5. ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ 5.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Πυρηνική λέγεται η ενέργεια που εκλύεται κατά την διάσπαση (σχάση) ασταθών πυρήνων μεγάλου ατομικού βάρους ή κατά την συνένωση (σύντηξη) πυρήνων προς σχηματισμό πυρήνα μεγαλύτερου ατομικού βάρους. Το φυσικό φαινόμενο της πυρηνικής σχάσης έχει αναπαραχθεί και τεχνητά από τον άνθρωπο, καταρχήν σε ανεξέλεγκτες συνθήκες για στρατιωτικούς σκοπούς, και στη συνέχεια σε ελεγχόμενες συνθήκες για ειρηνικούς σκοπούς, με εφαρμογές στην ιατρική, την γεωπονική, τη βιομηχανία και στη παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Το φαινόμενο της πυρηνικής σύντηξης γίνεται σε όλους τους αστέρες (ήλιους) του Σύμπαντος και είναι ο τρόπος με τον οποίο η φύση παράγει καθαρή πρωτογενή ενέργεια. Ο άνθρωπος έχει αναπαράγει την πυρηνική σύντηξη μόνο σε συνθήκες μη ελεγχόμενες για στρατιωτικούς σκοπούς. Το φαινόμενο της πυρηνικής σύντηξης μπορεί να αποβεί ανεξάντλητη πηγή ενέργειας για την ανθρωπότητα, αρκεί να επιτύχουμε την τεχνητή αναπαραγωγή του σε συνθήκες ελεγχόμενες με τις όσο το δυνατόν αποδοτικότερες τεχνικές και οικονομικές συνθήκες. Η πυρηνική σύντηξη είναι ασφαλής, χωρίς απόβλητα ή αέριους ρύπους και με δυνατότητα παραγωγής ενέργειας μεγάλης κλίμακας. Η πυρηνική ενέργεια θεωρείται ένας από τους βασικούς συντελεστές σε κάθε μακροχρόνια αντιμετώπιση του ενεργειακού προβλήματος. 5.2. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Η μάζα του πυρήνα είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών που έχουν τα νουκλεόνιά του σε ελεύθερη κατάσταση. Η διαφορά αυτή των μαζών, Δm, ονομάζεται έλλειμμα μάζας και είναι ισοδύναμη με την ενεργειακή διαφορά, ΔE, ανάμεσα στις δύο καταστάσεις. Η ισοδυναμία αυτή εκφράζεται από την σχέση <ΠΥΡ-1>, που πρώτος διατύπωσε ο Einstein. ΔΕ = -m x c² όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός, 300.000 km/s. <ΠΥΡ-1> Η ενέργεια ΔE ελευθερώνεται κατά τον σχηματισμό του πυρήνα από τα συστατικά του νουκλεόνια και ονομάζεται ενέργεια σύνδεσης του πυρήνα. Για να αποσυντεθεί ο πυρήνας ΠΥΡ-1.
στα συστατικά του θα πρέπει να προσδοθεί η ίδια ενέργεια. Στην εικόνα ΠΥΡ-1 φαίνεται η μεταβολή της μέσης ανά νουκλεόνιο ενέργειας σύνδεσης του πυρήνα, ΔE/A, συναρτήσει του μαζικού αριθμού (αριθμού των νουκλεονίων) του πυρήνα, Α. Η ενέργεια αυτή είναι μικρή για τους ελαφρούς πυρήνες, φθάνει στο μέγιστο στον σίδηρο (Fe) και στη συνέχεια μειώνεται ελαφρά. Επομένως κατά τη σχάση βαριών πυρήνων έχουμε αύξηση του ελλείμματος μάζας, δηλαδή μετατροπή από ενέργεια μάζας σε κινητική ενέργεια των προϊόντων της σχάσης. Αυτή είναι η πυρηνική ενέργεια που αξιοποιούμε στους πυρηνικούς σταθμούς σχάσης. Εικόνα ΠΥΡ-1: Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλέονιο Οι πυρήνες μέσου βάρους είναι οι σταθερότεροι, αφού χαρακτηρίζονται από την χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, ή αλλιώς από μεγαλύτερο έλλειμμα μάζας ανά νουκλεόνιο, Δm/A. Για τους ελαφρούς πυρήνες η ενέργεια αυτή είναι μικρή και συνεπώς οι πυρήνες αυτοί είναι κατάλληλοι για σύντηξη προς σχηματισμό βαρύτερων, ενώ αντίθετα οι βαρύτεροι πυρήνες δεν είναι κατάλληλοι για σύντηξη λόγω της απαίτησης τεράστιας ποσότητας ενέργειας, αφού η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο είναι μεγάλη. Οι πιο πιθανοί υποψήφιοι για την σχάση είναι ισότοπα με μεγάλο αριθμό νουκλεονίων, με καταλληλότερο το ισότοπο του ουράνιου 235. 5.3. ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΧΑΣΗΣ Κατά τη διάσπαση ενός μεγάλου και ασταθούς πυρήνα π.χ. U + n Ba + Kr + 2n +( ~ 200 MeV) 92 0 56 36 0 235 1 137 97 1 <ΠΥΡ-2> ΠΥΡ-2.
απελευθερώνεται ενέργεια μέρος της οποίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ατμού και κίνηση στροβίλων προς παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, σύμφωνα με τη σχηματική εξίσωση: Πυρηνική Ενέργεια Κινητική Ενέργεια Θερμική Ενέργεια Ατμός Κινητική Ενέργεια Ηλεκτρική Ενέργεια Η πυρηνική ενέργεια είναι πυκνή μορφή ενέργειας. Το U-235 παράγει 1,46 εκατομμύρια φορές την ενέργεια που έχει ίσο βάρος πετρελαίου. Το κλειδί για την επιλογή του σχάσιμου στοιχείου για μια πυρηνική αντίδραση βρίσκεται (α) στην ενέργεια των δεσμών του ατόμου του συγκεκριμένου στοιχείου, που εξαρτάται από την διάταξη και τον αριθμό των ηλεκτρονίων και των νουκλεονίων, και (β) στον βαθμό αστάθειας του πυρήνα. 5.4. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Η τεχνολογία παραγωγής πυρηνικής ισχύος είναι μια γρήγορα αναπτυσσόμενη και σύνθετη ενεργειακή τεχνολογία. Η σημαντικότερη εμπορική εφαρμογή της είναι η παραγωγή ατμού, που χρησιμοποιείται κυρίως στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι Πυρηνικοί Ηλεκτρικοί Σταθμοί (ΠΗΣ) είναι όμοιοι με τους ΗΣ ορυκτών καύσιμων με την διαφορά ότι ο "καυστήρας" τους είναι ο πυρηνικός αντιδραστήρας (εικόνα ΠΥΡ-2). Εικόνα ΠΥΡ-2: Σχηματική παράσταση πυρηνικού ηλεκτρικού σταθμού Πυρηνικός αντιδραστήρας είναι η κατάλληλη συσκευή, όπου λαμβάνει χώρα η "καύση" του πυρηνικού καύσιμου. Για να είναι όμως δυνατή η "καύση" στον αντιδραστήρα πρέπει να έχει προηγηθεί μια διαδικασία επεξεργασίας του εξορυγμένου πυρηνικού υλικού. ΠΥΡ-3.
