Σύντηξη – Άσος στο ενεργειακό πρόβλημα? Understand article
Μετάφραση Γιώργο Κουντουριώτη (George Kountouriotis). Οι ενεργειακές ανάγκες της κοινωνίας μας συνεχίζουν να αυξάνονται, ενώ οι ποσότητες των ορυκτών καυσίμων – που είναι…
Αναπαραγωγή στη γη του
είδους των αντιδράσεων
που παρατηρούνται στον
ήλιο
Η τιθάσευση της σύντηξης – της ενεργειακής πηγής του ήλιου – ήταν για πολύ καιρό ένα όνειρο, καθώς θα μπορούσε να παρέχει μια σχεδόν χωρίς όριο παροχή ενέργειας με ένα περιβαλλοντικά υπεύθυνο τρόπο. Με την κατασκευή ενός νέου αντιδραστήρα-κλίμακας σύντηξης, του ITER, η οποία πρόκειται να αρχίσει στην Cadarache στα νότια της Γαλλίας, αυτό το όνειρο θα μπορούσε να γίνει πραγματικότητα.
Γιατί να ερευνηθεί ένας νέος τρόπος παραγωγής ενέργειας; Η παγκόσμια χρήση ενέργειας αναμένεται να διπλασιαστεί στα επόμενα 40 χρόνια, και για να ξεφύγουν οι αναπτυσσόμενες χώρες από τη φτώχια θα χρειαστεί ακόμη μεγαλύτερη αύξηση. Προς το παρόν, 80% της παγκόσμιας ενέργειας παράγεται από την καύση ορυκτών καυσίμων – οδηγώντας την παγκόσμια κλιματική αλλαγή και γεννώντας μόλυνση. Τελικά, τα ορυκτά καύσιμα θα εξαντληθούν, το πρώτο σημάδι θα είναι μια μείωση στο ρυθμό με τον οποίο μπορεί να παραχθεί το πετρέλαιο, το οποίο θα μπορούσε να συμβεί σχετικά σύντομα. Δεν υπάρχει μαγική ράβδος που θα μπορούσε να λύσει το πρόβλημα. Αντί γι αυτό, μια μετρημένη αντίδραση στα προβλήματα που αντιμετωπίζουμε θα περιλάμβανε ένα κοκτέιλ προσεγγίσεων. Τα πιθανά συστατικά θα είναι μια αύξηση στην ενεργειακή αποδοτικότητα, η ανάπτυξη περισσότερων ανανεώσιμων και πυρηνικής σχάσης πηγών ενέργειας και εντατικότερη έρευνα σε νέες τεχνολογίες όπως η σύντηξη.
Η ιδέα της εξαγωγής ενέργειας από ελεγχόμενες αντιδράσεις σύντηξης δεν είναι τίποτε καινούργιο. Η δυσκολία ήταν στην αναπαραγωγή πάνω στη γη του είδους των αντιδράσεων που παρατηρούνται στον Ήλιο. Αντίθετα από τη σχάση των βαρέων πυρήνων, η σύντηξη των ελαφρών πυρήνων απαιτεί να επιτευχθούν και να διατηρηθούν ακραίες συνθήκες. Η επιλεγμένη αντίδραση στα πειράματα εδώ στη γη είναι η σύντηξη του δευτερίου και του τριτίου – δύο βαριές μορφές υδρογόνου – που παράγουν ήλιο και ένα νετρόνιο, το οποίο κουβαλά την περίσσεια ενέργεια. Αυτό απαιτεί υψηλή θερμοκρασία (ή ενέργεια) των σωματιδίων στο υπέρθερμο ιονισμένο αέριο που λέγεται πλάσμα: περίπου 150 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Αυτό πρέπει να συνδυαστεί με μια ικανοποιητική πυκνότητα σωματιδίων και μια μέθοδο φυλάκισης (των σωματιδίων) που επιτρέπει στην ενέργεια του πλάσματος να κρατηθεί μέσα στο πλάσμα για αρκετό χρόνο ώστε η αντίδραση σύντηξης να γίνεται και περισσότερη ενέργεια να ελευθερώνεται από όση χρειάζεται για να κρατηθεί το καύσιμο ζεστό.
