This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Σύντηξη: Η ενέργεια του μέλλοντος;
4ο ΓΕΝΙΚΟ ΛΥΚΕΙΟ ΧΑΝΙΩΝ
Υπεύθυνη καθηγήτρια: Ιωάννα-Νικόλ Αρετάκη
Ονόματα των παιδιών του προγράμματος:
Βεργανελάκης Παντελής
Γρηγορούδης Θεόδωρος
Κουτλή Νικολέτα
Λυβιάκη Στέλλα
Μανωλάκη Κορνηλία
Μαργαριτάκη Σταυρούλα
Νικολακάκη Μαρία
Ορφανάκη Αγγελική
Πεντάρης Μάριος
Σταγάκη Μαριάννα
Στεργίοπουλος Αναστάσιος
Τσιβουράκης Αντώνης
Τσιμπερίδης Κωνσταντίνος
Φαλελάκη Σταυρούλα
1
Περίληψη
Από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα μας απασχολεί η ηλιακή ενέργεια. Για την
άντληση αυτής της ενέργειας καταφύγαμε σε ποικίλες μεθόδους όπως εκείνη της
πυρηνικής σχάσης μέχρι να καταλήξουμε στη σύντηξη που έχει εμφανώς
περισσότερα οφέλη. Πυρηνική σύντηξη ονομάζεται η συνένωση ελαφρών πυρήνων
σε βαρύτερους με ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας η οποία υπολογίζεται από
την εξίσωση του Αϊνστάιν. Τα αντιδρώντα της είναι το δευτέριο και το τρίτιο
(ισότοπα υδρογόνου) ενώ μπορεί να συμβεί και με ήλιο-3 και ήλιο-4. Οι κυριότερες
μέθοδοι για την επίτευξη της είναι: η μέθοδος μαγνητικής συγκράτησης ενώ η
δεύτερη είναι η μέθοδος αδρανειακής συγκράτησής. Από το 1968 έως και σήμερα
ερευνητές ασχολούνται με την κατασκευή κατάλληλων αντιδραστήρων γι' αυτές
(tokamak και stellarator). Σε ευρωπαϊκό επίπεδο το ITER και το HiPER αποτελούν τα
προγράμματα που στοχεύουν στην υλοποίησή της μεθόδου με μαγνητικής
συγκράτησης και της μεθόδου με αδρανειακή συγκράτηση αντίστοιχα. Παράλληλα
στην Αμερική το NIF αναπτύσσει μεθόδους σύντηξης με λέιζερ. Σαφώς εντοπίζονται
προβλήματα στην πραγματοποίηση της εν λόγω αντίδρασης, σε περίπτωση όμως που
την κατορθώσουμε θα έχουμε πληθώρα θετικών στοιχείων για όλον τον κόσμο.
Πρόλογος
Ο άνθρωπος από τα περασμένα χρόνια επιδίωκε να πάρει τη ζωογόνο ενέργεια του
ηλίου καθώς αυτός καταφέρνει να παράγει τεράστια ποσά ενέργειας ακτινοβολώντας
τα στο διάστημα. Με το πέρασμα των χρόνων και με την ραγδαία αύξηση του
πληθυσμού της γης η ανάγκη για ενέργεια μεγάλωνε. Σήμερα, έχουμε τη δυνατότητα
να καλύψουμε αυτή την ανάγκη με τη μέθοδο της πυρηνικής σύντηξης, η οποία
υπόσχεται ατελείωτη ενέργεια, ευημερία και ίσως και ειρήνη. Σύμφωνα με το λεξικό,
πυρηνική σύντηξη ονομάζεται η συνένωση ελαφρών πυρήνων σε βαρύτερους με
ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας.