Εικόνα ΠΥΡ-3: Στάδια παραγωγής πυρηνικών καυσίμων (yellowcake, 65% έως 85% U 3 O 8 ) 5.4.1. Παραγωγή στοιχείων καυσίμου Το ουράνιο συνήθως βρίσκεται εγκλωβισμένο σε ψαμμιτικά πετρώματα (sandstone) με την μορφή οξειδίου (U 3 O 8 ) σε χαμηλές συγκεντρώσεις, συνήθως κάτω του 0,1%. Είναι μίγμα των ισοτόπων U-238, U-235 και U-234 σε αναλογίες 99,283%, 0,711% και 0,006% αντίστοιχα. Από αυτά τα τρία το U-235 είναι το πιο επιθυμητό, γιατί μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αντιδραστήρες που χρησιμοποιούν "ελαφρύ" νερό σαν επιβραδυντή. Επομένως η πρώτη ύλη πρέπει να διαχωριστεί από το πέτρωμα και να εμπλουτιστεί σε U-235. Χαρακτηριστικά ισοτόπων ουρανίου Ισότοπο Περιεκτικότητα στο φυσικό ουράνιο (%) Αριθμός πρωτονίων Αριθμός νετρονίων Χρόνος ημιζωής, έτη U-234 0.0055 92 142 245 x 10 3 U-235 0.711 92 143 704 x 10 6 U-238 99.284 92 146 4.46 x 10 9 5.4.2. Εμπλουτισμός του ουράνιου Μετά την εξόρυξη και τον διαχωρισμό από το πέτρωμα, όπου ήταν εγκλωβισμένο, με την χρήση μηχανικών και χημικών μέσων παράγεται προϊόν με περιεκτικότητα 80% σε U 3 O 8 και 20% σε υπόλειμμα πετρώματος, που ονομάζεται Yellowcake. Το Yellowcake δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν "καύσιμο" (παρά μόνο στους αντιδραστήρες βαρέως ύδατος), γιατί πρέπει να καθαριστεί και να εμπλουτιστεί σε U-235, για το λόγο αυτό μετατρέπεται σε εξαφθοριούχο ουράνιο (UF 6 ) που είναι ένωση στερεή σε θερμοκρασία δωματίου αλλά εξατμίζεται στη θερμοκρασία των 57 C. Η ιδιότητα αυτή αξιοποιείται για τον εμπλουτισμό του "καύσιμου" σε U-235. ΠΥΡ-4.
Εικόνα ΠΥΡ-4: Σύνθεση και Εμπλουτισμός ουρανίου Για τον εμπλουτισμό του από το 0,711% στο 2-3% χρησιμοποιούνται τέσσερεις μέθοδοι. α. Διάχυση αερίων Το UF 6 εξαναγκάζεται να περάσει σε κατάσταση ατμών μέσα από ένα πορώδες υλικό, που επιτρέπει τα ελαφρύτερα μόρια, που περιέχουν U-235, να διέλθουν ταχύτερα από τα βαρύτερα μόρια, που περιέχουν 238U. Για να πετύχουμε συγκεντρώσεις του U-235 2-3% πρέπει η διαδικασία να επαναληφθεί έως και 1.250 φορές. Εικόνα ΠΥΡ-5: Εμπλουτισμός U με αέρια διάχυση ΠΥΡ-5.
β. Φυγοκέντριση αερίων Η περιστροφή του αέριου UF 6 με ταχύτητες 400 m/s προκαλεί την μετακίνηση του βαρύτερου U-238 στην περιφέρεια της συσκευής φυγοκέντρισης και την συγκέντρωση του ελαφρύτερου U-235 στο κέντρο, όπου μπορεί εύκολα να συλλεγεί για περαιτέρω επεξεργασία. Λόγω της χαμηλής αποδοτικότητας της τεχνολογίας φυγοκέντρισης αερίων, η μέθοδος αυτή δεν εφαρμοζόταν, αν και ήταν γνωστή από το 1940. Ωστόσο, καθώς τελευταία βελτιώθηκε, προβλέπεται να υποκαταστήσει σύντομα τον εμπλουτισμό με διάχυση. γ. Αεροδυναμικός εμπλουτισμός Ένα αέριο μίγμα H 2 και UF 6 διοχετεύεται από ένα ακροφύσιο σε ημικυκλικό αγωγό όπου επιτυγχάνεται φυγοκεντρικός διαχωρισμός του U-235 από το U-238. δ. Χρήση ακτινών Laser Χρησιμοποιούνται ακτίνες Laser, γιατί προκαλούν διαφορετική διέγερση στα μόρια του UF 6 με U-235 από αυτά με U-238. Από τις παραπάνω μεθόδους εμπλουτισμού η μέθοδος γ. πέτυχε εμπορική εφαρμογή στη Γερμανία, τη Βραζιλία και τη Ν. Αφρική. Η πιο διαδεδομένη όμως είναι η μέθοδος εμπλουτισμού με διάχυση αερίων. Μέχρι το 1980 σχεδόν ολόκληρη η ποσότητα του εμπλουτισμένου ουράνιου στις ΗΠΑ παρήχθη με τη μέθοδο αυτή. Μετά τον εμπλουτισμό του UF 6 σε U-235 στο επιθυμητό επίπεδο του 2-3%, ακολουθεί η μετατροπή του σε UO 2, που είναι σκόνη μεταλλικής υφής και μπορεί μετά από συμπίεση να πάρει την μορφή πλακιδίων. Τα πλακίδια τοποθετούνται σε μεταλλικές ράβδους με επικάλυψη μετάλλου ανθεκτικού σε διάβρωση, όπως το ζιρκόνιο, και οι ράβδοι συναρμολογημένες σε συστοιχίες (εικόνα ΠΥΡ-6) τοποθετούνται στον πυρήνα του αντιδραστήρα, όπου λαμβάνει χώρα ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση. Εικόνα ΠΥΡ-6: Σχηματική τομή σε συστάδα καυσίμου πυρηνικού αντιδραστήρα ΠΥΡ-6.