με το πλάσμα μέσα
Ένα σημαντικό συστατικό της ενέργειας σύντηξης, και αυτό που τη διακρίνει από την σχάση, είναι ότι η σύντηξη δεν είναι μια αλυσιδωτή αντίδραση. Αυτό την κάνει ασφαλή: δεν υπάρχει πιθανότητα να «ξεφύγει» η αντίδραση. Σε οποιαδήποτε στιγμή, μόνο μερικά γραμμάρια καυσίμου είναι παρόντα στο σκεύος της σύντηξης, αρκετά για ένα λεπτό καύσης. Για να σταματήσει η αντίδραση, είναι αρκετό να σταματήσει η παροχή καυσίμου ακριβώς όπως σε ένα φούρνο υγραερίου.
Τα τελευταία τριάντα χρόνια, η ισχυρότερη γραμμή έρευνας επικεντρώθηκε στην επονομαζόμενη συσκευή tokamak. Σε ένα tokamak, ένα δαχτυλίδι πλάσματος σε σχήμα ντόνατς είναι περιορισμένο μέσα σε δοχείο κενού. Για να θερμανθεί το πλάσμα στους 150 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, χρειάζεται ένας αποτελεσματικός τρόπος να κρατάς το πλάσμα μακριά από τα τοιχώματα του δοχείου. Καθώς το πλάσμα αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια (ιόντα και ηλεκτρόνια), αυτό γίνεται με ισχυρά μαγνητικά πεδία που παράγονται από μεγάλα πηνία γύρω από το δοχείο.Για να θερμανθεί το πλάσμα σε τόσο ακραίες θερμοκρασίες απαιτούνται μερικές συμπληρωματικές μέθοδοι. Μια από αυτές τις μεθόδους συνίσταται στο πέρασμα ενός ισχυρού ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από το πλάσμα, ενώ επιπλέον θερμική ενέργεια παρέχεται από εξωτερική ακτινοβολία μικροκυμάτων και δέσμες ουδετέρων σωματιδίων.
Σημαντική πρόοδος έχει γίνει στα πειράματα tokamak σε όλο τον κόσμο, με το Ευρωπαϊκά χρηματοδοτούμενο Συνδυασμένο Ευρωπαϊκό Tokamak (JET) στο Κέντρο Επιστήμης στο Culham του Ηνωμένου Βασιλείου να παρέχει την εστία της Ευρωπαϊκής ερευνητικής προσπάθειας. Το JET είναι το αποκορύφωμα της Ευρωπαϊκής έρευνας για τη σύντηξη, και υποστηρίζεται από πολλούς μικρότερους tokamak σε εργαστήρια της Ευρωπαϊκής ηπείρου.
Το πρόγραμμα δουλειάς στο JET οργανώνεται και συντονίζεται από την Ευρωπαϊκή Συμφωνία για την Ανάπτυξη της Σύντηξης. Καθώς είναι ο μεγαλύτερος tokamak που λειτουργεί στον κόσμο, και ο μόνος που μπορεί να λειτουργήσει και με τα δυο καύσιμα σύντηξης (δευτέριο και τρίτιο), ο JET έχει επιτύχει τις αναγκαίες συνθήκες ώστε να συμβεί η σύντηξη. Πιο κρίσιμα, ο JET έχει δώσει μαθήματα στο πώς να κρατηθεί η σταθερότητα και η φυλάκιση του πλάσματος εν όψει πλήθους ασταθειών του πλάσματος.
Η μετρημένη ισχύς εξόδου σε ένα JET (περίπου 16 μεγαβάτ) είναι κοντά, αλλά ακόμη λιγότερη, από την ισχύ που απαιτείται ώστε να κρατηθεί το πλάσμα σε θερμοκρασίες σύντηξης (25 μεγαβάτ). Λιγότερη ισχύς εξόδου απ’ ότι ισχύς εισόδου – δεν είναι ελπιδοφόρο για ένα σταθμό παραγωγής ενέργειας! Ωστόσο, μελέτες κλίμακας που χρησιμοποιούν δεδομένα από το JET και μικρότερα πειράματα σύντηξης μας λένε ότι μια μεγαλύτερη μηχανή θα αντέστρεφε αυτή την ισορροπία, παράγοντας αρκετά μεγαλύτερη ισχύ σύντηξης εξόδου από την απαιτούμενη για να θερμανθεί το πλάσμα.
