ΣΥΝΤΘΞΘ ΜΕ LASER. (inertial fusion) ΡΤΥΧΛΑΚΘ ΕΓΑΣΛΑ ΕΡΛΒΛΕΡΩΝ ΚΑΚΘΓΘΤΘΣ: ΕΛΕΥΚΕΛΑΔΘΣ ΧΘΣΤΟΣ ΦΟΛΤΘΤΘΣ: ΧΑΤΗΘΡΑΝΑΓΛΩΤΛΔΘΣ ΔΘΜΘΤΛΟΣ

Transcript

1 ΣΥΝΤΘΞΘ ΜΕ LASER (inertial fusion) ΡΤΥΧΛΑΚΘ ΕΓΑΣΛΑ ΕΡΛΒΛΕΡΩΝ ΚΑΚΘΓΘΤΘΣ: ΕΛΕΥΚΕΛΑΔΘΣ ΧΘΣΤΟΣ ΦΟΛΤΘΤΘΣ: ΧΑΤΗΘΡΑΝΑΓΛΩΤΛΔΘΣ ΔΘΜΘΤΛΟΣ

2 Περιεχόμενα Ειςαγωγι...ςελ. 1 Ιςτορικι αναδρομι...ςελ. 3 Εξϊκερμεσ αντιδράςεισ...ςελ. 6 Η ςφντθξθ ςτουσ αςτζρεσ... ςελ. 9 Σφντθξθ ςτθ Γθ...ςελ. 18 Η αντίδραςθ D-T...ςελ. 1 Παραγωγι δευτερίου και τριτίου...ςελ. Παραγωγι ενζργειασ από τθ ςφντθξθ...ςελ. 5 Πλάςμα και απϊλεια ενζργειασ...ςελ. 9 Σφντθξθ με μαγνθτικι δζςμευςθ (magnetic confinement)...ςελ. 3 Iter project...ςελ. 34 Το tokamak του Iter...ςελ. 35 Αφξθςθ κερμοκραςίασ ςτο πλάςμα...ςελ. 36 Σφντθξθ με αδρανειακι δζςμευςθ (inertial confinement)...ςελ. 39 Σφντθξθ με μιόνια (muon-catalyzed fusion)...ςελ. 4 Ψυχρι ςφντθξθ (cold fusion)...ςελ. 44 Βόμβα υδρογόνου (Η-Βomb)...ςελ. 46 Σφντθξθ αντί για ςχάςθ...ςελ. 49 Ειςαγωγι ςτθν ςφντθξθ με laser...ςελ. 51 Spherical Implosion (laser fusion)....ςελ. 53 Energy Gain (ενεργειακό κζρδοσ)......ςελ. 58 Instabilities (αςτάκειεσ)...ςελ. 60 Hohlraum targets...ςελ. 63 Αίκουςα αντιδράςεων (reactions chamber)...ςελ. 68 Fast Ignition (γριγορθ πυροδότθςθ)....ςελ. 73 Antiproton driver (δζςμθ αντιπρωτονίων)...ςελ. 78

3 Ειςαγωγή Θ ενζργεια είναι από τα ςθμαντικότερα αγακά για τον άνκρωπο. Μζχρι ςτιγμισ ζχουμε αρκετοφσ τρόπουσ παραγωγισ ενζργειασ με βαςικότερουσ, κακϊσ παράγουν το μεγαλφτερο ποςοςτό ενζργειασ, τα εργοςτάςια καφςθσ άνκρακα και τα πυρθνικά εργοςτάςια ςχάςθσ, τα οποία δίνουν ικανοποιθτικά πόςα ενζργειασ με τίμθμα όμωσ τθ ρφπανςθ του περιβάλλοντοσ. Επίςθσ τα καφςιμα για τθ λειτουργία αυτϊν των εργοςταςίων είναι ςε περιοριςμζνεσ ποςότθτεσ πάνω ςτθ Γθ. Άλλοι τρόποι παραγωγισ ενζργειασ είναι αυτοί που εκμεταλλεφονται ανανεϊςιμεσ πθγζσ ενζργειασ όπωσ είναι ο ιλιοσ και ο άνεμοσ και δεν προκαλοφνε ρφπανςθ ςτο περιβάλλον. Ωςτόςο, παρά το πλεονζκτθμά τουσ, θ χριςθ τουσ δεν είναι ευρεία, διότι ςε ςυνδυαςμό με το ακριβό κόςτοσ παραγωγισ τουσ και τθν ςχετικά μικρι απόδοςι τουσ, τουσ κακιςτά αςφμωορουσ. Είναι αναγκαίο, επομζνωσ, να βροφμε ζναν τρόπο παραγωγισ ενζργειασ που να ςυνδυάηει τθν μεγάλθ απόδοςθ ςτθν παραγωγι ενζργειασ αλλά ςυγχρόνωσ να μθν ρυπαίνει το περιβάλλον. Θ πυρθνικι ςφντθξθ είναι αφτθ που μπορεί να μασ προςωζρει αυτά τα δυο πλεονεκτιματα. Ο λόγοσ που ςυμβαίνει είναι ότι τα ποςά ενζργειασ που απελευκερϊνονται από τθν ςφντθξθ ελαωρφτερων πυρινων προσ δθμιουργία βαρφτερων είναι αρκετά μεγάλα. Τα καφςιμα που χρθςιμοποιοφνται κυρίωσ ς αυτι τθ διαδικαςία είναι το δευτζριο, το οποίο υπάρχει ςε καλι αναλογία ςτο νερό και το τρίτιο, το οποίο παράγεται μζςα από αντιδράςεισ με λίκιο, το οποίο και αυτό υπάρχει ςε ικανοποιθτικζσ ποςότθτεσ ςτθ Γθ. Το κφριο κατάλοιπο από τισ 4 αντιδράςεισ του δευτερίου με το τρίτιο είναι το He όπωσ κα δοφμε παρακάτω, το οποίο δεν είναι βλαβερό για το περιβάλλον κακϊσ είναι ςτακερό ςτοιχείο και δεν εκπζμπει ραδιενζργεια. Οι ζρευνεσ για τθν ελεγχόμενθ παραγωγι ενζργειασ από αντιδράςεισ ςφντθξθσ ζχουν ξεκινιςει με μυςτικότθτα από το 1949, όμωσ υπιρχαν πολλζσ δυςκολίεσ οι οποίεσ ζπρεπε να ξεπεραςτοφν. Οι επιςτιμονεσ που εργάςτθκαν με το ςυγκεκριμζνο κζμα είναι πολλοί, όπωσ πολλά είναι και τα ςχετικά βιβλία που ζχουν γραωτεί Tα δυο ςθμαντικότερα ςενάρια είναι θ ςφντθξθ με μαγνθτικι δζςμευςθ του πλάςματοσ (magnetic confinement fusion) και θ ςφντθξθ με laser

4 (inertial confinement fusion). Αντιδραςτιρεσ ςφντθξθσ με βάςθ τθ μαγνθτικι δζςμευςθ ζχουν δθμιουργθκεί εδϊ και αρκετά χρόνια αλλά θ απόδοςι τουσ είναι πάρα πολφ χαμθλι για να ποφμε ότι ζχουμε ορκι λειτουργία. Το προςεχζσ project που υπόςχεται να δθμιουργιςει ζναν αντιδραςτιρα ςφντθξθσ με μαγνθτικι δζςμευςθ μεγάλθσ απόδοςθσ ονομάηεται ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) και βρίςκεται ςτθν Γαλλία. Από τθν άλλθ μεριά, για πρϊτθ ωορά ετοιμάηεται ζνα project ςχετικό με ςφντθξθ μζςω laser που ονομάηεται HiPER (High Power Laser Energy Research) που βρίςκεται ςτο Θνωμζνο Βαςίλειο. Στθν παροφςα εργαςία κα αναωερκοφμε αρχικά γενικά περί ςφντθξθσ και ςτθ ςυνζχεια κα αναλφςουμε τθν ωυςικι που διζπει τθν ςφντθξθ με laser, που είναι και το βαςικό κζμα αυτισ τθσ εργαςίασ.

5 Ιςτορική αναδρομή Θ ςφντθξθ κατά κάποιον τρόπο είναι θ αντίκετθ διαδικαςία τθσ ςχάςθσ. Ελαωριοί πυρινεσ ενϊνονται (ςυντικονται) προσ δθμιουργία βαρφτερων πυρινων ελευκερϊνοντασ ενζργεια, ςε αντίκεςθ με τθ ςχάςθ, όπου βαριοί πυρινεσ ςπάνε (ςχάηονται) ςε δυο ελαωρφτερουσ. Λςτορικά όλα άρχιςαν το 190, όταν ο F. Aston (Nobel χθμείασ 19) βρικε ότι θ μάηα των νουκλεονίων του θλίου είναι μικρότερθ από αυτι τθσ μάηασ του υδρογόνου. Ο A. Eddington το 196 υπολόγιςε πωσ θ μετατροπι του υδρογόνου ςε ιλιο μποροφςε να παράγει αρκετι ενζργεια ϊςτε να διατθρεί τον ιλιο και ότι γενικά, από τζτοιου είδουσ πυρθνικζσ αντιδράςεισ παράγεται ενζργεια ςτουσ αςτζρεσ. Το κζμα όμωσ που τον προβλθμάτιηε, ιταν πωσ θ κερμοκραςία που είχαν τα άςτρα, ιταν αρκετά χαμθλότερθ αυτισ που χρειαηόταν για να λάβουν χϊρα αυτζσ οι αντιδράςεισ. Λφςθ ςτο πρόβλθμα αυτό ζδωςαν το 199 οι R. Gurney και E. Condon και ανεξάρτθτα από αυτοφσ ο G. Gamow το 198 μζςω κάποιου ωαινομζνου τθσ κβαντομθχανικισ, το οποίο κα αναωερκεί παρακάτω. Το 193 για πρϊτθ ωορά οι J. Cockcroft και E. Walton, υπό τθν επίβλεψθ του E. Rutherford ςτο Cavendish Laboratory, κατάωεραν να δθμιουργιςουν και να παρατθριςουν μια αντίδραςθ ςφντθξθσ με βομβαρδιςμό λίκιου με πρωτόνια ενζργειασ 100 KeV. Δυο χρόνια αργότερα ςτο ίδιο εργαςτιριο ο E. Rutherford με μια ομάδα ωυςικϊν πραγματοποίθςαν πολλζσ διαωορετικζσ αντιδράςεισ ςφντθξθσ μεταξφ ελαωρϊν ςτοιχείων και επιταχυνόμενων πρωτονίων και πυρινων δευτερίου που ανακαλφωκθκε το 193 από τον H. Urey (Nobel χθμείασ 1934). Στθ ςυνζχεια ανακαλφωκθκε και το τρίτιο από ςυγκροφςεισ δευτερίου-δευτερίου. Το 1937 ο αςτροωυςικόσ C. Weizsäcker πρότεινε τον κφκλο αντιδράςεων πρωτονίου-πρωτονίου ωσ τθν αιτία παραγωγισ ενζργειασ ςτουσ αςτζρεσ. Λίγο αργότερα το 1939 ο H. Bethe ανζπτυξε τθ κεωρία του CNO (άνκρακασ, άηωτο, οξυγόνο) κφκλου για τθν παραγωγι ενζργειασ ςτουσ αςτζρεσ. Μερικά χρόνια αργότερα κακιερϊκθκε θ βαςικι κεωρία για τθν αςτρικι πυρθνοςφνκεςθ με τθ δουλειά των Θ. Bethe, G. Gamow, C. Weizsäcker, E. Teller και άλλων ωυςικϊν. Αναλφκθκαν οι κυριότερεσ αντιδράςεισ και οι ενεργζσ διατομζσ τουσ και

6 τα αποτελζςματα ςυγκρίκθκαν με τισ παρατθροφμενεσ κοςμικζσ αναλογίεσ. Θ ςθμερινι άποψθ που ζχουμε για τθν πυρθνοςφνκεςθ είναι αυτι που δθμοςιεφτθκε το 1957 από τουσ G.Burbidge, M.Burbidge, W.Fowler και F.Hoyle (BBFH). Κατά τθ διάρκεια του πολζμου πολλοί ωυςικοί που είχαν αςχολθκεί με τθν καταςκευι πυρθνικϊν όπλων μζςω αντιδράςεων ςχάςθσ, προςπάκθςαν να αναπτφξουν κεωρίεσ ςχετικζσ με τθν καταςκευι όπλων μζςω αντιδράςεων ςφντθξθσ. Θ ζρευνα για τθν παραγωγι ενζργειασ από αντιδράςεισ ςφντθξθσ άρχιςε από τουσ Ε. Fermi, E. Teller και E. Konopinski. Τθν ίδια περίοδο μετρικθκε θ ενεργόσ διατομι τθσ αντίδραςθσ δευτερίου-δευτερίου με ικανοποιθτικι ακρίβεια. Από το πανεπιςτιμιο του Purdue μετρικθκε θ ενεργόσ διατομι τθσ αντίδραςθσ δευτερίου-τριτίου υπό τθν κακοδιγθςθ του Θ. Bethe, θ οποία βρζκθκε μεγαλφτερθ από αυτι του δευτερίου-δευτερίου ςε μεγάλο εφροσ ενεργειϊν. Θ ζρευνα για τθν αντίδραςθ ςφντθξθσ δευτερίου-τριτίου δθμοςιεφτθκε από τον Β. Flowers το Λίγο αργότερα το 1954, οι ενεργζσ διατομζσ για αντιδράςεισ βαςιςμζνεσ ςτο δευτζριο μετρικθκαν ξανά με ακόμθ μεγαλφτερθ ακρίβεια και από εκείνθ τθ ςτιγμι το ενδιαωζρον για τθν ελεγχόμενθ παραγωγι ενζργειασ από αντιδράςεισ ςφντθξθσ ζγινε μεγάλο για τθν κοινότθτα τθσ ωυςικισ. Από το 1949 μζχρι το 1955 ςτο πλαίςιο του ψυχροφ πολζμου θ ζρευνα πάνω ςτθ ςφντθξθ επικεντρωνόταν κυρίωσ ςτθν καταςκευι όπλων ενϊ θ ζρευνα για ελεγχόμενθ αντίδραςθ ςφντθξθσ γινόταν από πολλζσ χϊρεσ με αυςτθρι μυςτικότθτα. Αποτελζςματα από τισ ζρευνεσ αυτζσ άρχιςαν να δθμοςιεφονται, με πρωτοπόρα τθ δουλειά που αναωζρκθκε παραπάνω ( ενεργζσ διατομζσ ). Μεγάλα και ακριβά προγράμματα άρχιςαν να δουλεφουν ςε χϊρεσ με ανεπτυγμζνθ βιομθχανία και γράωτθκαν πολλά βιβλία για το πλάςμα και τθν ελεγχόμενθ πυρθνικι ςφντθξθ, παγιδεφοντάσ το με μαγνθτικά πεδία. Μεταγενζςτερα ζκανε τθν εμωάνιςι τθσ μια κεωρία που αωοροφςε τθ ψυχρι ςφντθξθ (cold fusion), θ οποία αντικροφςτθκε από πολλοφσ επιςτιμονεσ. Από τότε μζχρι και ςιμερα ζχουν ξοδευτεί τρομερά χρθματικά ποςά για τθ δθμιουργία αντιδραςτιρων ελεγχόμενθσ ςφντθξθσ, οι οποίοι όμωσ παράγουν μικρζσ ποςότθτεσ ενζργειασ, μικρότερεσ και από αυτζσ που δαπανοφν, με αποτζλεςμα να είναι αςφμωοροι. Υπάρχουν κάποια προγράμματα που ωιλοδοξοφν να παράγουν ςθμαντικά ποςά ενζργειασ

7 μζςω τθσ ςφντθξθσ, όπωσ το πρόγραμμα Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor) ςτθ νότια Γαλλία ςτο οποίο ςυμμετζχουν πολλζσ χϊρεσ. Επίςθσ, υπάρχει το πρόγραμμα HiPER (High Power laser Energy Research), πάλι ςτθ Γαλλία, όπου μια διάταξθ laser, με τθ μεγαλφτερθ ιςχφ που ζχει επιτευχκεί, κα πυροδοτιςει τθν αντίδραςθ ςφντθξθσ, πρόγραμμα ςτο οποίο ςυμμζτεχουν πολλοί επιςτιμονεσ απ όλον τον κόςμο. Χρθματοδοτιςεισ για ζρευνα ςχετικά με τθ ςφντθξθ

8 Εξώθερμεσ αντιδράςεισ Ππωσ αναωζρκθκε ςτθν ειςαγωγι, ςφντθξθ είναι θ ζνωςθ (ςφντθξθ) ελαωριϊν πυρινων προσ δθμιουργία βαρφτερων με τθν ζκλυςθ ενζργειασ, δθλαδι είναι μια εξϊκερμθ αντίδραςθ. Σφμωωνα με τθ ςχζςθ ιςοδυναμίασ μάηασ- ενζργειασ του Einstein, μια πυρθνικι αντίδραςθ, τθσ οποίασ θ τελικι μάηα είναι μικρότερθ τθσ αρχικισ, είναι εξϊκερμθ απελευκερϊνοντασ ενζργεια ίςθ με: Q ( m m ) c ή ή Αυτό προκφπτει από το γεγονόσ ότι τα ελεφκερα νουκλεόνια ζχουν περιςςότερθ μάηα από αυτιν που ζχουν μζςα ςτον πυρινα. Δθλαδι θ μάηα που ζχουν τα νουκλεόνια ενόσ πυρινα με αρικμό πρωτονίων Z (ατομικόσ αρικμόσ) και αρικμό νετρονίων Α-Η (μαηικόσ-ατομικόσ) είναι μεγαλφτερθ από μάηα m που ζχουν μζςα ςτον πυρινα και θ διαωορά τουσ ονομάηεται ζλλειμμα μάηασ: m Z m ( A Z) m p n m Για ςτακεροφσ πυρινεσ θ ποςότθτα αυτι είναι κετικι και θ ενζργεια που αντιςτοιχεί ςτο ζλλειμμα μάηασ ονομάηεται ενζργεια ςυνδζςεωσ: E B mc Θ ενζργεια ςυνδζςεωσ εκωράηει το ελάχιςτο ποςό τθσ ενζργειασ που πρζπει να δϊςουμε ςτον πυρινα για να το διαςπάςουμε ςτα νουκλεόνιά του. Οπότε το Q που εκλφεται από μια αντίδραςθ με βάςθ τθν ενζργεια ςυνδζςεωσ είναι: Q E B ή ή Ακριβείσ τιμζσ για τθν ενζργεια ςυνδζςεωσ για τουσ διάωορουσ πυρινεσ ζχουν εκδοκεί το Μια χριςιμθ ποςότθτα που χρθςιμοποιοφμε είναι θ ενζργεια ςυνδζςεωσ ανά νουκλεόνιο E B / A που εκωράηει τθ ςτακερότθτα του

9 πυρινα. Πςο μεγαλφτερθ είναι αυτι θ ποςότθτα, τόςο πιο ςτακερόσ είναι ο πυρινασ. Σχιμα 1: Ενζργεια ςφνδεςθσ ανά νουκλεόνιο ςυνάρτθςθ του μαηικοφ αρικμοφ Ππωσ παρατθροφμε από το ςχιμα 1 για μαηικό αρικμό Α= 1 που είναι το υδρογόνο, θ ενζργεια ςφνδεςθσ είναι μθδζν (λογικό) και ςτθ ςυνζχεια μεγαλϊνει ραγδαία, όςο αυξάνεται ο μαηικόσ αρικμόσ Α ϊςπου ωτάνει ςε ζνα μζγιςτο E B / A 8. 7 MeV που αντιςτοιχεί ςε μαηικό αρικμό Α=56 (ςίδθροσ). Στθ ςυνζχεια όςο αυξάνεται ο μαηικόσ αρικμόσ, θ ενζργεια ςυνδζςεωσ ανά νουκλεόνιο πζωτει ελαωρά μζχρι το βαρφτερο πυρινα με μαηικό αρικμό περίπου Α=50 (υπερουράνια ςτοιχεία) ςτθν τιμι E B / A 7. 5 MeV. Ππωσ καταλαβαίνουμε, οι εξϊκερμεσ αντιδράςεισ είναι αυτζσ που πλθςιάηουν προσ τθν κορυωι του διαγράμματοσ, όπου είναι ο πυρινασ με τθ μεγαλφτερθ ενζργεια ςυνδζςεωσ ανά νουκλεόνιο και άρα ο πιο 56 ςτακερόσ ( Fe ). Σχάςθ είναι θ διαδικαςία κατά τθν οποία βαριοί πυρινεσ με (Α>56) ςχάηονται ςε δυο ελαωρφτερουσ προσ δθμιουργία ευςτακζςτερθσ κατάςταςθσ με ταυτόχρονθ ζκλυςθ ενζργειασ, όπωσ ωαίνεται και από το ςχιμα 1 (πάνω δεξιά). Οι δυο νζοι αυτοί πυρινεσ ζχουνε μεγαλφτερθ

10 ενζργεια ςφνδεςθσ ανά νουκλεόνιο, που ςυνεπάγεται ότι είναι ευςτακζςτεροι του αρχικοφ. Ενϊ ςφντθξθ είναι θ διαδικαςία κατά τθν οποία ελαωριοί πυρινεσ (Α<56) ςυντικονται, δθμιουργϊντασ ζνα βαρφτερο πυρινα προσ δθμιουργία ευςτακζςτερθσ κατάςταςθσ με ταυτόχρονθ ζκλυςθ ενζργειασ, όπωσ ωαίνεται από το ςχιμα 1 (κάτω αριςτερά). Ο νζοσ αυτόσ πυρινασ ζχει μεγαλφτερθ ενζργεια ςφνδεςθσ ανά νουκλεόνιο από τουσ δυο προθγοφμενουσ, που ςυνεπάγεται ότι βρίςκεται ςε ευςτακζςτερθ κατάςταςθ από τθν αρχικι.