Η ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση έχει ως αποτέλεσμα την βαθμιαία εξάντληση του εμπλουτισμένου U-235, την παραγωγή θερμότητας που αξιοποιείται ενεργειακά, και την παραγωγή ραδιενεργών παραπροϊόντων που συσσωρεύονται στην καρδιά του αντιδραστήρα. Συνεπώς μετά από κάποια στιγμή είναι απαραίτητη η αντικατάσταση του καύσιμου, που έχει «καταναλωθεί», και η απομάκρυνση των ραδιενεργών παραπροϊόντων. Τα ραδιενεργά παραπροϊόντα μετά από επεξεργασία και κατάλληλο εμπλουτισμό μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αντιδραστήρα, επίσης μπορούν να δώσουν ισότοπα κατάλληλα για ιατρικές και ερευνητικές εφαρμογές. Τα υπολειπόμενα ραδιενεργά απόβλητα πρέπει να αποθηκευτούν για σχετικά μεγάλες περιόδους ώστε να αποφευχθούν καταστροφικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. 5.5. ΤΥΠΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΠΗΣ Το πρώτο στάδιο ανάπτυξης των πυρηνικών αντιδραστήρων σχάσης είναι το στάδιο των αντιδραστήρων θερμικών νετρονίων, που χρησιμοποιούν ως καύσιμο το Ουράνιο 235 (U- 235), του οποίου ο πυρήνας έδειξε τη μικρότερη σταθερότητα, που σχετίζεται με το γεγονός ότι η ενέργεια ενεργοποίησης για τη σχάση του ήταν μικρότερη. Η λειτουργία του βασίζεται στον βομβαρδισμό του U-235 με νετρόνια χαμηλής ενέργειας (επιβραδυμένα). Στο στάδιο αυτό ανάπτυξης των πυρηνικών αντιδραστήρων, που δεν έχει ακόμα ολοκληρωθεί, η πυρηνική ενέργεια μπορεί να λύσει το ενεργειακό πρόβλημα μόνο έως ένα βαθμό και αυτό γιατί το χρησιμοποιούμενο καύσιμο ουράνιο 235 βρίσκεται σε περιορισμένα αποθέματα αφού μόνο 0,7% του φυσικού ουράνιου αποτελείται από το ισότοπο U-235 που υπολογίζεται να εξαντληθεί σε μερικές δεκαετίες με τους σημερινούς ρυθμούς κατανάλωσης. Το 99,3% είναι U-238 που δεν μπορεί να δώσει ενέργεια σε αντιδραστήρες θερμικών νετρονίων). Στο δεύτερο στάδιο ανάπτυξης χρησιμοποιούνται οι αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων. Οι αντιδραστήρες αυτοί παράγουν ενέργεια από το πλουτώνιο (Ρυ-239), αλλά ταυτόχρονα κατά τη λειτουργία τους μετατρέπουν σε πλουτώνιο και μεγάλες ποσότητες U-238, άφθονου στη φύση, όπως αναφέραμε. Οι αντιδραστήρες αυτοί έχουν ανάγκη σε ουράνιο 1-2% των αναγκών των σημερινών αντιδραστήρων ίδιας ισχύος, δηλ. μπορούν να καλύπτουν τις ενεργειακές ανάγκες για αιώνες. Η πυρηνική αντίδραση εξελίσσεται στον πυρηνικό αντιδραστήρα, όπου λαμβάνονται όλα τα μέτρα που θα συντελέσουν ώστε η αντίδραση να εξελίσσεται ελεγχόμενα. Στην εικόνα ΠΥΡ-7 δίνεται μια σχηματική παράσταση ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, όπου φαίνονται τα βασικά του μέρη. α) Η καρδιά, ή πυρήνας, του αντιδραστήρα (core), που αποτελείται από: Το καύσιμο (fuel). Αποτελείται από δισκία UO 2 ή UC, που βρίσκονται τοποθετημένα μέσα σε λεπτούς μεταλλικούς κυλίνδρους, (ράβδοι καυσίμου), για να μη διαρρέουν τα ραδιενεργά προϊόντα στο ψυκτικό. Αριθμός ράβδων συγκρατημένων σε κατάλληλη μεταξύ τους απόσταση συγκροτούν τη συστάδα καυσίμου (εικόνα ΠΥΡ-6). Ο επιβραδυντής (moderator). Συμβάλλει στην επιβράδυνση των ταχέων νετρονίων της σχάσης. Μπορεί να είναι ελαφρύ νερό, βαρύ νερό ή γραφίτης. Οι ράβδοι ελέγχου (control rods). Είναι ράβδοι με μεγάλη διατομή απορρόφησης νετρονίων. Κινούμενοι ανάμεσα στις ράβδους καυσίμου απορροφούν μέρος των νετρονίων και μεταβάλλουν με τον τρόπο αυτό τον αριθμό των διαθέσιμων για την πρόκληση σχάσεων. Κατασκευάζονται από κράματα ή χημικές ενώσεις Βορίου, Γαλονδίου και Καδμίου (εικόνα ΠΥΡ-8). β) Το ψυκτικό μέσο. Απάγει την θερμότητα που παράγεται στις ράβδους καυσίμου από τις σχάσεις. Μπορεί να είναι ελαφρύ νερό, βαρύ νερό, υγρό Na, CO 2, He. γ) Ο ανακλαστής. Ανακλά τα νετρόνια ώστε να μη διαρρέουν προς τα έξω, χωρίς όμως να τα απορροφά. Έτσι συμβάλλει στην οικονομία νετρονίων και στην πιο ομοιόμορφη συγκέντρωση ισχύος στην καρδιά. ΠΥΡ-7.
Εικόνα ΠΥΡ-7: Πυρηνικός αντιδραστήρας σχάσης Εικόνα ΠΥΡ-8: Ράβδοι ελέγχου δ) Η θερμική θωράκιση. Είναι χαλύβδινο έλασμα που απορροφά τις ακτινοβολίες και τις μειώνει σε ανεκτά επίπεδα, ώστε να προστατεύονται τα υλικά από θερμικές καταπονήσεις. ε) Το δοχείο πίεσης. Είναι το δοχείο, μέσα στο οποίο λαμβάνει χώρα η ελεγχόμενη αντίδραση. Κατασκευάζεται από χάλυβα πάχους έως και 27 cm και πρέπει να συγκρατεί τα ακτινοβολούμενα νετρόνια και να αντέχει στις υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες. στ) Η βιολογική θωράκιση. Αποτελείται από σκυρόδεμα πάχους λίγων μέτρων, ή κοινό νερό, που συντελεί στην περαιτέρω εξασθένιση των ακτινοβολιών. ζ) Το περίβλημα, ή δοχείο εγκλωβισμού. Είναι κατασκευή από οπλισμένο σκυρόδεμα, για επιπλέον προστασία από την ακτινοβολία. Περικλείει το δοχείο πίεσης, την βιολογική θωράκιση, την γεννήτρια ατμού και την διάταξη κυκλοφορίας του νερού προς την στροβιλογεννήτρια, που βρίσκεται έξω από το περίβλημα. η) Ο μανδύας. Υπάρχει μόνο στους αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες, περιβάλλει την καρδιά του αντιδραστήρα και χρησιμεύει στην "επώαση" του αναπαραγόμενου καύσιμου. Κατά τη σχάση ενός ατόμου U-235 απελευθερώνονται κατά μέσο όρο 2,5 νετρόνια. Για να έχουμε "ήπια" αντίδραση πρέπει ο επιβραδυντής, το ψυκτικό υλικό και το δοχείο πίεσης να είναι σχεδιασμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να "επιζεί" ένα μόνο νετρόνιο που με τη σειρά του να προκαλεί την απελευθέρωση ενός άλλου νετρονίου σε μια ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση. Αν ως επιβραδυντής χρησιμοποιείται ελαφρύ νερό, το καύσιμο πρέπει να περιέχει εμπλουτισμένο ουράνιο, γιατί το ελαφρύ νερό έχει μεγάλη διατομή απορρόφησης νετρονίων ΠΥΡ-8.
