ΕΡΕΥΝΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗ ΣΥΝΤΗΞΗ

Transcript

1 ld409429_el 29/01/07 13:34 Page 1 ΕΡΕΥΝΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗ ΣΥΝΤΗΞΗ Μια ενεργειακή επιλογή για το µέλλον της Ευρώπης ΓΕNIKEΣ ΠΛHPOΦOPIEΣ ΕΥΡΑTOM

2 ld409429_el 29/01/07 13:34 Page 2

3 ld409429_el 29/01/07 13:34 Page 3

4 ld409429_el 29/01/07 13:34 Page 4 Σας ενδιαφέρει η Ευρωπαϊκή έρευνα; Το RTD ( Έρευνα και Τεχνολογική Ανάπτυξη), το τριµηνιαίο ενηµερωτικό δελτίο µας σας κρατά σε επαφή µε τις σηµαντικότερες εξελίξεις (αποτελέσµατα, προγράµµατα, εκδηλώσεις, κλπ.) Κυκλοφορεί στα Αγγλικά, τα Γαλλικά και τα Γερµανικά. Μπορείτε να αποκτήσετε δωρεάν ένα τεύχος ή µια δωρεάν συνδροµή γράφοντας στη διεύθυνση: European Commission Directorate-General for Research Information and Communication Unit B-1049 Brussels Fax (32-2) research@ec.europa.eu Internet: ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Γενική ιεύθυνση Έρευνας ιεύθυνση J Ενέργεια Μονάδα J4 Συµφωνίες Ενώσεων Σύντηξης Επικοινωνία: Rosa Antidormi Ευρωπαϊκή Επιτροπή Γραφείο CDMA 05/234 B-1049 Βρυξέλλες Τηλ.: (32-2) Φαξ: (32-2) rosa.antidormi@ec.europa.eu

5 ld409429_el 29/01/07 13:34 Page 5 Ευρωπαϊκή Επιτροπή ΕΡΕΥΝΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗ ΣΥΝΤΗΞΗ Μια ενεργειακή επιλογή για το µέλλον της Ευρώπης 2007 Γενική ιεύθυνση Έρευνας Έρευνα Ενέργειας από Σύντηξη

6 ld409429_el 29/01/07 13:34 Page 6 Η υπηρεσία Europe Direct σας βοηθά να βρείτε απαντήσεις στα ερωτήµατά σας σχετικά µε την Ευρωπαϊκή Ένωση Καλέστε χωρίς χρέωση τον αριθµό ΝΟΜΙΚΗ ΕΥΘΥΝΗ Τόσο η Ευρωπαϊκή Επιτροπή όσο και οποιοσδήποτε δρα σε ατοµικό επίπεδο εκ µέρους της Επιτροπής δεν φέρουν καµία ευθύνη για τη χρήση των ακόλουθων πληροφοριών. Οι απόψεις που εκφράζονται στην παρούσα δηµοσίευση ανήκουν στην αποκλειστική ευθύνη του συγγραφέα και δεν αντανακλούν κατ ανάγκη τις θέσεις της Ευρωπαϊκής Επιτροπής. Πολλές επιπρόσθετες πληροφορίες σχετικά µε την Ευρωπαϊκή Ένωση είναι διαθέσιµες στο ιαδίκτυο, στη διεύθυνση Ταξινοµηµένα δεδοµένα βρίσκονται στο τέλος αυτής της δηµοσίευσης. Λουξεµβούργο: Γραφείο Επισήµων Εκδόσεων των Ευρωπαϊκών Κοινοτήτων, 2007 Ευρωπαϊκές Κοινότητες, 2007 Επιτρέπεται η αναπαραγωγή εφόσον αναφέρεται η πηγή. Τυπώθηκε στο Βέλγιο 6 ΤΥΠΩΘHKE ΣE ΛEΥKO, OIKOΛOΓIKO XAPTI XΩPIΣ XΛΩPIO

7

8 ld409429_el 29/01/07 13:34 Page 8 8

9 ld409429_el 29/01/07 13:35 Page 9 Η ανάγκη για ασφαλή και αειφόρο ενέργεια Η οικονοµία της Ευρωπαϊκής Ένωσης (Ε.Ε.) εξαρτάται από τα ασφαλή και επαρκή αποθέµατα ενέργειας. Σήµερα η απαίτηση αυτή ικανοποιείται κυρίως από ορυκτά καύσιµα (πετρέλαιο, λιθάνθρακας και φυσικό αέριο), τα οποία καλύπτουν το 80% της συνολικής κατανάλωσης σε ενέργεια. Σχεδόν το 67% των ορυκτών καυσίµων που χρησιµοποιούµε είναι εισαγόµενα. Συνολικά, τα εισαγόµενα ορυκτά καύσιµα καλύπτουν σήµερα περί το 50% των ενεργειακών αναγκών της Ε.Ε., ενώ µέχρι το 2030 το ποσοστό αναµένεται να αυξηθεί σε περίπου 70%, ιδιαίτερα σε ό,τι αφορά το πετρέλαιο. Για τη διατήρηση του βιοτικού επιπέδου µας απαιτούνται πηγές ασφαλούς και αειφόρου ενέργειας. Ευρωπαίοι ερευνητές αναπτύσσουν µια σειρά από περιβαλλοντικά αποδεκτές, ασφαλείς και αειφόρες τεχνολογίες σχετικές µε την ενέργεια. Η σύντηξη είναι µία από αυτές. Μακροπρόθεσµα, η σύντηξη θα αποτελέσει µια επιλογή για µια µεγάλης κλίµακας πηγή ενέργειας, η οποία έχει µικρή επίπτωση στο περιβάλλον και είναι ασφαλής, µε τεράστια και ευρέως κατανεµηµένα αποθέµατα καυσίµων. Οι σταθµοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από σύντηξη θα είναι ιδιαίτερα κατάλληλοι για την παραγωγή ενέργειας βασικού φορτίου ώστε να εξυπηρετούν τις ενεργειακές ανάγκες πυκνοκατοικηµένων περιοχών και βιοµηχανικών ζωνών. Επίσης, θα µπορούν να παράγουν υδρογόνο για µια «οικονοµία βασισµένη στο υδρογόνο». Στο φυλλάδιο αυτό περιγράφεται το έργο που διεξάγουν Ευρωπαίοι ερευνητές µε στόχο να καταστήσουν την ενέργεια από σύντηξη διαθέσιµη προς όφελος της κοινωνίας. 9