11 Η ςφντηξη ςτουσ αςτζρεσ Κα αναωερκοφμε αναλυτικά ςτισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ ςτουσ αςτζρεσ κακϊσ ιταν οι πρϊτεσ αντιδράςεισ που ςκζωτθκαν οι ωυςικοί όςον αωορά τθ ςφντθξθ για να εξθγιςουν τα μεγάλα ποςά ενζργειασ που παράγονται. Αρχικά κα περιγράψουμε τθ δθμιουργία ενόσ άςτρου και ςτθ ςυνζχεια κα αναωζρουμε τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ που ςυμβαίνουν ςε αυτό και τα ποςά που τισ χαρακτθρίηουν. Θ δθμιουργία ενόσ άςτρου ξεκινάει ςτο μεςοαςτρικό χϊρο ςε μεγάλεσ περιοχζσ όπου υπάρχει φλθ (υδρογόνο και ιλιο) ςε κατάςταςθ βαρυτικισ αςτάκειασ. Πταν θ πυκνότθτα αυτισ τθσ φλθσ ςε μια περιοχι του χϊρου ξεπεράςει μια κρίςιμθ τιμι, προκαλείται βαρυτικι κατάρρευςθ, πράγμα που ςυμβαίνει λόγω των βαρυτικϊν δυνάμεων που είναι ελκτικισ ωφςθσ και μεγάλθσ εμβζλειασ. Κατά τθ διαδικαςία αυτι, που αρχικά είναι αργι και ςτθ ςυνζχεια επιταχφνεται, θ δυναμικι ενζργεια μετατρζπεται ςε κινθτικι με αποτζλεςμα τθν αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ και τθσ πυκνότθτασ του αερίου. Ζτςι θ κατάρρευςθ επιβραδφνεται λόγω μεγάλων πιζςεων που δθμιουργοφνται ςτο κζντρο του άςτρου. Θ κατάρρευςθ ςταματά, όταν θ πίεςθ και θ κερμοκραςία ωτάνουν ςε κάποιεσ τιμζσ (αρκετά υψθλζσ) ϊςτε οι πυρινεσ υδρογόνου (ςτθν ουςία πρωτόνια) να οδθγοφνται ςε ςφντθξθ, τθσ οποίασ θ ζκλυςθ ενζργειασ αντιςτακμίηει τθ βαρυτικι κατάρρευςθ και πλζον, το άςτρο βρίςκεται ςε κατάςταςθ υδροςτατικισ ιςορροπίασ. Τα ςτοιχεία που δθμιουργοφνται είναι ελαωρότερα του ςιδιρου και κα αναωερκοφν λεπτομερϊσ παρακάτω. Οι κερμοκραςίεσ που απαιτοφνται για να ζχουμε ςφντθξθ είναι πολφ μεγάλεσ, διότι οι προσ ςφντθξθ πυρινεσ είναι κετικά ωορτιςμζνοι και υπάρχει μεγάλθ άπωςθ Coulomb. Για να γίνει θ ςφντθξθ κα πρζπει οι πυρινεσ να ωτάςουν πολφ κοντά ο ζνασ ςτον άλλο ϊςτε να ενεργιςουν οι πυρθνικζσ δυνάμεισ (που είναι μικρισ εμβζλειασ και ελκτικζσ) πράγμα που γίνεται εωικτό ςε μεγάλεσ κερμοκραςίεσ, δθλαδι μεγάλεσ ταχφτθτεσ, όπου υπερνικάτε θ άπωςθ Coulomb. Θ απόςταςθ αυτι δίνεται από τθν παρακάτω ςχζςθ που ιςοφται περίπου με το άκροιςμα τθσ ακτίνασ των ακτινϊν των δυο πυρινων: r n ( A 1/3 1 A 1/3 ) cm

12 Θ απόςταςθ που ωτάνουν δφο πυρινεσ κινθτικισ ενζργειασ Ε δίνεται από τθν παρακάτω ςχζςθ: E V ( r) c Z 1 Z r C e 1 Z1 Z e 4 E r c 0 Σχιμα : Η απόςταςθ που φτάνουν δυο φορτιςμζνα ςωματίδια ςυνάρτθςθ τθσ ενζργειασ Από τθν παραπάνω γραωικι παράςταςθ βλζπουμε πωσ για να γίνει θ ςφντθξθ, τα ςωματίδια πρζπει να ζχουν ενζργεια ίςθ ι μεγαλφτερθ του δυναμικοφ Coulomb, αλλιϊσ ωτάνουν μζχρι μια απόςταςθ μεταξφ τουσ και μετά απομακρφνονται. Συνδυάηοντασ τισ παραπάνω ςχζςεισ (αντικακιςτϊντασ r r ) ςυμπεραίνουμε ότι: c n V b Z Z Vc ( rn ) (MeV) A A 1 1/ 3 1 1/ 3 Στθν περίπτωςθ ςφντθξθσ δυο πυρινων υδρογόνου (πρωτόνιοπρωτόνιο) από τθν παραπάνω ςχζςθ είναι εμωανζσ ότι V V ( r ) 1 MeV είναι θ ενζργεια που χρειάηεται για να υπερνικθκεί b c n

13 το ωράγμα Coulomb. (θ ενζργεια αυτι αναωζρεται ςτο κζντρο μάηασ, δθλαδι κάκε ςωματίδιο ζχει ενζργεια περίπου 500 KeV). Αυτι θ ενζργεια αντιςτοιχεί ςε κερμοκραςίεσ (μζςω τθσ ςχζςθσ 3 E K T 9 περίπου T Kelvin. Θ κερμοκραςία όμωσ αυτι είναι δυο τάξεισ μεγζκουσ μεγαλφτερθ από τθ κερμοκραςία που παρατθροφμε ςτα άςτρα όπου γίνεται ςφντθξθ. Τθ λφςθ ςτο πρόβλθμα αυτό ζδωςε ο G. Gamow μζςω τθσ κβαντομθχανικισ, υποςτθρίηοντασ ότι υπάρχει μια μικρι πικανότθτα να ζχουμε ςφντθξθ με ενζργεια E EC. Το τετράγωνο τθσ κυματοςυνάρτθςθσ ενόσ ςωματιδίου [ r ( )] δίνει τθν πικανότθτα το ςωματίδιο να βρίςκεται ςε ζνα ςθμείο του χϊρου που ορίηει το r. Στον αςτζρα το ςωματίδιο πλθςιάηει το άλλο μζχρι μια ςυγκεκριμζνθ απόςταςθ, ςταματάει και (λόγω άπωςθσ Coulomb) ωεφγει πίςω. Στο ςθμείο αναςτροωισ r c το τετράγωνο τθσ κυματοςυνάρτθςθσ είναι [ ( rc )]. Τθ ςτιγμι όμωσ εκείνθ (πριν γυρίςει πίςω) ςτο ςθμείο n (πυρθνικι ακτίνα) το τετράγωνο τθσ κυματοςυνάρτθςθσ ζχει μια πολφ μικρι αλλά μετριςιμθ τιμι και άρα υπάρχει μια μικρι πικανότθτα να βρίςκεται ςε εκείνο το ςθμείο. Θ πικανότθτα να περάςει το ωράγμα Coulomb το ςωματίδιο και να ζχουμε ςφντθξθ δίνεται από τθ ςχζςθ: r ) P [ ( r [ ( r n c )] )] Σχιμα 3: Η κυματικι μορφι του ςωματιδίου Το ωαινόμενο αυτό ονομάηεται ωαινόμενο ςιραγγασ (quantum tunneling) και θ παραπάνω πικανότθτα προςεγγίηει τθ μονάδα για τιμζσ ενζργειασ κοντά ςτο ωράγμα Coulomb ενϊ μειϊνεται απότομα με τθ

14 μείωςθ τθσ κερμοκραςίασ αλλά παραμζνει πάλι μετριςιμθ ακόμα και για δυο τάξεισ μεγζκουσ χαμθλότερθ κερμοκραςία. Θ προάςπιςθ των πυρινων από τα θλεκτρόνια μειϊνει το ωράγμα Coulomb και άρα αυξάνεται θ πικανότθτα του ωαινομζνου ςιραγγασ. Κεωροφμε ς ζνα αςτρικό περιβάλλον δεδομζνθ κερμοκραςία Τ. Στο παρακάτω ςχιμα δίνεται θ κατανομι Maxwell-Boltzmann αυτισ τθσ κερμοκραςίασ (καμπφλθ 1) και θ πικανότθτα ωαινομζνου ςιραγγασ για δεδομζνου είδοσ πυρινων (καμπφλθ ). Θ πικανότθτα να γίνει ςφντθξθ εξαρτάται από το βακμό αλλθλοεπικάλυψθσ των καμπφλων (1) και () που θ ςυνειςωορά τουσ δίνει τθν καμπφλθ Gamow (3). Πςο μεγαλϊνει ο ατομικόσ αρικμόσ (Η), θ καμπφλθ () μετατοπίηεται προσ τα δεξιά (μικραίνει θ πικανότθτα ωαινομζνου ςιραγγασ). Άρα για δεδομζνθ κερμοκραςία, δθλαδι καμπφλθ (1), ο βακμόσ αλλθλοεπικάλυψθσ μειϊνεται και ζτςι θ καμπφλθ Gamow μετατοπίηεται και αυτι δεξιά με ταυτόχρονθ μείωςι τθσ (μικρι πικανότθτα ςφντθξθσ). H μετατόπιςθ αυτι προσ τα δεξιά ωαίνεται και από τθ ςχζςθ που δίνει τθν ενζργεια Gamow ( G 986 Z1 Z m m p E G ). E / (KeV) Σχιμα 4: Καμπφλθ (1) κατανομι Μ-Β, καμπφλθ () πικανότθτα φαινομζνου ςιραγγασ, (3) κορυφι Gamow

15 Πταν ζχουμε δεδομζνουσ πυρινεσ και πάμε ςε περιβάλλον με μεγαλφτερθ κερμοκραςία, θ καμπφλθ (1) μετατοπίηεται προσ τα δεξιά με αποτζλεςμα ο βακμόσ αλλθλοεπικάλυψθσ να μεγαλϊνει, πράγμα που ςθμαίνει μεγαλφτερθ πικανότθτα ςφντθξθσ. Γενικά, θ καμπφλθ Gamow κακορίηει το ρυκμό των αντιδράςεων. Σθμειϊνουμε πωσ ςτισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ παίρνουν μζροσ κυρίωσ οι πυρινεσ ςτθν ουρά τθσ κατανομισ Maxell-Boltzmann κακϊσ είναι οι πιο ενεργειακοί απ όλουσ. Πμωσ ζχουμε και τισ περιπτϊςεισ ςυντονιςμοφ ςυγκεκριμζνων ενεργειϊν όπου θ πικανότθτα για ωαινόμενο ςιραγγασ μεγαλϊνει απότομα. Τα όςα αναωζραμε πιο πάνω ιςχφουν για γενικζσ περιπτϊςεισ αντιδράςεων ςφντθξθσ. Από τισ πρϊτεσ αντιδράςεισ που ςκεωτόμαςτε ότι λαμβάνουν χϊρα ςε ζναν αςτζρα (ςφμωωνα και με το γεγονόσ ότι το υδρογόνο είναι αυτό που κυριαρχεί) είναι: p p He που είναι όμωσ πολφ αςτακζσ ςτοιχείο κακϊσ γυρνά αμζςωσ ςτθν αρχικι κατάςταςθ των δυο πρωτονίων (κα αναωζρεται ςυχνά το υδρογόνο ωσ πρωτόνιο, διότι ςτο περιβάλλον αυτό ζχουμε μόνο πυρινεσ χωρίσ δζςμια θλεκτρόνια, δθλαδι πλάςμα) που είναι ευςτακζςτερθ. Στθ ςυνζχεια, ψάχνοντασ άλλο δρόμο και με δεδομζνο ότι θ παραπάνω αντίδραςθ γίνεται δθμιουργϊντασ He, το οποίο όπωσ είπαμε ηει για πάρα πολφ μικρό χρονικό διάςτθμα, ζχουμε τθν αντίδραςθ: p 3 He Li το οποίο όμωσ πάλι είναι πολφ αςτακζσ και γριγορα γυρίηει ςτθν αρχικι του κατάςταςθ. Αυτό που καταλαβαίνουμε είναι ότι χρειαηόμαςτε ζναν πυρινα που κα είναι δθμιουργθμζνοσ από τθν πρϊτθ αντίδραςθ και κα περιζχει νετρόνια Μια προωανισ λφςθ κα ιταν θ εξισ αντίδραςθ: 4 p p p p He e v e

16 4 που παράγει το He που είναι ςτακερό αλλά θ ενεργόσ διατομι αυτισ τθσ αντίδραςθσ είναι δραματικά πολφ μικρι, πράγμα που τθν κάνει απίκανθ. Τθ λφςθ ςτο πρόβλθμα ζδωςε ο C. Weizsäcker το 1939 και θ αντίδραςθ που πρότεινε ιταν θ εξισ: p p D e v e Σφμωωνα με τθν αντίδραςθ αυτι ζνα πρωτόνιο τθν ϊρα τθσ αλλθλεπίδραςθσ μετατρζπεται ςε νετρόνιο με αςκενι αλλθλεπίδραςθ. Ξζρουμε ότι το πρωτόνιο είναι ελαωρφτερο από το νετρόνιο άρα θ αντίδραςθ εκ πρϊτθσ όψεωσ ωαίνεται ενδόκερμθ. Πμωσ ςτθ ςυγκεκριμζνθ περίπτωςθ το D (δευτζριο) είναι ςε χαμθλότερθ ενεργειακι κατάςταςθ (άρα ευςτακζςτερθ) απ ότι τα δυο πρωτόνια και άρα θ αντίδραςθ είναι τελικά εξϊκερμθ και ςυμωζρει τθ ωφςθ. Θ ενεργόσ διατομι αυτισ τθσ αντίδραςθσ είναι αρκετά μικρι και θ τιμι τθσ υπολογίηεται κεωρθτικά ( cm ). Και είναι τόςο μικρι διότι, εκτόσ από το γεγονόσ ότι τα πρωτόνια πρζπει να υπερνικιςουν τθν άπωςθ Coulomb, πρζπει εκείνθ τθ ςτιγμι να ζχουμε και αςκενι αλλθλεπίδραςθ. Το γεγονόσ αυτό οωείλεται και ςτο ότι το υδρογόνο δεν καίγεται γριγορα ςτα άςτρα και ζτςι αυτά ζχουν μεγάλουσ χρόνουσ ηωισ. Στθ ςυνζχεια αωοφ παραχκεί το D (δευτζριο) με τθν αντίδραςθ που περιγράψαμε, οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ προσ δθμιουργία 4 He γίνονται με ιςχυρζσ και θλεκτρομαγνθτικζσ αλλθλεπιδράςεισ που ζχουν αρκετά πιο μεγάλθ ενεργό διατομι, πράγμα που ςθμαίνει ότι γίνονται με ταχφτερο ρυκμό. Ραρακάτω παρουςιάηονται οι αντιδράςεισ για το 4 ςχθματιςμό He :

17 Σχιμα 5:Κφκλοσ πρωτονίου-πρωτονίου Ζτςι, όπωσ ωαίνεται ςτο παραπάνω ςχιμα, ζχουμε τθ μετατροπι τεςςάρων πρωτονίων ςε 4 He και δυο πρωτόνια. Ο κφκλοσ αυτόσ παράγει ςυνολικι ενζργεια 6.73 ΜeV εκ των οποίων τα 0.53 ΜeV διαωεφγουν από το άςτρο μζςω των δυο νετρίνο που παράγονται κατά τθ μετατροπι των δυο πρωτονίων ςε δευτζριο. Υπάρχουν ωςτόςο και άλλοι δυο εναλλακτικοί κφκλοι για τθν παραγωγι του 4 He που απαιτοφν όμωσ πάλι τθν πρϊτθ αντίδραςθ. Ωςτόςο, θ παρουςίαςθ των εναλλακτικϊν κφκλων ξεπερνά τα όρια αυτισ τθσ εργαςίασ. Υπάρχουν αςτζρεσ μεταγενζςτεροι που δθμιουργικθκαν ςφμωωνα με τα όςα αναωζραμε παραπάνω, αλλά με τθ διαωορά ότι περιείχαν και πιο βαριά ςτοιχεία τα οποία βρζκθκαν ςτο μεςοαςτρικό χϊρο από εκριξεισ παλαιοτζρων αςτζρων (supernovae). Τα ςτοιχεία αυτά 4 μποροφν να λειτουργιςουν καταλυτικά για τθν παραγωγι He και ζνασ τζτοιοσ μθχανιςμόσ προτάκθκε από τουσ Θ. Bethe και C. Weizsäcker, ονομαηόμενοσ κφκλοσ CNO:

18 Σχιμα 6:Κφκλοσ CNO Ππωσ παρατθροφμε από το παραπάνω ςχιμα, βλζπουμε ότι ζχουμε τθ μετατροπι τεςςάρων πρωτονίων με τθ βοικεια του 1 4 C ςε He 4 κακϊσ και δυο ποηιτρόνια και δφο νετρίνο. Αωοφ παραχκεί το He, υπάρχει μια ςειρά αντιδράςεων ςφντθξθσ διάωορων ςτοιχείων ζωσ ότου ωτάςουμε ςτο ςίδθρο, ο οποίοσ είναι το ευςτακζςτερο των ςτοιχείων.

19 Σχθματικά παρουςιάηεται παρακάτω θ ςειρά αυτϊν των αντιδράςεων: Σχιμα 7:Η ςειρά ςφντθξθσ των ςτοιχείων ςε ζναν αςτζρα Τζλοσ ο ςίδθροσ είναι πολφ ςτακερόσ για να αρχίςει να καίγεται, γι αυτό ςυςςωρεφεται και ο πυρινασ ςιδιρου ςυνεχίηει να αυξάνεται. Υπάρχει, ωςτόςο, ζνα όριο μάηασ (όριο Chandrasekhar) πάνω από το οποίο ο πυρινασ ςιδιρου δεν μπορεί να μεγαλϊςει, κακϊσ θ βαρφτθτά του γίνεται πολφ υψθλι για να μπορζςει να τθν υποςτθρίξει. Σ αυτό το ςθμείο, μια καταςτροωικι κατάρρευςθ (με τα εξωτερικά ςτρϊματα του πυρινα να πλθςιάηουν ταχφτθτεσ μζχρι και 50 εκατομμυρίων km/h) ςυρρικνϊνει τον πυρινα, μζχρι θ μάηα που πζωτει να αναπθδιςει και όλθ θ ενζργεια να μεταωερκεί ςτα εξωτερικά ςτρϊματα, ςε μια γιγαντιαία ζκρθξθ (supernovae) όπου διαςπείρει όλα τα ςτοιχεία του (τα βαρφτερα δθμιουργοφνται κατά τθν ϊρα τθσ ζκρθξθσ) ςτο μεςοαςτρικό χϊρο.

