ΣΥΝΤΗΞΗ: Ένας Ήλιος στο Εργαστήριο Παρασκευάς Λαλούσης Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέϊζερ, Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας, Ηράκλειο Κρήτης. lalousis@iesl.forth.gr Νεάπολη, 23/12/2013.
Σε τι οφείλεται η τεχνολογική πρόοδος της ανθρωπότητας τα τελευταία 200 χρόνια ;
Παγκόσμια Κατανάλωση Eνεργείας το έτος 2010 5x10 20 joule ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ενεργειακές πηγές Αποθέματα (με σημερινούς ρυθμούς κατανάλωσης) Άνθρακας 1.5x10 23 joule 300 έτη Πετρέλαιο 1.2x10 22 25 Φυσικό αέριο 1.5x10 22 30 Ουράνιο 10 25 20000 (αντιδραστήρες σχάσης) Λίθιο 10 28 2x10 7. (D-Τ αντιδραστήρες σύντηξης) ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ολική ηλιακή ενέργεια που απορροφάται από τη Γη (ατμόσφαιρα, θάλασσα, στεριά) κάθε έτος : 3.9x10 24 joule
ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Σχάση: ένας βαρύς πυρήνας διασπάται σε δύο. Σύντηξη: δυο ελαφροί πυρήνες συντήκονται σε ένα.
Σχάση Αλυσιδωτές Αντιδράσεις Πολλά προβλήματα (ασφαλείας, περιβαλλοντικά, κ.λ.π)
Σύντηξη: Σχηματισμός ενός πυρήνα από την ένωση δυο ελαφρών πυρήνων, με έκλυση ενέργειας.
Ισότοπα Υδρογόνου Πυρήνας Υδρογόνο (Η) 1 πρωτόνιο Δευτέριο (D) 1 πρωτόνιο+1 νετρόνιο Τρίτιο (T) 1 πρωτονιο+2 νετρόνια
Το δευτέριο (D) υπάρχειελεύθεροστη φύση, είναι μη ραδιενεργό καιμπορείνα εξαχθεί από το νερό. Το τρίτιο (T) δεν υπάρχει ελεύθερο στη φύση. Μπορεί να παραχθεί από λίθιο. Είναι ραδιενεργό, με ημιζωή 12.5 έτη, και πολύ επιβλαβές στον ανθρώπινο οργανισμό.
Για να παραχθεί σύντηξη πρέπει να καταβάλλουμε την αμοιβαία άπωση (λόγω θετικών ηλεκτρικών φορτιών) των πυρήνων. Η καλύτερη μέθοδος παροχής ενέργειας, για τις πυρηνικές αντιδράσεις, είναι θέρμανση του πυρηνικού καύσιμου σε υψηλές θερμοκρασίες (100.000.000Κ) ώστε οι θερμικές ταχύτητες των πυρήνων να είναι αρκετά υψηλές για να παράγουν τις πυρηνικές αντιδράσεις. Σε αυτές τις θερμοκρασίες το D-T είναι σε κατάσταση πλάσματος.
Τι είναι θερμοκρασία; 1 3 mv 2 = k 2 2 B T Τα πάντα ρει
Τι είναι πλάσμα; Ιονισμένο αέριο, τα ηλεκτρόνια έχουν αποκολληθεί από τα άτομα και έχουμε μια σούπα από ηλεκτρόνια και πυρήνες, δηλαδή η σούπα αποτελείται από αρνητικά και θετικά φορτισμένα σωμάτια, ηλεκτρόνια και πυρήνες (ιόντα). Το πλάσμα είναι η τέταρτη κατάσταση της ύλης. > 95% του Σύμπαντος αποτελείται από πλάσμα.
Γιατί αντίδραση D-T ; Η αντίδραση δευτέριο-τρίτιο (D-T) είναι η πιο «εύκολη», δηλαδή χρειάζεται τη λιγότερη ενέργεια ( θερμοκρασία).
Μέθοδοι Σύντηξης Ανάγκη συγκράτησης/παγίδευσης του πλάσματος σε μια πεπερασμένη περιοχή του χώρου: Μαγνητική παγίδα: Χρήση μαγνητικών πεδίων για τον περιορισμό του πλάσματος Αδρανειακή παγίδα: Σύγκρουση σφαιριδίων D-T με δέσμες ακτινών Λέϊζερ Βαρυτική παγίδα: Ήλιος
Ο Ήλιος είναι μια γιγάντια μηχανή σύντηξης: 620 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου «καίγονται»( συντήκονται) το δευτερόλεπτο!!!
