Περιβάλλον: Πυρηνική Σύντηξη, το απόλυτο Μέλλον

Η “πυρηνική σύντηξη” είναι μία εξαιρετικά εξελιγμένη τεχνική κατά την οποία παράγεται ενέργεια, η οποία με την σειρά της παράγει θερμότητα και τελικά ηλεκτρική ενέργεια. Δεν πρόκειται για την σχάση (fission) βαρέων ατομικών πυρήνων όπως το Ουράνιο, αλλά για την σύντηξη (fusion) δύο “ελαφρών” πυρήνων (πυρήνες με μικρό αριθμό σωματιδίων θετικού φορτίου, των πρωτονίων). Όταν συμβεί, η συνολική μάζα των ενωμένων πυρήνων είναι μικρότερη από το άθροισμα των δύο αρχικών πυρήνων. Η μάζα η οποία περισσεύει μετατρέπεται σε τεράστια ποσότητα ενέργειας, σύμφωνα με τον Einstein.

Παραγωγή ενέργειας στον Ήλιο και στα άστρα

Οι αντιδράσεις σύντηξης αποτελούν την βασική διαδικασία παραγωγής ενέργειας στο κέντρο των άστρων και του δικού μας Ήλιου. Η ‘καύση’ του υπάρχοντος Υδρογόνου σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, προκαλεί συγκρούσεις των πυρήνων των ατόμων του, τόσο ορμητικές και βίαιες, όπου τελικά αυτοί συνενώνονται δημιουργώντας σταδιακά, πυρήνες ενός άλλου στοιχείου (μεταστοιχείωση), του στοιχείου Ήλιο (σύμβολο He), εκλύοντας ταυτόχρονα θερμική ενέργεια. Η τεράστια πίεση (300 εκατομμύρια ατμόσφαιρες) και θερμοκρασία (14 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου) οι οποίες επικρατούν στον Ήλιο κάνουν εφικτές τις αντιδράσεις σύντηξης.

Σε αυτές τις συνθήκες: α) Δύο πυρήνες Η-1 ενώνονται και δημιουργούν έναν πυρήνα Η-2. β) Ο πυρήνας Η-2 ενώνεται με έναν νέο πυρήνα Η-1 και δημιουργείται ένας πυρήνας Ηλίου (σύμβολο He-3). γ) Δύο πυρήνες He-3 ενώνονται με την σειρά τους και σχηματίζεται ένας πυρήνας Ηλίου-4 (σύμβολο He-4) και εκσφενδονίζονται ταυτόχρονα δύο πυρήνες Υδρογόνου H-1.

Σημείωση: Ο πυρήνας των ατόμων αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια. Το απλούστερο στοιχείο Υδρογόνο ή Πρώτιο (σύμβολο Η-1) διαθέτει πυρήνα από ένα μόνο πρωτόνιο. Τα ισότοπα του (διαφοροποιημένες μορφές του στοιχείου) όμως διαθέτουν, το μεν Δευτέριο ή Βαρύ Υδρογόνο (Η-2) ένα πρωτόνιο και επιπλέον ένα νετρόνιο, το δε Τρίτιο ή Υπερβαρύ Υδρογόνου (Η-3) ένα πρωτόνιο και επιπλέον δύο νετρόνια. Αντίστοιχα, το φυσικό στοιχείο Ήλιο (He-4) διαθέτει δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια στον πυρήνα του. Εάν χάσει ένα νετρόνιο, παραμένει μεν ισότοπο του Ηλίου, αλλά η ονομασία του πλέον είναι He-3.

Η πυρηνική σύντηξη μιμείται τον Ήλιο;

Για να επιτευχθεί ελεγχόμενη “πυρηνική σύντηξη” σε έναν αντιδραστήρα στην Γη, πρέπει να δημιουργηθούν συνθήκες ανάλογες με εκείνες του αστέρα Ήλιου.