10 ld409429_el 29/01/07 13:35 Page 10 Η πηγή ενέργειας των αστέρων Σύντηξη είναι η διεργασία που τροφοδοτεί µε ενέργεια τον Ήλιο και άλλους αστέρες. Πυρήνες ατόµων µικρής µάζας «συντήκονται» απελευθερώνοντας παράλληλα ενέργεια. Στον πυρήνα του Ήλιου, η τεράστια πίεση λόγω της βαρύτητας επιτρέπει τη σύντηξη σε θερµοκρασίες περίπου 10 εκατοµµυρίων βαθµών Κελσίου. Ένα αέριο σε αυτές τις θερµοκρασίες µετατρέπεται σε «πλάσµα», στο οποίο τα ηλεκτρόνια έχουν πλήρως διαχωριστεί από τους ατοµικούς πυρήνες (ιόντα). Το πλάσµα είναι η τέταρτη κατάσταση της ύλης και χαρακτηρίζεται από τις δικές του, ξεχωριστές, ιδιότητες. Η έρευνα στη φυσική πλάσµατος εστιάζεται στη µελέτη αυτών των ιδιοτήτων. Αν και η κατάσταση πλάσµατος δεν είναι πολύ συνηθισµένη στη Γη, περισσότερο από το 99% του Σύµπαντος αποτελείται από πλάσµα. Στις πολύ χαµηλότερες πιέσεις (10 δισεκατοµµύρια φορές µικρότερες από εκείνες που επικρατούν στον Ήλιο) τις οποίες µπορούµε να παράγουµε στη Γη, οι επιθυµητοί ρυθµοί παραγωγής ενέργειας από σύντηξη απαιτούν θερµοκρασίες πάνω από 100 εκατοµµύρια βαθµούς Κελσίου. Η επίτευξη τέτοιων θερµοκρασιών απαιτεί, µε τη σειρά της, την ισχυρή θέρµανση του πλάσµατος και οι θερµικές απώλειες πρέπει να ελαχιστοποιηθούν µέσω της διατήρησης του θερµού πλάσµατος σε ικανή απόσταση από τα τοιχώµατα του δοχείου που το περιέχει. Αυτό επιτυγχάνεται µε την τοποθέτηση του πλάσµατος µέσα σε έναν δηµιουργηµένο από ισχυρά µαγνητικά πεδία τοροειδή «κλωβό». Αυτά τα µαγνητικά πεδία εµποδίζουν τη διαφυγή των ηλεκτρικά φορτισµένων σωµατιδίων του πλάσµατος: πρόκειται για την πλέον προηγµένη τεχνολογία η οποία αποτελεί και τη βάση για το Ευρωπαϊκό πρόγραµµα σύντηξης. Οι τρί καθ είν νερ υπά αφ σω 10

11 ld409429_el 29/01/07 13:35 Page 11 Σύντηξη για παραγωγή ενέργειας Η αντίδραση σύντηξης D+T 4 He+n+17,6 MeV Οι αντιδράσεις σύντηξης µεταξύ δύο ισοτόπων του υδρογόνου, του δευτέριου (D) και του τρίτιου (T), παρέχουν τη βάση για την ανάπτυξη ενός αντιδραστήρα σύντηξης πρώτης γενιάς, καθώς άλλες αντιδράσεις σύντηξης απαιτούν ακόµη υψηλότερες θερµοκρασίες. Το δευτέριο είναι ένα ισότοπο που υπάρχει στη φύση, είναι µη ραδιενεργό, και µπορεί να εξαχθεί από το νερό (σε κάθε κυβικό µέτρο νερού υπάρχουν, κατά µέσο όρο, 35 g δευτέριου). Στη Γη δεν υπάρχει τρίτιο, αλλά µπορεί να παραχθεί από λίθιο (ένα ελαφρύ µέταλλο που υπάρχει σε αφθονία) στο εσωτερικό του αντιδραστήρα σύντηξης. Κάθε αντίδραση σύντηξης παράγει ένα σωµατίδιο α (δηλ. τον πυρήνα του στοιχείου «ήλιο») και ένα νετρόνιο µεγάλης ενέργειας. D+T ( ευτέριο και Τρίτιο) Πλάσµα Μανδύας (που περιέχει λίθιο) οµή θωράκισης Εναλλάκτης θερµότητας Ατµολέβητας Υπεραγώγιµος µαγνήτης οχείο κενού T+ 4 He Ατµοστρόβιλος και γεννήτρια Καύσιµο δευτέριου Τρίτιο Τρίτιο και ήλιο Ήλιο Ηλεκτρική ισχύς Σχηµατική αναπαράσταση ενός µελλοντικού αντιδραστήρα σύντηξης Τα νετρόνια διαφεύγουν από το πλάσµα και επιβραδύνονται σε ένα «µανδύα» που περιβάλλει το πλάσµα. Στο εσωτερικό αυτού του µανδύα το λίθιο µετατρέπεται σε τρίτιο, το οποίο επανεισάγεται στο θάλαµο κενού ως καύσιµο, και η θερµότητα που παράγεται από τα νετρόνια µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την παραγωγή ατµού, ο οποίος θέτει σε κίνηση στροβίλους µε σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η τροφοδοσία µιας πόλης περίπου ενός εκατοµµυρίου κατοίκων µε ηλεκτρισµό για ένα έτος, απαιτεί τη λειτουργία µιας µονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από σύντηξη µε ποσότητα καυσίµου ίση µε εκείνη που χωρά σε ένα µικρό φορτηγό. 11

