Τι είναι η πυρηνική σύντηξη

Ο πυρήνας του ατόμου αποτελείται από μικρά σωματίδια: τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια και τα μη φορτισμένα (ουδέτερα) νετρόνια.

Στον πυρήνα βρίσκεται συγκεντρωμένο το μεγαλύτερο μέρος από την μάζα του ατόμου.

Τα σωματίδια αυτά, δηλαδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια, συγκρατούνται μέσα στον πυρήνα από πολύ ισχυρές δυνάμεις που ονομάζονται πυρηνικές δυνάμεις. Η ενέργεια που βρίσκεται αποθηκευμένη στον πυρήνα (και που οφείλεται σε αυτές τις δυνάμεις), ονομάζεται πυρηνική ενέργεια.

Κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης σύντηξης πυρήνων σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 100 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, και σε πίεση 2 ή και 3 ατμόσφαιρες, δύο πυρήνες με χαμηλό
ατομικό αριθμό δηλαδή πυρήνες που συνήθως αποτελούνται από 1 πρωτόνιο και ελάχιστα νετρόνια (τα πρωτόνια και τα νετρόνια λέγονται και νουκλεόνια) συντήκονται (συνενώνονται) σχηματίζοντας ένα μεγαλύτερο πυρήνα, ενώ αποβάλλουν και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε διάφορα μήκη κύματος (ορατή και μη ορατή). Η ηλεκτρομαγνητική αυτή ακτινοβολία μετατρέπεται, τελικά, σε θερμική ενέργεια.

Στους νέους πυρήνες που σχηματίζονται, τα πρωτόνια και τα νετρόνια συγκρατούνται με ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις και έχουν αποθηκευμένη στο πυρήνα τους πυρηνική ενέργεια (Είναι προφανές ότι η ενέργεια των πυρήνων, αρχικά, ήταν μεγαλύτερη από την ενέργεια του πυρήνα που σχηματίστηκε).

Αντιδράσεις σύντηξης στη γη

Στη γη αντιδράσεις σύντηξης πραγματοποιούνται στους αντιδραστήρες σύντηξης. Στους αντιδραστήρες σύντηξης, σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 100 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, και σε πίεση 2 ή και 3 ατμόσφαιρες, δύο πυρήνες με χαμηλό ατομικό αριθμό, συνήθως τα ισότοπα του υδρογόνου δευτέριο και τρίτιο συγκρούονται και στη συνέχεια συντήκονται (συνενώνονται) για να σχηματίσουν βαρύτερα στοιχεία συνήθως ήλιο. Η συνένωση απελευθερώνει και μεγάλα ποσά θερμικής ενέργειας.

Η θερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για να ζεστάνει νερό. Το νερό εξαερώνεται και ο ατμός που δημιουργείται χρησιμοποιείται για να κινήσει την ατμοτουρμπίνα. Έτσι, η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική. Η ατμοτουρμπίνα γυρίζει μία ηλεκτρική γεννήτρια που είναι συνδεδεμένη στον ίδιο άξονα με αυτήν. Η κινητική ενέργεια της ατμοτουρμπίνας μετατρέπεται, έτσι, σε ηλεκτρική στη γεννήτρια.

Το δευτέριο βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στο θαλασσινό νερό και το τρίτιο παράγεται από το λίθιο που υπάρχει σε αφθονία στην επιφάνεια τη γης.

Η παραγωγή ενέργειας σε αντιδραστήρες σύντηξης θεωρείται ανανεώσιμη μορφή ενέργειας.

Αφού οι πυρήνες έχουν το ίδιο φορτίο πως καταφέρνουμε να τους φέρουμε κοντά
και μάλιστα να συγκρουστούν;

Για να επιτευχθεί η αντίδραση, τα καύσιμα (δηλαδή το δευτέριο και το τρίτιο) θερμαίνονται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 100 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, ενώ η πίεση αυξάνει και μπορεί να φτάσει 2 ή και 3 ατμόσφαιρες. Στη θερμοκρασία αυτή τα καύσιμα υλικά έχουν τη μορφή πλάσματος. Το πλάσμα αποτελείται από δύο ειδών φορτισμένα σωματίδια, θετικά ιόντα (+) δευτέριου και τρίτιου και ηλεκτρόνια (-) δηλαδή αρνητικά φορτισμένα σωματίδια.