και δεν αφήνει αρκετά νετρόνια διαθέσιμα για την συνέχιση της αντίδρασης. Αντίθετα το βαρύ νερό έχει πολύ μικρότερη διατομή απορρόφησης (το 1/600) από αυτήν του ελαφρού νερού και η χρησιμοποίησή του κάνει δυνατή τη χρήση φυσικού, μη εμπλουτισμένου ουράνιου. Έτσι μπορούμε να αποφύγουμε την πολύπλοκη και ακριβή διαδικασία εμπλουτισμού του ουράνιου. Το πλεονέκτημα αυτό αντισταθμίζεται από την ανάγκη βαρέος ύδατος, που είναι σπάνιο στη φύση (0,0148% του φυσικού νερού). Υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία πυρηνικών αντιδραστήρων με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά λειτουργίας. Οι σημαντικότερες διαφορές τους αφορούν το καύσιμο που χρησιμοποιούν, τον επιβραδυντή και το αν αναπαράγουν καύσιμο ή όχι. 5.6. ΠΥΡΗΝΙΚΟΙ Η.Σ. ΜΕ ΣΥΜΒΑΤΙΚΟ (ΜΗ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟ) ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ α) Αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος (Light Water Reactors - LWR) Οι αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος χρησιμοποιούν σαν καύσιμο U-235 και σαν ψυκτικό ελαφρύ νερό. Επιτυγχάνουν β.α. 35%. Διακρίνουμε δύο είδη αντιδραστήρων ελαφρού ύδατος, ζέοντος και πεπιεσμένου ύδατος. α.1. Αντιδραστήρες ζέοντος ύδατος (Boiling Water Reactors - BWR) Το νερό εισέρχεται στο δοχείο πίεσης, όπου θερμαίνεται από την αντίδραση σχάσης σε θερμοκρασία 300 C σε από πίεση 70 kg/cm 2. Ο ατμός από το δοχείο πίεσης εισέρχεται στην στροβιλογεννήτρια που βρίσκεται έξω από το δοχείο εγκλωβισμού. Στη συνέχεια ο ατμός συμπυκνώνεται και επανέρχεται στον αντιδραστήρα. Βασικό μειονέκτημα του τύπου αυτού είναι ότι ο ατμός διερχόμενος από το δοχείο πίεσης μπορεί να "μολυνθεί" από την ακτινοβολία. Όμως λόγω της χαμηλής πίεσης ο BWR έχει λιγότερες πιθανότητες να καταστραφεί λόγω έκρηξης. Επίσης είναι δυσκολότερο να καταστραφεί λόγω υπερθέρμανσης, καθώς ο ατμός εμποδίζει την αντίδραση σχάσης περισσότερο από το υγρό νερό (*). α.2. Αντιδραστήρες πεπιεσμένου ύδατος (Pressurized Water Reactors - PWR) Οι αντιδραστήρες πεπιεσμένου ύδατος δεν παράγουν άμεσα ατμό στο δοχείο πίεσης, όπου η θερμοκρασία του νερού φθάνει τους 330 C και παραμένει στην υγρή φάση λόγω της υψηλής πίεσης των 140 kg/cm². Το νερό αυτό στη συνέχεια οδηγείται στην ατμογεννήτρια, όπου θερμαίνει και ατμοποιεί το νερό δευτερεύοντος κυκλώματος, το οποίο με τη σειρά του οδηγείται στην στροβιλογεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Βασικό πλεονέκτημα του PWR είναι ότι η στροβιλογεννήτρια έχει πολύ λιγότερες πιθανότητες να «μολυνθεί» από ραδιενεργή ακτινοβολία, όμως η μεγάλη πίεση και θερμοκρασία καθώς και η έλλειψη ατμού στο δοχείο πίεσης αυξάνουν τους κινδύνους έκρηξης σε περίπτωση μη λειτουργίας των συστημάτων ασφαλείας. β) Αεριόψυκτοι αντιδραστήρες υψηλής θερμοκρασίας (High-Temperature Gas- Cooled Reactors - HTGR) Οι αντιδραστήρες αυτοί χρησιμοποιούν αέριο ως ψυκτικό μέσο με σκοπό να μειώσουν τον αριθμό των απορροφούμενων νετρονίων, που στην περίπτωση των LWR είναι σημαντικός και επηρεάζει την απόδοση του αντιδραστήρα. Το ψυκτικό αέριο είναι το Ήλιο (He) και στις ράβδους ελέγχου ο επιβραδυντής είναι γραφίτης. Το Ήλιο, σε θερμοκρασίες που φθάνουν και τους 800 C, ατμοποιεί το νερό που διέρχεται από το δοχείο πίεσης μέσω σωληνώσεων. Ο ατμός, κάτω από πίεση 101,5 kg/cm², φθάνει (*) Το νερό σε κατάσταση ατμού έχει μεγαλύτερη διατομή απορρόφησης νετρονίων από ότι σε κατάσταση υγρού. ΠΥΡ-9.
θερμοκρασίες της τάξης των 500 C, που είναι μεγαλύτερες από αυτές των LWR, και ως αποτέλεσμα ο θερμοδυναμικός β.α. είναι υψηλότερος και φθάνει το 40%, είναι δηλαδή ίσος με τον β.α. των σύγχρονων Η.Σ. ορυκτών καύσιμων. Ο υψηλός αυτός β.α. σε μεγάλο βαθμό επιτυγχάνεται λόγω της ειδικής σύστασης του καύσιμου που είναι εμπλουτισμένο U-235 αλλά με επίπεδο εμπλουτισμού αυξημένο από 80% σε 90%. Στον αντιδραστήρα προστίθεται και Θόριο Th-232 που ο ρόλος του είναι να διευκολύνει την παραγωγή του τεχνητού ραδιοϊσότοπου U-233 που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πυρηνικό καύσιμο. Οι HTGR για οικονομικούς αλλά κυρίως για λόγους ασφαλείας δεν ανταγωνίζονται τους LWR. γ) Αντιδραστήρες βαρέος ύδατος (Heavy Water Reactors - HWR) Οι αντιδραστήρες αυτοί μπορούν να χρησιμοποιούν φυσικό ουράνιο μη εμπλουτισμένο και μπορούν να αναπληρώνουν το καύσιμο χωρίς να χρειάζεται να σταματήσει η λειτουργία τους. Η σχάση του φυσικού ουράνιου θερμαίνει το βαρύ νερό σε θερμοκρασία 310 C. Κάτω από πίεση 101 kg/cm² το βαρύ νερό με τη σειρά του ατμοποιεί ελαφρύ νερό σε θερμοκρασία 250 C και πίεση 40 kg/cm². Ο ατμός κινεί στροβιλογεννήτρια που παράγει ηλεκτρικό ρεύμα και αφού συμπυκνωθεί επιστρέφει στην ατμογεννήτρια. Ο β.α. είναι περίπου 35%, του ίδιου επιπέδου με τους LWR αλλά μικρότερος από τους β.α. των HTGR και των σύγχρονων ΗΣ ορυκτών καύσιμων. 5.7. ΠΥΡΗΝΙΚΟΙ Η.Σ. ΜΕ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ Αναπαραγωγικοί είναι οι αντιδραστήρες που παράγουν μεγαλύτερη ποσότητα καύσιμου από αυτήν που καταναλώνουν. Στους συμβατικούς αντιδραστήρες σχάσης ο επιβραδυντής φροντίζει να απορροφά όλα τα νετρόνια πλην ενός σε κάθε σχάση. Αν αποδεσμεύονται περισσότερα του ενός νετρόνια δημιουργείται περισσότερο καύσιμο υλικό από όσο καταναλώνεται. Για τον λόγο αυτόν οι αντιδραστήρες λέγονται τότε αναπαραγωγικοί. Το νέο καύσιμο υλικό δεν είναι U-235. Τα λοιπά ισότοπα που περιέχονται στο καύσιμο και που δεν είναι κατάλληλα ως καύσιμα υλικά, με την απορρόφηση νετρονίων μετατρέπονται σε καύσιμα υλικά. Ανάλογα με την αντίδραση αναπαραγωγής που λαμβάνει χώρα, διακρίνουμε δύο κατηγορίες αναπαραγωγικών αντιδραστήρων, βραδέων και ταχέων νετρονίων. α) Αναπαραγωγικοί αντιδραστήρες βραδέων (θερμικών) νετρονίων (Breeder Reactors) Οι αντιδραστήρες αυτού του τύπου χρησιμοποιούν επιβραδυντή και καύσιμο, στο οποίο έχει προστεθεί Th-232. Το Th-232 είναι στοιχείο ραδιενεργό και σχετικά άφθονο στη φύση, ακατάλληλο όμως το ίδιο για καύσιμο υλικό. Με την απορρόφηση νετρονίων μετατρέπεται μετά από μια σειρά μετασχηματισμών στο τεχνητό ισότοπο U-233, που είναι κατάλληλο για πυρηνικό καύσιμο. Βασικό μειονέκτημα των αναπαραγωγικών αντιδραστήρων βραδέων νετρονίων είναι ότι ο λόγος αναπαραγωγής δεν είναι σημαντικά μεγαλύτερος της μονάδας. Για μια σχέση αναπαραγωγής 1,05 απαιτούνται 21-22 χρόνια για να δημιουργηθεί αρκετή ποσότητα καύσιμου για τη λειτουργία ενός νέου αντιδραστήρα. α1. Ελαφρού ύδατος (Light Water Breeder Reactors-LWBR) Στους αντιδραστήρες αυτούς η καρδιά, ο επιβραδυντής και οι ράβδοι ελέγχου είναι ίδιοι με τους συμβατικούς (μη αναπαραγωγικούς) LWR. Διαφέρουν στο ότι προστίθεται Th- 232 στο εμπλουτισμένο U-235 και παράγεται U-233. ΠΥΡ-10.