Σήμερα, τουλάχιστον 5 τεχνικές εφαρμόζονται με αυτόν τον σκοπό, εκ των οποίων δύο, ο “Αδρανειακός Περιορισμός Πλάσματος - Inertial Confinement - ICF” και ο “Μαγνητικός Περιορισμός Πλάσματος - Magnetic Confinement – MagnC”, είναι οι κυριότερες. Η ICF συνίσταται από μικρο-εκρήξεις θραυσμάτων καυσίμου με την χρήση lasers ή δέσμης επιταχυνόμενων σωματιδίων. Στηρίζεται στην αδράνεια των κόκκων του καυσίμου το οποίο ανθίσταται στην φυσική διαστολή του, όταν θερμαίνεται σε θερμοκρασίες θερμοπυρηνικής σύντηξης. Η MagnC αντίστοιχα, χρησιμοποιεί μαγνητικά πεδία για τον έλεγχο και χειρισμό του καυσίμου.

Οι πρώτοι οι οποίοι ερεύνησαν τις δυνατότητες αυτού του τομέα είναι οι Σοβιετικοί, από το 1956, με το σύστημα TOKAMAK, το οποίο χρησιμοποιήθηκε αργότερα και από τους Γάλλους (ITER TOKAMAK), την ΕΕ (Joint European Torus–JET), τους Αμερικανούς επιστήμονες (με το όνομα STELLARATOR και αργότερα Tokamak Fusion Test Reactor-TFTR) και τους Ιάπωνες (Japanese Tokamak-60 ή JT-60). Η δεύτερη τεχνική αναπτύχθηκε στην Γαλλία (Laser MegaJoule), στις ΗΠΑ (ICF by Laser), αλλά και αλλού.

Κοινό χαρακτηριστικό των τεχνικών αυτών είναι η εισαγωγή στον αντιδραστήρα ενός αερίου από κατάλληλα άτομα (π.χ. Υδρογόνου). Αυτό θερμαίνεται σε θερμοκρασία της τάξης των 100 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου (εξαπλάσια αυτής του κέντρου του Ήλιου), για να ισοζυγιστεί η αδυναμία δημιουργίας συνθηκών πίεσης, ανάλογων με εκείνες οι οποίες επικρατούν στον Ήλιο.

Σε αυτές τις συνθήκες τα ηλεκτρόνια εκδιώκονται και παύουν να περιφέρονται γύρω από τους πυρήνες των ατόμων τους. Ως αποτέλεσμα το αέριο, το οποίο αποτελείται από ελεύθερα (αρνητικά) ηλεκτρόνια και (θετικούς) πυρήνες, αποκαλείται “ιονισμένο”, τα δε σωματίδια διαθέτουν τεράστιες κινητικές ενέργειες. Καθώς τα φορτία είναι διαχωρισμένα, το αέριο γίνεται ηλεκτρικά αγώγιμο και μαγνητικά ελέγξιμο. Αυτή η κατάσταση της ύλης λέγεται πλάσμα (είναι η τέταρτη κατάσταση της ύλης, μετά την στερεά, υγρή και αέρια). Σε αυτό το περιβάλλον είναι δυνατή η πυρηνική σύντηξη.

Τα θετικά φορτία των πυρήνων αναμένεται να απωθούνται μεταξύ τους (η λεγόμενη “ηλεκτρική άπωση Coulomb”). Όταν όμως ο ένας εκ των δύο ελαφρών πυρήνων προσπέσει στον άλλο, με πολύ υψηλή ταχύτητα, τα δύο σωματίδια πλησιάζουν το ένα το άλλο σε απόσταση μικρότερη από ένα τρισεκατομμυριοστό του εκατοστού, υπερνικείται η άπωση Coulomb και επικρατεί η λεγόμενη “ισχυρή δύναμη” ή οποία είναι ελκτική και συγκολλούνται οι δύο πυρήνες (σύντηξη).

Καύσιμα

Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούν ως ‘καύσιμα’, κυρίως ισότοπα του Υδρογόνου. Υπάρχουν διάφοροι συνδυασμοί αντίδρασης, ανάλογα με τα αρχικά επιλεγόμενα σωματίδια τα οποία συνιστούν την προσπίπτουσα δέσμη και β) το αέριο–στόχος. Η αντίδραση μεταξύ Δευτερίου Η-2 και Τριτίου Η-3 είναι η πλέον εύκολη στην υλοποίηση. Είναι δε και η πλέον σημαντική για ελεγχόμενη παραγωγή ενέργειας καθώς διαθέτει πολλά τεχνικά και φυσικά πλεονεκτήματα. Κάθε αντίδραση Η-2 + Η-3 παράγει έναν πυρήνα Ηλίου Η-4 (καλούνται και σωματίδια άλφα) και ένα νετρόνιο πολύ υψηλής ενέργειας.