Πυρηνικές αντιδράσεις στον Ήλιο 1 Η + 1 Η 2 D + e + + ν e 2 D + 1 Η 3 He + γ 3 He + 3 He 4 He + 2 1 Η...
Αδρανειακή σύντηξη Σφαιρίδιο(D-T) συγκρούεται με δέσμες ακτίνων λέϊζερ άμεσα ή έμμεσα Θέρμανση, συμπίεση -> πυρηνικές αντιδράσεις - σύντηξη
Εργαστήριο Αδρανειακής Σύντηξης, στις ΗΠΑ
Μαγνητική σύντηξη Μηχανές τόκαμακ (ή μαγνητικού θαλάμου). Μηχανές stellarator (αστρική γεννήτρια).
B B P I Τι είναι το τόκαμακ Δακτυλιοειδής διάταξη εντός της οποίας το πλάσμα παγιδεύεται (περιορίζεται) με μαγνητικά πεδία.
Πως θερμαίνουμε το πλάσμα στο τόκαμακ
Το μεγαλύτερο τόκαμακ στον κόσμο, σε λειτουργία, είναι το JET( Joint European Torus, Ευρωπαϊκή Κοινοπραξία ). Λειτουργεί από το 1983. Αρχικός στόχος: να μελετηθεί το θερμοπυρηνικό πλάσμα σε παραπλήσιες συνθήκες στο ενεργειακό ισοζύγιο (ενέργεια που καταναλώνεται = ενέργεια που παράγεται).
Joint European Torus(JET), Αγγλία Ευρωπαϊκή Κοινοπραξία
Δοχείο κενού του JET
Απαιτήσεις για έναν αντιδραστήρα σύντηξης τύπου τόκαμακ Χρόνος συγκράτησης του πλάσματος αρκετά δευτερόλεπτα (ανάφλεξη). Υλικά που αντέχουν ισχυρές ροές νετρονίων.
Αντιδραστήρας Σύντηξης Στο δοχείο κενού, όπου παράγονται οι αντιδράσεις, τα νετρόνια επιβραδύνονται σε ένα «μανδύα» που περιβάλλει το πλάσμα. Ο μανδύας περιέχει λίθιο το οποίο μετατρέπεται σε τρίτιο, το οποίο επανεισάγεται στο δοχείο κενού. Στη συνέχεια, τα νετρόνια χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ατμού, ο οποίος θέτει σε κίνηση στροβίλους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενεργείας.
Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) Τόκαμακ Υπό κατασκευή στο Cadarache, Γαλλία. Διεθνής συνεργασία : ΕΕ, ΗΠΑ, Ιαπωνία, Ρωσία, Κίνα, Ν. Κορέα, Ινδίες.
Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 2018 Έναρξης Πειραμάτων. 2027 Λειτουργία με D-Τ, στόχος : [ενεργειακό ισοζύγιο] X 10 500Mw, παραγωγή τριτίου. Τα νετρόνια δεν θα χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρισμού.
Επόμενο βήμα μετά το ITER Αντιδραστήρας Επίδειξης (DEMOnstration reactor). Ηλεκτρική ενέργεια θα παραχθεί από την ενέργεια των νετρονίων. Έναρξη κατασκευής ~2030, εάν το ITER δώσει τα απαιτούμενα αποτελέσματα.
Πλεονεκτήματα του Αντιδραστήρα Σύντηξης Τα βασικά υλικά της σύντηξης, δευτέριο και λίθιο καθώς και το προϊόν της αντίδρασης το ήλιο, είναι μη ραδιενεργά. Το ραδιενεργό τρίτιο παράγεται (όσο χρειάζεται) και παραμένει στη συσκευή, δεν χρειάζεται μεταφορά. Η διακοπή των πυρηνικών αντιδράσεων είναι πολύ εύκολη, απλώς διακόπτεται η τροφοδότηση των υλικών. Δεν έχουμε τα προβλήματα (ασφαλείας, περιβαλλοντικά) που έχει ένας αντιδραστήρας σχάσης.