α2. Αεριόψυκτοι (Light Water Gas-Cooled Breeder Reactors-LWGBR) Στους αντιδραστήρες αυτούς ισχύουν τα ίδια με την προηγούμενη περίπτωση. α3. Τετηγμένου άλατος (Molten Salt Breeder Reactors-MSBR) Στους αντιδραστήρες αυτούς για την επιβράδυνση της ροής των νετρονίων χρησιμοποιούνται σωλήνες γραφίτη, μέσα από τους οποίους διέρχεται το καύσιμο με την μορφή λειωμένου φθοριούχου άλατος. Παράλληλα η καρδιά περιβάλλεται από ένα μανδύα φθοριούχου Θορίου για να συλλαμβάνει τα εκπεμπόμενα νετρόνια. Οι θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται φθάνουν τους 650 C, γεγονός που σημαίνει μεγαλύτερους β.α. Επίσης η τροφοδοσία με καύσιμο μπορεί να είναι συνεχής χωρίς να χρειάζεται να σταματά η λειτουργία του αντιδραστήρα. β) Αναπαραγωγικοί αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων (Fast Breeder Reactors) Οι αντιδραστήρες αυτού του τύπου δεν χρησιμοποιούν επιβραδυντή. Ως αποτέλεσμα παράγονται μεγάλες ποσότητες καύσιμου, καθώς το U-238, που υπάρχει ήδη στο εμπλουτισμένο καύσιμο, δεχόμενο νετρόνια μετατρέπεται μετά από μια σειρά μετασχηματισμών σε Pu-239, που είναι στοιχείο κατάλληλο για πυρηνικό καύσιμο. Το Pu- 239 παράγεται και στους συμβατικούς αντιδραστήρες, αλλά σε μικρές ποσότητες, λόγω της ύπαρξης του επιβραδυντή. Συνεπώς η απουσία επιβραδυντή αποτελεί απαραίτητο στοιχείο για τους αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων. Σαν καύσιμο οι αντιδραστήρες αυτοί χρησιμοποιούν ανακυκλωμένο Pu-239, που είναι σχάσιμο, και U-238. Κατά τη σχάση του Pu-239 παράγεται θερμότητα και παράλληλα ελευθερώνονται νετρόνια που μετατρέπουν το U-238 σε Pu-239. Το αρχικό Pu-239 το παίρνουμε από χρησιμοποιημένο καύσιμο συμβατικού αντιδραστήρα ή από αναπαραγωγικό αντιδραστήρα βραδέων νετρονίων. Για να μεγιστοποιηθεί η απορρόφηση των νετρονίων η καρδιά του αντιδραστήρα περιβάλλεται με μανδύα που περιέχει ράβδους χρησιμοποιημένου καύσιμου από συμβατικούς ΠΗΣ, που αποτελείται κυρίως από εξαντλημένο U-235 και U-238. β1. Αεριόψυκτος αναπαραγωγικός αντιδραστήρας ταχέων νετρονίων (Gas-Cooled Fast Breeder Reactor- GCFBR) Ο τύπος αυτός αντιδραστήρα χρησιμοποιεί σαν ψυκτικό το He και διαφέρει του αντίστοιχου συμβατικού στο ότι δεν χρησιμοποιεί επιβραδυντή και U-235 για καύσιμο. Ο GCFBR επιτυγχάνει υψηλούς β.α., αλλά έχει και ιδιαίτερα προβλήματα γιατί το ραδιενεργό αέριο ψύξης δημιουργεί προβλήματα ανακύκλωσης. β2. Αναπαραγωγικός αντιδραστήρας τετηγμένου μετάλλου (Liquid-Metal Fast Breeder Reactor- LMFBR) Ο τύπος αυτός αντιδραστήρα χρησιμοποιεί σαν ψυκτικό υγρό Na. Η σχάση του Pu-239 θερμαίνει το Na που μέσω δύο διαδοχικών κλειστών κυκλωμάτων ατμοποιεί το νερό τρίτου κλειστού κυκλώματος που κινεί την στροβιλογεννήτρια. Ένα πλεονέκτημα του LMFBR είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιήσει καύσιμο ουράνιο εμπλουτισμένο σε ποσοστό 60-70%, αντί του 2-3% των συμβατικών αντιδραστήρων που λειτουργούν σήμερα. Ένα δεύτερο πλεονέκτημα του LMFBR είναι ότι, λόγω του υψηλού σημείου τήξης του Na, λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες, 620 C, που έχει σαν αποτέλεσμα θερμοκρασίες ατμού της τάξης των 540 C. Έτσι ο θερμοδυναμικός β.α. του αντιδραστήρα φθάνει το 40%. Η λειτουργία του LMFBR έχει σημαντικά προβλήματα. Το υγρό Na παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες στην καλή λειτουργία των συστημάτων παρακολούθησης της αντικατάστασης του καύσιμου και της συντήρησης. Στην επαφή του με τον αέρα ή το νερό το Na είναι έντονα εκρηκτικό. Αν επιτευχθεί η θερμοκρασία βρασμού του Na, 880 C, οι φυσαλίδες Na που δημιουργούνται επιταχύνουν την διάδοση των νετρονίων ΠΥΡ-11.