Τα νετρόνια διαφεύγουν από το πλάσμα και καθώς επιβραδύνονται πάνω σε έναν μανδύα Λιθίου ο οποίος περιβάλλει το πλάσμα, μετατρέπουν το Λίθιο σε Τρίτιο. Το Τρίτιο επανεισάγεται στον θάλαμο κενού ως καύσιμο και η θερμότητα η οποία παράγεται χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού. Ο ατμός θέτει σε κίνηση στροβίλους οι οποίοι παράγουν την ηλεκτρική ενέργεια.

Για να κατανοηθούν οι δυνατότητες της τεχνικής αυτής, για την ίδια ποσότητα καυσίμου, η θερμοπυρηνική σύντηξη παράγει ένα εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από μία χημική αντίδραση.

Διαθεσιμότητα καυσίμου. Το Δευτέριο υπάρχει άφθονο στην Φύση (33 γραμμάρια ανά τόννο νερού). Το Τρίτιο παράγεται στον αντιδραστήρα και είναι ραδιενεργό µε χρόνο ηµιζωής περίπου 12 έτη (κάθε 12 έτη η ενεργότητά του μειώνεται στο 50% της αρχικής, μετατρεπόμενο σε Ήλιο-3 και εκπέμποντας ηλεκτρόνια). Το Λίθιο, εκτιμάται σε 11 εκατομμύρια τόνους σε γνωστές περιοχές του υπεδάφους και 200 δισεκατομμύρια τόννοι στο θαλάσσιο νερό.

 Ασφάλεια του αντιδραστήρα και μόλυνση του περιβάλλοντος

1. 1.  Είναι δυνατόν να συμβεί ατύχημα τύπου Chernobyl;

Οι αντιδραστήρες σύντηξης, ανά πάσα στιγμή, περιέχουν εξαιρετικά μικρές ποσότητες καύσιμου υλικού, διαθέσιμες μόνο για λίγα δέκατα του δευτερολέπτου (“αναφλέγονται” ταχύτατα και αντικαθίστανται από νέα ποσότητα καυσίμου). Στην σχάση αντιθέτως, όλη η αναγκαία ποσότητα καυσίμου για αρκετά χρόνια χρήσης, ευρίσκεται συνεχώς παρούσα στον πυρήνα του αντιδραστήρα.

Τονίζεται ότι, η πυρηνική σύντηξη δεν είναι αλυσιδωτή νετρονιακή αντίδραση και προφανώς δεν απαιτείται μηχανισμός επιβράδυνσής της. Εάν δε, διακοπεί η παροχή καυσίμου είτε προγραμματισμένα, είτε λόγω βλάβης, σε ελάχιστα δευτερόλεπτα διακόπτεται και η πυρηνική αντίδραση. Ακριβώς η ελαχιστότητα του καυσίμου προστατεύει απόλυτα την τεχνολογία αυτή από καταστροφικό “meltdown” (τήξη των υλικών του πυρήνα και της θωράκισης του αντιδραστήρα).

1. 2.  Είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ο αντιδραστήρας σύντηξης για παραγωγής πυρηνικών όπλων;

Η δομή του πυρηνικού αντιδραστήρα σύντηξης δεν επιτρέπει, από φυσικής πλευράς, την παραγωγή πυρηνικών όπλων σχάσης. Είναι διαφορετική η φυσική Αρχή.