12 ld409429_el 29/01/07 13:35 Page 12 Ασφάλεια Ένας αντιδραστήρας σύντηξης µοιάζει µε καυστήρα: το καύσιµο που εγχύεται στο σύστηµα καίγεται. Κάθε στιγµή η ποσότητα καυσίµου στον θάλαµο αντίδρασης είναι ελάχιστη (περίπου 1 g D-T σε όγκο 1000 m 3 ) και, αν η παροχή καυσίµου διακοπεί, οι αντιδράσεις σύντηξης διαρκούν µόνο λίγα δευτερόλεπτα. Οποιαδήποτε δυσλειτουργία της διάταξης έχει ως αποτέλεσµα την ψύξη του πλάσµατος και τη διακοπή των αντιδράσεων. Τα βασικά καύσιµα της σύντηξης, το δευτέριο και το λίθιο, καθώς και το προϊόν της αντίδρασης, το ήλιο, είναι µη ραδιενεργά. Το ραδιενεργό ενδιάµεσο καύσιµο, το τρίτιο, διασπάται αρκετά γρήγορα (έχει χρόνο ηµιζωής 12,6 χρόνια) και η διάσπασή του παράγει ένα ηλεκτρόνιο (ακτινοβολία β) πολύ χαµηλής ενέργειας. Στον αέρα, αυτό το ηλεκτρόνιο µπορεί να διανύσει µόλις λίγα χιλιοστά και δεν µπορεί να διαπεράσει ούτε καν ένα φύλλο χαρτιού. Παρ όλα αυτά, το τρίτιο είναι επιβλαβές αν εισχωρήσει στο ανθρώπινο σώµα. Έτσι, έχουν σχεδιασθεί και εγκατασταθεί στη διάταξη διάφορες δικλείδες ασφαλείας για την αντιµετώπιση του τρίτιου. Εγκατάσταση χειρισµού τρίτιου Επειδή το τρίτιο παράγεται στο βαθµό που είναι απαραίτητο για τη διατήρηση της διαδικασίας σύντηξης στο θάλαµο του αντιδραστήρα, δεν υπάρχει ανάγκη για συχνή µεταφορά ραδιενεργού καυσίµου σε µια µονάδα παραγωγής ενέργειας από σύντηξη. 12

13 ld409429_el 29/01/07 13:35 Page 13 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις τήρα: Κάθε ρασης m 3 ) άσεις ως κοπή αι το ήλιο, έχει υ όνιο τιού. ορες ρίτιου. πάρχει σίµου ηξη. Η ενέργεια που παράγεται από τις αντιδράσεις σύντηξης θα χρησιµοποιείται όπως σήµερα, π.χ. για την παραγωγή ηλεκτρισµού, ως θερµότητα για βιοµηχανική χρήση, ή ενδεχοµένως για την παραγωγή υδρογόνου. Η κατανάλωση καυσίµου σε ένα σταθµό παραγωγής ενέργειας από σύντηξη θα είναι εξαιρετικά χαµηλή. Για την ετήσια λειτουργία µιας µονάδας παραγωγής (ηλεκτρικής) ενέργειας από σύντηξη ισχύος 1 GW θα χρειάζονται περίπου 100 kg δευτέριου και 3 τόννοι φυσικού λίθιου, ενώ θα παράγονται περίπου 7 δισεκατοµµύρια kwh. Μια µονάδα παραγωγής ενέργειας από άνθρακα χωρίς τις διεργασίες αποµόνωσης του άνθρακα απαιτεί περίπου 1,5 εκατοµµύριο τόνους καυσίµου για να παραγάγει την ίδια ενέργεια! Οι αντιδραστήρες σύντηξης δεν παράγουν αέρια θερµοκηπίου και άλλες ρυπογόνες ουσίες που έχουν ζηµιογόνες επιπτώσεις στο περιβάλλον ή/και προκαλούν κλιµατικές αλλαγές. Τα νετρόνια που παράγονται κατά την αντίδραση σύντηξης ενεργοποιούν τα υλικά γύρω από το πλάσµα. Μια προσεκτική επιλογή των υλικών αυτών θα επιτρέψει την απαλλαγή τους από τον τακτικό έλεγχο (και πιθανώς θα καταστήσει δυνατή την ανακύκλωσή τους) περίπου 100 χρόνια µετά τη διακοπή λειτουργίας της µονάδας παραγωγής ενέργειας. Ως εκ τούτου, τα απόβλητα από µονάδες παραγωγής ενέργειας από σύντηξη δεν θα αποτελούν µακροπρόθεσµο βάρος για τις µελλοντικές γενιές. Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Τόκαµακ JET (Culham, Ην. Βασίλειο) 13

14 ld409429_el 29/01/07 13:35 Page 14 Πρόοδοι στην έρευνα για τη µαγνητική σύντηξη Το Ευρωπαϊκό Τόκαµακ JET (Joint European Torus, Κοινός Ευρωπαϊκός Τόρος) που βρίσκεται στο Culham (ΗΒ) είναι σήµερα η µεγαλύτερη εγκατάσταση σύντηξης στον κόσµο και προς το παρόν η µόνη ικανή να λειτουργεί µε καύσιµο από µείγµα D-T. Η διάταξη JET έχει πετύχει όλους τους στόχους που είχαν τεθεί αρχικά, ενώ σε ορισµένες περιπτώσεις τους ξεπέρασε. Το 1997 πέτυχε το παγκόσµιο ρεκόρ των 16 MW στην παραγωγή ισχύος από σύντηξη. Ισχύς από σύντηξη (MW) Χρόνος (s) Επιτεύγµατα σε ισχύ από σύντηξη Στην Ευρώπη υπάρχει ένας αριθµός από µεγάλες πειραµατικές εγκαταστάσεις, οι οποίες συµβάλλουν στη βάση δεδοµένων που είναι αναγκαία για την πρόοδο στην έρευνα της σύντηξης. Ένα πρόσφατο επίτευγµα υπήρξε το µεγάλο Τόκαµακ TORE SUPRA στη Γαλλία, στο οποίο µελετάται η οιονεί µόνιµη λειτουργία διατάξεων σύντηξης. Το 2003, η διάταξη αυτή παρήγαγε µια υψηλών επιδόσεων εκκένωση πλάσµατος µε ρεκόρ διάρκειας: 6,5 λεπτά. Η συνολική ποσότητα εξωτερικής ενέργειας που απαιτήθηκε για τη διατήρηση του πλάσµατος στη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου, και η οποία έπρεπε επίσης να απαχθεί ως θερµότητα, ήταν µεγαλύτερη από 1 GJoule (χίλια εκατοµµύρια Joule, αρκετά για να βράσουν τρεις τόνοι νερού). Υψηλής ποιότητας εκκένωση πλάσµατος µε διάρκεια ρεκόρ στη διάταξη Tore Supra (Cadarache, Γαλλία) 14