2
Iστορική αναδρομή
Η ιστορία της πυρηνικής ενέργειας ξεκινά με την Γερμανίδα φυσικό καθώς και
χημικό, Ida Noddacκ η οποία ήταν η πρώτη που μίλησε για την πυρηνική διάσπαση
το 1934. Η Ida Noddacκ αναφέρει τη σχάση ως μια υπόθεση για την μη ύπαρξη
πυρήνων με Ζ>92 (μεγάλη διάρκεια ζωής).[1]
Την ίδια χρονιά, ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi διεξήγαγε πείραμα μεταστοιχείωσης
βομβαρδίζοντας νετρόνια. Κατά την διάρκεια του ¨βομβαρδισμού¨ ουρανίου,
επιτεύχθηκε πυρηνική σχάση όπου λανθασμένα παρερμηνεύτηκε. [2]
To 1938, o Otto Hahn μαζί με τον Fritz Strassmann κατά λάθος με ένα πείραμα
βομβαρδισμού ουρανίου παρήγαγαν Βάριο (Ba), στοιχείο πολύ πιο ελαφρό απ’ το
ουράνιο. Ταυτόχρονα, η βοηθός καθώς και θεία του Otto, Lise Meitner αναγκάστηκε
να εγκαταλείψει το Βερολίνο λόγο των ρατσιστικών νόμων της ναζιστικής Γερμανίας
και να καταφύγει στην Σουηδία. Η Lise, κατάφερε να ερμηνεύσει αυτό το
αποτέλεσμα ως προϊόν πυρηνικής σχάσης και το 1944 ο Hahnβραβεύτηκε με βραβείο
Νόμπελ.[3]
Αργότερα η ομάδα Joliot-Curie ανακάλυψε ότι με την σχάση ουρανίου
απελευθερώνονται δευτερεύοντα νετρόνια τα οποία καθιστούν έτσι εφικτή μια
αλυσιδωτή αντίδραση.[4]
Τον Νοέμβριο 1942 κατασκευάστηκε ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας από τους
Fermi και Szilard. Αποτελούταν από 45.000 τούβλα γραφίτη που χρησιμοποιούταν
για την ρύθμιση των νετρονίων και τροφοδοτούταν από 6 τόνους ουρανίου και από
50 περίπου τόνους οξειδίου του ουρανίου. [5]
Εντούτοις, η εξίσωση που έφερε δραματικές αλλαγές στη θεώρηση της φυσικής είναι
εκείνη του Albert Einstein το 1905, γνωστή ως E=mc2. Αναλυτικότερα, στον κόσμο
τον υποατομικών διεργασιών, οι μάζες των σωματιδίων μπορούν να
μετασχηματίζονται σε ενέργεια υπό την μορφή φωτός, θερμότητας ή κίνησης.
Παρομοίως, η ενέργεια μπορεί επίσης να μετατρέπεται σε μάζα. Οι επιταχυντές
σωματιδίων εκμεταλλεύονται αυτήν την ιδέα ωθώντας σε σύγκρουση ταχέως
κινουμένων σωματιδίων. Οι υψηλές ενέργειες αυτών των συγκρούσεων
3
μετατρέπονται σε νέα σωματίδια, τα οποία μπορούν να έχουν πολύ μεγαλύτερη μάζα
από την αντίστοιχη των σωματιδίων που συγκρούστηκαν αρχικά.
Η μετατροπή της μάζας σε ενέργεια είναι ο στόχος των επιστημόνων στην διαδικασία
της πυρηνικής σύντηξης. Κατά τη σύντηξη πρωτονίων και νετρονίων δημιουργείται
πυρήνας με μάζα μικρότερη από τις μάζες των συστατικών του. Αυτό το έλλειμμα
μάζας εμφανίζεται ως ενέργεια, η οποία μπορεί να αξιοποιηθεί -- κατ' αρχήν -- ως
ωφέλιμη ισχύ: E=mc2! [6]
Η αρχή της έρευνας για ενέργεια πυρηνικής σύντηξης τοποθετείται χρονικά το 1920.
Περίπου το 1920 έχουμε την έναρξη της έρευνας για την ενέργεια σύντηξης καθώς ο
φυσικός Einstein είχε μετρήσει το «έλλειμμα μάζας» στο στοιχείο ήλιο, το οποίο
συνιστούσε την πιθανότητα ανάπτυξης μεγάλου ποσού ενέργειας με την δημιουργία
ενός πυρήνα ηλίου (He) από ελαφρύτερα στοιχεία.
Έπειτα, αξίζει να αναφερθούμε ότι η σύντηξη ανακαλύφθηκε στα τέλη της δεκαετίας
του 1930 από το Γερμανό φυσικό Hans Albrecht Bethe που κέρδισε και το βραβείο
Nobel για αυτήν του την ανακάλυψη. Μία ανακάλυψη που έμελλε να αλλάξει τον
κόσμο όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας για τους επόμενους αιώνες.[7]
Πυρηνική σύντηξη
Μόλις τα τελευταία εκατό χρόνια ο άνθρωπος διαπίστωσε πώς ο Ήλιος καταφέρνει να
παράγει αυτά τα τεράστια ποσά ενέργειας που ακτινοβολεί στο διάστημα.
Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι χρειάζονται πέντε δισεκατομμύρια χρόνια
αναμονής για έναν πυρήνα υδρογόνου (πρωτόνιο) στον Ήλιο πριν μπει στη
διαδικασία να συντηχθεί με ένα άλλο πυρήνα υδρογόνου για να σχηματίσουν
δευτέριο. Αν συνέβαινε αυτό γρηγορότερα, ο Ήλιος θα είχε εξαντλήσει τα καύσιμά
4
του πολύ πριν και έτσι δεν θα υπήρχε ανθρώπινη ζωή. Η ενέργεια που ελευθερώνεται
κατά τη διάρκεια της σύντηξης μετατρέπεται σε φωτόνια: φως. [8]
Σύμφωνα με τον Προμηθέα, από λίγο θαλασσινό νερό βγάζεις δύο πυρήνες
υδρογόνου, οι οποίοι έχουν ελάχιστες διαφορές μεταξύ τους. Ο πρώτος λέγεται
δευτέριο και έχει ένα νετρόνιο και ένα πρωτόνιο, ενώ ο δεύτερος λέγεται τρίτιο και
έχει δύο νετρόνια και ένα πρωτόνιο. Αυτά τα δύο πήζονται σε φωτιά, ώσπου να
ενωθούν. Το αποτέλεσμα της σύντηξης είναι ένας βαρύτερος πυρήνας, με το όνομα
ήλιο και έχει δύο νετρόνια και δυο πρωτόνια.
Όμως ποιο αιώνιο καύσιμο είναι η πηγή της ενέργειάς του; Μόλις στις αρχές του
20ού αιώνα η επιστήμη έδωσε την απάντηση σ' αυτό το ερώτημα. Ο Ήλιος, όπως και
όλα τα αστέρια, χρησιμοποιεί πυρηνικά καύσιμα, προσφεύγει δηλαδή σε πυρηνικές
αντιδράσεις.[9] Οι Πυρηνικές αντιδράσεις διαφέρουν από τις χημικές αντιδράσεις
υπό την έννοια ότι περιλαμβάνουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια στο πυρήνα, αντί
ηλεκτρονίων. Για να επιτευχθεί η απελευθέρωση της ενέργειας σε μια αντίδραση
σύντηξης, μικρότεροι, λιγότερο σταθεροί πυρήνες πρέπει να ενώνονται μεταξύ τους
για να σχηματίσουν έναν πιο σταθερό πυρήνα.
Η ενέργεια που απελευθερώνεται προκύπτει από τη διαφορά μεταξύ των ενεργειών
των πυρηνικών δεσμών των αρχικών και την τελικών αντιδρώντων/ προϊόντων . Η
ενέργεια που σχετίζεται με τους δεσμούς των αρχικών συστατικών είναι μεγαλύτερη
από εκείνη που αντιστοιχεί με τα προϊόντα της αντίδρασης, και είναι αυτή η διαφορά
ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της σύντηξης. Είναι ενδιαφέρον,
πως αυτές οι μικρές διαφορές στην ενέργεια των δεσμών αντικατοπτρίζονται στην
περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν που περιγράφει την ισοδυναμία μάζας και ενέργειας:
E = mc2. Δηλαδή, τα αντιδρώντα μετά την αντίδραση ζυγίζουν λιγότερο από εκείνα
πριν από την αντίδραση και η διαφορά μάζας απελευθερώνεται ως ενέργεια. Η
εξίσωση του Αϊνστάιν δίνει μια ένδειξη για την κλίμακα της αναλογικότητας μεταξύ
της μάζας και της ενέργειας και εξηγεί γιατί πολύ μικρές αλλαγές της μάζας στις
πυρηνικές καύσεις μπορούν να απελευθερώσουν μια μεγάλη ποσότητα
χρησιμοποιήσιμης ενέργειας.
Στη γη αντιδράσεις σύντηξης πραγματοποιούνται στους αντιδραστήρες
σύντηξης. Στους αντιδραστήρες σύντηξης, σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 100
5
εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, και σε πίεση 2 ή και 3 ατμόσφαιρες, δύο πυρήνες με
χαμηλό ατομικό αριθμό 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.
