Η Έρευνα για Παραγωγή Ενέργειας από Σύντηξη

Η Έρευνα για Παραγωγή Ενέργειας από Σύντηξη Άλκης Π. Γκραίκος 1 - ηµήτριος Κ. Φείδαρος Ένωση EURATOM Ελληνική ηµοκρατία Ερευνητική Οµάδα Παν. Θεσσαλίας Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Βιοµηχανίας 1 Physique Statistique et Plasmas, Université Libre de Bruxelles ΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 29 Νοεµβρίου -11 εκεµβρίου 2007 ΛΑΡΙΣΑ

οµή παρουσίασης Τι είναι "Πυρηνική Σύντηξη" Το πρόβληµα της ενέργειας Σύντηξη στα άστρα και στη γη Πειραµατικές διατάξεις Προοπτικές για µελλοντικό αντιδραστήρα Σχόλια

Πυρηνική Σύντηξη Αντίδραση όπου από δύο (τουλάχιστον) πυρήνες ελαφρών στοιχείων παράγεται π πυρήνας βαρύτερου στοιχείου. Π.χ. η παραγωγή ηλίου He [ 4 He 2 ] από τέσσερες πυρήνες υδρογόνου H [ 1 H 1 ], ή δύο πυρήνες δευτερίου ['βαρύ' υδρογόνο] D [ 2 H 1 ], ή ενός πυρήνα δευτερίου και ενός πυρήνα τριτίου ['υπερ υπερ-βαρύ' υδρογόνο] T [ 3 H 1 ]. Στους πειραµατικούς αντιδραστήρες σήµερα είναι εφικτή η παραγωγή σηµαντικής ισχύος µόνο από σύντηξη D-T {1 MeV 1.6 10-13 13 J}. Το δευτέριο υπάρχει στη φύση {33 gr/m3}. Το τρίτιο πρέπει να παραχθεί (από λίθιο Li), είναι ραδιενεργό µε χρόνο ηµι-ζωής περίπου 12 έτη. Πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης που παρουσιάζουν ενδιαφέρον για παραγωγή ενέργειας στη γη

Η παραγόµενη ενέργεια οφείλεται στο ότι η µάζα των πυρήνων που προκύπτουν είναι µικρότερη από τη µάζα των αντιδρώντων πυρήνων και, σύµφωνα µε τη θεωρία του Einstein, E = mc 2. Σχηµατικά Στην περίπτωση των συµβατικών αντιδραστήρων η ενέργεια παράγεται από σχάση βαρέων πυρήνων [ 235 U 92 ], έχουµε µεγάλο πρόβληµα µε τα ραδιενεργά κατάλοιπα που έχουν εξαιρετικά µεγάλους χρόνους ηµιζωής Η αντίδραση n + 238 U 239 Pu,, µε το πλουτώνιο να µπορεί να χρησιµοποιηθεί για στρατιωτικούς σκοπούς

Το πρόβληµα της ενέργειας Το ενεργειακό πρόβληµα και οι σηµαντικές επιπτώσεις του στη ζωή µας και στο περιβάλλον είναι τα σοβαρότερα ζητήµατα που πρέπει να αντιµετωπίσουµε. Τα παρακάτω διαγράµµατα δίνουν µια εικόνα της κατάστασης και των εκτιµήσεων για το µέλλον. [1 Mtoe = 11630 GWh 11.5 δισ. kwh] IEA International Energy Agency: Key World Energy Statistics, 2005

Πηγή:World Energy Council, 2001

H Ευρωπαϊκή Ένωση έχει περιορισµένους ενεργειακούς πόρους και συνεπώς µεγάλη εξάρτηση από τρίτες χώρες EU25 EU30: Energy Import Dependence Greece 10,3 26 Consumption 1724 Million toe Import 2002 Production in EU25 (28% of primary energy are used for electricity production) year: 2020 Production in EU30 Consumption 2400 Million toe Import Source: Eurostat (2005) EU25 (2002): (Mtoe, prelim. data) Prim. Prod. 892107 Import 1269728 Export 438124 Source: EU-Commission (Green Book on Security of Energy Supply 2000) TPES: Σύνολο πρωτογενούς παρεχόµενης ενέργειας