15 ld409429_el 29/01/07 13:35 Page 15 Ένα απλό µέτρο για τη λειτουργία διατάξεων σύντηξης είναι ο λόγος της παραγόµενης ισχύος από σύντηξη προς την ισχύ που απαιτείται για τη θέρµανση του πλάσµατος, ο οποίος συµβολίζεται µε Q. Ένα πλάσµα σύντηξης φθάνει στη συνθήκη αυτοσυντηρούµενης «καύσης» (Q = ) όταν η απώλεια ενέργειας από το πλάσµα αντισταθµίζεται από την αυτοθέρµανση του πλάσµατος λόγω αντιδράσεων σύντηξης. Μόλις ικανοποιηθεί αυτή η συνθήκη, δεν απαιτείται πλέον εξωτερική θέρµανση για τη διατήρηση των συνθηκών υψηλής θερµοκρασίας που είναι απαραίτητες για τη σύντηξη. Όπως συµβαίνει µε τη φωτιά, το πλάσµα θα συνεχίσει να «καίει» για όσο διάστηµα τροφοδοτείται µε καύσιµο. Στους µελλοντικούς αντιδραστήρες σύντηξης δεν θα είναι πλέον απαραίτητο να ικανοποιείται αυτή η συνθήκη και θα αρκεί να σχεδιάσουµε ενισχυτές ισχύος. Η διάταξη του JET έχει παραγάγει 16 MW ισχύος από σύντηξη µε Q = 0,65. Η επόµενη µηχανή, ο ITER ( ιεθνής Θερµοπυρηνικός Πειραµατικός Aντιδραστήρας), στοχεύει σε Q = 10, ενώ οι µελλοντικοί αντιδραστήρες σύντηξης ίσως έχουν τιµές του Q µέχρι το 40 ή το 50. Επειδή οι περισσότερες σύγχρονες διατάξεις σύντηξης δεν χρησιµοποιούν καύσιµο τρίτιου, η λειτουργία τους χαρακτηρίζεται από το συνδυασµό παραµέτρων πλάσµατος, οι οποίες δείχνουν πόσο καλά προσεγγίζονται οι κατάλληλες για σύντηξη συνθήκες. Το σχήµα δείχνει µετρηµένες τιµές του Q σε συνάρτηση µε τη θερµοκρασία του πλάσµατος, για έναν µεγάλο αριθµό από Τόκαµακ σε όλον τον κόσµο. Οι µηχανές µε την καλύτερη λειτουργία έχουν πετύχει παραµέτρους πλάσµατος, οι οποίες πλησιάζουν εκείνες που απαιτούνται για έναν αντιδραστήρα. Τριπλό γινόµενο σύντηξης ητt (x10 20 m -3 s. KeV) Πρόοδος στην έρευνα σύντηξης διεθνώς Συνθήκες αντιδραστήρα Μη προσπελάσιµη περιοχή? TFTR Όριο ακτινοβολίας πέδησης Ανάφλεξη Πειράµατα DT a os Θερµοκρασία ιόντων στο κέντρο του πλάσµατος (KeV) 15

16 ld409429_el 29/01/07 13:35 Page 16 Ο ITER και η Ευρωπαϊκή στρατηγική για τη σύντηξη Ο µακροπρόθεσµος στόχος Ε&Α στη σύντηξη στα Κράτη-Μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης (µαζί µε χώρες που συνδέονται µε το Πρόγραµµα- Πλαίσιο της Ευρατόµ) είναι «η από κοινού δηµιουργία πρωτοτύπων αντιδραστήρων για σταθµούς παραγωγής ενέργειας ικανούς να καλύψουν τις ανάγκες της κοινωνίας: λειτουργική ασφάλεια, περιβαλλοντική συµβατότητα, οικονοµική βιωσιµότητα». Η στρατηγική για την επίτευξη αυτού του µακροπρόθεσµου στόχου συµπεριλαµβάνει την ανάπτυξη ενός πειραµατικού αντιδραστήρα, του οποίου η κατασκευή επιδιώκεται στο πλαίσιο της διεθνούς συνεργασίας «ITER». Ο συνολικός προγραµµατικός στόχος του Τόκαµακ ITER είναι να καταδείξει το επιστηµονικά και τεχνολογικά εφικτό της παραγωγής ενέργειας από σύντηξη για ειρηνικούς σκοπούς. Ο ITER θα φέρει σε πέρας αυτόν τον στόχο επιτυγχάνοντας την ελεγχόµενη καύση πλάσµατος από δευτέριο και τρίτιο, µε απώτερο σκοπό τη µόνιµη λειτουργία, και επιδεικνύοντας τεχνολογίες που είναι ουσιαστικές για έναν αντιδραστήρα ως τµήµα ενός ολοκληρωµένου συστήµατος. Τον ITER θα ακολουθήσει ένας αντιδραστήρας επίδειξης («DEMO»), ο οποίος, για πρώτη φορά, θα είναι σε θέση να παράγει σηµαντικές ποσότητες ηλεκτρισµού και θα είναι αυτάρκης σε ό,τι αφορά το τρίτιο. Η κατασκευή του ITER και, αργότερα, του DEMO, θα απαιτήσει τη σηµαντική συµµετοχή της Ευρωπαϊκής βιοµηχανίας και θα συνοδεύεται από συµπληρωµατικές δραστηριότητες Ε&Α στη φυσική και την τεχνολογία σε εργαστήρια σύντηξης και πανεπιστήµια. Σχηµατική αναπαράσταση του ITER 16