20 Σφντηξη ςτη Γη Ζχουν γίνει πολλζσ ζρευνεσ αναωορικά με τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ που μποροφν να λάβουν χϊρα ςε τεχνθτό από τον άνκρωπο περιβάλλον είτε ανεξζλεγκτεσ για τθ δθμιουργία όπλων είτε ελεγχόμενεσ για τθν παραγωγι ενζργειασ, αωοφ όπωσ κα δοφμε, οι ποςότθτεσ ενζργειασ που εκλφονται από τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ είναι μεγάλεσ. Ζνα από τα βαςικά καφςιμα αυτϊν των αντιδράςεων είναι το δευτζριο που είναι ιςότοπο του υδρογόνου αποτελοφμενο από ζνα πρωτόνιο και ζνα νετρόνιο. Είναι ςτακερό και βρίςκεται ςτο νερό ςε αναλογία ζνα άτομο δευτερίου ανά 6700 μόρια νεροφ. Ζνα άλλο καφςιμο είναι το τρίτιο που είναι και αυτό ιςότοπο του υδρογόνου και αποτελείται από δυο νετρόνια και ζνα πρωτόνιο. Είναι ραδιενεργό ( T 1,34 χρόνια ) και δεν ςυναντάται ςτθ ωφςθ. Το παραςκευάηουμε 1/ 6 κυρίωσ με βομβαρδιςμό του Li με νετρόνια. Επίςθσ, μεγάλεσ ποςότθτεσ τριτίου υπάρχουν ςτθ Σελινθ οι οποίεσ παράγονται από τισ αντιδράςεισ που ςυμβαίνουν ςτθν επιωάνειά τθσ λόγω τθσ μεγάλθσ ροισ τθσ κοςμικισ ακτινοβολίασ ς αυτι, κακϊσ θ Σελινθ δεν ζχει οφτε ατμόςωαιρα, οφτε ιςχυρό μαγνθτικό πεδίο για να τθν ανακόψει. Από τισ πιο ςθμαντικζσ αντιδράςεισ που ζχουν μελετθκεί είναι οι εξισ: 4 D T He (3.56MeV ) n (14.1MeV ) D D T ( 1.01MeV ) p (3.03MeV ) 3 D D He (0.8MeV ) n (.4MeV ) 4 D D He 3. 85eV 4 T T He n 11. 5MeV D He 3 4 He (3.71MeV ) p(14.64mev ) Οι αντιδράςεισ αυτζσ λόγω του μικροφ ατομικοφ αρικμοφ (Η) των πυρινων που παίρνουν μζροσ, ζχουν μικρι ενζργεια Gamow, οπότε θ πικανότθτα για ωαινόμενο ςιραγγασ είναι ικανοποιθτικι. Από τισ πιο

21 χαρακτθριςτικζσ αντιδράςεισ είναι αυτι του δευτερίου με το τρίτιο, διότι ζχει τθ μεγαλφτερθ ενεργό διατομι. Θ μζγιςτθ τιμι τθσ ωτάνει ςτα 5 barn για ενζργεια 64 KeV (Τ= Kelvin) και θ ενζργεια που απελευκερϊνεται είναι περίπου 17.6 ΜeV που είναι αρκετά ικανοποιθτικόσ αρικμόσ. Στισ αντιδράςεισ δευτερίου-δευτερίου υπάρχουν ίςεσ πικανότθτεσ για τισ διάωορεσ καταςτάςεισ που προκφπτουν. Σε ενζργειεσ περίπου ΚeV θ ενεργόσ διατομι είναι 100 ωορζσ μικρότερθ από αυτι τθσ αντίδραςθσ δευτερίου-τριτίου, ενϊ αυτι που το παράγωγό τθσ είναι ιλιο και ζνα ωωτόνιο γάμμα, ζχει 10 4 μικρότερθ ενεργό διατομι απ όςο οι άλλεσ αν και ελευκερϊνει πολφ μεγάλο ποςό ενζργειασ. Υπάρχουν και αντιδράςεισ ςφντθξθσ όπου παίρνουν μζροσ άλλα ελαωριά ςτοιχεία, όπωσ το λίκιο και το βόριο. Αυτζσ είναι: D Li He He. 4MeV p 6 Li 4 He 3 (1.7 MeV ) He (.3MeV ) p Li He He MeV p B He He He 8. 68MeV He He He p 1. 86MeV Οι αντιδράςεισ αυτζσ λόγο του ςχετικά μεγάλου ατομικοφ αρικμοφ (Η) των πυρινων που παίρνουν μζροσ, ζχουν μεγάλθ ενζργεια Gamow, οπότε θ πικανότθτα για ωαινόμενο ςιραγγασ μειϊνεται. Ενδιαωζρουςα είναι θ αντίδραςθ πρωτονίου με βόριο, διότι δθμιουργείται μόνο ιλιο και κανζνα άλλο ραδιενεργό κακϊσ επίςθσ ζχει μεγάλθ ενεργό διατομι. Θ ενεργόσ διατομι τθσ αντίδραςθσ αυτισ παρουςιάηεται μζγιςτθ ςτθν ενζργεια περίπου των 800 ΚeV με τιμι περίπου 1 barn ενϊ θ αμζςωσ επόμενθ ικανοποιθτικι τιμι είναι ςε ενζργεια 150 ΚeV, θ οποία είναι περίπου 0.1 barn.

22 Στισ αντιδράςεισ που ζχουμε δυο προϊόντα θ ενζργεια μοιράηεται ςφμωωνα με τθ μάηα του κακενόσ. Είναι ςθμαντικό να ξζρουμε τισ ενεργζσ διατομζσ των παραπάνω αντιδράςεων για τισ διάωορεσ ενζργειεσ ϊςτε να μποροφμε να ωτιάξουμε με τα κατάλλθλα χαρακτθριςτικά, όπωσ τα καφςιμα, ζναν αντιδραςτιρα ςφντθξθσ. Σχιμα 8: Ενεργόσ διατομι ςυνάρτθςθ τθσ ενζργειασ ςτο κζντρο μάηασ

23 Η αντίδραςη D-T Ππωσ είδαμε θ ενεργόσ διατομι τθσ D-T αντίδραςθσ είναι θ μεγαλφτερθ με τιμι 5 barn και ςτθν ςχετικά χαμθλι ενζργεια των 64 KeV. Το γεγονόσ αυτό προωανϊσ κάνει το δευτζριο και το τρίτιο τα καταλλθλότερα καφςιμα για τουσ αντιδραςτιρεσ ςφντθξθσ κακϊσ ςε χαμθλζσ κερμοκραςίεσ (όςο πιο χαμθλζσ είναι τόςο πιο εφκολο να δθμιουργθκοφν) θ πικανότθτα να ςυντθχκοφν οι δυο πυρινεσ είναι αρκετά μεγάλθ γεγονόσ που αυξάνει όπωσ κα δοφμε παρακάτω τον ρυκμό με τον οποίο γίνονται οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ που είναι και ο βαςικόσ μασ ςτόχοσ για τθν παραγωγι ενζργειασ. 5 Πταν το δευτζριο με το τρίτιο ςυντικονται αρχικά ςχθματίηεται He το οποίο είναι πάρα πολφ αςτακζσ και ςε πάρα πολφ μικρό διάςτθμα διαςπάται ςε ζνα πυρινα θλίου και ζνα νετρόνιο.3 Σχιμα 9 : D-T αντίδραςθ Ο πυρινασ θλίου ζχοντασ κετικό ωορτίο αλλθλεπιδρά ζντονα μζςω δυνάμεων Coulomb με τουσ γφρω πυρινεσ του κοντά ςτο ςθμείο που ζγινε θ ςφντθξθ εναποκζτοντασ τθν ενζργεια του ςε αυτοφσ βοθκϊντασ ζτςι ςτθν διατιρθςθ τθσ κερμοκραςίασ του μίγματοσ δευτερίου-τριτίου ϊςτε να ςυνεχιςτοφν οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ. Το νετρόνιο κακϊσ αωόρτιςτο ζχει μεγαλφτερθ ελευκζρα διαδρομι και ζτςι μεταωζρει τθν ενζργεια του μζςω κροφςεων μακριά από το ςθμείο τθσ ςφντθξθσ και θ ενζργεια του είναι αυτι που εκμεταλλευόμαςτε ςε ζναν αντιδραςτιρα ςφντθξθσ θ οποία μετατρζπεται ςτθν ςυνζχεια ςε κερμικι ενζργεια και με γνωςτζσ μεκόδουσ παράγουμε θλεκτρικό ρεφμα.

24 Παραγωγή δευτερίου και τριτίου Ππωσ αναωζραμε προθγοφμενοσ το δευτζριο και το τρίτιο είναι τα βαςικά προσ ςφντθξθ ςτοιχεία για ζναν αντιδραςτιρα ςφντθξθσ κακϊσ θ ενεργόσ διατομι ςφντθξισ τουσ είναι θ μεγαλφτερθ, οπότε ο τρόποσ παραγωγισ τουσ είναι μια διαδικαςία που μασ ενδιαωζρει. Το δευτζριο ( H ι D) το οποίο ονομάηεται και βαρφ υδρογόνο, είναι ζνα ςτακερό ιςότοπο του υδρογόνου αποτελοφμενο από ζνα πρωτόνιο και ζνα νετρόνιο. Θ ωυςικι του αναλογία είναι 1 άτομο δευτερίου ςε κάκε 640 άτομα υδρογόνου ςτο νερό των ωκεανϊν (33mg ανά λίτρο). Επειδι το δευτζριο καίγεται ςε αντιδράςεισ ςφντθξθσ ςτο εςωτερικό των άςτρων με μεγαλφτερο ρυκμό από ότι παράγεται (από τθν πρωταρχικι αντίδραςθ ςφντθξθσ δυο πρωτονίων ςε ζναν αςτζρα) και επειδι θ ποςότθτα που παράγεται από ωυςικζσ διεργαςίεσ είναι πολφ μικρι πιςτεφουμε πωσ το δευτζριο που ςυναντάμε ςτθν ωφςθ δθμιουργικθκε ςτθν μεγάλθ ζκρθξθ (Big Bang) όταν πρωτόνια και νετρόνια που δθμιουργικθκαν ςτθν αρχζγονθ ςοφπα ςωματιδίων ενϊκθκαν κακϊσ αυτι κρφωνε λόγω διαςτολισ του ςφμπαντοσ Θ βαςικι μζκοδοσ για τθν παραγωγι δευτερίου είναι ο διαχωριςμόσ του από το νερό μζςω θλεκτρόλυςθσ. Αυτι θ μζκοδοσ βαςίηεται ςτο γεγονόσ κατά τθν θλεκτρόλυςθ θ ροι εκκζνωςθσ του H είναι μεγαλφτερθ αυτισ του D με αποτζλεςμα τθν απομόνωςθ και ςυςςϊρευςθ του D ςτον θλεκτρολφτθ. Ζτςι ςτο νερό που μζνει είναι βαρφ νερό (εωόςον ζχει μόνο δευτζριο) το οποίο πάλι με διαδικαςία θλεκτρόλυςθσ διαχωρίηουμε από το οξυγόνο. Θ διαδικαςία αυτι πλζον ζχει γίνει αρκετά κατανοθτι και γίνεται ςε μεγάλθ κλίμακα από βιομθχανίεσ. Θ τιμι του είναι περίπου 4000 ευρϊ το 1kg.

25 Θ μζκοδοσ αυτι εωαρμόςτθκε πρϊτθ ωορά από τον ωυςικοχθμικό G.Lewis. Επίςθσ ο R.Hertz κατάωερε να απομονϊςει δευτερίο χρθςιμοποιϊντασ μια διαωορετικι μζκοδο κατά τθν οποία αζριο υδρογόνου διαχεόταν ςε πορϊδεισ ςωλινεσ όπου ςυςςωρευόταν το δευτζριο. Θ διαδικαςία αυτι όμωσ δεν μπορεί να παράγει τόςο μεγάλεσ ποςότθτεσ όςο θ μζκοδοσ τθσ θλεκτρόλιςθσ. To τρίτιο ( 3 H ι Τ) είναι ζνα ραδιενεργό ιςότοπο του υδρογόνου με χρόνο θμιηωισ 1.3 χρόνια, αποτελοφμενο από ζνα πρωτόνιο και δυο νετρόνια. Θ ωυςικι του αναλογία ςτθν Γθ είναι πολφ μικρι και παράγεται από αντιδράςεισ τθσ κοςμικισ ακτινοβολίασ με τθν ατμόςωαιρα, για αυτόν τον λόγω αναπτφξαμε κάποιεσ τεχνθτζσ μεκόδουσ παραγωγισ του. Υπάρχουν δυο τρόποι παραγωγισ τριτίου οι οποίοι περιλαμβάνουν αντιδράςεισ με επιταχυνόμενα νετρόνια που προςπίπτουν ςε ςυγκεκριμζνο ςτόχο. Για να δθμιουργιςουμε δζςμθ νετρονίων υψθλισ ενζργειασ επιταχφνουμε αρχικά πρωτόνια με επιταχυντζσ (πράγμα που δεν γίνεται να κάνουμε για νετρόνια κακϊσ είναι αωόρτιςτα) δίνοντασ τουσ μεγάλθ ενζργεια και τα οδθγοφμε ςε ςτόχο βολωραμίου όπου χτυποφν εκδιϊκουν από τον πυρινα άλλα πρωτόνια και νετρόνια (άμεςεσ αλλθλεπιδράςεισ). Με τθν ςειρά τουσ αυτά χτυποφν άλλα γειτονικοφσ πυρινεσ και εκδιϊκουν περεταίρω πρωτόνια και νετρόνια και οφτω κακεξισ. Ζτςι δθμιουργοφμε μια κατάλλθλθ ροι ενεργειακϊν νετρονίων (τα πρωτόνια τα κόβουμε απλά βάηοντασ ζνα μαγνθτικό πεδίο) ιδανικι για ςυγκροφςεισ ςε ςτόχουσ για τθν παραγωγι τριτίου. Για τθν παραγωγι δζςμθσ νετρονίων με αυτόν τον τρόπο υπάρχει και θ 7 7 αντίδραςθ p Li Be n. Επίςθσ παραγωγι ενεργειακισ δζςμθσ νετρονίων μποροφμε να ζχουμε με τθν πρόςπτωςθ πυρινων δευτερίου ςε βθρφλλιο όπου το πρωτόνιο του δευτερίου αλλθλεπιδρά με τον πυρινα του βθρυλλίου και επιτρζπει το νετρόνιο να ςυνεχίςει τθν κίνθςθ του προσ τθν μπροςτινι κατεφκυνςθ (διαδικαςία stripping που ανικει ςτισ άμεςεσ αλλθλεπιδράςεισ). Μια άλλθ πθγι νετρονίων 35 ζχουμε από αντιδράςεισ ςχάςθσ U τα οποία καλοφνται ταχζα νετρόνια (1ΜeV) και λόγω τθσ μικρισ ενεργοφ διατομισ ςε αυτιν τθν 35 ενζργεια για τθν ςχάςθ άλλου πυρινα U διαωεφγουν δθμιουργϊντασ μια ροι νετρονίων που τθν χρθςιμοποιοφμε για τθν παραγωγι τριτίου.

26 Θ διαδικαςία αυτι λαμβάνει χϊρα ςε ζναν πυρθνικό αντιδραςτιρα ςχάςθσ. Οι βαςικζσ αντιδράςεισ παραγωγισ τριτίου είναι θ εξισ : n 6 Li T(.75MeV ) 4 He(.05MeV ) 7 4 n Li T He n. 44MeV n 10 B T 4 He. 44MeV Οι δυο τελευταίεσ αντιδράςεισ γενικά δεν προτιμοφνται κακϊσ για να λάβουν χϊρα τα νετρόνια πρζπει να είναι αρκετά ενεργειακά πράγμα που δεν είναι εφκολο να επιτευχκεί. Ραραγωγι τριτίου ζχουμε και ςε πυρθνικοφσ αντιδραςτιρεσ βαρίου φδατοσ D O (το οποίο χρθςιμοποιείται ωσ επιβραδυντισ των νετρονίων που παράγονται από τισ αντιδράςεισ ςχάςθσ του ουρανίου) όπου ζνασ πυρινασ δευτερίου προςλαμβάνει ζνα νετρόνιο και ςχθματίηει τρίτιο. Θ ενεργόσ διατομι αυτισ τθσ αντίδραςθσ είναι πολφ μικρι και ζτςι παράγονται μικρζσ ποςότθτεσ τριτίου το οποίο αωαιροφμε από τον αντιδραςτιρα για λόγουσ προςταςίασ του περιβάλλοντοσ.

27 Παραγωγή ενζργειασ από τη ςφντηξη Το βαςικό καφςιμο για τθ ςφντθξθ είναι το δευτζριο που όπωσ αναωζραμε βρίςκεται ςτο νερό, το βαςικότερο ςτοιχείο ςτον πλανιτθ μασ. Αυτό, ςε ςυνδυαςμό με τα μεγάλα ποςά ενζργειασ που απελευκερϊνονται κατά τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ, κάνει τθ ςφντθξθ τθν ιδανικότερθ πθγι ενζργειασ για τθν ανκρωπότθτα. Σφμωωνα με υπολογιςμοφσ του πανεπιςτθμίου του Princeton οι δυο πάνω ίντςεσ τθσ επιωάνειασ τθσ λίμνθσ Erie ςτθ βόρεια Αμερικι περιζχουν δευτζριο όπου θ καφςθ του ιςοδυναμεί με 1.6 ωορζσ τθν ενζργεια που απελευκερϊνεται από τθν καφςθ όλων των αποκεμάτων πετρελαίου τθσ γθσ. Ζνα άλλο παράδειγμα είναι ότι μόνο το 1% του 40 δευτερίου που περιζχεται ςτου ωκεανοφσ περιζχει 10 άτομα δευτερίου τα οποία, αν τα χρθςιμοποιιςουμε για να παράγουμε τρίτιο, 5 θ ενζργεια που απελευκερϊνεται είναι 5 10 ωορζσ μεγαλφτερθ από αυτι όλων των ορυκτϊν καυςίμων τθσ Γθσ. Ζνασ τόνοσ δευτζριο που χρθςιμοποιείται ςε ςφντθξθ με τρίτιο απελευκερϊνει ενζργεια ίςθ με τόνουσ άνκρακα. Ο υπολογιςμόσ τθσ ενζργειασ που απελευκερϊνεται από μια αντίδραςθ ςφντθξθσ είναι πολφ απλόσ και όπωσ αναωζρκθκε και ςτισ εξϊκερμεσ αντιδράςεισ είναι θ διαωορά των μαηϊν τθσ αρχικισ και τθσ τελικισ κατάςταςθσ: Q ( m m ) c ή ή Για παράδειγμα, ασ υπολογίςουμε τθν ενζργεια που απελευκερϊνεται κατά τθν αντίδραςθ δευτερίου-τριτίου που είναι και από τισ πιο ςθμαντικζσ όπωσ αναωζραμε. H μάηα του δευτερίου και του τριτίου που είναι οι προσ ςφντθξθ πυρινεσ είναι m D m T u MeV / c ). Άρα θ αρχικι μάηα είναι m ή u u και u αντίςτοιχα (όπου. Θ μάηα του θλίου και του νετρονίου είναι m He u και m n u. Άρα θ τελικι μάηα είναι m ή u. Οπότε θ διαωορά μάηασ τουσ είναι m m m u ή ή. Άρα από τθν παραπάνω ςχζςθ ζχουμε:

28 Q ( m ή m ή) c Q ( MeV / c ) c Q MeV H ενζργεια αυτι που απελευκερϊνεται, εμωανίηεται με τθ μορωι κινθτικισ ενζργειασ που ζχουν τα προϊόντα τθσ αντίδραςθσ. Ο ρυκμόσ που γίνονται οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ δίνεται από τθν παρακάτω ςχζςθ: R n1 n 1 1 όπου n 1 και n είναι οι πυκνότθτεσ των προσ ςφντθξθ πυρινων, 1 θ ενεργόσ διατομι τθσ αντίδραςθσ των πυρινων 1 και, u είναι θ μζςθ ταχφτθτα των πυρινων. Το R1 ζχει μονάδεσ μζτρθςθσ ά ύ / cm 3 sec ond. u τφπου: Αναπτφςςοντασ τον όρο u ωτάνουμε ςε μια ςχζςθ του 1 R 1 N 1 N e 1 6 Z Z A 4.48( ) T 10 1/3 Από τθν παραπάνω ςχζςθ είναι προωανζσ ότι ο ρυκμόσ αλλθλεπιδράςεων εξαρτάται από τθ κερμοκραςία (ανάλογα) και από το ατομικό αρικμό (Η) των πυρινων (αντίςτροωοσ ανάλογα). Ο ρυκμόσ παραγωγισ ενζργειασ δίνεται από τθν παρακάτω ςχζςθ: R E R 1 1 Q1 Ππου Q 1 είναι το ποςό ενζργειασ που εκλφεται από τθ ςφντθξθ των πυρινων 1 και. Μετριζται ςε MeV / cm 3 sec ond. Μποροφμε εφκολα να υπολογίςουμε τθν ενζργεια που απελευκερϊνεται για μια ςυγκεκριμζνθ μάηα ςτοιχείων που χρθςιμοποιοφνται ςε αντιδράςεισ ςφντθξθσ.