Οι αντιδραστήρες σύντηξης χρησιμοποιούν ειδικά ισότοπα του υδρογόνου ως
καύσιμο, διότι αυτά μπορούν να αντιδράσουν σε χρήσιμο ποσοστό για παραγωγή
ηλεκτρικής ενέργειας, επιτρέποντας μια γρήγορη αντίδραση σε πιο εύκολα εφικτές
θερμοκρασίες. Οι περισσότεροι αντιδραστήρες χρησιμοποιούν το δευτέριο και το
τρίτιο. Όλα αυτά τα άτομα έχουν ένα μόνο πρωτόνιο αλλά, ενώ το υδρογόνο δεν έχει
νετρόνια, δευτέριο έχει ένα και τρίτιο έχει δύο.
Το δευτέριο βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στο θαλασσινό νερό και το τρίτιο
παράγεται από το λίθιο που υπάρχει σε αφθονία στην επιφάνεια τη γης.
Στο πλαίσιο της προετοιμασίας για τη σύντηξη, αυτά τα ισότοπα θερμαίνονται έτσι
ώστε να γίνουν ένα πλάσμα. Αυτό είναι ένα ιοντισμένο αέριο που αποτελείται από
ελεύθερα ηλεκτρόνια και πυρήνες που δεν δεσμεύονται σε άτομα, είναι μια
ξεχωριστή κατάσταση της ύλης, μαζί με στερεά, υγρά και αέρια. Αυτό επιτρέπει τους
ατομικούς πυρήνες να απομακρυνθούν από το άτομο. Για να συμβεί σύντηξη, η
δύναμη της απώθησης πρέπει να ξεπεραστεί, αναγκάζοντας αυτούς τους
ελαφρύτερους πυρήνες να έρθουν αρκετά κοντά μεταξύ τους για αρκετή ώρα ώστε να
έρθουν σε σύγκρουση. Αυτό συνεπάγεται τον εγκλεισμό του πλάσματος σε πολύ
υψηλές θερμοκρασίες και ταυτόχρονα, την απομάκρυνση του από τα τοιχώματα του
δοχείου για την πρόληψη των ρύπων. Η σταθερότητα του πλάσματος παραμένει
ακόμα μεγάλη συζήτηση της έρευνας της φυσικής της σύντηξης. Το πλάσμα της
σύντηξης πρέπει να περιορίζεται και να διατηρείται καθαρό για το μεγαλύτερο
δυνατό χρονικό διάστημα της αντίδρασης της σύντηξης.
6
Η απελευθερωμένη ενέργεια απορροφάται από τα δύο νέα σωματίδια αντιστρόφως
ανάλογα με τη μάζα τους. Δηλαδή, το ένα πέμπτο παραλαμβάνεται από την κινητική
ενέργεια του πυρήνα ηλίου και τα τέσσερα πέμπτα από την κινητική ενέργεια του το
νετρονίου. Στη διαδικασία της σύντηξης, ένα άλλο παράξενο σωματίδιο
σχηματίζεται: το νετρίνο. Ένα νετρίνο πολύ δύσκολα αλληλεπιδρά με την ύλη, και
μπορεί κατά συνέπεια να δραπετεύσει από τον Ήλιο σε μια στιγμή. Τεράστιος
αριθμός από νετρίνο σχηματίζονται στον Ήλιο: κάθε δευτερόλεπτο, 100
δισεκατομμύρια ηλιακά νετρίνο περνάνε από το άκρο κάθε δαχτύλου σας. Τα
περισσότερα νετρίνο διαπερνούν ολόκληρη τη Γη, χωρίς να επηρεαστούν καθόλου
απ’ αυτή. Στην πραγματικότητα, ένα νετρίνο θα διαπερνούσε ένα έτος φωτός από
μόλυβδο, χωρίς να σταματήσει.[10]
Το Σχήμα παρακάτω απεικονίζει την αντίδραση σύντηξης μεταξύ ενός δευτερίου και
ενός τριτίου, απελευθερώνοντας ένα πυρήνα ηλίου και ένα νετρόνιο, όπως επίσης και