17 ld409429_el 29/01/07 13:35 Page 17 Η συµµετοχή (µε διεθνείς εταίρους) στη σχεδίαση της διάταξης του ITER υπήρξε σηµαντικό στοιχείο του Ευρωπαϊκού προγράµµατος σύντηξης τα τελευταία χρόνια. Το βασικό περίγραµµα αυτής της σχεδίασης ακολουθεί εκείνο της Ευρωπαϊκής διάταξης JET (Κοινός Ευρωπαϊκός Τόρος, Culham, ΗΒ), στην οποία το 1997 η παραγωγή ισχύος από σύντηξη έκανε παγκόσµιο ρεκόρ µε 16 MW. Η προέκταση του αποτελέσµατος αυτού στον ITER επιχειρείται µέσω εκτεταµένης µοντελοποίησης µε χρήση της εκτενούς βάσης πειραµατικών δεδοµένων, η οποία προκύπτει από Ευρωπαϊκά και διεθνή πειράµατα σύντηξης. Η συνεργασία ITER πραγµατοποιείται υπό την αιγίδα του ιεθνούς Οργανισµού Ατοµικής Ενέργειας (IAEA, Βιέννη, Αυστρία). Ο συνολικός τρατηγικός στόχος του ITER είναι να καταδείξει το επιστηµονικά και τεχνολογικά εφικτό της παραγωγής ενέργειας από σύντηξη για ειρηνικούς σκοπούς. Καλλιτεχνική αναπαράσταση της Ευρωπαϊκής τοποθεσίας εγκατάστασης του ITER στο Cadarache της Γαλλίας Παράλληλα µε τον ITER πραγµατοποιούνται εργασίες για τον αντιδραστήρα DEMO σε θέµατα Ε&Α, για τα οποία χρειάζεται µεγάλος χρόνος µεταξύ σχεδίασης και κατασκευής. Ένας σηµαντικός στόχος είναι η ανάπτυξη προωθηµένων δοµικών υλικών (ιδιαίτερα µε χαµηλή ραδιενεργό δραστικότητα), τα οποία να είναι βέλτιστα για συνθήκες αντιδραστήρα σύντηξης. 17

18 ld409429_el 29/01/07 13:36 Page 18 Η Ευρωπαϊκή Περιοχή Έρευνας στη Σύντηξη Κεντρικό χαρακτηριστικό του Ευρωπαϊκού προγράµµατος σύντηξης είναι ο µοναδικός συντονισµός του, ο οποίος καθιστά δυνατή την εντατική χρήση όλων των σχετικών πόρων Ε&Α σε πανευρωπαϊκές συνεργασίες επί όλων των κύριων ερευνητικών θεµάτων. Ιδιαίτερα σηµαντική είναι η συνεργασία στην αξιοποίηση του JET και στο τεχνολογικό πρόγραµµα στο πλαίσιο της Ευρωπαϊκής Συµφωνίας για την Ανάπτυξη της Σύντηξης (EFDA), το οποίο έχει έντονο προσανατολισµό προς τον ITER, αλλά συµπεριλαµβάνει και έρευνα στην κατεύθυνση του DEMO. Αυτό το µοναδικό, συντονισµένο πρόγραµµα σύντηξης, µε µεγάλα και µικρά εργαστήρια να εργάζονται για έναν κοινό σκοπό, αποτελεί ένα παράδειγµα της Ευρωπαϊκής Περιοχής Έρευνας και έχει φέρει την Ευρώπη στο µέτωπο της διεθνούς έρευνας στη σύντηξη µε µαγνητική συγκράτηση. Οι επιτυχίες από τη συνεργασία των Ευρωπαϊκών εργαστηρίων σύντηξης κατέστησαν δυνατή την κατασκευή του JET και την πρόοδο προς τον ITER, κάτι που θα ήταν αδύνατο να επιτευχθεί από οποιοδήποτε µεµονωµένο Κράτος-Μέλος της Ευρωπαϊκής Ένωσης ή συνεργαζόµενο κράτος. Εκτός από την κύρια διεθνή συνεργασία αναφορικά µε τον ITER, επιδιώκεται η συνεργασία µε µη Ευρωπαίους εταίρους µε σκοπό τη συγκέντρωση της αρτιότερης διεθνώς γνώσης σε ειδικά θέµατα κοινού ενδιαφέροντος. Ο σκοπός αυτός επιτυγχάνεται µέσω µιας πληθώρας διµερών και πολυµερών συµφωνιών µεταξύ εργαστηρίων της Ε.Ε. και µη Ευρωπαϊκών εργαστηρίων. 18

19 ld409429_el 29/01/07 13:36 Page 19 νισµός ωπαϊκές σία ωνίας Με βάση τη συνθήκη Ευρατόµ, το Ευρωπαϊκό πρόγραµµα Έρευνας και Ανάπτυξης στη σύντηξη συντονίζεται από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή και τίθεται σε εφαρµογή µέσω: Συµφωνιών για συγκρότηση Ενώσεων µε ερευνητικά ινστιτούτα ή οργανισµούς στα Κράτη-Μέλη και σε χώρες που συνδέονται µε το Πρόγραµµα-Πλαίσιο της Ευρατόµ (τα εργαστήρια των Ενώσεων της Ευρατόµ αναπαριστώνται στον χάρτη µε κόκκινες τελείες). Της Συµφωνίας EFDA η οποία εξασφαλίζει δραστηριότητες σχετικές µε την τεχνολογία σύντηξης µέσω των Ενώσεων και της βιοµηχανίας, τη συλλογική χρήση των εγκαταστάσεων του JET, και τις Ευρωπαϊκές συνεισφορές σε διεθνείς συνεργασίες όπως ο ITER. Συµβολαίων περιορισµένης διάρκειας σε χώρες που δεν διαθέτουν δική τους «Ένωση» για την έρευνα στη σύντηξη. Μιας συµφωνίας για την προώθηση της κινητικότητας ερευνητών, και Υποτροφιών της Ευρατόµ. Στο 6ο Πρόγραµµα-Πλαίσιο της Ε.Ε. ( ) η Έρευνα στην Ενέργεια από Σύντηξη αποτελεί Θεµατική Περιοχή Προτεραιότητας µε Κοινοτικό προϋπολογισµό 750 εκατοµµυρίων ευρώ (από τα οποία µέχρι και 200 εκατοµµύρια µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την έναρξη της κατασκευής του ITER). Πίσω από την επιτυχία της Ευρωπαϊκής έρευνας στη σύντηξη βρίσκεται το έργο περίπου 2000 φυσικών και µηχανικών που εργάζονται σε Ευρωπαϊκά εργαστήρια και Ευρωπαϊκές βιοµηχανίες. 19