29 Ξζρουμε ότι το ΜΒ (μοριακό βάροσ) ενόσ ςτοιχείου περιζχει N A (αρικμόσ Avogadro) αρικμό ατόμων. Άρα για μια ςυγκεκριμζνθ μάηα m 1 κα ζχουμε αρικμό πυρινων N n (εωόςον μιλάμε για πυρθνικζσ αντιδράςεισ μασ ενδιαωζρει ο πυρινασ οπότε δεν κα αναωζρουμε τθν λζξθ άτομο): N n m1 N MB 1 A Θ μάηα του άλλου ςτοιχείου κα δίνεται από τθν αναλογία του μοριακοφ βάρουσ των δυο ςτοιχείων εωόςον ο αρικμόσ πυρινων των δυο ςτοιχείων πρζπει να είναι ίδιοσ: m N MB A N n m1 N MB 1 A m m1 MB MB 1 Θ ενζργεια που απελευκερϊνεται για ςυγκεκριμζνθ μάηα δίνεται από τθν παρακάτω απλι ςχζςθ: κα E m N n Q όπου Q θ ενζργεια που απελευκερϊνεται από τθν ςφντθξθ των πυρινων 1 και. Για τθν αντίδραςθ D-T θ οποία ζχει τθν πιο ικανοποιθτικι τιμι ενεργοφ διατομισ και άρα είναι θ κφρια αντίδραςθ για τουσ αντιδραςτιρεσ ςφντθξθσ θ ςχζςθ γίνεται: E md m N D A QDT και MBD m T m D MB MB D T Με αντικατάςταςθ ζχουμε: E md m 11 D ( g) Joules m T 1. 5 m D

30 Με πολφ απλό τρόπο μποροφμε να υπολογίςουμε τθν ενζργεια που κα ζχουν τα προϊόντα μζςω τθσ αρχισ διατιρθςθσ τθσ ορμισ Αρχ. διατ. ορμισ a n n a n n a a m u m u u m u m Θ κινθτικι ενζργεια των α δίνεται από τθν ςχζςθ 1 a a a u m K αντικακιςτϊντασ από τθν παραπάνω ςχζςθ ζχουμε a n n n a a n n a a m m u m K m u m m K 1 1 a n n a m m K K Ο λόγοσ a n m m υπολογίηεται εφκολα και δίνει μια τιμι 0,65 Οπότε ζχουμε ότι n a K K Θ ενζργεια που απελευκερϊνεται από τθν αντίδραςθ ςφντθξθσ εμωανίηεται ωσ κινθτικι ενζργεια των προϊόντων και ζτςι ιςχφει θ ςχζςθ K a K n Q n n n K Q K K Q Γνωρίηοντασ ότι θ ενζργεια που απελευκερϊνεται ςυνολικά είναι περίπου 17.6 MeV κάνουμε τισ πράξεισ και βρίςκουμε τθν κινθτικι ενζργεια που ζχουνε τα νετρόνια ίςθ με 14.1 MeV και τα ςωμάτια α ίςθ με 3.5 MeV

31 Πλάςμα και απώλεια ενζργειασ Το πλάςμα είναι μια κατάςταςθ που χαρακτθρίηει τθν φλθ ςτθν οποία αυτι είναι πλιρωσ ιονιςμζνθ. Είναι ζνα αζριο μεγάλθσ κερμοκραςίασ που αποτελείται από πυρινεσ ατόμων και ελεφκερα θλεκτρόνια (ςυχνά κα αναωζρονται ωσ ςωματίδια). Λόγω τθσ μεγάλθσ κερμοκραςίασ, τα θλεκτρόνια δεν μποροφν να δεςμευτοφν από τουσ πυρινεσ και γι αυτό είναι ελεφκερα. Το πλάςμα είναι θ ιδανικι κατάςταςθ τθσ φλθσ για να λάβουν χϊρα αντιδράςεισ ςφντθξθσ εξ αιτίασ τθσ μεγάλθσ κινθτικισ ενζργειασ που ζχουν οι πυρινεσ. Άρα καταλαβαίνουμε πόςο ςθμαντικι είναι θ ζρευνα για τθν ανάπτυξθ τθσ ωυςικισ του πλάςματοσ. Τα αςτζρια είναι ζνα καλό παράδειγμα όπου θ κατάςταςθ τθσ φλθσ είναι πλάςμα. Στο πλάςμα δεν ζχουν όλα τα ςτοιχεία του τθν ίδια κερμοκραςία αλλά ακολουκοφν μια κατανομι Maxwell-Boltzmann. Ππωσ αναωζραμε, το πλάςμα (κυρίωσ ςε μεγάλεσ κερμοκραςίεσ) είναι πλιρωσ ιονιςμζνο. Σ ζνα τζτοιο πλάςμα που ζχει τόςα πολλά ωορτιςμζνα ςωματίδια (πυρινεσ και θλεκτρόνια), μεγάλα ποςά ενζργειασ χάνονται από ακτινοβολία πζδθςθσ (bremsstrahlung), δθλαδι ακτινοβολία θ οποία παράγεται, όταν ωορτιςμζνα ςωματίδια αλλάηουν πορεία απότομα λόγω των δυνάμεων Coulomb που αναπτφςςονται μεταξφ τουσ (τροχιά θλεκτρονίου που περνά κοντά από ζναν πυρινα). Σε κερμοκραςίεσ που αντιςτοιχοφν ςε ενζργειεσ μεγαλφτερεσ περίπου από τα 50 KeV θ απϊλεια ενζργειασ από ακτινοβολία πζδθςθσ αυξάνει αρκετά. Κεωρθτικά θ απϊλεια ενζργειασ του πλάςματοσ από αυτόν το λόγο κα μποροφςε να μειωκεί, εάν οι διαςτάςεισ του ςυςτιματοσ ιταν μεγαλφτερεσ από αυτι τθσ μζςθσ ελευκζρασ διαδρομισ του ωωτονίου που δθμιουργείται από τθν ακτινοβολία πζδθςθσ, ϊςτε να αλλθλεπιδράςει αυτό πριν διαωφγει από το πλάςμα. Αυτό ςθμαίνει 8 διαςτάςεισ ςυςτιματοσ περίπου 10 cm, τιμι που αυξάνει με τθν πυκνότθτα του πλάςματοσ λόγω τθσ αυξθμζνθσ ακτινοβολίασ πζδθςθσ από το μεγάλο αρικμό ςωματιδίων. Σ ζνα τόςο μεγάλο ςφςτθμα που απαιτεί πολφ μεγάλεσ ποςότθτεσ καυςίμων, οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ κα μποροφςαν να είναι αυτόνομεσ, δθλαδι να μθν χρειάηονται παροχι επιπλζον ενζργειασ ςτο πλάςμα από εξωτερικζσ πθγζσ για τθ διατιρθςι

32 τουσ. Ζνασ τζτοιοσ αντιδραςτιρασ, όπωσ καταλαβαίνουμε, είναι εξωπραγματικόσ. Μια άλλθ αιτία απϊλειασ ενζργειασ είναι θ ακτινοβολία μζλανοσ ςϊματοσ που κα ζχει το ςφςτθμα, που είναι ανάλογθ με τθ κερμοκραςία του. Αρχικά οι πρϊτεσ αντιδράςεισ ςφντθξθσ απελευκερϊνουν ενζργεια που απορροωάται από το ςφςτθμα, με αποτζλεςμα τθν αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ του και των ενεργϊν διατομϊν των αντιδράςεων (ανάλογεσ με τθν ενζργεια), πράγμα που ςθμαίνει ότι αυξάνεται ο ρυκμόσ των αντιδράςεων και ζτςι αυξάνει όλο και περιςςότερο θ κερμοκραςία και ακολοφκωσ θ ακτινοβολία μζλανοσ ςϊματοσ. Εάν το ςφςτθμα είναι αρκετά μεγάλο, ωτάνουμε ς ζνα ςθμείο όπου όςθ ενζργεια δθμιουργείται από τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ, τόςθ χάνεται από τθν ακτινοβολία μζλανοσ ςϊματοσ. Αυτό κα ιταν ζνασ αυτόνομοσ αντιδραςτιρασ ςφντθξθσ όπου θ ακτινοβολία μζλανοσ ςϊματοσ κα ιταν θ ενζργεια που κα εκμεταλλευόμαςταν. Το μζγεκοσ ενόσ τζτοιου αντιδραςτιρα μπορεί να υπολογιςτεί ζχοντασ ςχιμα ςωαιρικό με ακτίνα που δίνεται από τθν παρακάτω ςχζςθ: r N 6 a T D 4 Q όπου N D 4 Q είναι ο ρυκμόσ παραγωγισ ενζργειασ, a T είναι ο νόμοσ Stefan-Boltzmann για ενζργεια που εκπζμπει το μζλαν ςϊμα. Για κερμοκραςία περίπου 10 ΚeV θ ιςχφσ τθσ ακτινοβολίασ κα 1 είναι περίπου 10 watts / cm. Αυτό όμωσ δθμιουργεί τεράςτιεσ πιζςεισ προσ τα ζξω. Στουσ αςτζρεσ, αυτιν τθ μεγάλθ πίεςθ τθν εξιςορροποφν οι βαρυτικζσ δυνάμεισ που δθμιουργοφνται από τισ τεράςτιεσ ποςότθτεσ μάηασ. Συμπεραίνουμε λοιπόν πωσ είναι ςχεδόν αδφνατο να δθμιουργιςουμε ζναν τζτοιο αντιδραςτιρα, διότι δεν μποροφμε να εξιςορροπιςουμε τθν τόςθ μεγάλθ πίεςθ που δθμιουργείται ς ζναν αντιδραςτιρα του είδουσ που περιγράψαμε πιο πάνω. Αυτό είναι ζνα απ τα μεγαλφτερα προβλιματα που αντιμετωπίηουμε για τθν καταςκευι αντιδραςτιρα ςφντθξθσ που κα λειτουργεί αυτόνομα, δθλαδι χωρίσ να του παρζχουμε διαρκϊσ

33 ενζργεια για τθ ςυντιρθςι του. Θ πρόκλθςθ είναι θ καταςκευι ενόσ αντιδραςτιρα όπου οι απϊλειεσ από τθν ακτινοβολία πζδθςθσ κα μειωκοφν χωρίσ ςυγχρόνωσ να χρειάηεται ζνασ τόςο μεγάλοσ αντιδραςτιρασ, που είναι πρακτικά αδφνατο ςτθ καταςκευι του. Σχιμα 10: Η πίεςθ που πθγάηει προσ τα ζξω από το εςωτερικό του αςτζρα αντιςτακμίηεται από τθ βαρφτθτα τθσ υπερκείμενθσ μάηασ του

34 Σφντηξη με μαγνητική δζςμευςη (magnetic confinement) Σε μια μαγνθτικι παγίδα το πλάςμα ςυγκρατείται με τθ βοικεια μαγνθτικϊν πεδίων. H ιδζα ςτθρίηεται ςτο γεγονόσ ότι τα ωορτιςμζνα ςωματίδια του πλάςματοσ κινοφνται πάνω ςτισ μαγνθτικζσ γραμμζσ του πεδίου και ζτςι μποροφμε να τα ςυγκρατιςουμε ς ζνα ςυγκεκριμζνο χϊρο που κζλουμε χωρίσ να ακουμπά ςε κάποιο υλικό (διότι δεν ζχουμε υλικό που μπορεί να αντζξει τόςο μεγάλεσ κερμοκραςίεσ) και ζτςι μποροφμε με διάωορεσ τεχνικζσ που κα δοφμε παρακάτω, να του ανεβάςουμε τθ κερμοκραςία ϊςτε να ξεκινιςουν οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ. Θ πυκνότθτα του πλάςματοσ ςε αυτοφ του είδουσ αντιδραςτιρα είναι πολφ μικρι, με τιμι par / cm που είναι περίπου 1000 ωορζσ μικρότερθ απ αυτι του αζρα ςε κερμοκραςία δωματίου. Υπάρχουν δυο τφποι μαγνθτικισ δζςμευςθσ, θ κατοπτρικι (ανοιχτι) και θ δακτυλιοειδι (κλειςτι). Στον κατοπτρικό τφπο μαγνθτικισ παγίδευςθσ θ βαςικι ιδζα είναι ότι τα ωορτιςμζνα ςωματίδια ακολουκοφν μια ςπειροειδι τροχιά γφρω από τισ μαγνθτικζσ γραμμζσ και όταν ειςζλκουν ςε μια περιοχι αυξθμζνου μαγνθτικοφ πεδίου αποκροφονται. Θ διάταξθ αποτελείται από ζναν κφλινδρο που γφρω του ζχει μια ςπείρα όπου τθ διαπερνά ρεφμα δθμιουργϊντασ ςτθν ουςία ζνα πθνίο, από το οποίο παράγονται οι μαγνθτικζσ γραμμζσ μζςα ςτον κφλινδρο. Στισ άκρεσ του κυλίνδρου το μαγνθτικό πεδίο είναι ιςχυρότερο, ϊςτε όταν ζνα ωορτιςμζνο ςωματίδιο ωτάνει ς αυτό να απωκείτε προσ το κζντρο του κυλίνδρου. Σχιμα 11: Τα μαγνθτικά πεδία ςτισ άκρεσ λειτουργοφν ωσ κακρζπτεσ

35 Στο δακτυλιοειδι τφπο δεν ζχουμε κφλινδρο αλλά ζνα τόρο (ςχιμα ςαμπρζλασ) ο οποίοσ ο οποίοσ περιβάλλεται από μαγνθτικά πεδία. Τα μαγνθτικά πεδία τα δθμιουργοφν τα Toroidal field coils, Poloidal field coils και τα central solenoids Τα Toroidal field coils παράγουν ζνα ιςχυρό μαγνθτικό πεδίο που ο κυρίωσ ςτόχοσ του είναι να ςυγκρατιςει τα ςωματίδια του πλάςματοσ. Τα Poloidal field coils ζχουν ωσ ςκοπό να απωκοφν το πλάςμα από τα τοιχϊματα ςυμβάλλοντασ ζτςι ςτθν διατιρθςθ του ςχιματοσ και τθσ ςτακερότθτασ του πλάςματοσ. To Central Solenoid ζχει ωσ ςκοπό να αλλάηει το κυρίωσ ρεφμα του πλάςματοσ και είναι ραχοκοκαλιά του μαγνθτικοφ ςυςτιματοσ. Αυτοφ του είδουσ θ καταςκευι προτάκθκε από τον ρϊςο L. Astrimovich το 1968 και ονομάηεται TOKAMAK (TOroidalnaya KAmera ee MAgnitnaya Katushka ι αλλιϊσ Toroidal Chamber and Magnetic Coil). To μαγνθτικό πεδίο δθμιουργείται από το πθνίο, όπωσ είπαμε, το οποίο είναι δυνατότερο ςτο κζντρο του τόρου προκαλϊντασ το πλάςμα να τείνει προσ τον εξωτερικό τοίχο. Ζνα άλλο μαγνθτικό πεδίο που δθμιουργείται από ρεφμα που πζρνα μζςα από το πλάςμα ςε ςυνδυαςμό με το μαγνθτικό πεδίο του πθνίου, δθμιουργεί μαγνθτικζσ γραμμζσ γφρω από τον τόρο όπου τα ςωματίδια ακολουκοφν μια ςπειροειδι τροχιά γφρω από αυτζσ. Αυτι θ ςπειροειδι τροχιά αποτρζπει το πλάςμα να παραςυρκεί προσ τα εξωτερικά τοιχϊματα εξαιτίασ του ιςχυροφ κεντρικοφ πεδίου και ζτςι το πλάςμα ωυλακίηεται αποτελεςματικά. Σχιμα 1: Βαςικι ςχεδίαςθ ενόσ Τοkamak

36 Iter project (International Thermonuclear Experimental Reactor) To Iter είναι ζνα διεκνζσ επιςτθμονικό πρόγραμμα ζρευνασ και ανάπτυξθσ του οποίου ςτόχοσ είναι θ καταςκευι του μεγαλφτερου και πιο προθγμζνου αντιδραςτιρα ςφντθξθσ τφπου Tokamak ςτον κόςμο. Άρχιςε να καταςκευάηεται το 007 ςτθν Ευρϊπθ ςτο Cadarache τθσ νότιασ Γαλλίασ και υπολογίηεται ότι το 019 κα δθμιουργθκεί το πρϊτο πλάςμα. Στο πρόγραμμα ςυμμετζχουν θ Ευρωπαϊκι Ζνωςθ (45% τθσ χρθματοδότθςθσ), Λνδία, Λαπωνία, Κίνα, ωςία, Νότια Κορζα και θ Αμερικι (από 9% χρθματοδότθςθ θ κάκε χϊρα). Σχιμα 13: Η πλατφόρμα όπου κα καταςκευαςκεί το Iter ςτο Cadarache τθσ Γαλλίασ To πρόγραμμα αυτό ςτοχεφει ςτο να μετατρζψει τθ μακροχρόνια ζρευνα ςτον τομζα τθσ ςφντθξθσ ςε εργοςτάςια παραγωγισ θλεκτρικισ ενζργειασ μζςω αυτισ ςε αρκετά ικανοποιθτικό βακμό (κακϊσ οι μζχρι τϊρα αντιδραςτιρεσ ςφντθξθσ δεν παριγαγαν μεγάλο ποςό ενζργειασ πράγμα που τουσ ζκανε αςφμωορουσ). Ο αντιδραςτιρασ του Iter ζχει ςχεδιαςκεί ζτςι, ϊςτε να παράγει ενζργεια 500 ΜWatt δίνοντάσ του ενζργεια μόλισ 50 ΜWatt για τθν εκκίνθςθ του, πράγμα που ςθμαίνει ότι παράγει τθ δεκαπλάςια ενζργεια από αυτι που καταναλϊνει.

37 Το tokamak του Iter Είναι το μεγαλφτερο tokamak που κα ζχει καταςκευαςτεί με διαςτάςεισ 9 m φψοσ και 8 m διάμετρο και με ςυνολικό βάροσ 3000 τόνουσ (ο πφργοσ του Eiffel ςτθ Γαλλία ζχει βάροσ 7300 τόνουσ). Ο ςυνολικόσ όγκοσ του πλάςματοσ που κα περιζχει το tokamak κα είναι 3 3 περίπου 840 m ενϊ ο μζχρι τϊρα μεγαλφτεροσ περιζχει μόλισ 100 m. Σχιμα 14: Σxθματικι αναπαράςταςθ του tokamak του Iter Ππωσ βλζπουμε από το παραπάνω ςχιμα το εςωτερικό του αντιδραςτιρα αποτελείται από διάωορα μζρθ τα οποία είναι απαραίτθτα για τθ κζρμανςθ και τθ ςυγκράτθςθ του πλάςματοσ.

38 Αφξηςη θερμοκραςίασ ςτο πλάςμα Για να μπορζςουμε να ωτάςουμε ςτο ςτάδιο όπου κα αρχίςουν να λαμβάνουν χϊρα οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ, πρζπει να ωζρουμε τα καφςιμα ςε μορωι πλάςματοσ, το οποίο κα κερμάνουμε μζχρι τθν κατάλλθλθ κερμοκραςία που είναι περίπου T Kelvin. Αυτό γίνεται με διάωορεσ διαδικαςίεσ που κα τισ δοφμε αναλυτικά ςτθ ςυνζχεια. Αρχικά, ιονίηουμε το δευτζριο με μια θλεκτρικι εκκζνωςθ που δθμιουργοφν δυο θλεκτρόδια τοποκετθμζνα μζςα ςτο κάλαμο που περιζχεται το δευτζριο (το ςχιμα του καλάμου είναι ζνα από τα δυο ςχιματα που περιγράψαμε προθγουμζνωσ) και ζτςι ζχουμε τθν αρχικι μορωι του πλάςματοσ ςε χαμθλι κερμοκραςία. Ενζργεια απ αυτιν τθ διαδικαςία παίρνουν κυρίωσ τα θλεκτρόνια. Στθ ςυνζχεια, θ επόμενθ διαδικαςία ονομάηεται ωμικι κζρμανςθ. Αωινουμε ζνα ρεφμα να διζλκει μζςα από το πλάςμα και λόγω τθσ αντίςταςθσ που βρίςκει ανεβαίνει θ κερμοκραςία (όπωσ μια αντίςταςθ μζςα ςε μια θλεκτρικι κουηίνα). Θ ζνταςθ του ρεφματοσ είναι περίπου Amperes και θ ιςχφσ που μεταωζρεται ςτο πλάςμα με αυτιν τθ μζκοδο είναι περίπου μερικά ΜWatts. Αυτι θ διαδικαςία είναι αποτελεςματικι μζχρι το ςθμείο όπου θ ωμικι αντίςταςθ του πλάςματοσ μειϊνεται αρκετά όταν αυξάνεται θ κερμοκραςία. Μια άλλθ διαδικαςία είναι θ κζρμανςθ του πλάςματοσ με θλεκτρομαγνθτικι ακτινοβολία μεγάλθσ ςυχνότθτασ (με τθν ίδια λογικι δουλεφει ο ωοφρνοσ μικροκυμάτων). Πταν θλεκτρομαγνθτικι ακτινοβολία ςυγκεκριμζνθσ ςυχνότθτασ πζωτει πάνω ςτο πλάςμα, τα ςωματίδια που το αποτελοφν απορροωοφν τθν ενζργεια του πεδίου του θλεκτρομαγνθτικοφ κφματοσ και τθ μεταωζρουν και ςε άλλα ςωματίδια μζςω ςυγκροφςεων. Θ ςπειροειδι τροχιά που ζχουν τα ςωματίδια μζςα ςτο μαγνθτικό πεδίο, όπωσ αναωζραμε, απαιτεί θ ςυχνότθτα τθσ ακτινοβολίασ, που προςπίπτει ςτο πλάςμα, να είναι ςυγκεκριμζνθ ϊςτε να υπάρχει ςυντονιςμόσ. Οι ςυχνότθτεσ τθσ τροχιάσ των ςωματιδίων είναι ανάμεςα ςτα 60 και 15 ΜΘertz για τουσ πυρινεσ και περίπου 60 με 18 GHertz για τα θλεκτρόνια κακϊσ είναι ελαωρφτερα. Θ ιςχφσ που μεταωζρεται ςτο πλάςμα με αυτιν τθ μζκοδο είναι περίπου 0 ΜWatts.

39 Σχιμα 15: Σπειροειδι τροχιά ςωματιδίου Ζνασ άλλοσ τρόποσ κζρμανςθσ είναι μζςω δζςμθσ ςωματιδίων υψθλισ ενζργειασ. Τα ςωματίδια ζχοντασ υψθλι κινθτικι ενζργεια ειςζρχονται μζςα ςτο πλάςμα μεταωζροντασ τθν ενζργειά τουσ μζςω ςυγκροφςεων με τα ςωματίδια (κυρίωσ τουσ πυρινεσ) του πλάςματοσ με αποτζλεςμα να αυξάνουν τθ κερμοκραςία του. Θ δζςμθ αποτελείται από άτομα δευτερίου ι τριτίου ςε ουδζτερθ κατάςταςθ, για να μθν αλλθλεπιδροφν με το μαγνθτικό πεδίο που περιβάλει το πλάςμα. Θ δζςμθ αυτι παράγεται ςε δυο ςτάδια. Κατά το πρϊτο ςτάδιο πυρινεσ δευτερίου ι τριτίου (κετικά ωορτιςμζνοι) επιταχφνονται από μια διαωορά δυναμικοφ τθσ τάξεωσ των Volts. Στο δεφτερο ςτάδιο κάνουμε τθ δζςμθ ουδζτερθ και τθν ειςάγουμε ςτο πλάςμα όπου μεταωζρει τθν ενζργειά τθσ ςε αυτό μζςω ςυγκροφςεων. Θ ιςχφσ που μεταωζρεται ςτο πλάςμα με αυτιν τθ μζκοδο είναι περίπου 1 ΜWatts. Σχιμα 16: Παραγωγι δζςμθσ και ειςαγωγι τθσ ςτο πλάςμα

40 Εωόςον ζχει αυξθκεί ς ζναν ςθμαντικό βακμό θ κερμοκραςία του πλάςματοσ και ζχουν αρχίςει ζςτω και με μικρό ρυκμό οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ, το παραγόμενο ιλιο εναποκζτει τθν ενζργειά του ςτουσ υπόλοιπουσ πυρινεσ δευτερίου και τριτίου μζςω ςυγκροφςεων με αποτζλεςμα οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ να ςυνεχίηονται. Πταν ο μθχανιςμόσ αυτόσ είναι επαρκισ για να διατθριςει τθ κερμοκραςία του πλάςματοσ ςτα κατάλλθλα επίπεδα, τότε οι αντιδράςεισ γίνονται αυτόνομεσ, δθλαδι δεν χρειάηεται κζρμανςθ του πλάςματοσ από εξωτερικοφσ παράγοντεσ. Τα παραγόμενα νετρόνια διαωεφγουν από το πλάςμα και το μαγνθτικό πεδίο που το ςυγκρατεί κακϊσ είναι ουδζτερα και θ ενζργειά τουσ είναι αυτι που εκμεταλλευόμαςτε για τθν παραγωγι ενζργειασ.