αντί να την επιβραδύνουν, όπως συμβαίνει με το νερό στους συμβατικούς αντιδραστήρες. Τέλος σε κανονική θερμοκρασία το Na στερεοποιείται και επομένως οι εργασίες αντικατάστασης του καύσιμου και της συντήρησης πρέπει να γίνονται σε συνθήκες θέρμανσης του αντιδραστήρα, γεγονός που δυσκολεύει και περιπλέκει κατά πολύ τις λειτουργίες αυτές. Η ουσιαστική ποιοτική διαφορά των αντιδραστήρων ταχέων νετρονίων βρίσκεται στην μεγάλη ταχύτητα των νετρονίων, που είναι πλεονέκτημα, όταν όλα τα συστήματα λειτουργούν κανονικά, αλλά μπορεί να αποβεί καταστροφική, σε περίπτωση που δεν λειτουργήσουν. Τα ταχέα νετρόνια προκαλούν 10.000 φορές ταχύτερα σχάσεις απ' ότι τα αργά και για το λόγο αυτό τα τεχνικά προβλήματα που σχετίζονται με την αποδοτική λειτουργία των συστημάτων ελέγχου και ασφάλειας είναι σημαντικά. Εκτός από τα τεχνικά προβλήματα, που εμποδίζουν την εξάπλωση των LMFBR, η τοξικότητα του πλουτώνιου και η καταλληλότητα του ως υλικό για πυρηνικά όπλα είναι επίσης σοβαροί λόγοι που εμποδίζουν την εξάπλωσή τους. Πίνακας ΠΥΡ-1: Ανάγκες σε ουράνιο κατά τη διάρκεια λειτουργίας αντιδραστήρα ισχύος 1.000 MW el, με διάρκεια λειτουργίας 30 χρόνια και μέσο ετήσιο συντελεστή εκμετάλλευσης της εγκαταστημένης ισχύος 70% Εναλλακτικές περιπτώσεις κύκλου πυρηνικού καύσιμου A. Με την τεχνολογία που εφαρμόζεται σήμερα LWR (1) LWR (2) Τύπος αντιδραστήρα HWR (3) HWR (4) HTR (5) FBR (6) 4.260 2.665 3.655 1.820 2.375 35 Β. Με την προβλεπόμενη ανάπτυξη της 3.080 1.850 2.505 1.220 1.650 50 τεχνολογίας (1) Χωρίς επαναχρησιμοποίηση των U και Pu που περιέχονται στα ήδη χρησιμοποιημένα καύσιμα. (2) Με επαναχρησιμοποίηση του Pu που περιέχεται στα ήδη χρησιμοποιημένα καύσιμα. (3) Χωρίς επαναχρησιμοποίηση των U και Pu που περιέχονται στα ήδη χρησιμοποιημένα καύσιμα. (4) Με επαναχρησιμοποίηση του Pu που περιέχεται στα ήδη χρησιμοποιημένα καύσιμα. (5) Με επαναχρησιμοποίηση του U. (6) Με U/Pu. 5.8. ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ Τα αποθέματα ουρανίου, σύμφωνα με τον Διεθνή Οργανισμό Ατομικής Ενέργειας (ΔΟΑΕ, ΙΑΕΑ) ταξινομούνται στις παρακάτω κατηγορίες. 1. Βεβαιωμένα αποθέματα (Reasonably Assured Resources - RAR) Περιλαμβάνει τα αποθέματα ουράνιου, εκείνου του μεγέθους, βαθμού και σχηματισμού που από άποψη κόστους κρίνονται κατάλληλα να απαλειφτούν με τα σημερινά μέσα εξόρυξης και τεχνολογίας. 2. Εκτιμημένα αποθέματα (Estimated Additional Resources - EAR) Περιλαμβάνει τα αποθέματα ουράνιου, που λόγω μη ικανοποιητικών δειγματοληπτικών στοιχείων δεν κατατάσσονται στην κατηγορία RAR. 3. Υποθετικά αποθέματα (Speculative Resources - SR) Η πυρηνική ενέργεια άρχισε να χρησιμοποιείται σε ευρεία κλίμακα μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση, το 1973. Η χρήση της όμως έχει συνοδευτεί πλέον από αρνητικές επιπτώσεις μη προβλέψιμες και χρονικά προσθετικές για τον ανθρώπινο οργανισμό. Εντούτοις κατά την διάρκεια της δεκαετίας του '70 καταρτίστηκε ένα γιγαντιαίο πρόγραμμα ανάπτυξης ΠΗΣ που ακολουθεί την πορεία του με πτωτική όμως τάση μετά το 1986 και το ατύχημα στον ΠΗΣ του Τσερνομπίλ. Χαρακτηριστικά αναφέρουμε ότι με βάση τις ΠΥΡ-12.
προβλέψεις του 1982 η εγκατεστημένη ισχύς το 2025 θα ανερχόταν σε 1.310 GW e, ενώ σύμφωνα με τα δεδομένα του 1986 θα ανερχόταν σε 675 GW e. Σήμερα (δεκαετία 2000) το πρόγραμμα ανάπτυξης ΠΗΣ αναθερμάνθηκε και η πυρηνική ενέργεια προβάλλεται ως μία από τις σημαντικότερες παραμέτρους για την αντιμετώπιση της αύξησης της συγκέντρωσης CO 2 στην ατμόσφαιρα και την συνεπαγόμενη κλιματική αλλαγή. Στον πίνακα ΠΥΡ-2 δίνεται η ισχύς πυρηνικών ηλεκτρικών σταθμών σε λειτουργία και υπό κατασκευή. Μετά το ατύχημα στον πυρηνικό σταθμό στη Φουκοσίμα τα σχέδια για ανάπτυξη των ΠΥΡ.Η.Σ. τέθηκαν υπό επανεξέταση. Το βασικό πρόβλημα της πυρηνικής ενέργειας σχάσης είναι το ζήτημα της ασφάλειας και γενικότερα της επίδρασης των πυρηνικών σταθμών στο περιβάλλον. Η ραδιενεργός ρύπανση είναι ο πιο πιθανός κίνδυνος και αποτελεί το αντικείμενο εκτεταμένου διεθνούς προβληματισμού και μελέτης. Υπάρχει σήμερα μεγάλος αριθμός διεθνών και εθνικών επιστημονικών οργανισμών και επιτροπών που ασχολούνται με τον κίνδυνο αυτό, πράγμα που δεν συμβαίνει με καμία άλλη πηγή ενέργειας. Οι κανονισμοί των επιτροπών αυτών έχουν υιοθετηθεί από τις περισσότερες χώρες, που αναπτύσσουν τη βιομηχανία πυρηνικής ενέργειας, και εξασφαλίζουν ψηλό βαθμό ασφάλειας. Οι αντιρρήσεις που προβάλλονται έχουν σχέση με τη ρύπανση του περιβάλλοντος, είτε μέσω των αποβλήτων των πυρηνικών σταθμών, είτε λόγω ατυχήματος, είτε από την αποθήκευση των ραδιενεργών προϊόντων/αποβλήτων, που για χιλιάδες χρόνια θα εκπέμπουν επικίνδυνη ποσότητα ραδιενέργειας. Επίσης προβάλλονται αντιρρήσεις για την αποτελεσματικότητα των μέτρων προφύλαξης. Όσον αφορά τους αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες σημειώνεται ότι το πλουτώνιο είναι τοξικό και θανατηφόρο σε ελάχιστες δόσεις καθώς και ότι η κατασκευή και πώληση αναπαραγωγικών αντιδραστήρων δίνει τη δυνατότητα εξάπλωσης των πυρηνικών όπλων καθώς το πλουτώνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην κατασκευή τους. Πίνακας ΠΥΡ-2: Πυρηνικοί Η.Σ. στον κόσμο ΠΥΡ-13.