20 ld409429_el 29/01/07 13:36 Page 20 Σύντηξη µέσω µαγνητικής συγκράτησης Η σύντηξη µέσω µαγνητικής συγκράτησης χρησιµοποιεί ισχυρά µαγνητικά πεδία για να συγκρατήσει το πλάσµα µέσα σε ένα «δοχείο κενού» το οποίο αποµονώνει το πλάσµα από τον αέρα. Σε µια εξιδανικευµένη κατάσταση τα ηλεκτρικά φορτισµένα ιόντα και ηλεκτρόνια που συγκροτούν το πλάσµα δεν µπορούν να διασχίσουν τις µαγνητικές δυναµικές γραµµές. Ωστόσο, µπορούν να κινηθούν ελεύθερα κατά µήκος των γραµµών αυτών. Καµπυλώνοντας τις Πηνίο Πηνίο Πλάσµα µε µαγνητικό πεδίο Σύντηξη µέσω µαγνητικής συγκράτησης δυναµικές γραµµές ώστε να σχηµατίσουν έναν κλειστό βρόχο, τα σωµατίδια του πλάσµατος, κατ αρχήν, συγκρατούνται. Τα σωµατίδια και η ενέργειά τους διατηρούνται µακριά από το τοίχωµα του θαλάµου καύσης, διατηρώντας έτσι την υψηλή θερµοκρασία. Ουσιαστικά, σε ένα πραγµατικό τοροειδές µαγνητικό σύστηµα υπάρχουν απώλειες ενέργειας µέσω διαφόρων διαδικασιών, όπως η ακτινοβολία, και µέσω συγκρούσεων µεταξύ των σωµατιδίων οι οποίες εξαναγκάζουν τα σωµατίδια, µε την πάροδο του χρόνου, να διαφύγουν από το πλάσµα διασχίζοντας τις µαγνητικές δυναµικές γραµµές. Πλάσµα χωρίς µαγνητικό πεδίο 20 Τα µαγνητικά πεδία δηµιουργούνται µέσω ισχυρών ηλεκτρικών ρευµάτων που διαρρέουν πηνία τοποθετηµένα στο εξωτερικό του θαλάµου του αντιδραστήρα. Συχνά, ρεύµατα που παράγονται µέσα στο πλάσµα συµβάλλουν επίσης στον µαγνητικό εγκλωβισµό.

21 ld409429_el 29/01/07 13:36 Page 21 Ρεύµα πλάσµατος Πλάσµα Σχηµατική αναπαράσταση του Τόκαµακ Πηνία πολοειδούς πεδίου Στο είδος µηχανής που ονοµάζουµε «Τόκαµακ», το πλάσµα δρα ως η δευτερεύουσα περιέλιξη ενός µετασχηµατιστή (η πρωτεύουσα περιέλιξη είναι ένα εξωτερικό πηνίο) και µια µεταβολή του ρεύµατος στην πρωτεύουσα περιέλιξη επάγει στο πλάσµα ρεύµα. Το ρεύµα αυτό, εκτός του ότι παράγει µαγνητικό πεδίο το οποίο παίζει ρόλο στη συγκράτηση του πλάσµατος, προκαλεί επίσης κάποια θέρµανση λόγω της ηλεκτρικής αντίστασης του πλάσµατος. Εφόσον ένας µετασχηµατιστής δεν µπορεί να παράγει διαρκώς ρεύµα, το πλάσµα έχει περιορισµένη διάρκεια και η µόνιµη λειτουργία πρέπει να συντηρηθεί µε άλλους τρόπους. Πηνία τοροειδούς πεδίου Μαγνητική δυναµική γραµµή Το είδος της µηχανής που ονοµάζουµε «stellarator» (αστρική γεννήτρια) χρησιµοποιεί την ίδια αρχή µαγνητικής συγκράτησης, αλλά µε εξωτερικά πηνία περίπλοκου σχήµατος, ενώ δεν στηρίζεται στο φαινόµενο του µετασχηµατιστή για την παραγωγή ρεύµατος στο πλάσµα. Εποµένως, οι µηχανές τύπου stellarator διαθέτουν µια εγγενή δυνατότητα για συνεχή λειτουργία. Η µεγαλύτερη εγκατάσταση που σήµερα βρίσκεται στο στάδιο της κατασκευής είναι ο stellarator W7-X στο Greifswald της Γερµανίας. Άλλες διατάξεις µαγνητικής συγκράτησης που σχετίζονται στενά µε την προηγούµενη είναι το συµπαγές (ή σφαιρικό) Τόκαµακ και διατάξεις οι οποίες βασίζονται στη σύσφιξη αντεστραµµένου πεδίου. Σχηµατική αναπαράσταση του stellarator 21

22 ld409429_el 29/01/07 13:36 Page 22 Βασικά συστατικά στοιχεία του ΤόκαµακΤ Κεντρικό σωληνοειδές Το πρωτεύον κύκλωµα του µετασχηµατιστή. Το πλάσµα αποτελεί το δευτερεύον κύκλωµα. Πηνία τοροειδούς και πολοειδούς πεδίου Τα πηνία αυτά παράγουν το ισχυρό µαγνητικό πεδίο (συνήθως της τάξης των 5 Tesla, δηλαδή περίπου φορές ισχυρότερο από το µαγνητικό πεδίο της Γης), το οποίο συγκρατεί το πλάσµα και το εµποδίζει να έλθει σε επαφή µε τα τοιχώµατα του δοχείου κενού. Εκτροπέας Αποµακρύνει τις προσµείξεις και το ήλιο από το δοχείο κενού και είναι η µόνη περιοχή στην οποία εσκεµµένα επιτρέπεται στο πλάσµα να αγγίξει τα τοιχώµατα. 22