41 Σφντηξη με αδρανειακή δζςμευςη (inertial confinement) Σε αυτόν τον τρόπο ςφντθξθσ δεν υπάρχουν εξωτερικά μζςα που ςυγκρατοφν το πλάςμα αλλά θ ςυγκράτθςθ οωείλεται ςτθν αδράνεια τθσ μάηασ των καυςίμων ςε ζναν ςωαιρικό όγκο. Θ αδράνεια τθσ μάηασ ςυγκρατεί το πλάςμα για μικρό χρονικό διάςτθμα (περίπου τον χρόνο που χρειάηεται ζνα ακουςτικό κφμα να ωτάςει από τθν επιωάνεια ςτο κζντρο τθσ ςωαίρασ) ςτο οποίο πρζπει τα καφςιμα να ζχουν ςυντθχκεί. Θ διαδικαςία τθσ καφςθσ κρατάει περίπου 0.1 nsecond και για αυτό κα πρζπει να δθμιουργθκοφν καταςτάςεισ πολφ ιςχυρισ ςυμπίεςθσ ϊςτε ο ρυκμόσ ςφντθξθσ να είναι πολφ μεγάλοσ. Θ βαςικι ιδζα είναι ότι με μια μεγάλθσ ιςχφσ ακτίνασ laser που πζωτει ςε καφςιμα για ςφντθξθ, δθμιουργοφνται οι απαιτοφμενεσ ςυνκικεσ (κερμοκραςία, πίεςθ) για να ζχουμε ςφντθξθ. Σχετικά πρόςωατα Αμερικανοί επιςτιμονεσ κατάωεραν να δθμιουργιςουν μια πανίςχυρθ ακτίνα laser με ιςχφ 0 ωορζσ μεγαλφτερθ από αυτιν που προχπιρχε. Σχιμα 17:Το National Ignition Facility (NIF) που βρίςκεται ςτθ California είναι το μεγαλφτερο laser ςτον κόςμο Το laser αυτό αποτελείται από 19 επιμζρουσ δζςμεσ οι οποίεσ μποροφν να μεταωζρουν ςυνολικά ενζργεια ίςθ με 100 ΜJoule και ιςχφσ 500 ΤWatt. Βζβαια θ ενζργεια αυτι μπορεί να κρατιςει μόνο για μερικά nseconds αλλά και πάλι είναι ικανι να δθμιουργιςει κρουςτικά κφματα με πιζςεισ τθσ τάξεωσ των 10 εκατομμυρίων atm. Ωσ καφςιμο για ςφντθξθ χρθςιμοποιοφμε μια μικρι ςωαίρα αποτελοφμενθ από ζνα μζροσ παγωμζνου και ζνα αζριασ μορωισ μίγμα δευτερίου και τριτίου.

42 Σχιμα 18:Το καφςιμο που χρθςιμοποιοφμε ςτθν ςφντθξθ με laser Αυτι θ μικρι ςωαίρα εκτοξεφεται ςτο κζντρο ενόσ μεγάλου άδειου καλάμου (ςωαιρικοφ ςχιματοσ) όπου εκεί πζωτουν πάνω τθσ οι δζςμεσ των laser με αποτζλεςμα να ηεςτάνουν τθν επιωάνειά τθσ και να δθμιουργιςουν ζνα ςωαιρικό διαςτελλόμενο αζριο (ςτθν ουςία πλάςμα). Για να διατθρθκεί θ ορμι θ υπόλοιπθ μάηα τθσ μικρισ ςωαίρασ αναγκάηεται να κινθκεί προσ τα μζςα με ταχφτθτα περίπου 105 m/s. Μόλισ τα καφςιμα ςυμπιεςτοφν επαρκϊσ (αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ) τότε ξεκινοφν οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ. Σχιμα 19:Οι φάςεισ που περνάει θ ςφαίρα καυςίμων μζχρι να δθμιουργθκεί ςφντθξθ 4 Θ πρϊτθ αντίδραςθ ςφντθξθσ είναι θ εξισ T D He n και θ ενζργεια που παράγει εναποτίκεται ςτο γειτονικό καφςιμο διατθρϊντασ τθν υψθλι κερμοκραςία επιτρζποντασ και τουσ υπόλοιπουσ πυρινεσ δευτερίου και τριτίου του καυςίμου να

43 οδθγοφνται ςε ςφντθξθ. Το νετρόνιο το οποίο ζχει υψθλι ενζργεια διαωεφγει από το πλάςμα κακϊσ αωόρτιςτο αλλθλεπιδρά μόνο με πυρθνικζσ δυνάμεισ (άρα μεγάλθ μζςα ελευκζρα διαδρομι). Θ ενζργειά τουσ μεταωζρεται ςε ζνα παχφ ςτρϊμα υλικοφ που ονομάηεται κουβζρτα (το οποίο μπορεί να είναι από λίκιο για τθν παραγωγι περεταίρω ποςότθτασ τριτίου ) το οποίο περιβάλλει τον κάλαμο όπου γίνεται θ αντίδραςθ, και του δίνει κερμοκραςία περίπου 1000 Kelvin. Αυτι τθν κερμοκραςία κα εκμεταλλευόμαςτε για να παράγουμε θλεκτριςμό H προςπάκεια για τθ δθμιουργία ςφντθξθσ μζςω laser ζχει μελετθκεί λεπτομερϊσ και λίγα κζματα ακόμα μζνουν που πρζπει να λυκοφν, αλλά δεν κα αναωερκοφν ςτθν παροφςα εργαςία. Το 006 εγκρίκθκε θ δθμιουργία ενόσ προγράμματοσ ονόματι HiPER (High Power Laser Energy Research) που ωιλοδοξεί να δθμιουργιςει ςφντθξθ ςφμωωνα με τθν παραπάνω ωιλοςοωία και αναμζνεται να λειτουργιςει τθν επόμενθ δεκαετία ςτο United Kingdom. Κα αναωερκοφμε με περιςςότερεσ λεπτομζρειεσ για τθ ςφντθξθ με laser ςτθ ςυνζχεια κακϊσ είναι το κεντρικό κζμα τθσ εργαςίασ.

44 Σφντηξη με μιόνια (muon-catalyzed fusion) Το γεγονόσ ότι για να ζχουμε ςφντθξθ χρειαηόμαςτε πολφ μεγάλεσ κερμοκραςίεσ, πράγμα που είναι δφςκολο και δαπανθρό, οδιγθςε τουσ ωυςικοφσ ςε ζρευνεσ με εναλλακτικζσ μεκόδουσ ςφντθξθσ ςε χαμθλότερεσ κερμοκραςίεσ. Ζχει παρατθρθκεί ότι αντιδράςεισ ςφντθξθσ ςυμβαίνουν όταν ςε μίγμα δευτερίου και τριτίου (ςε χαμθλι κερμοκραςία) ειςάγονται μιόνια. Τα μιόνια είναι λεπτόνια (δεν ζχουν εςωτερικι δομι) και ζχουν πολλζσ ομοιότθτεσ με τα θλεκτρόνια με τθ διαωορά ότι θ μάηα τουσ είναι 00 ωορζσ μεγαλφτερθ και ο χρόνοσ ηωισ τουσ είναι sec. «Muon-catalyzed fusion» ονομάηεται θ διαδικαςία με τθν οποία επιτυγχάνουμε αντιδράςεισ ςφντθξθσ, όταν ζνασ πυρινασ δευτερίου, ζνασ πυρινασ τριτίου και ζνα μιόνιο ςυνδυάηονται και ςχθματίηουν το μιονικό μόριο. Μόλισ δθμιουργθκεί αυτό το μόριο, ςε χρόνο περίπου sec, γίνεται ςφντθξθ του δευτερίου με το τρίτιο. Ωςτόςο ο ςχθματιςμόσ του μιονικοφ μορίου είναι μια πολφπλοκθ διαδικαςία που χρειάηεται ατομικζσ, μοριακζσ και πυρθνικζσ διαδικαςίεσ. Μια δζςμθ από αρνθτικά ωορτιςμζνα μιόνια ειςζρχεται ςτο μίγμα του δευτερίου και του τριτίου, το οποίο το ζχει ψθχκεί ςτουσ -50ο C (υγρό ι ςτερεό), με αποτζλεςμα τθ δθμιουργία πολλϊν μιονικϊν ατόμων τριτίου (Τμ). Δεδομζνου ότι το μιόνιο είναι 00 ωορζσ βαρφτερο από το θλεκτρόνιο, θ τροχιά του γφρω από τον πυρινα του τριτίου είναι πολφ πιο κοντά ς αυτόν απ ότι θ τροχιά του θλεκτρονίου, γεγονόσ που κάνει τα μιονικά άτομα τριτίου πολφ μικρά. Στθ ςυνζχεια τα μιονικά άτομα τριτίου, κακϊσ είναι ουδζτερα, ςυγκροφονται εφκολα με τα άτομα δευτερίου και δθμιουργοφνται ζτςι μόρια αποτελοφμενα από δευτζριο, τρίτιο και μυόνια. Για τον ίδιο λόγο που περιγράψαμε πιο πάνω τα μόρια αυτά ζχουν πολφ μικρζσ διαςτάςεισ. Ζτςι το δευτζριο και το τρίτιο πλθςιάηουν πολφ μεταξφ τουσ και οδθγοφνται ςε ςφντθξθ, με αποτζλεςμα να απελευκερϊνονται μεγάλεσ ποςότθτεσ ενζργειασ κακϊσ 4 He και νετρόνια.

45 Σχιμα 0:Muon-catalyzed fusion Αωοφ γίνει θ αντίδραςθ τθσ ςφντθξθσ, το μιόνιο του μορίου ελευκερϊνεται και είναι διακζςιμο για το ςχθματιςμό άλλου μιονικοφ μορίου και ζτςι ζχουμε μια αλυςιδωτι αντίδραςθ ςφντθξθσ. Μόνο το 4 1% των μιονίων παραμζνει ςτο παραγόμενο He. Θ διαδικαςία αυτι, όπωσ προαναωζραμε, ονομάηεται muon-catalyzed fusion, διότι το μιόνιο ενεργεί ςαν καταλφτθσ για τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ. Ωςτόςο, υπάρχουν αρκετζσ δυςκολίεσ όςον αωορά αυτιν τθ διαδικαςία, όπωσ θ παραγωγι τθσ δζςμθσ μιονίων με ενζργεια 5 GeV (ανά μιόνιο) αλλά και θ άμεςθ ειςαγωγι τουσ ςτο μίγμα τριτίου και δευτερίου. Για να μπορζςουμε να παράγουμε περιςςότερθ ενζργεια απ αυτιν που δίνουμε για να ξεκινιςουμε τθ διαδικαςία, κα πρζπει να ζχουμε περίπου 300 αντιδράςεισ ςφντθξθσ ςε τόςο χρόνο, όςο με το χρόνοσ θμιηωισ του μιονίου.

46 Ψυχρή ςφντηξη (cold fusion) Το 1988 ο S. Pons του πανεπιςτθμίου τθσ Γιοφτα και ο M. Fleischmann του πανεπιςτθμίου του Σαουκάμπτον ιςχυριςτικαν ότι κατάωεραν να δθμιουργιςουν αντίδραςθ ςφντθξθσ ςε κερμοκραςία δωματίου (ςτον τφπο αναωζρκθκε με τθ ωράςθ fusion in a jar ). Υποςτιριξαν πωσ θ αντίδραςθ αυτι πραγματοποιικθκε ςε τόςο χαμθλι κερμοκραςία μ ζνα θλεκτρόδιο από παλλάδιο βυκιςμζνο ςε ζνα δοχείο που περιείχε νερό με αυξθμζνθ αναλογία δευτερίου (βαρφ νερό) ςφμωωνα με τθν παρακάτω αντίδραςθ: 4 D D He 3. 85MeV Σφμωωνα με τισ υποκζςεισ τουσ, ςε υψθλζσ πιζςεισ και με τθν κινθτικι ενζργεια που μποροφςε να αποκτιςει το δευτζριο μζςα ςε ράβδο παλλαδίου μζςω θλεκτρόλυςθσ, κα μποροφςαμε να ζχουμε ςφντθξθ. Ζτςι για να επαλθκζψουν τισ υποκζςεισ τουσ, ζκαναν πειράματα θλεκτρόλυςθσ χρθςιμοποιϊντασ μια κάκοδο από παλλάδιο βυκιςμζνθ μζςα ςε βαρφ νερό που περιεχόταν μζςα ς ζνα καλορίμετρο (κερμιδομετρθτισ) το οποίο ιταν καλά μονωμζνο και μετροφςε τθ κερμότθτα χωρίσ απϊλειεσ. Εωάρμοςαν ρεφμα ςτθν κάκοδο για εβδομάδεσ ανανεϊνοντασ το δευτζριο ςε ςυγκεκριμζνα διαςτιματα. Στον περιςςότερο χρόνο του πειράματοσ θ ενζργεια που μετροφςε το καλορίμετρο ιταν ίςθ με αυτιν που ζδιναν μζςω του θλεκτροδίου και το δοχείο βριςκόταν ςτουσ 30 ο C. Στθ ςυνζχεια όμωσ ςε κάποιο ςθμείο θ κερμοκραςία ανζβθκε ςτουσ 50 Ο C χωρίσ αλλαγι ςτθν ενζργεια που ζδιναν ςτο ςφςτθμα. Θ ςχετικά υψθλι αυτι κερμοκραςία κράτθςε για δυο μζρεσ και θ ενζργεια που υπολογιηόταν από το καλορίμετρο ιταν αρκετά μεγαλφτερθ αυτισ που ζδιναν ςτο ςφςτθμα και ζτςι υπζκεςαν πωσ ςυμβαίνει κάποια αντίδραςθ ςφντθξθσ.

47 Σχιμα 1:Η πειραματικι διάταξθ των S. Pons και M. Fleischmann Ρερεταίρω ζρευνεσ για τον παραπάνω ιςχυριςμό ζδειξαν ότι εκριξεισ κερμότθτασ εντοπίςτθκαν ςτο θλεκτρόδιο του παλλάδιου πράγμα που ςθμαίνει ότι κάποια αντίδραςθ όντωσ λαμβάνει χϊρα, όμωσ κανζνα χαρακτθριςτικό από τα αναμενόμενα προϊόντα ςφντθξθσ όπωσ νετρόνια, ακτίνεσ γάμμα ι τρίτιο, δεν ανιχνεφτθκε. Μια μικρι κοινότθτα ωυςικϊν ακόμα και ςιμερα εργάηονται πάνω ςτθ μζκοδο των S. Pons και M. Fleischmann αλλά και ςε νζεσ μεκόδουσ που αωοροφν ςτθ ψυχρι ςφντθξθ, πράγμα όμωσ που δεν γίνεται αποδεκτό από τθ μεγαλφτερθ κοινότθτα των ωυςικϊν. Είναι αδιαμωιςβιτθτο ότι αν μπορζςουμε πραγματικά να πραγματοποιιςουμε τθν αντίδραςθ αυτι κα είναι από τισ πιο ςθμαντικζσ ανακαλφψεισ ςτθ ωυςικι, διότι κα ζχουμε τα μεγάλα ποςά ενζργειασ που μασ δίνει θ ςφντθξθ ςε πολφ χαμθλζσ κερμοκραςίεσ λφνοντασ ζτςι με τον καλφτερο τρόπο το ενεργειακό πρόβλθμα τθσ ανκρωπότθτασ.

48 Βόμβα υδρογόνου (Η-Βomb) Θ ιδζα τθσ βόμβασ υδρογόνου βαςίηεται ςτα πολφ μεγάλα ποςά ενζργειασ που απελευκερϊνονται από μθ ελεγχόμενεσ αντιδράςεισ ςφντθξθσ. Αυτοφ του τφπου θ βόμβα είναι κυρίωσ ζργο του ωυςικοφ Ε.Τeller ο οποίοσ, το 1951, αναωζρκθκε ςτθ ςυνειςωορά του πάνω ςτθ κεωρία τθσ ςφντθξθσ. Οι ιδζεσ για τθν βόμβα υδρογόνου αναπτφχκθκαν κατά τθ διάρκεια του ψυχροφ πολζμου από τισ δυο μεγάλεσ δυνάμεισ και είναι πλζον το πιο δυνατό όπλο μαηικισ καταςτροωισ. Θ βαςικι ιδζα είναι ότι μια μικρισ ςχετικά ιςχφσ βόμβα ςχάςθσ, που είναι το πρωταρχικό μζροσ τθσ βόμβασ (primary), πυροδοτεί αντιδράςεισ ςφντθξθσ με τθν αφξθςθσ τθσ κερμοκραςίασ ςτουσ 6 T Kelvin των καυςίμων ςφντθξθσ (secondary). Σχιμα :Παραςτατικι μορφι τθσ βόμβασ ςφντθξθσ όπου φαίνονται τα μζρθ που τθν αποτελοφν Το πρωταρχικό μζροσ είναι ςτθν ουςία μια μικρι πυρθνικι βόμβα ςτθσ οποίασ το κζντρο ζχει τοποκετθκεί μια μικρι ποςότθτα καφςιμου ςφντθξθσ (τρίτιο) το οποίο, όταν ςυμπιεςτεί και κερμανκεί, δθμιουργεί 39 μια ροι νετρονίων που προκαλεί ςχάςθ ςτο πλουτϊνιο ( Pu ) και το 35 ουράνιο ( U ) που το περιβάλλουν. Θ διαδικαςία αυτι λζγεται τόνωςθ (boosting) και είναι χριςιμθ, διότι χωρίσ αυτιν το μεγαλφτερο μζροσ των ςχάςιμων καυςίμων δεν ςχάηεται. Το δευτερεφον μζροσ αποτελείται από μια ςτιλθ καφςιμου 38 ςφντθξθσ που είναι επικαλυμμζνθ με ουράνιο ( U ), που βοθκάει ςτθ ςυμπίεςθ του καφςιμου ςφντθξθσ. Το προσ ςφντθξθ καφςιμο είναι ζνα 6 μίγμα δευτερίου και λικίου ( Li ) το οποίο, όταν βομβαρδιςτεί από τα

49 38 U νετρόνια που παράγονται από τθν επικάλυψθ του ουρανίου ( ), παράγει τρίτιο το οποίο λόγω τθσ μεγάλθσ κερμοκραςίασ οδθγείται ςε ςφντθξθ με το δευτζριο που υπάρχει, απελευκερϊνοντασ τεράςτια ποςά ενζργειασ. H ραδιενζργεια που απελευκερϊνεται ςτο περιβάλλον είναι κυρίωσ ακτίνεσ γάμμα και νετρόνια. 6 Li n T 4 He Q 4 T D He n Q 17. 6MeV Σχιμα 3:Οι φάςεισ που περνάει μια βόμβα ςφντθξθσ μζχρι τθν ζκρθξθ Θ ιςχφσ τθσ είναι από 100 μζχρι 1000 ωορζσ μεγαλφτερθ από αυτι μιασ πυρθνικισ βόμβασ ςχάςθσ. Θ πρϊτθ δοκιμι ζγινε από τθν Αμερικι ςτισ νιςουσ Marshal του ειρθνικοφ ωκεανοφ το 195 όπου εξαζρωςε 80 τόνουσ εδάωουσ, ζχοντασ καλφψει μια απόςταςθ διαμζτρου 8 μιλίων και φωουσ 7 μιλίων. Το 1961 θ Σοβιετικι Ζνωςθ ςτο νθςί Novaya Zemlya ςτθν Αρκτικι Κάλαςςα πραγματοποίθςε τθν ιςχυρότερθ ζκρθξθ που ζχει γίνει ποτζ με βόμβα. Θ βόμβα αυτι με το όνομα Tzar Bomba απελευκζρωςε ενζργεια μεγαλφτερθ 3800 ωορζσ από αυτιν τθσ Χιροςίμα και ιταν ιςοδφναμθ με 50 εκατομμφρια τόνουσ ΤΝΤ (δυναμίτθσ). Θ ακτίνα καταςτροωισ που δθμιοφργθςε ιταν 5 km και το φψοσ του μανιταριοφ που δθμιουργικθκε ιταν 60 km. Ραρακάτω απεικονίηονται ποιοτικά οι εκριξεισ από τισ πιο γνωςτζσ βόμβεσ.