17.6 MeV (2,82 × 10-12 Joule) ενέργεια.
+ + n Q= 17.6 MeV
7
Βέβαια εκτός της παραπάνω αντίδρασης υπάρχουν και άλλες οι οποίες επίσης
χρησιμοποιούνται σε αντιδραστήρες σύντηξης:
+ + n Q=3.3 MeV
+ + Q=4.0 MeV
+ + n Q= 17.6 MeV
Όπως είναι φανερό η τελευταία αντίδραση στην οποία αντιδρούν ο πυρήνας του
δευτερίου και ο πυρήνας του τριτίου έχει την μεγαλύτερη απόδοση σε ενέργεια (Q=
17.6 MeV). To μειονέκτημα αυτής της αντίδρασης είναι ότι το τρίτιο εξαιτίας του
μικρού χρόνου διάρκειας της ζωής του δεν βρίσκεται σε αφθονία στη φύση. Γι’ αυτό
το λόγο είναι απαραίτητη η τεχνητή δημιουργία του, με τις εξής αντιδράσεις:
n (ταχύ) + + + n (αργό)
N (αργό) + + + 4.8 MeV
Πώς όμως δημιουργείται το τρίτιο; Πολλά από τα νετρόνια που θα δημιουργηθούν
από τις αντιδράσεις θα αφήσουν τον αντιδραστήρα και πάνε να «ξεκουραστούν» σε
ένα συστατικό γνωστό ως "η κουβέρτα". Αυτό περιλαμβάνει υλικό σχεδιασμένο να
επιβραδύνει τα ταχέα νετρόνια και με αυτό τον τρόπο να γίνεται θερμότητα. Αυτή η
θερμότητα, με τη σειρά της, μεταφέρθηκε σε αέριο υψηλής πίεσης ή ατμού. Αυτό το
ζεστό, υψηλής πίεσης αέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση ενός
στροβίλου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Μερικά μόρια του σταθμού της
κουβέρτας περιλαμβάνουν λίθιο, το οποίο αντιδρά με τα ταχέα νετρόνια και
παράγουν τρίτιο, ένα από τα δύο καύσιμα που απαιτούνται για την αντίδραση. Με
αυτόν τον τρόπο ένας σταθμός παραγωγής ενέργειας από σύντηξη θα μπορούσε να
παράγει ένα συστατικό της δικής της καύσης επί τόπου.
Υπάρχουν δύο μέθοδοι που προσεγγίζουν ικανοποιητικά την πυρηνική σύντηξη σε
ένα σταθμό παραγωγής ενέργειας: 1) Η μέθοδος μαγνητικής συγκράτησης για τη
σύντηξη, όπου μαγνητικά πεδία κρατούν το πλάσμα σε απομόνωση, ενώ πολύ υψηλές
8
θερμοκρασίες, που αντιστοιχούν σε πολύ υψηλές ταχύτητες για τους πυρήνες,
δημιουργούν τις αναγκαίες συγκρούσεις. 2) Η μέθοδος αδρανειακής συγκράτησής,
όπου υψηλή πίεση εφαρμόζεται πολύ γρήγορα, εγκαινιάζοντας ένα σύντομο παλμό
σύντηξης. Αδρανειακή συγκράτηση μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση υψηλής ισχύος
λέιζερ. [11,12]
Ιστορική αναδρομή μεθόδων σύντηξης με μαγνήτες
H πρώτη μηχανή σύντηξης κατασκευάστηκε το 1968 στην πρώην σοβιετική ένωση,
και ονομάστηκε Tokamak. Στο εξωτερικό μέρος του θαλάμου υπήρχε κατάλληλο
κύκλωμα με ειδικό σύρμα από το οποίο περνούσε ρεύμα. Η ροή του ρεύματος
δημιουργούσε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο που εμπόδιζε το καυτό πλάσμα να
πλησιάσει τα εσωτερικά τοιχώματα του αντιδραστήρα. Στη συνέχεια,
κατασκευάστηκε ο TFTR στις ΗΠΑ το 1970, ο οποίος ήταν ενεργός μέχρι το 1977
στο Εργαστήριο Πλάσματος του Πρίνστον, στις ΗΠΑ. Έδωσε τη μέγιστη
θερμοκρασία που μια μηχανή Tokamak μπόρεσε ποτέ να παραγάγει: 510
εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.
Έπειτα κατασκευάστηκε και ο JET στην Aγγλία το 1983. Έχει διάμετρο 15 μ. και
ύψος 12 μ. Έχουν πραγματοποιηθεί εκεί πολλά σημαντικά πειράματα κι έχει επιτύχει
θερμοκρασία 300 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.