Σύντηξη στα Άστρα και στη Γη Στον Ήλιο - και στα άστρα - η ενέργεια παράγεται από 'καύση' υδρογόνου Από τέσσερεις πυρήνες υδρογόνου [ 1 Η], µε µια σειρά αλυσιδωτών αντιδράσεων παράγεται ήλιο και ενέργεια. Για να αντιδράσουν οι πυρήνες πρέπει να 'συγκρουστούν' υπερνικώντας την ισχυρά απωστική δύναµη Coulomb.. Για το λόγο αυτό απαιτούνται µεγάλες ταχύτητες, που σηµαίνει υψηλή θερµοκρασία του συστήµατος [ταχύτητα κινητική ενέργεια ~ θερµοκρασία]. Μάζα: 2 102 30 kg, Πυκνότητα: 40-160 160 1010 3 kg/m 3, Θερµοκρασία: 10-15 15 1010 6 Κ Πρόβληµα: Η συγκράτηση του ιονισµένου αερίου [πλάσµα]. Λόγω της µεγάλης µάζας το πλάσµα περιορίζεται από τη βαρύτητα. Επίσης, λόγω της µεγάλης πυκνότητας απαιτούνται σχετικά 'µικρές' θερµοκρασίες.

Σύντηξη στο Εργαστήριο Στο εργαστήριο η µάζα του πλάσµατος είναι µικρή και οι δυνάµεις βαρύτητας αµελητέες. Η συγκράτηση επιτυγχάνεται µε ισχυρά µαγνητικά πεδία. Η πυκνότητα είναι µικρή [ 4 10-7 kg/m 3 ] και απαιτούνται θερµοκρασίες της τάξης 150 10 6 Κ. Εξ ου και χρησιµοποιείται ο όρος (ελεγχοµένη) θερµοπυρηνική σύντηξη.

Η Έρευνα για Παραγωγή Ενέργειας από Σύντηξη - Τριήµερο ΑΠΕ 29/11- Πειραµατικές διατάξεις Η µεγαλύτερη σήµερα λειτουργούσα διάταξη είναι το JET Joint European Torus

Γενική άποψη της µηχανής JET Τα όργανα έξω από το θάλαµο είναι τροφοδοτικά και διαγνωστικά. Με D-T παρήχθη το 1997 παλµός ισχύος 5 MW και διάρκειας 5 s, καθώς και παλµός (µέγιστης) ισχύος 12-15 15 MW

Εσωτερικός θάλαµος πλάσµατος JET

Πειραµατικές διατάξεις µαγνητικής σύντηξης στην Ευρώπη και το µελλοντικό ITER

ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor Έχουν αρχίσει οι εργασίες για την κατασκευή στο Cadarache (Γαλλία) διάταξης 'τοκαµάκ' στην οποία να παράγεται παλµός διάρκειας 300-500 s και ισχύος 400-500 MW µε προοπτική συνεχούς λειτουργίας µε ισχύ 200 MW. Το Νοέµβριο του 2006 υπογράφηκε διεθνής συµφωνία µε εταίρους: Ευρωπαϊκή Ένωση, Ιαπωνία, Κίνα, ΗΠΑ, Ρωσία, Ν. Κορέα, Ινδία. Κόστος Κατασκευής: 5 δισ. [σε 10 χρόνια]. Κόστος Λειτουργίας για 10 χρόνια: 5 δισ. Η συµφωνία αυτή αναµένεται να επικυρωθεί µέχρι τέλους του έτους.

ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor

Total Fusion Power Average 14MeV neutron wall loading Plasma inductive burn time Plasma major radius (R) Plasma minor radius (a) Plasma current (I P ) Vertical elongation @95% flux surface/separatrix (K 95 Triangularity (@95% flux surface separatrix (δ 95 ) Safely factor @95% flux surface (q 95 ) Toroidal field @6.2 m radius (Β Τ ) Plasma volume Plasma surface Main Plasma Parameters and Dimensions Q fusion power/additional heating power Installed auxiliary heating/current drive power 1.70/1.85 0.33 / 0.49 5.3 T 837 m 3 678 m 2 73 MW [2] (1) The machine is capable of a plasma current up to 17ΜΑ with the parameters shown in parentheses) within some limitations over some other parameters rs (e.g.. pulse length). (2) A total plasma heating power up to 110MW may be installed in subsequent sequent operation phases. 95 ) 500MW (700MIV) > 10 0.57 MW/m 2 (0.8MW/m 2 ) >400s 6.2 m 2.0 m 15 MA (17 MA 3.0 MA [1] [1] )