50 Σχιμα 4:Ποιοτικι ςφγκριςθ τθσ ιςχφσ που ζχουν οι διάφορεσ βόμβεσ που καταςκευάςτθκαν

51 Σφντηξη αντί για ςχάςη Θ πυρθνικι ενζργεια είναι από τισ αποδοτικότερεσ πθγζσ ενζργειασ που μπορεί να ζχει ο άνκρωποσ. Αυτοφ του είδουσ θ ενζργεια μπορεί δθμιουργθκεί είτε με ςχάςθ βαρφτερων πυρινων ςε ελαωρφτερουσ είτε με ςφντθξθ ελαωρφτερων πυρινων ςε βαρφτερουσ. Αντιδραςτιρεσ ςχάςθσ προσ παραγωγι ενζργειασ ζχουν δθμιουργθκεί εδϊ και 60 χρόνια ενϊ οι αντιδραςτιρεσ ςφντθξθσ είναι ςε πειραματικό ςτάδιο. Το κόςτοσ των καυςίμων για τουσ πυρθνικοφσ αντιδραςτιρεσ είναι ζνασ ςθμαντικόσ παράγοντασ για τθ λειτουργία τουσ. Οι αντιδραςτιρεσ ςχάςθσ χρθςιμοποιοφν ςτοιχεία τα οποία ςχάηονται εφκολα, όπωσ το πλουτϊνιο ( Pu ) και το ουράνιο ( U ). Τα μεταλλεφματα αυτά βρίςκονται ςε πολλά ςθμεία τθσ γθσ, αλλά για να χρθςιμοποιθκοφν ωσ καφςιμα ςτουσ αντιδραςτιρεσ περνοφν από κακαριςμό που είναι αρκετά δαπανθρόσ. Το ακατζργαςτο ουράνιο περιζχει 99.3% δεν είναι ςχάςιμο για κερμικά νετρόνια) και μόνο το 0.7% 38 U 35 U (που που χρθςιμοποιείται είναι υπεφκυνο για τθ ςχάςθ και τθν παραγωγι ενζργειασ ςτουσ αντιδραςτιρεσ. Γι αυτό χρειάηεται με διάωορεσ διαδικαςίεσ να το εμπλουτίςουμε με 35 U, πράγμα που είναι αρκετά δαπανθρό. Από τθν άλλθ, τα καφςιμα που χρθςιμοποιοφνται για τθ ςφντθξθ είναι, όπωσ είδαμε, ιςότοπα του υδρογόνου, δθλαδι δευτζριο και τρίτιο τα οποία μποροφμε να τα πάρουμε από ςυνθκιςμζνο νερό. Στα 6700 μόρια νεροφ υπάρχει ζνα άτομο δευτερίου και με εφκολεσ διαδικαςίεσ μπορεί να διαχωριςτεί. Για παράδειγμα, ζνα κυβικό χιλιόμετρο καλαςςινό νερό περιζχει μια ποςότθτα δευτερίου ικανι να δϊςει ενζργεια ίςθ με αυτι των ςυνολικϊν αποκεμάτων πετρελαίου ςτθ Γθ. 6 Επίςθσ, από το λίκιο ( Li ) με βομβαρδιςμό από νετρόνια παίρνουμε τρίτιο. Οπότε, εωόςον οι αναλογίεσ του δευτερίου και του λικίου είναι πολφ μεγάλεσ, απ όςο γνωρίηουμε, πάνω ςτθ γθ, ςε αντίκεςθ με το ουράνιο το οποίο είναι περιοριςμζνο όπωσ και όλα τα ορυκτά καφςιμα, θ ςφντθξθ ωαίνεται να είναι καλφτερθ επιλογι. Επίςθσ θ ενζργεια που απελευκερϊνεται από ςφντθξθ μιασ οριςμζνθσ μάηασ δευτερίου είναι τζςςερισ ωορζσ μεγαλφτερθ από τθν ίδια τθ μάηα ουρανίου που ςχάηεται.

52 Ζνα πολφ ςθμαντικό κζμα που προκφπτει από τθν αξιοποίθςθ τθσ πυρθνικισ ενζργειασ είναι θ παραγωγι των ραδιενεργϊν αποβλιτων κατά τθ λειτουργία των αντιδραςτιρων. Τα ραδιενεργά κατάλοιπα που παράγονται από τουσ αντιδραςτιρεσ ςχάςθσ παραμζνουν ραδιενεργά για περίπου 00 με 300 χρόνια ( Sr, Cs ), γεγονόσ που τα κακιςτά βλαβερά και επικίνδυνα για τον άνκρωπο και το περιβάλλον. Αντικζτωσ, οι αντιδραςτιρεσ ςφντθξθσ κα παράγουν μικρζσ ποςότθτεσ ραδιενεργϊν κατάλοιπων τα οποία κα ζχουν και μικρότερο χρόνο ηωισ απ ότι αυτά τθσ ςχάςθσ. Αυτό ςυνεπάγεται και μικρότερο κόςτοσ για τθν ταωι των ραδιενεργϊν αυτϊν υλικϊν. Επίςθσ, ςτουσ αντιδραςτιρεσ ςφντθξθσ δεν παράγεται CO όπωσ γίνεται με τουσ αντιδραςτιρεσ ςχάςθσ ςε μεγάλεσ ποςότθτεσ. Θ αςωάλεια και θ αποωυγι ατυχθμάτων είναι από τα ςθμαντικότερα κζματα που μασ αωοροφν. Στουσ αντιδραςτιρεσ ςχάςθσ, ςε περίπτωςθ που ο πυρινασ του αντιδραςτιρα υπερκερμανκεί λόγω κακισ διαχείριςθσ από τουσ χειριςτζσ, υπάρχει ςοβαρι πικανότθτα να ζχουμε ριγμα ςτο προςτατευτικό του πυρινα και μεγάλεσ ποςότθτεσ ραδιενεργϊν υλικϊν ςτο περιβάλλον. Στθ χειρότερθ των περιπτϊςεων μπορεί να ξεωφγει από τον ζλεγχο ο αντιδραςτιρασ και να οδθγθκεί ςε ζκρθξθ. Από τθν άλλθ μεριά, ςτουσ αντιδραςτιρεσ ςφντθξθσ, λόγω του ότι είναι πολφ δφςκολο να ςυντθριςουμε τθ κερμοκραςία που απαιτείται για τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ, παρζχουμε κάποιο ποςό ενζργειασ. Εάν κάτι πάει λάκοσ, διακόπτεται θ παροχι ενζργειασ και ςχεδόν αμζςωσ οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ ςταματοφν. Γίνεται λοιπόν ωανερό ότι θ πυρθνικι ςφντθξθ είναι κάτι που κα ωζρει τθν επανάςταςθ ςτθν παραγωγι ενζργειασ κακϊσ κα παρζχει ωτθνό θλεκτριςμό με αςωαλι τρόπο. Βζβαια αυτό το διάςτθμα βρίςκεται ςε ερευνθτικό ςτάδιο, το οποίο και απαιτεί μεγάλα χρθματικά ποςά για πειράματα που ςτινονται ςτα οποία ςυμμετζχουν επιςτιμονεσ απ όλο τον κόςμο. Ωςτόςο, ςυγκριτικά με αυτά που κα δϊςει θ ςφντθξθ ςτθν ανκρωπότθτα, το κόςτοσ που απαιτείται, είναι ζνα πολφ μικρό τίμθμα.

53 Ειςαγωγή ςτην ςφντηξη με laser Θ ςφντθξθ με laser μπορεί να αποτελζςει μια από τισ πιο υποςχόμενεσ μεκόδουσ για να καταωζρουμε να ζχουμε ελεγχόμενθ και αυτόνομθ παραγωγι ενζργειασ μζςω αντιδράςεων ςφντθξθσ. Λςτορικά θ ιδζα γεννικθκε το 1960 ςτο Lawrence Livermore National Laboratory (California) και θ βαςικι ςκζψθ ιταν αν κα μποροφςε μια πολφ ιςχυρι δζςμθ laser να ςυμπιζςει τα προσ ςφντθξθ καφςιμα ςε πυκνότθτεσ όπου λόγω αφξθςθσ τθσ κερμοκραςίασ κα αρχίςουν να λαμβάνουν χϊρα αντιδράςεισ ςφντθξθσ. Αργότερα ο John Nuckolls δθμοςιεφει τισ ιδζεσ του εξθγϊντασ ότι κα πρζπει να καταςκευαςτεί ζνα laser τόςο ιςχυρό ϊςτε να μπορζςει να ςυμπιζςει τα καφςιμα ςε πυκνότθτα 1000 ωορζσ 8 αυτισ των υγρϊν και να τα κερμάνει ςε κερμοκραςία 10 Kelvin, καταςτάςεισ που δεν ςυναντϊνται οφτε ςτο κζντρο του Ιλιου. Υπολόγιςε μαηί με τθν ομάδα του ότι θ ενζργεια που πρζπει να ζxει το laser είναι περίπου 1 ΚJoule και θ διάρκεια του παλμοφ μερικά nseconds. H ενεργειακι κρίςθ που είχε δθμιουργθκεί τισ δεκαετίεσ του 1970 και του 1980 οδιγθςε ςτθν καταςκευι μεγάλων ςυςκευϊν laser για να γίνει δοκιμι αυτισ τθσ ιδζασ. Ππωσ διαπίςτωςαν όμωσ, τα πράγματα δεν ιταν τόςο εφκολα κακϊσ εντζλει όλα ζδειχναν ότι θ ενζργεια του laser κα πρζπει να είναι τθσ τάξθσ του ΜJoule. Θ λογικι με τθν οποία κα μποροφςε να δουλζψει ζνασ αντιδραςτιρασ ςφντθξθσ βαςιςμζνοσ ςτθν πυροδότθςθ καυςίμων με laser είναι ςχετικά απλι. Μικρζσ ποςότθτεσ από δευτζριο και τρίτιο ςε ςχιμα ςωαίρασ κα ςυμπιζηονται από μια δζςμθ laser ϊςτε να ξεκινοφν αντιδράςεισ ςφντθξθσ κι ζτςι θ ςωαίρα να μετατρζπεται ςε ζνα μικρό αςτζρα. Θ διαδικαςία αυτι κα λαμβάνει χϊρα μζςα ςε μια αίκουςα κενοφ, όπου κα εκτοξεφεται θ ςωαίρα, ειδικά ςχεδιαςμζνθ ϊςτε να προςλαμβάνει τθν ενζργεια που απελευκερϊνεται από τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ και να τθν μετατρζπει ςε κερμικι και ςτθ ςυνζχεια με γνωςτζσ μεκόδουσ να τθν μετατρζπει ςε θλεκτρικι. Θ διαδικαςία πυροδότθςθσ τθσ ςωαίρασ δευτερίου-τριτίου κα ςυμβαίνει ςχεδόν διαδοχικά με μια ςυγκεκριμζνθ ςυχνότθτα ωσ ανάλογο με τθσ μθχανζσ καφςθσ ςτα αυτοκίνθτα.

54 Μετά από μακροχρόνιεσ μελζτεσ οι επιςτιμονεσ ζχουν κατανοιςει ςε ικανοποιθτικό βακμό τθ ωυςικι που απαιτείται για τθ ςφντθξθ με laser και ειδικότερα τθν τελευταία δεκαετία, κακϊσ ζχουν επενδυκεί μεγάλα ποςά ςχετικά με τθν ζρευνα αυτι. Ρλζον μετά από 50 χρόνια, ςτο ίδιο μζροσ (Lawrence Livermore National Laboratory) όπου γεννικθκε θ ιδζα, ζχει καταςκευαςτεί το μεγαλφτερο laser ςτον κόςμο (National Ignition Facility) το οποίο μζςα ςτον επόμενο χρόνο κα ζχει τθν απαιτοφμενθ ενζργεια ( 1.8 ΜJoule) για τθν εκκίνθςθ αντιδράςεων ςφντθξθσ. Ζνα πρόβλθμα όμωσ που παρουςιάηεται είναι ότι το laser δεν μπορεί να λειτουργεί ςε αυτιν τθν ενζργεια με τθ ςυχνότθτα που χρειάηεται (10 ωορζσ ανά second). Εκτόσ από το πρόγραμμα HiPER ςτο Θνωμζνο Βαςίλειο, που ςτοχεφει ςτθν παραγωγι ενζργειασ μζςω ςφντθξθσ με laser, υπάρχει και το πρόγραμμα LIFE (Laser Inertial Fusion Engine) ςτθν Αμερικι όπου εργάηονται επιςτιμονεσ από το NIF (National Ignition Facility).

55 Spherical Implosion (laser fusion) Θ ςωαιρικι ςυμπίεςθ (spherical implosion) είναι το απλοφςτερο μοντζλο για να περιγράψουμε τθν αδρανειακι ςφντθξθ (inertial fusion). Θ ςυμπίεςθ των καυςίμων ςτθν επικυμθτι πυκνότθτα γίνεται με τθν πρόςπτωςθ δζςμθσ laser μεγάλθσ ιςχφοσ πάνω ςτθν κάψουλα καυςίμων. Θ κάψουλα καυςίμων είναι ςωαιρικι και αποτελείται από 1.67 mg πλαςτικό (CH ) και 1.68 mg ςτερεοφ (παγωμζνου) μείγματοσ DT (δευτζριο-τρίτιο) ςτο εξωτερικό του ςτρϊμα. Το εςωτερικό αποτελείται από μείγμα DT ςε αζρια κατάςταςθ ςε χαμθλι πυκνότθτα. Εικόνα 1 : Σχθματικι περιγραφι τθσ κάψουλασ καυςίμων Θ ακτινοβόλθςθ του ςτόχου με laser γίνεται με ζνα μεταβαλλόμενθσ ζνταςθσ παλμό διάρκειασ.7 ns και μικουσ κφματοσ 0.5 nm (υπεριϊδεσ). Θ ομοιόμορωθ ακτινοβόλθςθ επιτυγχάνεται από ζναν μεγάλο αρικμό από δζςμεσ που επικαλφπτει θ μία τθν άλλθ και εςτιάηονται από ειδικοφσ ωακοφσ ςε απόςταςθ μερικϊν μζτρων από τθν κάψουλα. Θ ιςχφσ τθσ δζςμθσ είναι μεταβλθτι με τον χρόνο ζχοντασ ςυνολικι ενζργεια Ε=1.7 MJoule. O πρϊτοσ παλμόσ ζχει διάρκεια 1 ns και ιςχφ 1.3 TWatt ενϊ ςτθν ςυνζχεια αυξάνει ςυνεχϊσ με μζγιςτθ τιμι τα 600 TWatt. Ο παλμόσ είναι διαμορωωμζνοσ με αυτόν τον τρόπο ϊςτε να επιτευχτεί ιςοτροπικι ςυμπίεςθ, γεγονόσ, όπωσ κα δοφμε και ςτθν ςυνζχεια που αποτελεί ςθμαντικι προχπόκεςθ για να ζχουμε ςφντθξθ των καυςίμων.

56 Εικόνα : ΟΙ δζςμεσ προςπίπτουν πάνω ςτθν κάψουλα και δίπλα θ μεταβολι τθσ ιςχφσ με τον χρόνο Μόλισ θ δζςμθ laser προςπίπτει ςτθν εξωτερικι επιωάνεια τθσ κάψουλασ, το υλικό κερμαίνεται, ατμοποιείται και διαςτζλλεται κακϊσ θ μορωι του υλικοφ περνά ςε κατάςταςθ πλάςματοσ. Στο ςθμείο αυτό πρζπει να αναωζρουμε πωσ θ πίεςθ που ςυμπιζηει τα καφςιμα δεν προζρχεται από τθν δζςμθ laser αλλά δθμιουργείται λόγω τθσ διαςτολισ του εξωτερικοφ υλικοφ τθσ κάψουλασ το οποίο διαςτζλλεται. Κακϊσ λοιπόν διαςτζλλεται θ εξωτερικι επιωάνεια θ διατιρθςθ τθσ ορμισ αναγκάηει το εςωτερικό μζροσ τθσ κάψουλασ (το παγωμζνο μίγμα DT) να κινθκεί προσ το κζντρο. Τθν χρονικι ςτιγμι t= 14 ns ζχουμε τον πρϊτο παλμό laser και θ πίεςθ που δθμιουργείται είναι περίπου 1 Mbar. Στθν ςυνζχεια θ ιςχφσ τθσ δζςμθσ αυξάνει και τθν χρονικι ςτιγμι t=.8 ns που ζχει ωτάςει ςτο μζγιςτό τθσ θ πίεςθ είναι περίπου 180 Mbar και θ κάψουλα ζχει απορροωιςει ενζργεια ίςθ με 1.35 MJoule. Το εξωτερικό υλικό διαςτζλλεται περίπου με ταχφτθτα cm / s ενϊ το εςωτερικό μίγμα 7 παγωμζνου DT με ταχφτθτα περίπου 10 cm / s. Μποροφμε να ωανταςτοφμε το ωαινόμενο ςαν ζναν ςωαιρικό πφραυλο. Εικόνα: Σχθματικι αναπαράςταςθ τθσ ςυμπίεςθσ και οι τιμζσ ταχφτθτασ των ςτρωμάτων ςτθν κάψουλα

57 Τθν χρονικι ςτιγμι t=4.5 ns θ πίεςθ ζχει ωτάςει τα 50 Gbar κακϊσ το ταχφτατα κινοφμενο ςτρϊμα καυςίμων ωτάνει ςτο κζντρο όπου ςχεδόν όλθ θ κινθτικι ενζργεια μετατρζπεται ςε κερμικι. Εικόνα 3 : Διάγραμμα όπου φαίνεται θ ςυμπίεςθ των καυςίμων και διαγράμματα ενζργειασ των καυςίμων όπου φαίνεται θ μετατροπι τθσ κινθτικισ ενζργεια (E kin ) ςε κερμικι (Ε f ) Τθν ςτιγμι αυτι θ πυκνότθτα παίρνει τθν μεγαλφτερθ τιμι και θ κερμοκραςία είναι περίπου 10 KeV. Οι ςυνκικεσ αυτζσ είναι ιδανικζσ ϊςτε οι πρϊτοι πυρινεσ δευτερίου και τριτίου να ξεπεράςουν το απωςτικό ωράγμα Coulomb και να ςυντθχκοφν, κακϊσ το ενεργειακό κατϊωλι τουσ για ςφντθξθ είναι τα 5 KeV. Θ κατάςταςθ αυτι ςτο κζντρο τθσ κάψουλασ ςτθν ςυγκεκριμζνθ χρονικι ςτιγμι ονομάηεται hot spot και θ δθμιουργία τθσ είναι αποτζλεςμα τθσ ςυμμετρικά ςωαιρικισ ςυμπίεςθσ των καυςίμων. Οι πρϊτεσ αντιδράςεισ ςφντθξθσ αποτελοφν τθν ςπίκα που πυροδοτεί τθν ςφντθξθ των υπόλοιπων πυρινων και τα προϊόντα που παράγονται είναι ςωμάτια α (πυρινεσ θλίου) και νετρόνια. Ππωσ είδαμε ςτθν εργαςία αυτι θ ενζργεια που απελευκερϊνεται από τθν ςφντθξθ ενόσ πυρινα δευτερίου με ζναν τριτίου είναι 17.6 MeV και ςφμωωνα με τθν αρχι διατιρθςθσ τθσ ορμισ των προϊόντων βρίςκουμε ότι θ ενζργεια που ζχουν τα ςωμάτια α είναι 3.5 ΜeV και των

58 νετρονίων 14.1 MeV. Τα ςωμάτια α μζςω ςυγκροφςεων εναποκζτουν τθν ενζργειά τουσ (περίπου το 50% αυτισ) ςτουσ γειτονικοφσ πυρινεσ δευτερίου και τριτίου δίνοντάσ τουσ ζτςι τθν απαιτοφμενθ ενζργεια ϊςτε να ςυντθχκοφν. Με τθν ίδια λογικι δθμιουργείται ζνα κφμα που 8 πυροδοτεί όλα τα καφςιμα με ταχφτθτα 5 10 m/ s ςε χρονικό διάςτθμα 50 ps. Αυτό μποροφμε να το παρατθριςουμε και ςτα παραπάνω διαγράμματα () μετά τθν χρονικι ςτιγμι t= 4.5 ns. Θ ιςχφσ που απελευκερϊνεται ςυνολικά από τισ αντιδράςεισ 15 ςφντθξθσ όλων τον πυρινων δευτερίου-τριτίου είναι 3 10 Watt Εικόνα 4 : Η ιςχφσ από τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ ςε ςυνάρτθςθ με τον χρόνο Το 99% τθσ ενζργειασ που απελευκερϊνεται προζρχεται από τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ δευτερίου τριτίου (DT) και μόλισ το 1% από αντιδράςεισ δευτερίου-δευτερίου (DD). Το 0% τθσ ενζργειασ αυτισ ωζρουν τα ςωμάτια α που όπωσ αναωζρκθκε εναποτίκεται ςτα καφςιμα και το 80% αυτισ ςε ταχζα νετρόνια ενζργειασ 14.1 MeV. Τα νετρόνια διαωεφγουν από τθν περιοχι των αντιδράςεων χωρίσ να χάςουν ςθμαντικό ποςοςτό τθσ ενζργειασ τουσ κακϊσ τα καφςιμα ζχουν ατομικό αρικμό μόλισ με Η=1 και μαηικό μζχρι Α=3, και για τον λόγο αυτό αλλθλεπιδροφν μόνο με ελαςτικζσ ςυγκροφςεισ. Στθν ςυνζχεια κα περιγράψουμε με πιο τρόπο ςυλλζγεται θ ενζργεια των νετρονίων ϊςτε να τθν αξιοποιιςουμε για παραγωγι ενζργειασ.