Το πλάσμα τοποθετείται σε δοχείο σε σχήμα δακτυλιδιού. Επειδή το πλάσμα αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια, μαγνήτες τοποθετημένοι κάθετα προς το δαχτυλίδι το αναγκάζουν να κινηθεί σε κυκλικές τροχιές στο κέντρο του δακτυλίου, χωρίς όμως να συγκρούεται με τα τοιχώματα του δακτυλίου.

Η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων είναι ηλεκτρικό ρεύμα. Το ηλεκτρικό ρεύμα εκτρέπεται δηλαδή στρίβει όταν βρεθεί σε μαγνητικό πεδίο κάθετο προς τη διεύθυνση του. Έτσι, οι τοποθετημένοι μαγνήτες στην περιφέρεια του δαχτυλιδιού μέσα στο οποίο βρίσκεται το πλάσμα το αναγκάζουν να κινηθεί σε κυκλική τροχιά. Η τροχιά αυτή είναι το κέντρο του δακτυλίου. Ο δακτύλιος έχει ατσάλινα τοιχώματα και δεν περιέχει αέρα, ο οποίος έχει αφαιρεθεί, για να μην υπάρχουν σημαντικές απώλειες ενέργειας. Σε αυτές τις συνθήκες, δηλαδή σε μεγάλη θερμοκρασία και πίεση, το δευτέριο και το τρίτιο συνενώνονται παράγοντας ήλιο και απελευθερώνοντας μεγάλα ποσά θερμότητας.

Το πλάσμα πρέπει να μην έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια του δοχείου που το περιέχει, γιατί, 

α) οι επαφές οδηγούν σε απώλεια θερμότητας. και 

β) μπορεί να απορροφηθούν υλικά από το δοχείο που θα προκαλέσουν μείωση της θερμοκρασίας.

Για να διατηρηθεί η αντίδραση πρέπει να υπάρχει αρκετό καύσιμο υλικό. Έτσι υπάρχει ένας μηχανισμός που τροφοδοτεί με καύσιμα τον δακτύλιο μέσα στον οποίο γίνεται η αντίδραση καθώς και ένας άλλος μηχανισμός που αφαιρεί το παραγόμενο ήλιο.

Πλεονεκτήματα της χρήσης των αντιδραστήρων σύντηξης

Το μέλλον στην παραγωγή καθαρής και φτηνής ενέργειας φαίνεται να ανήκει στους αντιδραστήρες σύντηξης και αυτό γιατί:

– Οι αντιδραστήρες σύντηξης είναι πιο ασφαλείς γιατί μόλις σταματήσει η τροφοδοσία καυσίμων σταματάει αμέσως και η αντίδραση. Αντίθετα στους αντιδραστήρες διάσπασης για να σταματήσει η τροφοδοσία καυσίμων, χρειάζεται χρόνος και ειδικός μηχανισμός.
– Τα καύσιμα υλικά υπάρχουν σε αφθονία στη φύση.
– Δεν προκαλούν μόλυνση, όξινη βροχή και δεν παράγουν CO2 δηλαδή δεν συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου.
– Η ακτινοβολία στα τοιχώματα του αντιδραστήρα, που προκαλείται από τα νετρόνια εξαφανίζεται σύντομα και μπορεί να περιοριστεί σημαντικά αν τα τοιχώματα του αντιδραστήρα κατασκευαστούν από ειδικά υλικά.