1. 3.  Ακρίβεια και επιρρέπεια σε βλάβες της τεχνικής

Αντίθετα με την πυρηνική σχάση, η σύντηξη απαιτεί εξαιρετικά ακριβή και ελεγχόμενη θερμοκρασία, πίεση και μαγνητικό πεδίο. Η παραμικρή παρέκκλιση στις τιμές των παραμέτρων ελέγχου οδηγεί σε άμεση διακοπή των πυρηνικών αντιδράσεων και της παραγωγής θερμότητος. Αυτή η ιδιαιτερότητα είναι ταυτόχρονα και εξαιρετική “ενδογενής” δικλείδα ασφαλείας.

Κατά την τεχνική MagnC, αναπτύσσονται στα πηνία ισχυρά μαγνητικά πεδία. Οποιαδήποτε μηχανική βλάβη στην δομή των πηνίων και διαρροή (μη-ραδιενεργού) ψυκτικού αερίου είναι παρόμοια με αυτήν ενός κοινού μαγνητικού τομογράφου. Ο θόλος της μονάδος είναι αρκετός και ικανός για να εμποδίσει κάθε περαιτέρω διαφυγή.

Η τεχνική ICF είναι λιγότερο επιρρεπής σε ατυχήματα λόγω των μεγαλύτερων διαστάσεων του θαλάμου όπου πραγματοποιούνται οι πυρηνικές αντιδράσεις. Σε περίπτωση έναρξης βλάβης, η απλή διακοπή παροχής καυσίμου, προλαμβάνει κάθε καταστροφική συνέχεια.

Η πιθανότητα να συμβούν μικρά ‘βιομηχανικά’ ατυχήματα, συμπεριλαμβανομένων των τραυματισμών του προσωπικού και της τοπικής διαφυγής ραδιενέργειας δεν μπορούν να εκτιμηθούν ακόμη. Εικάζεται ότι θα οφείλονται σε ατυχηματική διαφυγή Τριτίου, ανάφλεξη του Λιθίου, απότομη απώλεια του κενού ή του ψυκτικού υγρού, διαφυγή τοξικών χημικών όπως π.χ. το Βηρύλλιο (Be) ή κακός χειρισμός κατά την αποσυναρμολόγηση του αντιδραστήρα. Θεωρείται όμως ότι, κανένα από τα ως άνω δεν αποτελεί αξιόλογο κίνδυνο για τον πληθυσμό.

1. 4.   Υγρό Υδρογόνο και Τρίτιο

Η λειτουργία πολλών αντιδραστήρων βασίζεται στην χρήση υγρού Υδρογόνου, ως ψυκτικό υγρό και ως μετατροπέα νετρονίων της πυρηνικής αντίδρασης σε Τρίτιο. Το Υδρογόνο είναι ιδιαίτερα εύφλεκτο και σε περίπτωση πυρκαϊάς, υπάρχει κίνδυνος διαρροής. Σε αυτή την περίπτωση, το εμπεριεχόμενο Τρίτιο στο Υδρογόνο, είναι δυνατόν να απελευθερωθεί στην ατμόσφαιρα, ενέχοντας ακτινικό κίνδυνο. Οι υπολογισμοί οι οποίοι έχουν γίνει, δείχνουν ότι η συνολική ποσότητα Τριτίου και άλλων ραδιενεργών ουσιών σε ένα μέσο πυρηνικό εργοστάσιο δεν υπερβαίνει τα 2 κιλά μάζας εκ των οποίων μόνο 200 γραμμάρια μπορούν να απελευθερωθούν σε ένα ατύχημα. Αυτή η ποσότητα διαλύεται ταχύτατα, κάτω από τα ανεκτά επίπεδα έκθεσης πριν κ’ αν το αέριο διαβεί την περίμετρο του πυρηνικού σταθμού.

Παρ’ όλο που το Τρίτιο είναι πτητικό και βιολογικά ενεργό στοιχείο, ο πιθανός κίνδυνος υγείας από την απελευθέρωση του στην ατμόσφαιρα είναι εξαιρετικά χαμηλός: α) ο χρόνος ημιζωής του είναι σχετικά μικρός (κάθε 12 χρόνια περίπου μειώνεται η ενεργότητά του στο 50%), β) τα ηλεκτρόνια τα οποία εκπέμπονται από το Τρίτιο έχουν μηδαμινή ενέργεια (περίπου 15 keV) και εάν εισέλθουν στον οργανισμό δεν συσσωρεύεται βιολογικά σε αυτόν (ο βιολογικός χρόνος ημιζωής του Τριτίου και παραμονής του στους ανθρώπινους ιστούς είναι περίπου 10 ημέρες).