Αν και υπάρχει σιγουριά ότι ένας σταθμός παραγωγής ενέργειας από σύντηξη μπορεί να κατασκευαστεί με αυτόν τον τρόπο, επιπλέον μελέτες χρειάζονται, ειδικά σε τεχνολογίες που θα διασφαλίσουν ότι ο σταθμός θα είναι ασφαλής, αξιόπιστος και οικονομικά βιώσιμος. Ο Διεθνής Πειραματικός Αντιδραστήρας Tokamak (ITER) θα είναι μια τέτοια μηχανή: ένα σκαλοπάτι προς ένα εμπορικό σταθμό παραγωγής ενέργειας από σύντηξη. Θα έχει το διπλάσιο μέγεθος από τον JET, και θα παράγει περισσότερο από 500 μεγαβάτ ισχύος σύντηξης σε δέκα λεπτά – το λιγότερο δέκα φορές η ισχύς που χρειάζεται για να θερμανθεί το πλάσμα.
Όπως προκύπτει από το όνομά του, ο ITER είναι ένα διεθνές πρότζεκτ με αρκετούς οργανισμούς να μετέχουν σε αυτό: την Ευρωπαϊκή Ένωση, την Ιαπωνία, τις ΗΠΑ, τη Νότια Κορέα, την Κίνα, τη Ρωσία και την Ινδία. Η σχεδίαση – με χρήση τελευταίας τεχνολογίας όπως υπεραγώγιμα μαγνητικά πηνία και προχωρημένης τεχνολογίας όργανα – έχει ήδη τελειώσει και τον Ιούνιο του 2005 πάρθηκε η απόφαση να κατασκευαστεί στο Cadarache στη Νότια Γαλλία. Τώρα γίνονται προετοιμασίες για να αρχίσει η κατασκευή ενώ θα είναι έτοιμο να λειτουργήσει το 2015.
Ένα θέμα το οποία προκύπτει αναπόφευκτα με αυτή την τεχνολογία είναι η χρήση του ραδιενεργού τριτίου. Σε ένα μελλοντικό σταθμό παραγωγής ενέργειας από σύντηξη, το τρίτιο θα παράγεται εσωτερικά στον αντιδραστήρα με ένα κλειστό κύκλο, ώστε δεν θα χρειάζεται μεταφορά ραδιενεργού υλικού έξω από το σταθμό κατά τη διάρκεια της λειτουργίας και μόνο μια περιορισμένη ποσότητα θα είναι παρούσα στο σταθμό. Το εσωτερικό του δοχείου πλάσματος θα γίνεται ραδιενεργό κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του σταθμού λόγω των νετρονίων που παράγονται κατά τη διαδικασία της σύντηξης. Ωστόσο, αν χρησιμοποιηθούν τα κατάλληλα υλικά, αυτά θα μπορούν να διατεθούν ως μη ραδιενεργά απορρίμματα ή να ανακυκλωθούν μετά από 100 χρόνια, λόγω του σχετικά μικρού χρόνου ημιζωής τους. Αυτό συγκρίνεται με τις πολλές χιλιάδες χρόνια που απαιτούνται πριν τα συστατικά ενός αντιδραστήρα σχάσης γίνουν ασφαλή για να τα χειριστούμε. Μέρος του ερευνητικού προγράμματος της σύντηξης εστιάζει στην ανάπτυξη αυτών των χαμηλής ενεργότητας υλικών.
Ο ITER είναι βασικός για τη δοκιμή και την ολοκλήρωση των διάφορων τεχνολογιών στην κλίμακα ενός σταθμού παραγωγής και θα πρέπει να επιβεβαιώσει ότι είναι δυνατό να κατασκευαστεί ένας σταθμός παραγωγής ενέργειας από σύντηξη. Ωστόσο, πριν την κατασκευή ενός τέτοιου σταθμού θα χρειαστούν χρόνια δοκιμών κάτω από συνθήκες εργασίας για να δοθεί μια άδεια λειτουργίας και να βεβαιωθούμε ότι είναι ασφαλής και αξιόπιστος. Αυτό μπορεί μόνο να γίνει σε μια ειδική συσκευή που λέγεται Διεθνής Ευκολία για την Ακτινοβολία Υλικών Σύντηξης (IFMIF). Ο ITER, που θα στοιχίσει περίπου 5 δισεκατομμύρια δολάρια, και ο IFMIF, που θα κοστίσει λίγο κάτω από ένα δισεκατομμύριο δολάρια, είναι τα κλειδιά στην ανάπτυξη της σύντηξης ως μιας εκμεταλλεύσιμης πηγής ενέργειας. Αν και αυτά τα ποσά μπορεί να ακούγονται υψηλά, είναι μικρά στην κλίμακα της συνολικής παγκόσμιας αγοράς ενέργειας, περίπου 3 τρισεκατομμύρια δολάρια το χρόνο.