5.9. ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Στην Ελλάδα οι πρώτες έρευνες για ανεύρεση κοιτασμάτων ουρανίου - θορίου άρχισαν το 1954 ακολουθώντας τις παγκόσμιες εξελίξεις. Τις έρευνες συντόνιζαν το ΙΓΕΥ (πρώην ΙΓΜΕ- Ινστιτούτο Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών) και η νεοσυσταθείσα τότε Ελληνική Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας. Με βάση το πρώτο πρόγραμμα εντατικών και οργανωμένων ερευνών (1971) οι περιοχές με το μεγαλύτερο ενδιαφέρον ήταν οι περιοχές Σερρών- Βροντούς, Παρανεστίου-Βαθυρέματος, Μεταλλείων-Κίρκης Έβρου, ιζηματογενούς λεκάνης Κοτύλης στο ν. Κιλκίς και ιζηματογενούς λεκάνης Ποταμών. Οι δύο πρώτες χαρακτηρίστηκαν σαν περιοχές πρώτης προτεραιότητας. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις του ΙΓΜΕ τα γνωστά αποθέματα ουρανίου στη χώρα (με κόστος απόληψης μέχρι 130$/kg U) βρίσκονται στην περιοχή Παρανεστίου Δράμας και ανέρχονται σε 6,4 Mt, ποσότητα που μπορεί να τροφοδοτήσει σταθμό 1.000 MW για 30 χρόνια. Αυτά τα αποθέματα αναφέρονται σαν βεβαιωμένα αποθέματα (400 kt) και εκτιμημένα αποθέματα (6 Mt). Τα αποθέματα των υποθετικών (πιθανών) κοιτασμάτων ουρανίου εκτιμάται ότι ανέρχονται σε 6 Mt και βρίσκονται στην περιοχή των Σερρών. Τα αποθέματα από μη συμβατικές περιοχές (ουρανοφόρος λιγνίτης και ανθρακούχος σχιστόλιθος) βρίσκονται κυρίως στις Σέρρες και στην Ήπειρο και εκτιμώνται περίπου σε 4,5 Mt, ωστόσο για την απόληψή τους η σημερινή τεχνολογία δεν επαρκεί. 5.10. ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΝΤΗΞΗΣ Στον πυρήνα ενός ατόμου μεταξύ των θετικά φορτισμένων πρωτονίων, ασκούνται ηλεκτροστατικές απωστικές δυνάμεις που τείνουν να αποσυνθέσουν τον πυρήνα στα συστατικά του. Παράλληλα όμως αναπτύσσονται πυρηνικές ελκτικές δυνάμεις που υπερισχύουν των απωστικών και ως αποτέλεσμα τα νουκλεόνια συγκρατούνται στον χώρο του πυρήνα. Σε μία πυρηνική αντίδραση σύντηξης δύο ελαφροί πυρήνες ενώνονται προς σχηματισμό βαρύτερων. Η αντίδραση αυτή απελευθερώνει μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας, που είναι πηγή ενέργειας του ήλιου και των αστέρων. Στην εικόνα ΠΥΡ-9 δύο νουκλεόνια, Δευτέριο και Τρίτιο, συντήκονται προς σχηματισμό Ηλίου, ενός νετρονίου και μεγάλης ποσότητας ενέργειας. Εικόνα ΠΥΡ-9: Σύντηξη Δευτέριου και Τρίτιου, προς σχηματισμό Ηλίου, ενός νετρονίου και μεγάλης ποσότητας ενέργειας Η σύντηξη μπορεί να γίνει, όταν δύο πυρήνες συγκρουσθούν με επαρκή ενέργεια, ώστε να υπερπηδηθεί το φράγμα δυναμικού που οφείλεται στο θετικό τους φορτίο. Επειδή κατά τη σύγκρουση δύο πυρήνων η πιθανότητα να γίνει σύντηξη είναι πολύ μικρότερη από την πιθανότητα να γίνει ελαστική σύγκρουση και να έχουμε μόνο μεταφορά ορμής, οι πυρήνες ΠΥΡ-14.
βρίσκονται αναγκαστικά σε άτακτη κίνηση και έτσι μιλάμε για πλάσμα, όπου πυρήνες και ηλεκτρόνια χωρισμένα από τους ατομικούς πυρήνες βρίσκονται σε θερμική κίνηση αποτελώντας ένα είδος αέριου φορτισμένων σωματιδίων. Το πλάσμα έχει χαρακτηριστεί ως τέταρτη κατάσταση της ύλης. Για να πραγματοποιηθούν πυρηνικές συντήξεις στο πλάσμα χρειάζονται μεγάλες ενέργειες των πυρήνων και επομένως απαιτούνται θερμοκρασίες πλάσματος εκατοντάδων εκατομμυρίων βαθμών. Θερμοπυρηνικές συντήξεις γίνονται σε όλους τους ήλιους του Σύμπαντος και είναι ο τρόπος με τον οποίο η φύση παράγει καθαρή πρωτογενή ενέργεια. H πυρηνική αντίδραση σύντηξης που πιο εύκολα μπορεί να πραγματοποιηθεί είναι η D + T 2 0 He ( 3,5MeV)+ n ( 14MeV) 1 1 2 3 4 1 <ΠΥΡ-3> και απαιτεί θερμοκρασία πλάσματος 10 8 Κ τουλάχιστον. Το Δευτέριο (D) υπάρχει σε τεράστιες ποσότητες και είναι - θεωρητικά - διαθέσιμο σε όλες τις χώρες του κόσμου, αφού παράγεται με επεξεργασία του νερού (αλμυρού ή γλυκού). Το Τρίτιο (T) κατά ένα μέρος θα παράγεται από τον ίδιο τον αντιδραστήρα από Λίθιο (Li) με βοηθητικές αντιδράσεις, με εξαίρεση την αρχική ποσότητα που χρειάζεται για την έναυση. Κατά συνέπεια τα πρωτογενή καύσιμα για έναν αντιδραστήρα σύντηξης είναι το Δευτέριο και το Λίθιο που είναι και τα δύο άφθονα στη φύση και φθηνά, ενώ την ενέργεια την παίρνουμε με τη μορφή θερμότητας. Στην εικόνα ΠΥΡ-10 φαίνεται η αρχή λειτουργίας του αντιδραστήρα σύντηξης. Στο κέντρο του αντιδραστήρα σύντηξης υπάρχει πλάσμα που δημιουργείται τεχνητά για να μελετηθεί, αφού δεν υπάρχει σε φυσική κατάσταση πάνω στη Γη. Για να διατηρήσει το πλάσμα τη θερμοκρασία του (περίπου 100x10 6 βαθμοί) πρέπει να επικρατούν συνθήκες υψηλού κενού και να ελέγχεται ώστε να μην έρχεται σε επαφή με τα υλικά τοιχώματα του αντιδραστήρα. Ένας τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται αυτό, είναι η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων του πλάσματος κατά μήκος μαγνητικών γραμμών (εικόνα ΠΥΡ-11) σε συνθήκες κενού. Για να είμαστε σε θέση να χρησιμοποιήσουμε την ενέργεια που παράγεται από τη θέρμανση κατά την καύση του καύσιμου πρέπει να εξασφαλίσουμε τη σωστή λειτουργία των μερών που είναι έξω από το πλάσμα, να διατηρούμε για πολύ μακρά χρονικά διαστήματα το κενό και τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών τοιχωμάτων, που βομβαρδίζονται από μια έντονη ροή νετρονίων και άλλων σωματιδίων που εκπέμπονται από το πλάσμα. Εικόνα ΠΥΡ-10: Σχηματική παράσταση λειτουργίας αντιδραστήρα σύντηξης ΠΥΡ-15.