Τι προβλήματα χρειάστηκε να λυθούν;

Τα κύρια προβλήματα που χρειάστηκε να λυθούν ώστε να επιτευχθεί αυτή η αντίδραση σύντηξης είναι:

1. Η θέρμανση του αερίου σε τόσο υψηλή θερμοκρασία και
2. Η πυκνότητα του πλάσματος (αριθμός ατόμων ανά μονάδα όγκου) να είναι αρκετά μεγάλη.

Όταν οι 2 αυτές συνθήκες ισχύουν και διατηρηθούν για ένα κάποιο (μικρό) χρονικό διάστημα, τότε η αποδιδόμενη ενέργεια είναι περισσότερη από αυτή που χρησιμοποιήθηκε για να ξεκινήσει η αντίδραση.
Ένα δευτερεύον (τεχνολογικό) πρόβλημα ήταν η μετατροπή αυτής της ενέργειας σε ηλεκτρική και αυτό λύθηκε με τον γνωστό συμβατικό τρόπο (ατμός κινεί ατμο-τουρμπίνα που κινεί ηλεκτρική γεννήτρια).

Πόσο λίθιο και τρίτιο υπάρχει στη γη;

Το δευτέριο υπάρχει σε μικρές ποσότητες στο νερό από το οποίο μπορεί να απομονωθεί. Αν όλη η ηλεκτρική ενέργεια του κόσμου παραγόταν σε πυρηνικούς αντιδραστήρες σύντηξης τα αποθέματα του δευτέριου θα διαρκούσαν για μερικά εκατομμύρια χρόνια.

Στη γη υπάρχει (γενικά) πάρα πολύ λίγο δευτέριο: περίπου 35 γραμμάρια δευτέριου σε ένα κυβικό μέτρο νερό δηλαδή:

35 gr δευτέριου σε 1 Τn (τόνο) = 1000000 gr νερού ή 0,035 Kgr δευτέριου σε 1000 Kgr νερού

Το τρίτιο είναι τόσο σπάνιο (δηλαδή υπάρχει σε τόσο μικρές ποσότητες στη φύση) που λέμε ότι πρακτικά δεν υπάρχει. Αυτό συμβαίνει γιατί είναι ραδιενεργό με διάρκεια ημι-ζωής 12 ετών (δηλαδή κάθε 12 χρόνια μένει η μισή ποσότητα από αυτήν που υπήρχε πριν από 12 χρόνια). Μπορεί όμως να κατασκευαστεί από το λίθιο μέσα στον αντιδραστήρα σύντηξης.

Το λίθιο είναι ένα από τα ελαφρύτερα μέταλλα στην επιφάνεια της γης. Αν όλη η ηλεκτρική ενέργεια του κόσμου παραγόταν σε πυρηνικούς αντιδραστήρες σύντηξης τα γνωστά αποθέματα λιθίου θα κρατούσαν για περίπου 1000 χρόνια.

Η αντίδραση αρχίζει με τη μετατροπή του λιθίου σε τρίτιο. Στη συνέχεια το τρίτιο αντιδρά με το δευτέριο παράγοντας Ηe (ήλιο) και ενέργεια. Έτσι ενώ τα σώματα με τα οποία τροφοδοτούμε τον αντιδραστήρα είναι το δευτέριο και το τρίτιο, τα «καύσιμα» υλικά είναι το δευτέριο και το λίθιο. Το λίθιο δεν «καίγεται», αλλά χρησιμοποιείται για να δημιουργηθεί το τρίτιο
--------------------------
Ποσότητες: Για να κατανοήσουμε λίγο περισσότερο της ποσότητες που αναφέρονται πιο πάνω.
Με 10 grams (γραμμάρια) δευτέριο τα οποία μπορούν να εξαχθούν από 500 lit (λίτρα) νερού και 15grams από τρίτιο το οποίο μπορεί να εξαχθεί από 30 grams λιθίου παράγουν αρκετή ενέργεια για να καλυφθούν οι ανάγκες για ηλεκτρικό ρεύμα ενός μέσου σύγχρονου ανθρώπου βιομηχανικής (δυτικής) χώρας για όλη του τη ζωή.