23 ld409429_el 29/01/07 13:36 Page 23 Κρυοστάτης Περικλείει τα πηνία και το δοχείο κενού και ψύχεται σε περίπου 200 βαθµούς Κελσίου ώστε να συµβάλει στη διατήρηση των υπεραγώγιµων µαγνητών στη θερµοκρασία λειτουργίας τους, δηλαδή στους 269 βαθµούς Κελσίου. οχείο κενού Εµποδίζει την είσοδο αέρα στην περιοχή που περιέχει το πλάσµα. Μανδύας Το λίθιο περιέχεται στα δοµικά στοιχεία (modules) που αποτελούν τον µανδύα. Όταν τα νετρόνια αντιδρούν µε το λίθιο, παράγεται τρίτιο το οποίο µπορεί να διαχωριστεί και να εισαχθεί στο πλάσµα. Η ενέργεια των νετρονίων απάγεται προκειµένου να θερµάνει ένα κύκλωµα νερού και να παράγει ατµό, ο οποίος θα θέσει σε κίνηση τις ηλεκτρικές γεννήτριες. 23

24 ld409429_el 29/01/07 13:36 Page 24 Θέρµανση του πλάσµατος Το ρεύµα που διαρρέει το πλάσµα του Τόκαµακ συµβάλλει στη θέρµανσή του. Καθώς η θερµοκρασία του πλάσµατος αυξάνεται, αυτή η ωµική θέρµανση γίνεται λιγότερο αποτελεσµατική και αυξάνει τη θερµοκρασία του πλάσµατος µόνο κατά λίγα εκατοµµύρια βαθµούς, δηλαδή θερµοκρασία περίπου 10 φορές χαµηλότερη από την απαιτούµενη για την πραγµατοποίηση ικανού αριθµού αντιδράσεων σύντηξης. Προκειµένου η θερµοκρασία να αυξηθεί περισσότερο, απαιτείται περαιτέρω θέρµανση η οποία παρέχεται από εξωτερικές πηγές. Η υψίσυχνη θέρµανση χρησιµοποιεί µεγάλης ισχύος ηλεκτροµαγνητικά κύµατα διαφορετικών συχνοτήτων, τα οποία µεταδίδουν στο πλάσµα την ενέργειά τους µέσω απορρόφησης συντονισµού. Έχουν αναπτυχθεί τρία τέτοια συστήµατα: η Θέρµανση µέσω Κυκλοτρονικού Συντονισµού Ιόντων (ICRH, MHz), η Θέρµανση µέσω Κυκλοτρονικού Συντονισµού Ηλεκτρονίων (ECRH, GHz, κυρίως µικροκύµατα), και η Θέρµανση µέσω κυµάτων της Κατώτερης Υβριδικής Συχνότητας (LHH, 1 8 GHz). Ωµική θέρµανση Ρεύµα Ιονισµένα και παγιδευµένα άτοµα Υψηλής ενέργειας άτοµα υδρογόνου Πηνίο Εξουδετερωτής Κυµατοδηγός ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΟΥ ΕΤΕΡΗΣ ΕΓΧΥΣΗΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΜΕ ΡΑ ΙΟ ΣΥΧΝΟΤΗΤΕΣ Πηγή ιόντων υδρογόνου Κεραία ραδιοσυχνοτήτων στη διάταξη Tore Supra (CEA, Cadarache, Γαλλία) 24 έσµες ουδέτερων σωµατιδίων µεγάλης ενέργειας εγχύονται στο πλάσµα, το διαπερνούν, και µεταδίδουν την κινητική τους ενέργεια σε αυτό µέσω συγκρούσεων µε τα σωµατίδια του πλάσµατος. Σύστηµα ουδέτερης δέσµης του JET

25 ld409429_el 29/01/07 13:36 Page 25 ιαγνωστικά και µοντελοποίηση του πλάσµατος Για να καταλάβουµε πώς να σχεδιάσουµε έναν αντιδραστήρα σύντηξης, είναι απαραίτητο να κατανοήσουµε τα φαινόµενα που συµβαίνουν στο πλάσµα. Αυτό απαιτεί εξελιγµένα και πολύπλοκα συστήµατα µέτρησης, γνωστά ως διαγνωστικά. ιαγνωστικά σχεδιάζονται σε Ευρωπαϊκά εργαστήρια και αποσκοπούν στην παρακολούθηση κάθε χαρακτηριστικού του πλάσµατος, από τη θερµοκρασία στο κέντρο του, χρησιµοποιώντας ισχυρές δέσµες λέιζερ, µέχρι την ποσότητα προσµείξεων στο πλάσµα και το σηµείο παραγωγής τους. νοτήτων ξη Tore A, e, Γαλλία) Τα δεδοµένα που αποκτώνται από αυτά τα διαγνωστικά χρησιµοποιούνται για την ανάπτυξη νέων υπολογιστικών κωδίκων, οι οποίοι τελικά θα είναι ικανοί να προβλέψουν τη λειτουργία της διάταξης και να διασφαλίσουν ότι η λειτουργία αυτή θα είναι η αναµενόµενη. του JET Σχηµατική αναπαράσταση διαγνωστικών του ITER 25

26 ld409429_el 29/01/07 13:36 Page 26 ITER, ο δρόµος προς την ενέργεια από σύντηξη Ο ITER αποτελεί το επόµενο σηµαντικό ορόσηµο στη σχεδίαση και κατασκευή ενός αντιδραστήρα πυρηνικής σύντηξης. Το πρόγραµµα του ITER βασίζεται στην επιτυχή διεθνή συνεργασία που υλοποιείται µέσω µιας ευρείας ποικιλίας προγραµµάτων Ε&Α στην τεχνολογία. Ο ITER θα είναι σε θέση να παράγει 400 MW ισχύος από σύντηξη για περίοδο 6 λεπτών, µε απώτερο σκοπό την επέκτασή του σε µόνιµη λειτουργία. Το κόστος κεφαλαίου του ITER ανέρχεται σε περίπου 4,6 δισεκατοµµύρια ευρώ (σε τιµές του έτους 2000). Από τη στιγµή που θα επιτευχθεί συµφωνία µεταξύ των διεθνών εταίρων, η κατασκευή του ITER αναµένεται να διαρκέσει από 8 έως 10 χρόνια και, στη συνέχεια, η διάταξη θα λειτουργήσει για µια περίοδο περίπου 20 ετών. Ο ITER βασίζεται στα επιστηµονικά επιτεύγµατα πολλών ανάλογων µηχανών σε όλο τον κόσµο. Πρωτότυπο εκτροπέα του ITER σε φυσική κλίµακα Πλατφόρµα δοκιµής για τον τηλεχειρι σµό του εκτροπέα του ITER 26 Το γυροτρόνιο ως πηγή υψίσυχνων µικροκυµάτων Έλεγχος µοντέλου του