Εικόνα ΠΥΡ-11: Αντιδραστήρας σύντηξης μαγνητικής συγκράτησης Για να εξασφαλιστεί η βιωσιμότητα της πυρηνικής σύντηξης και η ανταγωνιστικότητά της με τις άλλες πηγές ενέργειας πρέπει να ξεπεραστούν τα σημαντικά αυτά τεχνικά προβλήματα ώστε να γίνει δυνατή η αξιοποίηση της ενέργειας που εκλύεται κατά τη σύντηξη. Σε αντίθεση πάντως με την πυρηνική σχάση η πυρηνική σύντηξη για παραγωγή ενέργειας δεν παράγει ραδιενεργά απόβλητα υψηλής ακτινοβολίας και μεγάλης ημιζωής, γεγονός που την κάνει ιδιαίτερα ελκυστική. Η έρευνα για τη θερμοπυρηνική σύντηξη άρχισε να αναπτύσσεται από το 1950. Μέχρι το 1956 η έρευνα αυτή ήταν απόρρητη. Το 1968 Σοβιετικοί επιστήμονες σχεδίασαν τον αντιδραστήρα Τοkαmαk (εικόνες ΠΥΡ-12 και ΠΥΡ-13). Τα ερευνητικά προγράμματα σε ολόκληρο τον κόσμο, αναπροσανατολίστηκαν στην κατεύθυνση αυτών των αντιδραστήρων που έκτοτε χρησιμοποιήθηκαν στα βασικά ερευνητικά κέντρα της ΕΣΣΔ, των ΗΠΑ, της ΕΟΚ και της Ιαπωνίας. Το 1978 άρχισε σε παγκόσμια κλίμακα προεργασία για ένα μεγαλύτερο Tokamak κάτω από την εποπτεία του ΔΟΑΕ. Εικόνα ΠΥΡ-12: Το εσωτερικό του πρώτου αντιδραστήρα Τόκαμακ ΠΥΡ-16.
Εικόνα ΠΥΡ-13: Σύστημα μαγνητικού εγκλωβισμού Tokamak 5.11. Ο ΔΙΕΘΝΗΣ ΘΕΡΜΟΠΥΡΗΝΙΚΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ I.T.E.R. Η διεθνής προσπάθεια που αναπτύσσεται σήμερα έχει ως επίκεντρο την κατασκευή του Διεθνούς Θερμοπυρηνικού Πειραματικού Αντιδραστήρα I.T.E.R. (International Thermonuclear Experimental Reactor), που κατασκευάζεται στο Κανταράς της Νότιας Γαλλίας, κοντά στη Μασσαλία. Στο πρόγραμμα συμμετέχουν σχεδόν όλες οι χώρες της Ευρώπης (συμπεριλαμβανομένης και της Ελλάδας), η Ρωσία, η Κίνα, η Ιαπωνία, η Ν. Κορέα και οι ΗΠΑ. Η πειραματική λειτουργία πρόκειται να αρχίσει γύρω στο 2018 και προσδοκάται παραγωγή ενέργειας 500 MW, δεκαπλάσια από αυτήν που καταναλώνεται για τη θέρμανση του καυσίμου. Το έργο γνώρισε κωλυσιεργίες και παλινδρομήσεις από διάφορες χώρες, όπως οι ΗΠΑ και ο Καναδάς, που έχουν να κάνουν τόσο με τα συμφέροντα που συνδέονται με την τοποθεσία κατασκευής του (το έργο, ύψους 10 δισεκατομμυρίων ευρώ, θα απασχολεί 10.000 εργαζόμενους στη φάση κατασκευής του, θα προσφέρει παραγγελίες για βοηθητικά συστήματα από τη χώρα εγκατάστασης και φυσικά επιπλέον κύρος σε πολιτικό και τεχνολογικό επίπεδο), όσο και με τα συμφέροντα των πολυεθνικών του πετρελαίου αλλά και τα γεωπολιτικά συμφέροντα των μεγάλων κρατών, που δεν βλέπουν με καλό μάτι την παροχή ως ένα βαθμό απεριόριστης ενέργειας και τη δυνατότητα ενεργειακής απεξάρτησης μιας σειράς χωρών. Βέβαια η τεχνολογία με βάση την οποία θα κατασκευαστεί ο ITER και τουλάχιστον οι πρώτοι από τους θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες παραγωγής απαιτεί τεράστια κεφάλαια, που μόνο οι ισχυρότερες χώρες ή ομάδες χωρών μπορούν να διαθέσουν. Προς τα παρόν όμως απαιτεί μακροπρόθεσμη διεθνή συνεργασία και ειρήνη για την απρόσκοπτη υλοποίησή του. Η διεθνής συνεργασία ITER έχει σαν απώτερο στόχο το σχεδιασμό αντιδραστήρων που θα επιτρέψουν την παραγωγή ενέργειας με θερμοπυρηνική σύντηξη Δευτέριου και Τρίτιου. Ο ITER στηρίζεται σχεδιαστικά στο σοβιετικό αντιδραστήρα τύπου Tokamak, που αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1960 και τελειοποιήθηκε τα επόμενα 25 χρόνια. Έχει ένα δακτυλιοειδή ΠΥΡ-17.
επιμήκη θάλαμο πλάσματος, το οποίο συγκρατείται από ισχυρά μαγνητικά πεδία, που δημιουργούν υπεραγώγιμοι μαγνήτες, και περιορίζεται ώστε να μην ακουμπήσει στα τοιχώματα και τα λιώσει. Το καύσιμο τοποθετείται στον αντιδραστήρα και υπερθερμαίνεται από συνδυασμό πηγών θερμότητας, ηλεκτρισμό, ραδιοκύματα και δέσμες σωματιδίων από επιταχυντές, με αποτέλεσμα την μετατροπή του υδρογόνου σε πλάσμα. Εικόνα ΠΥΡ-14: Γραφική αναπαράσταση του Διεθνούς Θερμοπυρηνικού Πειραματικού Αντιδραστήρα ITER. Κάτω δεξιά διακρίνεται ανθρώπινη φιγούρα για να δώσει ένα μέτρο εκτίμησης του μεγέθους του αντιδραστήρα Η θερμοκρασία του πλάσματος θα ξεπερνά τα 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου και η ισχύς του αντιδραστήρα θα φτάνει τα 500 MW. Το Ήλιο που θα παράγεται ως αποτέλεσμα της πυρηνικής σύντηξης θα απάγεται από τον αντιδραστήρα με ασυνεχή τρόπο (δηλαδή θα διακόπτεται για λίγο η λειτουργία του ώστε να αφαιρεθεί το Ήλιο και να επανατροφοδοτηθεί με νέα καύσιμα). Ο ITER θα λειτουργήσει ως ενδιάμεσος αντιδραστήρας, μεταξύ των πειραματικών και των πιλοτικών, επιτρέποντας την ακριβέστερη σχεδίαση των αντιδραστήρων που θα χρησιμοποιηθούν αργότερα στην παραγωγή και αναμένεται ότι θα έχουν πολλαπλάσιο μέγεθος και κόστος. Ο ITER θα είναι ο πρώτος θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας που θα παράγει περισσότερη ενέργεια απ' αυτή που θα καταναλώνει για να δημιουργήσει τις συνθήκες θερμοκρασίας που απαιτούνται, ώστε να αρχίσει η σύντηξη. Μέχρι τώρα, ο μεγαλύτερος πειραματικός αντιδραστήρας του είδους κατάφερε μόνο να ισοσκελίσει τα ποσά ενέργειας που καταναλώνει από τη μια και παράγει από την άλλη. Στη φάση αυτή η θερμότητα που θα παράγει ο ITER δε θα χρησιμοποιείται για την κίνηση ατμοστροβίλων και την παραγωγή ηλεκτρισμού, αφού αυτό το τμήμα του έργου περικόπηκε για λόγους οικονομίας. ΠΥΡ-18.