1. 5.  Παραπροϊόντα της πυρηνικής σύντηξης

Τα βασικά καύσιμα (Δευτέριο και Λίθιο) όπως και το κύριο τελικό προϊόν (Ήλιο) της πυρηνικής σύντηξης, δεν είναι ραδιενεργά, δεν μολύνουν την ατμόσφαιρα, δεν συνεισφέρουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και δεν καταστρέφουν το στρώμα του Όζοντος.

Το Ήλιο είναι χημικά αδρανές και πολύ χρήσιμο στην βιομηχανία. Δεν υπάρχουν ιδιαίτερα προβλήματα στην εξόρυξη του Λιθίου και στην μεταφορά του καυσίμου. Δεν υφίστανται προβλήματα οικολογικά, γεωφυσικά ή χρήσης γης, όπως αυτά τα οποία συνδέονται με την βιομάζα, την υδάτινη ή την ηλιακή ενέργεια.

Σε ότι αφορά στο Τρίτιο, απαιτούνται μετρήσεις της περιεκτικότητός του και απομόλυνση των αντικειμένων ή ουσιών με τα οποία έχει έρθει σε επαφή. Κατά την διάρκεια λειτουργίας της Μονάδος, η δόση ακτινοβολίας στον γειτονικό πληθυσμό θα είναι ένα μικρό ποσοστό της φυσικής περιβαλλοντικής ακτινοβολίας.

1. 6.   Ραδιενεργοποίηση του αντιδραστήρα

Ο αντιδραστήρας σύντηξης απαιτεί την θωράκισή του έναντι της ακτινοβολίας καθώς α) Υπάρχουν κατάλοιπα τα οποία μολύνονται από Τρίτιο και β) Η μεγάλη ροή των υψηλής ενέργειας νετρονίων σε έναν οποιοδήποτε αντιδραστήρα, καθιστά τα δομικά υλικά του ραδιενεργά. Για λόγους όμως που εξηγεί η Πυρηνική Φυσική, τα αναγκαία δομικά υλικά στην τεχνική σύντηξης είναι “χαμηλής ενεργότητος” (π.χ. Βανάδιο (V) αντί για ανοξείδωτο ατσάλι και ανθρακονήματα) και δύσκολα μετατρέπονται σε ραδιενεργά, σε αντίθεση με αυτά της σχάσης.

Ως αποτέλεσμα, ο μεν πυρήνας του αντιδραστήρα (όταν παύσει να λειτουργεί και αποσύρεται) παραμένει “μη-ασφαλής” ως κατάλοιπο για 50 περίπου χρόνια, ενώ τα κατάλοιπα (πολύ χαμηλής ενεργότητος) παραμένουν ραδιενεργά για 100 περίπου χρόνια. Αυτές οι τιμές, με τα μηχανικά και επιστημονικά μέσα τα οποία διαθέτουμε σήμερα, επιτρέπουν την πολύ ασφαλή μακρόχρονη αποθήκευση τους έως την πλήρη εξάντλησή τους.

Οικονομικά Στοιχεία και πλεονεκτήματα

Παρ’ όλο που η τεχνολογία της σύντηξης είναι ακόμη σε αρχικά στάδια, ποσά της τάξης των δεκάδων δισεκατομμυρίων ευρώ έχουν επενδυθεί σε έρευνα και ανάπτυξη στο πεδίο αυτό. Υπολογίζεται να δαπανηθούν παρόμοια ποσά στο άμεσο μέλλον ώστε στο μέσον του αιώνα να παράγεται από την σύντηξη ηλεκτρική ενέργεια, σε βιομηχανική πλέον βάση και σε εξαιρετικά χαμηλό κόστος.

Είναι εύκολο να διαπιστωθεί ότι, το τεράστιο κόστος και το μεγάλο διάστημα αναμονής απόδοσης της επένδυσης αποκλείει σχεδόν την ιδιωτική χρηματοδότηση και καθιστά το δημόσιο, σχεδόν αποκλειστικό αιμοδότη της νέας τεχνολογίας.