Οι δυο μεταγενέστερες παραλλαγές του Τοκαμακ, αξίζει να σημειωθεί, ότι
ξεπέρασαν τον πρόγονό τους και σε μέγεθος και σε τεχνολογική σχεδίαση. Η
κατασκευή αυτών των αντιδραστήρων, βέβαια, δεν ολοκλήρωσε τις προσπάθειες των
ερευνητών οι οποίοι μέχρι και σήμερα πασχίζουν να δημιουργήσουν μηχανές που θα
καταστήσουν την πυρηνική σύντηξη εφικτή και εμπορικά εκμεταλλεύσιμη.
Βέβαια, δεν υπάρχουν μόνο Tokamak αντιδραστήρες. Οι Stellarator, αντιδραστήρες
διαφορετικής σχεδίασης και κατασκευής από τους Tokamak, χρησιμοποιούνται
επίσης στην πυρηνική σύντηξη. Πιο συγκεκριμένα, η Stellarator είναι μια συσκευή
που χρησιμοποιείται για να περιορίσει καυτό πλάσμα με μαγνητικά πεδία,
προκειμένου να διατηρήσουν μια ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση σύντηξης. Το
9
όνομα αναφέρεται στη δυνατότητα αξιοποίησης της πηγής ενέργειας του ήλιου, ένα
αστρικό αντικείμενο, εξ’ ου stellar-ator. Είναι μία από τις πρώτες συσκευές
ελεγχόμενης σύντηξης. Το πρώτο καθαρά πειραματικό μοντέλο, το μοντέλο Α, ήταν
σε λειτουργία το 1953. Μεγαλύτερα μοντέλα ακολούθησαν, αλλά αποδεικνύεται πως
γενικά είχαν κακή απόδοση, σε σχέση με την αναμενόμενη. Οι Stellarator ήταν
δημοφιλείς στη δεκαετία του 1950 και του 1960, αλλά τα πολύ καλύτερα
αποτελέσματα που παρήγαγε ο σχεδιασμός Tokamak οδήγησε στον παραγκωνισμό
τους στη δεκαετία του 1970. Ο μεγαλύτερος Stellarator που ακολουθούσε τα αρχικά
σχέδια, Princeton, μοντέλο C, ξεκίνησε τη λειτουργία του το 1961 και συνέχισε να
λειτουργεί μέχρι το 1969, που μετατράπηκε σε Tokamak.
Λίγα λόγια για τους Stellarator
H αρχική έρευνα πυρηνικής σύντηξης ακολούθησε γενικά δύο κύριες γραμμές
μελέτης, συσκευές που βασίζονταν σε στιγμιαία συμπίεση του καυσίμου σύντηξης σε
υψηλές πυκνότητες, όπως και οι συσκευές συστολής που μελετήθηκαν κυρίως στο
Ηνωμένο Βασίλειο, και τις συσκευές που χρησιμοποιούν χαμηλότερες πυκνότητες
αλλά μεγαλύτερους χρόνους συγκράτησης, όπως ο μαγνητικός καθρέφτης και οι
stellarator. Στα τελευταία συστήματα, το βασικό πρόβλημα ήταν ο περιορισμός του
πλάσματος για μεγάλο χρόνο χωρίς να διαφεύγουν τα πιο θερμά, άρα και τα πιο
πολύτιμα σωματίδια από τη συσκευή.
Καθώς το πλάσμα είναι ηλεκτρικά φορτισμένο, και ως εκ τούτου υπόκειται σε
δύναμη Lorentz, μπορεί να περιοριστεί από κατάλληλη διάταξη των μαγνητικών
πεδίων. Η απλούστερη διάταξη που πληροί τις προϋποθέσεις είναι ένας κύλινδρος,
που αποτελείται από έναν έλικα του σύρματος τυλιγμένο γύρω από ένα κυλινδρικό
υποστήριγμα. Ένα πλάσμα μέσα στον κύλινδρο θα δεχτεί μια δύναμη προς ένα
κατευθυντήριο κέντρο της τροχιάς του, το οποίο κινείται μόνο παράλληλα προς το
εφαρμοζόμενο πεδίο. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση το πλάσμα δεν θα δει καμία
δύναμη κατά μήκος του μεγάλου άξονα, και θα ρέει ταχέως έξω από τα άκρα του
κυλίνδρου, διαφεύγοντας.