Έτσι, η σημαντική ερώτηση είναι, πότε η σύντηξη θα παράγει ηλεκτρισμό για τον κόσμο; Χτίζοντας και λειτουργώντας τον ITER και το IFMIF παράλληλα θα επιτρέψει στον πρώτο σταθμό παραγωγής ενέργειας από σύντηξη να λειτουργήσει σε 30 χρόνια. Αν και αυτό δεν είναι αρκετά σύντομο για μια άμεση απομάκρυνση από τις πηγές ενέργειας από ορυκτά, θα επιτρέψει στη σύντηξη να παρέχει μια πολύτιμη επιπλέον ενεργειακή δυνατότητα για το δεύτερο μισό του 21ου αιώνα.
EFDA εκπαίδευση και ενημέρωση
τα σχολεία δευτεροβάθμιας
εκπαίδευσης
Πολλά από τα ερευνητικά ινστιτούτα στην Ευρωπαϊκή Συμφωνία για την Ανάπτυξη της Σύντηξης (EFDA) έχουν τα δικά τους προγράμματα ενημέρωσης κοινού, τα οποία συχνά περιλαμβάνουν διαλέξεις, επισκέψεις σε σχολεία και ερευνητικά κέντρα όπως στο JET. Λεπτομέρειες για καθένα από τα ερευνητικά ινστιτούτα είναι διαθέσιμες στον ιστοχώρο της EFDA. Μέσα στο πλαίσιο του EIROforum, η EFDA συμμετέχει στο Science in School, στο Η επιστήμη στο Προσκήνιο (www.science-on-stage.net) και σε άλλα προγράμματα ενημέρωσης και εκπαίδευσης.
Η EFDA έχει παράγει ένα φυλλάδιο 60 σελίδων για τα σχολεία Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης, «Ενέργεια, τροφοδοτώντας τον Κόσμο μας», που δίνει μια ευρεία εισαγωγή στον κόσμο της ενέργειας. Τα θέματα περιλαμβάνουν του τρόπους που χρησιμοποιούμε την ενέργεια στην καθημερινή μας ζωή, από πού προέρχεται, και πως θα τα βγάλουμε πέρα με τις ενεργειακές μας ανάγκες στο μέλλον. Προτάσεις για συζητήσεις για την ενέργεια στην τάξη είναι διαθέσιμες ως ένα ξεχωριστό συνοδευτικό έντυπο.
Για να λάβετε ένα δωρεάν αντίγραφο του φυλλαδίου, διαθέσιμο στα Αγγλικά και τα Δανέζικα στείλτε ένα e-mail στο aline.duermaier@efda.org, με το όνομά σας την ταχυδρομική σας διεύθυνση και τον αριθμό των αντιγράφων που θα θέλατε (μέχρι πέντε). Το φυλλάδιο μπορεί επίσης μεταφορτωθεί σε ηλεκτρονική μορφή από το www.efda.org/multimedia/booklets_and_articles.htm. Αργότερα αυτή τη χρονιά, το φυλλάδιο θα είναι διαθέσιμο στα Ισπανικά, Γαλλικά, Γερμανικά και Ιταλικά.
Η EFDA έχει και άλλο διαθέσιμο εκπαιδευτικό υλικό, όπως το CD-ROM, «Σύντηξη, μια ενεργειακή δυνατότητα για το μέλλον», και ένα γενικό πόστερ για τη σύντηξη, τα οποία μπορούν να ζητηθούν μέσω του ιστοχώρου της EFDA. Ο ιστοχώρος παρέχει επίσης βασικές και περισσότερο προχωρημένες πληροφορίες σχετικά με την επιστήμη της σύντηξης.