27 ld409429_el 29/01/07 13:36 Page 27 Συγκόλληση µε λέιζερ µεγάλης ισχύος (11 kw) για τµήµατα του δοχείου κενού ου ITER κλίµακα ιάταξη ελέγχου µανδύα Το γυροτρόνιο ως πηγή υψίσυχνων µικροκυµάτων (1 MW) φόρµα ής για λεχειρι ου πέα του λεγχος µοντέλου του πηνίου τοροειδούς πεδίου Το µοντέλο του εκτροπέα κάθετου στόχου σε φυσική κλίµακα, που δοκιµάστηκε στην εταιρεία Framatome Έλεγχος προστατευτικών πλακιδίων θωράκισης σε ροή υψηλής θερµότητας 27

28 ld409429_el 29/01/07 13:37 Page 28 Μακροπρόθεσµη τεχνολογία Εκτός από τις εργασίες για την ολοκλήρωση του ITER, διεξάγεται αρκετή έρευνα και ανάπτυξη στην τεχνολογία σύντηξης για την κατασκευή του DEMO. Ευρωπαϊκές µελέτες σχετικά µε τον αναπαραγωγικό µανδύα (breeding blanket) εστιάζουν στη χρήση κραµάτων λιθίου-µολύβδου ψυχόµενων µε ήλιο και κεραµικών ψηφίδων (pebbles) του αναγεννητή (breeder), επίσης ψυχοµένων µε ήλιο. Η έρευνα αυτή είναι κρίσιµη για την ανάπτυξη του κύκλου του τρίτιου στον αντιδραστήρα σύντηξης. Η Ευρωπαϊκή ανάπτυξη δοµικών υλικών εστιάζει σε φεριτικούς και µαρτενσιτικούς χάλυβες µειωµένης ραδιενεργού δραστικότητας (EUROFER) και, µε το βλέµµα στο µέλλον, ερευνά σύνθετα υλικά από ανθρακοπυρίτιο. Α Επίσης, αντιµετωπίζονται ζητήµατα ασφάλειας και προστασίας περιβάλλοντος. Τα ζητήµατα αυτά, τα οποία εστιάζονται κυρίως σε βελτιωµένες διατάξεις και στην ελαχιστοποίηση των ενεργοποιηµένων υλικών, οδηγούν στο σηµαντικό συµπέρασµα ότι ένας αντιδραστήρας σύντηξης µπορεί να σχεδιαστεί κατά τρόπον ώστε οποιοδήποτε ατύχηµα στη µονάδα του αντιδραστήρα να µην απαιτεί την εκκένωση του παρακείµενου πληθυσµού. Κοινωνικοοικονοµικές µελέτες αναλύουν οικονοµικές πτυχές και µακροπρόθεσµα σενάρια σύντηξης. Υποσυστήµατα He Εισπνοή ραδιοτοξικότητας (σχετική µονάδα) Στάχτη άνθρακα Υλικά σύντηξης Υπολογισµένη µείωση της ραδιοτοξικότητας από διαφορετικά µοντέλα µονάδας παραγωγής ενέργειας από σύντηξη σε σύγκριση µε τη ραδιοτοξικότητα της στάχτης άνθρακα. He Pb-17Li Πολλαπλή εισ 28 Αποθήκευση (έτη) Ενισχυµένες στρώσεις επικολληµένες στο πρώτο τοίχωµα Πολοειδές Πρώτο τοίχωµα Ακτινικό και πλέγµατα οκιµαστικό µοντέλο µανδύα EUROFER Τοροειδές

29 ld409429_el 29/01/07 13:37 Page 29 Αντλία τριτίου Έλεγχος διάβρωσης υγρού µετάλλου Ψηφίδες βηρυλλίου είγµατα υλικού EUROFER Ιδιότητες υλικού EUROFER b-17li Πολλαπλή εισαγωγής ψυκτικού Θερµός θώρακας Ψυχρός θώρακας Ο ερευνητικός αντιδραστήρας του KFKI (Κεντρικό Ερευνητικό Ινστιτούτο Φυσικής), Ουγγαρία He τοίχωµα έγµατα ER ίαυλοι από σύνθετα υλικά ανθρακοπυριτίου Προφίλ δέσµης ακτινοβόλησης της IFMIF ( ιεθνής Εγκατάσταση Ακτινοβόλησης Υλικών Σύντηξης) 29

30 ld409429_el 29/01/07 13:37 Page 30 ραστηριότητες στην Ευρώπη για το ευρύτερο κοινό Η περιοδεύουσα έκθεση για τη σύντηξη (Fusion Expo) δηµιουργήθηκε και παρουσιάστηκε σε πολλές Ευρωπαϊκές πόλεις µε σκοπό να ενηµερωθεί το ευρύ κοινό, καθώς και φοιτητές σχετικά µε τις Ευρωπαϊκές ερευνητικές δραστηριότητες για την παραγωγή ενέργειας από σύντηξη. 30 Η έκθεση Fusion Expo στο Santander, Ισπανία ( εκ. 2003)

31 ld409429_el 29/01/07 13:37 Page 31 Το Πλανόδιο Θέαµα για τη Σύντηξη (Fusion Road Show) Το Πλανόδιο Θέαµα για τη Σύντηξη (Fusion Road Show), που αναπτύχθηκε από την Ένωση Ευρατόµ FOM (Ολλανδία), αποτελεί ένα καλό παράδειγµα για τις επιτυχείς εκλαϊκευτικές δραστηριότητες που έχει πραγµατοποιήσει η κοινότητα της σύντηξης. Το Θέαµα συνίσταται σε µια σειρά από απλά πειράµατα για την εξήγηση των βασικών αρχών της σύντηξης συνδυασµένα σε µια ψυχαγωγική παράσταση συνοδευόµενη από µια επεξηγηµατική παρουσίαση. 31