Σύντηξη: Πρόοδος 1960-2005 [1 kev ~ 10 000 K]

Προοπτικές για µελλοντικό αντιδραστήρα Σχηµατική παράσταση αντιδραστήρα σύντηξης για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

DEMOnstration Reactor [Ισχύς ~1.5 GW] Είναι δυνατόν η κατασκευή του να πραγµατοποιηθεί σε 30-35 35 χρόνια

Οικονοµικά της ενέργειας από Σύντηξη [Εκτιµήσεις, βασισµένες στο ITER, από µελέτες παράλληλες µε τις κυρίως έρευνες]. Κόστος κατασκευής DEMO: : 7 δις., δηλαδή 14 ανά watt. Εµπορικοί Αντιδραστήρες (Αρχικά) Εµπορικοί Αντιδραστήρες (Ωρίµανση) Αντιδραστήρες Πυρηνικής Σχάσης Αµτοηλεκτρικοί Σταθµοί (Ανθρακας( Ανθρακας) ) [*] 8 /W 4 /W 3 /W 1.5 /W [Στο κόστος από άνθρακα δεν περιλαµβάνονται κόστη σχετικά µε αποξήλωση decommissioning- του εργοστασίου]

Προβλήµατα Φυσική Ευστάθεια πλάσµατος Αλληλεπίδραση πλάσµατος τοιχωµάτων - Συνεχής Λειτουργία [Stellarators[ Stellarators] Τεχνολογία Υλικών Αντοχή σε ακτινοβολία Χαµηλή ενεργοποίηση (ηµιζωή( < 100 χρόνια)

Προβλήµατα Σχεδιασµός µανδύα (blancket) n + 6 Li 3 T + 4 He 2 + 4.78 MeV n + 7 Li 3 T + 4 He 2 + n 2.47 MeV

Πλεονεκτήµατα "Καύσιµο" (D και Li): Σε αφθονία και µε µεγάλη απόδοση 1 γραµµάριο D-T 26000 kw hr ηλεκτρικής ενέργειας (~10 τόνοι άνθρακα) Χωρίς εκποµπές CO 2 και λίγα κατάλοιπα χαµηλής (ραδιο)- τοξικότητας Ασφαλής λειτουργία Στη µηχανή δεν αποθηκεύεται µεγάλη ποσότητα καυσίµου εν υπάρχει δυνατότητα χρήσης για στρατιωτικούς σκοπούς

Μειονεκτήµατα Τεχνολογικά δύσκολο εγχείρηµα Μονάδες πολύ µεγάλης ισχύος [ > 1.5 GW] ΕΗ θερµοηλεκτρικές µονάδες 800 MW υσκολίες στη λήψη αποφάσεων για (δαπανηρή) έρευνα ["big science"]

Ελληνική συµµετοχή Η Ελλάδα µετέχει στο Ευρωπαϊκό Πρόγραµµα Σύντηξης µε βάση τη σύµβαση: Ένωση EURATOM Ελληνική ηµοκρατία Association EURATOM Hellenic Republic την οποία υπέγραψε το 1999 η ΓΓΕΤ µε την Ευρωπαϊκή Επιτροπή. Οι δραστηριότητες της Ελληνικής Ερευνητικής Μονάδας εποπτεύονται από εξαµελή επιτροπή [Steering[ Committee], τρία µέλη της οποίας (Y.Capouet, A.Centelles Zurita, M.Pipeleers) ) ορίζονται από την Ε. Επιτροπή και τρία (Α. Γιούτσος,, Α. Γκραίκος,, Ν. Σιδηρόπουλος) ) από τη Γ.Γ.Ε.Τ.

Σύνθεση Ελληνικής Ερευνητικής Μονάδας Επιστηµονικός Υπεύθυνος Ερευνητικής Μονάδας: Καθ. Ι.Λ. Βοµβορίδης ΣΗΜΜΥ ΕΜΠ Website http://www.hellasfusion.gr

Σας ευχαριστώ για την προσοχή σας