο). Τα τελευταία είναι τα ιδανικότερα για την παραγωγή ενέργειας καθώς απαιτούν τις μικρότερες θερμοκρασίες για σύντηξη σε μεγάλες ποσότητες. Σε σχέση με τη μάζα τους, η αντίδραση δευτέριου-τρίτιου απελευθερώνει σχεδόν τρεις φορές περισσότερη ενέργεια από τη σχάση του ουρανίου 235, και εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από την καύση του άνθρακα.
Γι’ αυτό, όλα σχεδόν τα είδη σύντηξης περιλαμβάνουν αυτά τα ισότοπα του υδρογόνου, το δευτέριο και το τρίτιο. Για παράδειγμα, στα αστέρια όπως στον Ήλιο γίνονται αντιδράσεις σε επίπεδο πρωτονίων που ενώνονται για να σχηματίσουν δευτέριο που με τη σειρά του ενώνεται με ένα πρωτόνιο για να παράγει ήλιο. Η διαδικασία αυτή παράγει ακτινοβολία (φως, ακτίνες γάμμα) και σωματίδια υψηλής ενέργειας. Υπάρχουν όμως και αντιδράσεις σύντηξης μεταξύ ατόμων δευτερίου αλλά και μεταξύ ατόμων δευτερίου με τρίτιο. Όταν γίνεται σύντηξη δευτέριου και τρίτιου, οι δύο πυρήνες ενώνονται σχηματίζοντας ένα πυρήνα ηλίου-4 (ένα σωματίδιο άλφα) καθώς και ένα νετρόνιο υψηλής ενέργειας. Η ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτή την περίπτωση μεταφέρεται κυρίως από το νετρόνιο. Αυτή η τελευταία μορφή ενδιαφέρει τους επιστήμονες. Αν αναρωτιέστε, μπορούμε να βρούμε άφθονο δευτέριο από το θαλασσινό νερό ενώ το τρίτιο που είναι εξαιρετικά σπάνιο παράγεται μέσα στον ίδιο τον θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα από το λίθιο.
Αξίζει να σημειωθεί πάντως ότι το τρίτιο είναι ραδιενεργό (χρόνος ημίσιας ζωής 12.5 έτη). Οι αντιδράσεις σύντηξης που χρησιμοποιούν δευτέριο-τρίτιο εκλύουν επιβλαβή νετρόνια και δημιουργούν ραδιενεργά απόβλητα από τα οποία πρέπει να απαλλασσόμαστε με ασφάλεια.
Οι προϋποθέσεις για να πετύχει ο ITER
Όμως, για να ξεκινήσει η σύντηξη των ισοτόπων του υδρογόνου απαιτείται μεγάλη ποσότητα ενέργειας, επειδή τα πρωτόνια των πυρήνων απωθούνται λόγω του θετικού φορτίου τους. Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι οι πυρήνες των ισοτόπων υδρογόνου πρέπει να μπορούν να έλθουν πάρα πολύ κοντά (1 x 10 ^-15 του μέτρου), προκειμένου να αυξηθεί η πιθανότητα να υπερβούν το ηλεκτροστατικό φράγμα που τους χωρίζει και το σημείο όπου η ισχυρή πυρηνική και η ηλεκτροστατική δύναμη είναι ισοδύναμες.
Στο ITER, αυτή η κυριολεκτικά απειροελάχιστη απόσταση θα γίνει δυνατή μέσω υψηλών θερμοκρασιών και μαγνητικών δυνάμεων που ασκούν πίεση στο πλάσμα. Αυτό θα γίνει στο εσωτερικού του τοκαμακ του αντιδραστήρα, ενός τόρου από ηλεκτρομαγνήτες και πηνία όπου θα «φιλοξενείται» το πλάσμα υδρογόνου. Δείτε το τόκαμακ στην παρακάτω εικόνα.
Σχηματική αναπαράσταση του τόκαμακ (του τόρου με τους ηλεκτρομαγνήτες) του ITER, όπου θα φιλοξενείται το πλάσμα (διακρίνεται με μπλε απόχρωση). Ο όγκος του πλάσματος θα ανέρχεται στα 840 κυβικά.
Έτσι, όταν ξεκινήσει να λειτουργεί, ο αντιδραστήρας του ITER ουσιαστικά θα αναπαράγει την αντίδρασης της σύντηξης του υδρογόνου που πραγματοποιείται με φυσικό τρόπο στην καρδιά του Ήλιου. Για να το πετύχει αυτό ο αντιδραστήρας θα πρέπει να θερμάνει το πλάσμα δευτέριου και του τρίτιου σε θερμοκρασία της τάξης των 150 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου!
Προδιαγραφές και στόχοι
Ο τόρος που θα φιλοξενεί το πλάσμα στον ITER θα έχει εσωτερική διάμετρο 2 μέτρα και εξωτερική 6.2 μ. Ο ITER έχει σχεδιαστεί για να παράγει περίπου 500 MW (1 ΜW = 10^6 Watts) ενέργειας από σύντηξη που θα μπορεί να διατηρηθεί για 500 δευτερόλεπτα. Για τη παραγωγή αυτής της ενέργειας ο αντιδραστήρας θα καταναλώνει 50 MW. Ουσιαστικά, δηλαδή, ο στόχος είναι να δεκαπλασιάζει κάθε Watt που καταναλώνει. Αυτό ισοδυναμεί με συντελεστή Q=10, όπου Q είναι ο λόγος εκλυόμενης θερμότητας προς την θερμότητα εισόδου.
Για να καταλάβετε, ένας από τους πιο πετυχημένους μέχρι σήμερα θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες, ο JET έχει Q=0,7 αλλά απαιτείται Q>1 για να αναφλεγεί το πλάσμα ώστε η περισσότερη θερμότητα για τη συνέχιση της σύντηξης να προέρχεται από τις ίδιες τις αντιδράσεις. Υπολογίζεται ότι οι εμπορικοί αντιδραστήρες tokamak θα πρέπει να έχουν Q μεταξύ 15 και 22.
Αν όλα πάνε καλά, ο ITER θα είναι σε θέση να παραγάγει το πρώτο πλάσμα στα τέλη του 2025-αρχές 2026, ενώ ο αντιδραστήρας θα μπορέσει να φτάσει στο μέγιστο της απόδοσής του το 2035. Μια και πρόκειται για πειραματική προσπάθεια, ο ITER θα παράγει ενέργεια με τη μορφή της θερμότητας, αλλά η εκλυόμενη θερμότητα δεν θα χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος.
Η σύντηξη του υδρογόνου θα μπορούσε να αποτελέσει μια πιο αξιόπιστη και πιο καθαρή πηγή ενέργειας, σε σχέση με τους τωρινούς αντιδραστήρες, που θα επέτρεπε την απεξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα. Και αυτό υπόσχεται να το κάνει με καύσιμα που βρίσκονται σε αφθονία στον πλανήτη μας, όπως το νερό και το λίθιο, σε αντίθεση με αντιδραστήρες σχάσης που χρειάζονται ραδιενεργά καύσιμα (ουράνιο, πλουτώνιο).
Για περισσότερες πληροφορίες δείτε: ITER: Ένας τεχνητός ήλιος!
Ιστότοπος ITER: https://www.iter.org/