59 Ραρακάτω παρουςιάηεται ςχθματικά με απλό τρόπο όλθ θ διαδικαςία που μόλισ περιγράψαμε: Εικόνα 5 : Σχθματικι αναπαράςταςθ ςυμπίεςθσ και ςφντθξθσ των καυςίμων

60 Energy Gain (ενεργειακό κζρδοσ) Θ απόδοςθ τθσ παραγωγισ ενζργειασ δίνεται από τθν εξισ ςχζςθ: G E E fusion delivered όπου E f είναι θ ενζργεια που απελευκερϊνεται από τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ και όπου E d θ ενζργεια που δίνουμε εμείσ ϊςτε να ξεκινιςουν αυτζσ οι αντιδράςεισ. Ο υπολογιςμόσ του G για τθν επιτυχι παραγωγι ενζργειασ υπολογίηεται αν λάβουμε υπόψθ τθν ιςορροπία ενζργειασ του αντιδραςτιρα όπωσ ωαίνεται ςτο παρακάτω ςχιμα: Εικόνα 6 : Ιςορροπία ενζργειασ Αρχικά ζχουμε τθν ςχζςθ E f G E d. Θ ενζργεια αυτι μετατρζπεται ςε θλεκτρικι με απόδοςθ n th. Ζνα κλάςμα f τθσ θλεκτρικισ ενζργειασ αυτισ χρθςιμοποιείται για τθν δθμιουργία τθσ ενεργειακισ δζςμθσ που πυροδοτεί τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ με απόδοςθ n d. Θ ιςορροπία ενζργειασ για αυτόν τον κφκλο μπορεί να γραωεί ωσ εξισ f n n G 1. Ραίρνοντασ ωσ δεδομζνο ότι n 40% 0. 4 (γνωςτό νοφμερο από τα th υπάρχοντα εργοςτάςια παραγωγισ ενζργειασ) και απαιτϊντασ το f 0.5 ζχουμε G n 10. Υποκζτοντασ ότι θ απόδοςθ n d είναι 10- d 30% κάνουμε τισ πράξεισ και βλζπουμε πωσ ο ςυντελεςτισ απόδοςθσ G πρζπει να παίρνει τιμζσ από 30 ζωσ 100 για τθν παραγωγι ενζργειασ. d th

61 Στο ςχιμα δεν ςυμπεριλαμβάνεται θ επιπλζον ενζργεια που απελευκερϊνεται από εξϊκερμεσ αντιδράςεισ των ενεργειακϊν νετρονίων με του πυρινεσ του μζςου απορρόωθςθσ ενζργειασ αυτϊν. Θ παραγωγι ενζργειασ λόγω αυτϊν των αντιδράςεων μπορεί να αυξθκεί κατά ζναν παράγοντα Μ=1.5.

62 Instabilities (αςτάθειεσ) Μια ςθμαντικι προχπόκεςθ ϊςτε να ζχουμε επιτυχισ ςφντθξθ των καυςίμων είναι θ ςωαιρικι ςυμμετρία τθσ ςυμπίεςθσ. Για να δθμιουργθκοφν οι ςυνκικεσ ϊςτε να ξεκινιςουν οι πρϊτεσ αντιδράςεισ ςφντθξθσ (hot spot), θ ςυμπίεςθ των καυςίμων πρζπει να είναι ςε μεγάλο βακμό ςυμμετρικά ςωαιρικι. Θ ςυμμετρία ςτθν ςυμπίεςθ είναι απαραίτθτθ διότι το υλικό το οποίο επιταχφνεται με μεγάλθ ταχφτθτα πρζπει να προςκροφςει ςτο κζντρο ταυτόχρονα, ϊςτε θ κινθτικι ενζργεια όλων των πυρινων να μετατραπεί ςυγχρόνωσ ςε κερμικι και οι τιμζσ τθσ πίεςθσ, πυκνότθτασ και κερμοκραςίασ να είναι οι μζγιςτεσ (hot spot). Ασ ςθμειωκεί εδϊ πωσ θ κατάςταςθ hot spot ςτισ οποίεσ ξεκινοφν οι πρϊτεσ αντιδράςεισ ςφντθξθσ (πυροδότθςθ) μπορεί να επιτευχκεί εωόςον υπάρχουν διαταραχζσ,.για να ζχουμε όμωσ επιτυχισ καφςθ όλων των καυςίμων, που είναι και το ηθτοφμενο, θ hot spot περιοχι πρζπει να ζχει ςυγκεκριμζνο μζγεκοσ. Ακόμθ και μικρζσ ανομοιογζνειεσ, ςτθν πρόςπτωςθ των ακτινϊν τθσ δζςμθσ laser πάνω ςτθ κάψουλα, μποροφν να προκαλζςουν μεγάλθ αςυμμετρία ςτθ ςυμπίεςθ. Λόγω του περιοριςμζνου αρικμοφ των ακτινϊν τθσ δζςμθσ δεν μποροφμε να ζχουμε πλιρθ ιςοτροπικι ακτινοβόλθςθ τθσ κάψουλασ. Επίςθσ, ο ςυγχρονιςμόσ μεταξφ τοποκζτθςθσ και ακτινοβόλθςθσ τθσ κάψουλασ δεν μπορεί να είναι τζλειοσ, πράγμα που καταςτρζωει πάλι τθν ιςοτροπικι ακτινοβόλθςθ. Ραράλλθλα, θ ποιότθτα καταςκευισ τθσ κάψουλασ ζχει εξίςου ςθμαντικό ρόλο ςτθν εμωάνιςθ αςυμμετρίασ ςτθν ςυμπίεςθ. Το ςχιμα τθσ κάψουλασ πρζπει να είναι απόλυτα ςυμμετρικό και θ επιωάνεια τθσ να μθν ζχει ανομοιογζνειεσ. Ακόμα, μικρζσ διαωορζσ ςτο πάχοσ των διάωορων ςτρωμάτων τθσ κάψουλασ μποροφν να προκαλζςουν αςτάκεια και καταςτροωι ςε κάποιο βακμό τθσ ςυμμετρικισ ςυμπίεςθσ. Μια άλλθ αιτία που εμποδίηει τθν ςυμμετρικι ςυμπίεςθ είναι θ Rayleigh-Taylor αςτάκεια, θ οποία γενικά εμωανίηεται ςτθν επιωάνεια αλλθλεπίδραςθσ δυο ρευςτϊν διαωορετικισ πυκνότθτασ που επιταχφνονται.

63 Εικόνα 7 : Διαταραχζσ Rayleigh Taylor Στθν περίπτωςι μασ τα ρευςτά είναι το μίγμα DT ςτθν κάψουλα, όπου το εξωτερικό μζροσ είναι το πυκνό (παγωμζνο μίγμα) και το εςωτερικό είναι το αραιό (αζριο μίγμα), κακϊσ αςτάκειεσ δθμιουργοφνται και ςτθν επιωάνεια αλλθλεπίδραςθσ του εξωτερικοφ μζρουσ τθσ κάψουλασ CH 4 με το πυκνό μίγμα DT. Οι διαταραχζσ αυτζσ μποροφν ακόμθ και να ςπάςουν το κελί του πυκνοφ μίγματοσ DT που επιταχφνεται προσ το κζντρο ςυμπιζηοντασ το αζριο μίγμα κι ζτςι θ ςυμπίεςθ να αποτφχει. Εικόνα 8 : Εμφάνιςθ αςτάκειασ κατά τθν επιτάχυνςθ των ςτρωμάτων διαφορετικισ πυκνότθτασ

64 Θ hot spot περιοχι ζχει μεγαλφτερθ επιωάνεια λόγω τθσ ακανόνιςτθσ δομισ τθσ κι ζτςι μειϊνεται θ πυκνότθτα ενζργειασ κακϊσ τα ςωμάτια α (που δθμιουργοφνται από τισ πρϊτεσ αντιδράςεισ ςφντθξθσ) διαωεφγουν από τθν περιοχι hot spot πριν αυτι αποκτιςει τθν κατάλλθλθ κερμοκραςία, με αποτζλεςμα τθν αποτυχθμζνθ πυροδότθςθ των καυςίμων. Εικόνα 9 : Hot spot περιοχι Τα προβλιματα αςτάκειασ είναι θ ςθμαντικότερθ πρόκλθςθ που αντιμετωπίηουμε, ϊςτε να ζχουμε επιτυχι ςφντθξθ των καυςίμων τθσ κάψουλασ.

65 Hohlraum targets Οι δυςκολίεσ που αναωζρκθκαν ςχετικά με τθν ιςότροπθ ακτινοβόλθςθ τθσ κάψουλασ με ακτίνεσ laser οδιγθςαν ςτθν αναηιτθςθ νζων ιδεϊν για τθν επίτευξι τθσ. Οι hohlraum ςτόχοι είναι μια ειδικι κατθγορία ςτόχων ςτουσ οποίουσ θ κάψουλα καυςίμων ςυμπιζηεται μζςα ςε μια κοιλότθτα, ονομαηόμενθ «hohlraum» (γερμανικι λζξθ που ςθμαίνει κενόσ χϊροσ). Θ κοιλότθτα hohlraum κερμαίνεται από τισ ακτίνεσ laser, οι οποίεσ ειςχωροφν από δυο τρφπεσ ςτα πλάγια και διαχζονται ςτα εςωτερικά τοιχϊματα, όπωσ ωαίνεται και ςτθν παρακάτω εικόνα. Εικόνα 10 : Είςοδοσ των ακτινϊν laser ςτο hohlraum Στθ ςυνζχεια θ κάψουλα καυςίμων ςυμπιζηεται από ακτίνεσ χ που προζρχονται από τθν αλλθλεπίδραςθ του ωωτόσ laser με το υλικό του τοιχϊματοσ τθσ κοιλότθτασ. Για αυτό τον λόγο θ διαδικαςία αυτι ονομάηεται in-direct drive, κακϊσ θ δζςμθ laser δεν αλλθλεπιδρά άμεςα με τθν κάψουλα καυςίμων όπωσ γίνεται ςτισ διαδικαςίεσ που αναωερκικαμε παραπάνω. Το εςωτερικό τοίχοσ είναι ωτιαγμζνο από χρυςό ι άλλα υλικά με υψθλό ατομικό αρικμό Η ζτςι ϊςτε να πετφχουμε το μζγιςτο ποςοςτό μετατροπισ τθσ ενζργειασ του Laser ακτίνεσ χ. Στθν παρακάτω εικόνα ωαίνεται θ κερμοκραςία του εςωτερικοφ τοιχϊματοσ από χρυςό, όταν ςε αυτό προςπίπτει θ δζςμθ laser με ιςχφ W/cm.

66 Θ παραγωγι ακτινϊν χ από laser είναι θ μεγαλφτερθ που ζχει επιτευχκεί μζχρι ςτιγμισ ςε εργαςτιριο. Πταν θ δζςμθ laser προςπζςει ςτο υλικό, εξατμίηει και ιονίηει τθν επιωάνειά του. Εκείνθ τθν ϊρα θ φλθ περνάει ςε κατάςταςθ πλάςματοσ που εκτονϊνεται και απορροωά ιςχυρά τον εναπομζνοντα παλμό του laser, αποκτϊντασ κερμοκραςία από 0.1 ζωσ 8 KeV. Θ μζγιςτθ εκπομπι ακτινϊν χ εντοπίηεται ςτθν περιοχι του πλάςματοσ με τθν μεγαλφτερθ κερμοκραςία και πυκνότθτα θλεκτρονίων (γι αυτό και επιλζγουμε υλικό με υψθλό ατομικό αρικμό). Εικόνα 11 : Πρόςπτωςθ laser πάνω ςε υλικό Πςο μεγαλφτερθ είναι θ απορρόωθςθ τθσ δζςμθσ laser τόςο μεγαλφτερθ είναι και θ παραγωγι ακτινϊν χ, ενϊ ο παλμόσ των παραγόμενων ακτινϊν χ είναι περίπου ίδιοσ με τον παλμό τθσ δζςμθσ laser. Ο μθχανιςμόσ απορρόωθςθσ του ωωτόσ laser από το πλάςμα είναι ςχετικά απλόσ. Τα ελεφκερα θλεκτρόνια που υπάρχουν κακϊσ ταλαντϊνονται ςτο θλεκτρικό πεδίο του ωωτόσ του laser αποκτοφν κινθτικι ενζργεια τθν οποία μεταωζρουν ςτα ιόντα μζςω ςυγκροφςεων κι ζτςι θ κερμοκραςία του πλάςματοσ ανεβαίνει. Θ απορρόωθςθ λόγω ςυγκροφςεων είναι μεγάλθ για υλικό μεγάλθσ πυκνότθτασ και μεγάλου ατομικοφ αρικμοφ (μεγάλοσ αρικμόσ θλεκτρονίων). Υπάρχουν τρεισ βαςικοί μθχανιςμοί εκπομπισ ακτινϊν χ από το πλάςμα όταν αυτό αποκτιςει επαρκι κερμικι ενζργεια. Ο πρϊτοσ μθχανιςμόσ ονομάηεται inverse bremsstrahlung όπου ελεφκερα θλεκτρόνια αλλθλεπιδροφν με το πεδίο Coulomb των ιόντων, αλλάηοντασ ζτςι κατεφκυνςθ με ταυτόχρονθ εκπομπι θλεκτρομαγνθτικισ ακτινοβολίασ ςυνεχοφσ ωάςματοσ ςτθν περιοχι των

67 ακτινϊν χ. Το ωαινόμενο αυτό είναι ανάλογο τθσ πυκνότθτασ των θλεκτρονίων και τθσ κερμοκραςίασ. Ο δεφτεροσ μθχανιςμόσ είναι θ επαναςφνδεςθ θλεκτρονίων ςε κάποιο ιόν όπου ελεφκερα θλεκτρόνια από το πλάςμα ςυλλαμβάνονται από ζναν πυρινα με ταυτόχρονθ εκπομπι θλεκτρομαγνθτικισ ακτινοβολίασ ςτο ςυνεχζσ ωάςμα. Το ωωτόνιο που παράγεται ζχει μεγαλφτερθ ενζργεια από τθν ενζργεια ιονιςμοφ του θλεκτρονίου ςτον πυρινα αυτό. Ο τρίτοσ μθχανιςμόσ παράγει γραμμικό ωάςμα που οωείλεται ςε μεταπτϊςεισ των δεςμευμζνων θλεκτρονίων (που ζχουν διεγερκεί λόγω υψθλισ κερμοκραςίασ) ςτισ διάωορεσ ενεργειακζσ ςτάκμεσ των ιόντων. Θ μεγαλφτερθ ςυνειςωορά εκπομπισ ακτινοβολίασ εντοπίηεται όταν οι μεταπτϊςεισ γίνονται ςτθ βαςικι κατάςταςθ. Σκεπτόμενοι ιδανικά μζςα ςτο hohlraum θ πολλαπλι απορρόωθςθ και επανεκπομπι ακτινοβολίασ οδθγεί ςε μια ςυμβολι ωωτονίων ςτθν κοιλότθτα που μπορεί να περιγραωεί από τθ κεωρία ακτινοβολίασ μζλανοσ ςϊματοσ. Θ ςυνολικι ροι μζςα ςτθν κοιλότθτα δίνεται από το νόμο των Stefan-Boltzmann: (όπου S 4 10 Tr TWatt / cm T r κερμοκραςία ακτινοβολίασ ςε μονάδεσ 100 ev) Εικόνα 1 : Η χρονικι εξζλιξθ τθσ ακτινοβόλθςθσ τθσ εςωτερικισ επιφάνειασ

68 Ο λόγοσ για τον οποίο χρθςιμοποιοφμε το hohlraum είναι ότι οι ακτίνεσ χ που δθμιουργοφνται με αυτιν τθν διαδικαςία ζχουν τθ μορωι ακτινοβολίασ μζλανοσ ςϊματοσ, θ οποία είναι ομογενισ και ιςότροπθ εξ οριςμοφ και για αυτό είναι ιδανικι για τθν ςυμπίεςθ τθσ κάψουλασ, κι ζτςι παρακάμπτεται το πρόβλθμα τθσ ιςοτροπικισ ακτινοβόλθςθσ. Με τον τρόπο αυτό μειϊνουμε τα ωαινόμενα αςτάκειασ και ζχουμε πιο αποτελεςματικι ςυμπίεςθ και δθμιουργία τθσ hot spot περιοχισ ςε τζτοιο βακμό, ϊςτε να ζχουμε ςφντθξθ όλων των καυςίμων. Εικόνα 13: Η ςυνολικι διαδικαςία Εκτόσ από τθ δζςμθ laser για τθν παραγωγι ακτινϊν χ μποροφμε να χρθςιμοποιιςουμε δζςμθ ιόντων. Το κετικό με τθ μζκοδο αυτι είναι ότι θ δζςμθ ιόντων εναποκζτει τθν ενζργειά τθσ ςε ολόκλθρο ςχεδόν τον όγκο του υλικοφ του hohlraum για τθ δθμιουργία ακτινϊν χ και όχι μόνο ςτθν εςωτερικι του επιωάνεια όπωσ είδαμε προθγουμζνωσ. Θ εξάρτθςθ του ποςοςτοφ μετατροπισ ςε ςχζςθ με τθν ζνταςθ τθσ ακτινοβολίασ ςτισ δυο περιπτϊςεισ είναι αντίκετθ. Στθν περίπτωςθ τθσ δζςμθσ laser όςο θ ζνταςι τθσ αυξάνει, το ποςοςτό μειϊνεται ενϊ όταν θ ζνταςθ τθσ δζςμθσ ιόντων αυξάνει, τότε αυξάνεται και το ποςοςτό. Αυτό ωαίνεται ςτο παρακάτω διάγραμμα:

69 Εικόνα 14: Ποςοςτό μετατροπισ ενζργειασ ςε ακτίνεσ χ ανάλογα με τθν ζνταςθ τθσ ακτινοβολίασ Σε μεγάλεσ πυκνότθτεσ τθσ δζςμθσ laser θ ςυχνότθτα ςυγκροφςεων ελαττϊνεται και κυριαρχεί θ κίνθςθ ταλάντωςθσ των θλεκτρονίων ςτο θλεκτρικό πεδίο του ωωτόσ λόγω τθσ ιςχυρισ εξάρτθςθσ τθσ ενεργοφσ διατομισ ςφγκρουςθσ θλεκτρονίων-ιόντων από τθν ταχφτθτα των 4 θλεκτρονίων ( ς u ). Στο παραπάνω διάγραμμα παρατθροφμε ςτθν e περίπτωςθ του laser να υπάρχει ζνασ μεγάλοσ ςυςχετιςμόσ με το μικοσ κφματοσ του ωωτόσ. Ακτινοβολία με μικρότερο μικοσ κφματοσ μπορεί να ειςχωριςει περιςςότερο ςτο πλάςμα ςε μεγαλφτερεσ πυκνότθτεσ, με αποτζλεςμα να μεταωζρεται μεγαλφτερο ποςό τθσ ενζργειασ του laser ςτο υλικό κι ζτςι να ζχουμε μεγαλφτερθ μετατροπι του ςε ακτίνεσ χ.

70 Αίθουςα αντιδράςεων (reactions chamber) Θ ακτινοβόλθςθ τθσ κάψουλασ καυςίμων με τθ δζςμθ laser και θ καφςθ τουσ λαμβάνει χϊρα μζςα ςε μια μεγάλθ αίκουςα (ςυνικωσ ςωαιρικι). Θ αίκουςα ζχει να εκπλθρϊςει πολλζσ λειτουργίεσ κακϊσ κα πρζπει να παρζχει υψθλοφ κενοφ περιβάλλον, τοποκζτθςθ του ςτόχου ςτο κζντρο με μεγάλθ ακρίβεια ςε χϊρο και χρόνο, να είναι καταςκευαςμζνθ ζτςι ϊςτε να αντζχει και να απορροωά τα μεγάλα ποςά ενζργειασ που παράγονται από τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ, να μετατρζπει τθν ενζργεια αυτι ςε κερμικι για τθν αξιοποίθςι τθσ και τζλοσ να μπορεί να παράγει τρίτιο από τθν απορρόωθςθ των νετρονίων, κακϊσ το τρίτιο όπωσ ζχει ιδθ αναωερκεί δεν υπάρχει ςτθ ωφςθ ςε υπολογίςιμεσ ποςότθτεσ. Κατά τθ διαδικαςία πρόςπτωςθσ του laser πάνω ςτθν κάψουλα καυςίμων, τθν ςυμπίεςι του και τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ, παράγονται διάωορα είδθ ακτινοβολίασ, όπωσ μεγάλεσ ροζσ νετρονίων, ακτίνεσ χ, ιόντα (κομμάτια ςε μορωι πλάςματοσ) και ακτίνεσ laser, οι οποίεσ ενδεχομζνωσ ανακλϊνται κατά τθν πρόςπτωςθ τθσ κφριασ δζςμθσ ςτο ςτόχο. Τα νετρόνια από τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ ζχουν μεγάλθ κινθτικι ενζργεια (14.1 MeV) τθν οποία εναποκζτουν μζςω ςυγκροφςεων ςε ζνα υλικό ςτο εςωτερικό τθσ αίκουςασ με αποτζλεςμα να του αυξιςουν ςε μεγάλο βακμό τθ κερμοκραςία. Οι ακτίνεσ χ απορροωϊνται από τθν εςωτερικι επιωάνεια τθσ αίκουςασ, εξαερϊνοντασ το πάνω ςτρϊμα δθμιουργϊντασ ζτςι κάποια υπολείμματα. Τα υπολείμματα αυτά κα πρζπει να απομακρφνονται από τθν αίκουςα πριν γίνει θ πυροδότθςθ τθσ επόμενθσ κάψουλασ, διαδικαςία που είναι πολφπλοκθ και για το λόγο αυτό πρζπει να επιλεχκεί το κατάλλθλο υλικό για τθν καταςκευι τθσ εςωτερικισ επιωάνειασ τθσ αίκουςασ.