Στην ΕΕ, η ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στοιχίζει περισσότερα από 250 δισεκατομμύρια ευρώ. Η δαπάνη στην Ευρώπη σήμερα για έρευνα στην σύντηξη είναι της τάξης των 500 εκατομμυρίων ευρώ ετησίως, ήτοι το 0,2% της ετήσιας δαπάνης κατανάλωσης ηλεκτρικού ρεύματος ή 1,2 ευρώ ετησίως ανά κάτοικο.

Επισημαίνεται τέλος ότι, σε ότι αφορά στην αιολική και στην ενέργεια της θάλασσας, με τον πολλαπλασιασμό των μονάδων το κόστος αυξάνεται ανά kWh, καθώς οι νέες τοποθεσίες εγκατάστασης είναι αναγκαστικά λιγότερο ευνοϊκές (οι καλύτερες έχουν επιλεγεί πρώτες).

Αντίθετα, το κόστος της πυρηνικής ενέργειας δεν εξαρτάται από την γεωγραφική επιλογή εγκατάστασης της μονάδος, καθώς το καύσιμο (θαλάσσιο ύδωρ) είναι άφθονο και παντού διαθέσιμο.

Η σύντηξη μπορεί να παράγει περισσότερη ενέργεια για δεδομένη μάζα καυσίμου από οποιαδήποτε πηγή ενέργειας η οποία ευρίσκεται σήμερα σε χρήση. 

Το ίδιο το καύσιμο (κυρίως Δευτέριο) υπάρχει σε αφθονία στους ωκεανούς: περίπου 1 άτομο Δευτερίου ανά 6500 άτομα Υδρογόνου. Η πρόσβαση είναι προφανώς εύκολη και ο εφοδιασμός διασφαλισμένος για πάντα.

Η σύντηξη διαθέτει πολλά από τα πλεονεκτήματα των ΑΠΕ (Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας): α) ενέργεια μακράς διάρκειας η οποία δεν μολύνει την ατμόσφαιρα και δεν συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, β) ορισμένα από τα οφέλη των υδρογονανθράκων και της πυρηνικής σχάσης, γ) παρέχει εξαιρετικά “πυκνή” ενέργεια και χωρίς διακοπές εξαρτώμενες από τις καιρικές συνθήκες (όπως ο άνεμος και η ηλιακή ισχύς).

Σήμερα τα επιστημονικά και τεχνικά προβλήματα τα οποία πρέπει να λυθούν είναι πολλά: έλεγχος της πυρηνικής αντίδρασης, τεράστιες θερμοκρασίες, πολύπλοκοι μαθηματικοί αλγόριθμοι. Από την άλλη πλευρά όμως, τα επιστημονικά, κοινωνικά και οικονομικά πλεονεκτήματα της σύντηξης του Υδρογόνου είναι, όπως αναλύθηκε, αναμφισβήτητα.

Η σειρά αυτή των 15 σημειωμάτων για τις πηγές ενέργειας μπορεί να κλείσει πλέον, με μια ευχή: να διατεθούν περισσότερα κονδύλια για έρευνα σε μια πηγή ενέργειας η οποία υπόσχεται πολλά σε οικολόγους και μη: στην θερμοπυρηνική σύντηξη του Υδρογόνου, η οποία είναι η μεγάλη ελπίδα της Ανθρωπότητος για τους αιώνες οι οποίοι θα ακολουθήσουν.

Ενδεικτική Βιβλιογραφία

1. WNA, “Nuclear Fusion Power”, www.world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/nuclear-fusion-power.aspx, World nuclear Association.
2. Portal: Nuclear technology, https://en.wikipedia.org/wiki/Portal:Nuclear_technology
3. Ongena J and Van Oost G, “Energy For Future Centuries. Will Fusion Be An Inexhaustible, Safe And Clean Energy Source?”, http://www.agci.org/dB/PDFs/03S2_MMauel_SafeFusion?.pdf
4. F4E, "Fusion For Energy - Bringing the power of the sun to earth", http://www.f4e.europa.eu/