71 Εικόνα 15 : Παράγουςεσ ακτινοβολίεσ και το εςωτερικό τοίχοσ τθσ ςφαιρικισ αίκουςασ Ζνα άλλο βαςικό κριτιριο για τθν καταςκευι του εςωτερικοφ τθσ αίκουςασ είναι θ αντίδραςι τθσ με τα ενεργειακά νετρόνια. Μετά από πολλζσ ςυγκροφςεισ με το υλικό τα νετρόνια, ζχοντασ χάςει το μεγαλφτερο ποςοςτό τθσ κινθτικισ τουσ ενζργειασ, απορροωϊνται από τουσ πυρινεσ του υλικοφ αλλάηοντασ ζτςι το μαηικό τουσ αρικμό με πικανότθτα να τα καταςτιςουν ραδιενεργά (ωαινόμενο ενεργοποίθςθσ). Είναι ςθμαντικό επομζνωσ να επιλεγεί ζνα υλικό με ςτοιχεία που δεν κα μετατρζπονται ςε ραδιενεργά ιςότοπα μετά τισ αντιδράςεισ τουσ με τα νετρόνια ι ζςτω τα ιςότοπα που κα δθμιουργθκοφν να ζχουν πολφ μικρό χρόνο ηωισ. Θ τοποκζτθςθ τθσ κάψουλασ ςτο ακριβζσ ςθμείο ςτθν αίκουςα είναι μια ακόμθ ςθμαντικι διαδικαςία που πρζπει να προςεχκεί ιδιαίτερα. Σε πειράματα που ζχουν γίνει μζχρι ςτιγμισ προβλζπεται ότι θ τοποκζτθςθ τθσ κάψουλασ μπορεί να γίνει με ακρίβεια τθσ τάξθσ των 0.1 mm. Επιπλζον θ τοποκζτθςθ πρζπει να είναι ςυγχρονιςμζνθ με τθ δζςμθ laser κακϊσ με τον τρόπο αυτό θ ακρίβεια τθσ τοποκζτθςθσ μειϊνεται ςτα 0.4 mm. Ωςτόςο, θ διαδικαςία αυτι μπορεί να μθν είναι δφςκολθ υπόκεςθ όταν επρόκειτο για μια μόνο τοποκζτθςθ, όταν όμωσ αυτό πρζπει να γίνει πολλζσ ωορζσ και μάλιςτα ςε μικρό χρονικό διάςτθμα και ςε ζνα περιβάλλον όπου μεγάλα ποςά ενζργειασ απελευκερϊνονται, εντζλει αποτελεί μια αρκετά δφςκολθ διαδικαςία.

72 Υπάρχουν τρεισ βαςικοί ςχεδιαςμοί όςον αωορά το εςωτερικό τθσ αίκουςασ: ςτεγνό τοίχοσ, ςτερεό τοίχοσ προςτατευμζνο με κάποιο υγρό και τζλοσ το παχφ υγροποιθμζνο τοίχοσ. Θ ιδζα του υγροφ τοίχουσ πθγάηει από το γεγονόσ ότι τα ενεργειακά νετρόνια που προςπίπτουν προκαλοφν μεγάλθ καταςτροωι ςε ζνα ςτερεό υλικό με κακοριςμζνθ ατομικι δομι κι ζτςι μετά από κάποιο χρόνο χρειάηεται αλλαγι, διαδικαςία που είναι πολφ πιο δφςκολθ ςτθν πράξθ από τθν αλλαγι απλά του υγροφ. Επιπρόςκετα, θ επιλογι του υγροφ ζχει ςθμαντικό ρόλο ςτθν μετατροπι τθσ κινθτικισ ενζργειασ των νετρονίων ςε κερμικι κακϊσ λειτουργεί και ωσ ψυκτικό υγρό. Ζνα από τα ςθμαντικότερα κζματα είναι θ μεταωορά τθσ ενζργειασ που απελευκερϊνεται από τισ αντιδράςεισ ςφντθξθσ ςτουσ εναλλάκτεσ κερμότθτασ. Αυτό γίνεται με τθ βοικεια ενόσ ψυκτικοφ υγροφ το οποίο ρζει από τθν κορυωι τθσ ςωαιρικισ αίκουςασ και ςυλλζγεται ςτον πάτο τθσ, αωοφ ζχει απορροωιςει τθν κινθτικι ενζργεια των νετρονίων θ οποία αυξάνει τθν κερμοκραςία του. Μετά τθ ςυλλογι του υγροφ ςτον πάτο, αυτό μεταωζρεται ςτουσ ατμοπαραγωγοφσ όπου με γνωςτζσ διαδικαςίεσ παράγεται θλεκτρικό ρεφμα και ςτθ ςυνζχεια επιςτρζωει πάλι ςτθ ςωαιρικι αίκουςα για να επαναλθωτεί θ ίδια διαδικαςία. Θ καλφτερθ επιλογι για ψυκτικό υγρό είναι το τθγμζνο άλασ με πρόςμιξθ Li BeF 4, γιατί όχι μόνο δεν είναι εφωλεκτο αλλά και είναι ςυμβατό με το ανοξείδωτο ατςάλι (που είναι το κφριο υλικό του εςωτερικοφ τοίχουσ), ενϊ παράλλθλα ζχει τθν επικυμθτι ςυμπεριωορά όταν βομβαρδίηεται από ενεργειακά νετρόνια. Εικόνα 16: Αίκουςα του ςτόχου με υγρό και τα βαςικά τθσ μζρθ

73 Το Li ( λίκιο ) και το Βe (βθρφλλιο) ζχουν ςθμαντικό ρόλο ςτθν απορρόωθςθ των νετρονίων. Ππωσ ζχουμε δει το τρίτιο είναι αςτακζσ και με β 3 διάςπαςθ δίνει He με χρόνο θμιηωισ 1.3 χρόνια. Ζτςι πρζπει να το παράγουμε εμείσ ϊςτε να το χρθςιμοποιοφμε ςτουσ αντιδραςτιρεσ ςφντθξθσ. Ζνασ καλόσ τρόποσ για να γίνει αυτό είναι να εκμεταλλευτοφμε τα ενεργειακά νετρόνια κακϊσ οι αντιδράςεισ τουσ με το Βe και το Li μποροφν να παράγουν τρίτιο. 6 n Li T a MeV (εξϊκερμθ) 7 n Li T a n. 87 MeV (ενδόκερμθ) Ραρατθροφμε ότι θ αντίδραςθ με το 6 Li είναι εξϊκερμθ πράγμα που ευνοεί τθν αφξθςθ κερμοκραςίασ ςτο ψυκτικό υγρό κι ζτςι αυξάνει τθν παραγωγι ενζργειασ κατά 5%. Επειδι ςτο ωυςικό λίκιο μόλισ το % είναι Li το εμπλουτίηουμε τεχνθτά. Στο παρακάτω διάγραμμα ωαίνεται θ ενεργόσ διατομι των δφο αντιδράςεων ανάλογα με τθν ενζργεια των νετρονίων. Το λίκιο προτιμάται και για κάποια άλλα του χαρακτθριςτικά όπωσ θ χαμθλι του πυκνότθτα με αποτζλεςμα να ζχει χαμθλό ιξϊδεσ, τικεται μόλισ ςτουσ 181 O C με κερμοκραςία βραςμοφ (πράγμα που κζλουμε να αποωφγουμε) αρκετά υψθλι και ζχει πολφ καλι κερμικι αγωγιμότθτα. Εικόνα 17 : Ενεργόσ διατομι των αντιδράςεων ανάλογα με τθν ενζργεια των νετρονίων

74 Θ επιλογι του Βe γίνεται κατανοθτι βλζποντασ τθν παρακάτω αντίδραςθ: 9 Be n n a Θ αντίδραςθ αυτι ζχει μεγάλθ ενεργό διατομι ςε ταχζα νετρόνια και χρθςιμεφει ςτθν παραγωγι επιπλζον νετρονίων τα οποία ςτθ ςυνζχεια αλλθλεπιδροφν με το Li, ςφμωωνα με τισ παραπάνω αντιδράςεισ, με αποτζλεςμα τθν επιπλζον παραγωγι τριτίου. Θ παραγωγι των επιπλζον αυτϊν νετρονίων είναι απαραίτθτθ κακϊσ θ ενεργόσ διατομι αλλθλεπίδραςθσ (ανελαςτικι) των ταχζων νετρονίων με το Li είναι πάρα πολφ μικρι και αυξάνει κακϊσ πζωτει θ ενζργεια των νετρονίων, όπωσ ωαίνεται και ςτθν παραπάνω εικόνα.

75 Fast Ignition (γρήγορη πυροδότηςη) Ππωσ είδαμε υπάρχουν κάποιεσ αςτάκειεσ κατά τθν ςυμπίεςθ των καυςίμων οι οποίεσ εμποδίηουν τθν δθμιουργία των κατάλλθλων ςυνκθκϊν ϊςτε να ζχουμε πυροδότθςθ των καυςίμων (ignition). Ζτςι δθμιουργικθκε θ ςκζψθ για ζναν εναλλακτικό τρόπο πυροδότθςθσ των ςυμπιεςμζνων καυςίμων με μια εξωτερικι ξεχωριςτι δζςμθ μικροφ παλμοφ και μεγάλθσ ενζργειασ. Θ ιδζα αυτι υπιρχε από το 1960 όμωσ δεν μποροφςε να χρθςιμοποιθκεί μζχρι το 1998 όπου δθμιουργικθκαν τα πρϊτα laser με ιςχφ τθσ τάξεωσ του Petawatt. Ακόμθ και ζτςι βζβαια απαιτείται υψθλι ςυμπίεςθ των καυςίμων αλλά μειϊνονται αιςκθτά οι απαιτιςεισ για τθν ςυμμετρία τθσ ςυμπίεςθσ. Υπάρχουν διάωοροι τρόποι πυροδότθςθσ των ςυμπιεςμζνων καυςίμων. Θ πιο απλι περίπτωςθ είναι θ πυροδότθςθ με μια επιπλζον ακτίνα laser. Μια ακτίνα laser μεγάλθσ ιςχφοσ ( watt / cm ) προςπίπτει πάνω ςτο πλάςμα που είναι θ κατάςταςθ των ςυμπιεςμζνων καυςίμων. Κατά τθν αλλθλεπίδραςθ τθσ ακτίνασ laser με το πλάςμα, όλα τα θλεκτρόνια που βρίςκονται ςτον όγκο τισ ακτίνασ επιταχφνονται και αποκτοφν ςχετικιςτικζσ ταχφτθτεσ με αποτζλεςμα να υπάρχει και θ ςχετικι αφξθςθ τθσ μάηασ τουσ. Εικόνα 18 : Πυροδότθςθ με επιπλζον ακτίνα laser

76 Τα θλεκτρόνια αλλθλεπιδροφν με το θλεκτρικό πεδίο των ωωτονίων τθσ ακτίνασ laser και ζτςι οδθγοφνται ςε εγκάρςιεσ ταλαντϊςεισ, αυξάνοντασ ζτςι τθν κινθτικι τουσ ενζργεια. Θ κίνθςθ των θλεκτρονίων δθμιουργεί ζνα ρεφμα μεγάλθσ ζνταςθσ που ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν δθμιουργία ιςχυροφ μαγνθτικοφ πεδίου. Εικόνα 19: Δθμιουργία μαγνθτικοφ πεδίου από τθν κίνθςθ των θλεκτρονίων Θ δθμιουργία του μαγνθτικοφ πεδίου παγιδεφει τα θλεκτρόνια που το δθμιουργοφν ςε ζνα κανάλι και ζτςι αυτά μαηί με τθν ακτίνα laser προχωροφν μζςα ςτθν φλθ (ςυμπιεςμζνα καφςιμα). Οι τιμζσ που 15 υπολογίηεται ότι χρειάηονται για επιτυχι πυροδότιςθ είναι 10 Watt υςχι για το laser προςδίδοντασ ςτα θλεκτρόνια ενζργεια 10 MeV και ζνταςθ ρεφματοσ 100 ΜAmpere. Θ ενζργεια που μεταωζρεται είναι 10 ΚJoule ςε χρόνο 0 psecond ςτθν κεντρικι περιοχι ακτίνασ 15 μm (ςε μικοσ 100 nm). Εικόνα 0: Κίνθςθ θλεκτρονίων κατά μικοσ του laser

77 Ζτςι με αυτόν τον τρόπο μεταωζρεται θ επιπλεόν ενζργεια ςτο κζντρο (hot spot) που χρειάηεται ϊςτε να αρχίςουν να λαμβάνουν χϊρα οι αντιδράςεισ ςφντθξθσ με γριγορο ρυκμό. Με τθν μελζτθ του ςχεδίου για γριγορθ πυροδότθςθ των καυςίμων από επιπλζον εξωτερικι πθγι ενζργειασ προζκυψαν νζεσ ιδζεσ. Μια από αυτζσ τισ ιδζεσ είναι θ ςθμπίεςθ κακαροφ δευτερίου και πυροδότθςθ αυτοφ με μια μικρι ποςότθτα μίγματοσ DT ςτο εςωτερικό του θ οποία πυροδοτιται με μια δζςμθ ενεργειακϊν ςωματιδίων. Θ ιδζα αυτι είναι ενδιαωζρουςα από τθν άποψθ ότι δεν χρειάηονται μεγάλεσ ποςότθτεσ τριτίου ςτον ςτόχο και άρα οφτε διαδικαςίεσ ςτο ςφςτθμα παραγωγισ ενζργειασ, οι οποίεσ κα παράγουν τρίτιο. Θ αντίδραςθ είναι θ εξισ: 3 D D T p ι D D He n (με ςχεδόν ίδια ενεργό διατομι) Το παραγϊμενο τρίτιο μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ςτθν καταςκευι του επόμενου ςτόχου, γεγονόσ που μειϊνει περιςςότερο τθν διαδικαςία παραγωγισ τριτίου. Θ περιοχι που βρίςκεται το μίγμα DT δεν είναι ςτο κζντρο τθσ κάψουλασ αλλά ςτα πλάγια ϊςτε να μθ χρειαηεται θ δζςμθ ενεργειακϊν ςωματιδίων να περάςει μζςα από μεγάλθ ποςότθτα φλθσ μζχρι να εναποκζςει τθν ενζργεια τθσ ςτο μίγμα DT. Εικόνα 1 : Πυροδότιςθ με μίγμα δευτερίου-τριτίου

78 Θ αναλογία ςτο μίγμα DT είναι 0% τρίτιο και 80% δευτζριο. Οι υπολογιςμοί δείχνουν ότι για να ζχουμε επιτυχι ςφντθξθ και ικανοποιθτικό ποςό παραγωγισ ενζργειασ θ μάηα των καυςίμων πρζπει να είναι αρκετά μεγάλθ (10-0 mg) και θ αρχικι ςυμπίεςθ πρζπει να γίνει ςε μεγάλο βακμό. Θ δυςκολία για τθν διζλευςθ τθσ ακτίνασ πυροδότθςθσ μζςα από τα ςυμπιεςμζνα καφςιμα οδιγθςε ςτθν δθμιουργία τθσ ιδζασ να τοποκετθκεί ζνασ κϊνοσ πάνω ςτθν κάψουλα καυςίμων που κα οδθγιςει τθν ακτίνα ςτο κζντρο τθσ κάψουλασ απευκείασ όπωσ ωαίνεται ςτο παρακάτω ςχιμα: Εικόνα : Ο κϊνοσ χρυςοφ που οδθγεί τθν ακτίνα πυροδότθςθσ Θ ςκζψθ τθσ γριγορθσ πυροδότιςθσ οδιγθςε ςτθν δθμιουργία μιασ νζασ ιδζασ που αωορά τθν πυροδότθςθ καυςίμων τα οποία δεν ζχουν ςωαιρικό ςχιμα. Τα καφςιμα ζχουν κυλινδρικό ςχιμα και πυροδοτοφνται με ζναν ζντονο παλμό από βαρζα ιόντα. Ο κφλινδροσ καυςίμων περιζχει mg μίγματοσ DT και πρζπει να ςυμπιεςτεί 3 ομογενόσ ςε πυκνότθτα περίπου 100 g / cm. H ενζργεια που εναποτίκεται είναι 161 kj ςε χρόνο 60 ps. Τα καφςιμα πυροδοτοφνται και ζνα κφμα δθμιουργείται που προχωράει κατα μικοσ του κυλίνδρου.

79 Εικόνα 3: Οι φάςεισ πυροδότθςθσ καυςίμων ςε κυλινδρικό ςχιμα

80 Antiproton driver (δζςμη αντιπρωτονίων) Μια διαωορετικι ςκζψθ για τθν πυροδότθςθ των καυςίμων είναι θ εναπόκεςθ τθσ ενζργειασ ςτο κζντρο τθσ κάψουλασ (θ οποία ζχει ιδθ ςυμπιεςτεί μζχρι ζναν βακμό) από τθν εξαψλωςθ δζςμθσ αντιπρωτονίων. Κακϊσ το αντιπρωτόνιο ειςζρχεται ςτο υλικό μζςω ςυγκροφςεων αρχίηει να χάνει μζροσ τθσ κινθτικισ του ενζργειασ λόγω ςκεδάςεων. Μόλισ θ κινθτικι του ενζργεια ωτάςει ςτθν τιμι των 10-5 ΚeV το αντιπρωτόνιο ςυλλαμβάνεται από κάποιο άτομο παίρνοντασ τθν κζςθ ενόσ θλεκτρονίου τθσ εξωτερικισ ςτοιβάδασ. Ζτςι δθμιουργείται ζνα αντιπρωτονικό άτομο. Στθν ςυνζχεια το αντιπρωτόνιο μεταπίπτει ςτισ διάωορεσ ενεργειακζσ ςτάκμεσ εκπζμποντασ ακτίνεσ χ. Μόλισ ωτάςει ςτθν βαςικι κατάςταςθ όπου θ ακτίνα τθσ τροχιάσ είναι πολφ μικρι ( m / 1) τότε εξαχλϊνεται με ζνα πρωτόνιο ι ζνα νετρόνιο e m p του πυρινα του ατόμου που το είχε ςυλλάβει. Ο χρόνοσ που βρίςκεται το αντιπρωτόνιο ςτθν βαςικι του κατάςταςθ είναι < 1 10 sec και θ ενζργεια που απελευκερϊνεται είναι περίπου 1.88 GeV. Μποροφμε να επιλζξουμε το ςθμείο τθσ κάψουλασ όπου κζλουμε να γίνει θ εξαψλωςθ κακορίηοντασ τθν αρχικι κινθτικι ενζργεια του αντιπρωτονίου ανάλογα με τθν πυκνότθτα πυρινων τθσ κάψουλασ. Θ εξαψλωςθ είναι μια ιςχυρι αλλθλεπίδραςθ μεταξφ των quark των νουκλεονίων. Από τθν αλλθλεπίδραςθ τα πρϊτα ςωματίδια που δθμιουργοφνται είναι πιόνια και καόνια ςφμωωνα με το παρακάτω διάγραμμα: Εικόνα 4: Δθμιουργία ςωματιδίων κατά τθν εξαΰλωςθ πρωτονίου-αντιπρωτονίου

81 Το 64% τθσ ενζργειασ που απελευκερϊνεται εμωανίηεται ωσ κινθτικι ενζργεια των πιονίων ενϊ το 36% για τθν εξαψλωςθ τθσ μάηασ θρεμίασ τουσ. Ζνα πολφ μικρό ποςοςτό πθγαίνει για τθν δθμιουργία δυο ουδζτερων πιονίων. Τα πιόνια ςαν αςτακι ςωματίδια που είναι ςτθν ςυνζχεια διαςπϊνται ςε μυόνια και αυτά με τθν ςειρά τουσ ςε θλεκτρόνια και ποηιτρόνια με τα αντίςτοιχα νετρίνο τουσ. Το παραπάνω διάγραμμα αωορά τθν εξαψλωςθ ενόσ αντιπρωτονίου με ζνα απομονωμζνο πρωτόνιο. Θ εξαψλωςθ ενόσ αντιπρωτονίου με ζνα νουκλεόνιο το οποίο βρίςκεται μζςα ςε ζναν βαρφ πυρινα παρουςιάηει μια διαωορετικι εικόνα. ζνα κλάςμα τθσ διακζςιμθσ ενζργειασ εξαψλωςθσ μεταωζρεται ςτον βαρφ πυρινα μζςω αλλθλεπιδράςεων των παραγόμενων πιονίων με αυτόν όπωσ ωαίνεται ςτο παρακάτω ςχιμα: Εικόνα 5 : Εναπόκεςθ ενζργειασ ςτο πυρινα και θ ςχάςθ του Τϊρα, λόγω τθσ μεγάλθσ ελευκζρασ διαδρομισ των πιονίων που παράγονται κατά τθν διαδικαςία τθσ ιςχυρισ αλλθλεπίδραςθσ ςτο μικροφ ατομικοφ αρικμοφ υλικό (τα D και Τ ζχουν Η=1) θ εναπόκεςθ τθσ ενζργειασ τουσ κα είναι πολφ μικρι κακϊσ κα διαωφγουν από τθν κάψουλα. Για να λφςουμε αυτό το πρόβλθμα τοποκετοφμε μζςα ςτθν κάψουλα ζνα βαρφ μζταλλο (με μεγάλο ατομικό αρικμό) ϊςτε να αυξιςουμε εναπόκεςθ ενζργειασ. Το ςτοιχείο που είναι υποψιωιο 35 U είναι το ουράνιο ϊςτε θ εξαψλωςθ του να προκαλζςει τθν ςχάςθ του ϊςτε τα κραφςματά του λόγω του μεγάλου ατομικοφ τουσ αρικμοφ

82 να εναποκζςουν τθν ενζργεια τουσ τοπικά. Ππωσ ωαίνεται ςτο ςχιμα υπάρχει θ περίπτωςθ ο πυρινασ να ςχαςτεί και να δϊςει δυο κραφςματα μικρισ εμβζλειασ. Στθν περίπτωςθ αυτι θ ςυνολικι ενζργεια που παράγεται μπορεί να είναι μεγαλφτερθ των 1.88 GeV λόγω τθσ ςυνειςωορά ενζργειασ από τθν ςχάςθ (ενζργεια από τθν άπωςθ Coulomb). Εικόνα 6 : Εναπόκεςθ ενζργειασ ςτθν κάψουλα από τα κραφςματα τθσ ςχάςθσ ΤΕΛΟΣ