Μία λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να λυγίσει απλά το πηνίο σχηματίζοντας ένα
δαχτυλίδι. Ωστόσο, στην περίπτωση αυτή το μαγνητικό πεδίο δεν είναι πλέον
ομοιόμορφο. Οι ηλεκτρικές περιελίξεις στο εσωτερικό του κυλίνδρου είναι πιο κοντά
μεταξύ τους από αυτές που βρίσκονται στο εξωτερικό κομμάτι του. Αυτό οδηγεί σε
10
ένα ασθενέστερο πεδίο στο εξωτερικό από το εσωτερικό. Η τροχιά ενός σωματιδίου
θα έχει μεγαλύτερες καμπύλες στο εσωτερικό σκέλος της τροχιάς σε σχέση με της
εξωτερικής, που οδηγεί σε μια μετακίνηση μακριά από το κέντρο της σπείρας. Αυτά
τα σωματίδια θα παρασυρθούν τελικά έξω από την περιοχή περιορισμού.
Το πρόβλημα αυτό κατάφερε να επιλύσει ο Lyman Spitzer to 1951, γεννώντας την
ιδέα των Stellarator. H καινοτομία του Spitzer ήταν μια αλλαγή στη γεωμετρία που
μείωσε την ολίσθηση που εμφανίζεται σε ένα κυλινδρικό σύστημα συγκράτησης.
Πρότεινε την παράταση της σπείρας με ευθεία τμήματα ώστε να σχηματιστεί ένα
σχήμα παρόμοιο με αγωνιστική πίστα, και στη συνέχεια να περιστραφεί ένα άκρο
κατά 180 μοίρες για να παραχθεί μια συσκευή σε σχήμα 8. Όταν ο αντιδραστήρας
έχει σχήμα σπείρας, ένα σωματίδιο που ξεκινά στο «εσωτερικό» της συσκευής
παραμένει εκεί ενώ κυκλοφορεί γύρω από τον μακρύ άξονα. Έτσι προκαλείται η
καθαρή απόκλιση σε σύγκριση με τα σωματίδια στο «εξωτερικό». Στον Stellarator,
όταν ένα σωματίδιο βρίσκεται στο εσωτερικό σε ένα από τα καμπυλωτά τμήματα,
από τη στιγμή που αυτό ρέει μέσα από την ευθεία περιοχή και εντός του άλλου
καμπυλωτού τμήματος είναι τώρα στο εξωτερικό. Αυτό σημαίνει ότι η ανοδική
μετατόπιση από τη μία πλευρά αντισταθμίζεται από την καθοδική μετατόπιση από
την άλλη.
Για να μπορούν οι σωλήνες να διέρχονται χωρίς να χτυπούν μεταξύ τους, τα τμήματα
σπείρας σε κάθε άκρο περιστράφηκαν ελαφρώς, έτσι ώστε τα άκρα να μην είναι
ευθυγραμμισμένα μεταξύ τους. Αυτή η διάταξη δεν ήταν τέλεια, καθώς ένα
σωματίδιο στο εσωτερικό τμήμα στο ένα άκρο δεν θα καταλήξει στο εξωτερικό
τμήμα στο άλλο, αλλά σε κάποιο άλλο σημείο περιστρεμμένο από τη ιδανική
τοποθεσία, λόγω της κλίσης των δύο άκρων [13,14,15,16]
Λίγα λόγια για τους Tokamak
Το Tokamak είναι μια πειραματική μηχανή σχεδιασμένη να αξιοποιήσει την ενέργεια
της σύντηξης. Μέσα στο Tokamak η ενέργεια που παράγεται μέσω της σύντηξης των
ατόμων απορροφάται σα θερμότητα στους τοίχους του σωλήνα. Όπως ακριβώς σε
ένα συμβατό εργοστάσιο ηλεκτρισμού μια μονάδα παραγωγής ενέργειας σύντηξης θα
χρησιμοποιεί αυτή τη θερμότητα για να παράγει ατμό και έπειτα ηλεκτρισμό μέσω
τουρμπίνων και γεννητριών.
11
Οι αντιδραστήρες Tokamak διαθέτουν μια τοροειδή (σε σχήμα ντόνατ) μαγνητική
δομή, η οποία επιτρέπει τη δημιουργία και τη διατήρηση των συνθηκών που
απαιτούνται για την παραγωγή ελεγχόμενων αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης.
Μία διάταξη Tokamak περιλαμβάνει τα ακόλουθα βασικά μέρη:
1. Τον δακτυλιοειδή θάλαμο κενού εντός του οποίου εισάγεται υδρογόνο.
2. Μία μεγάλη σειρά πηνίων που περιβάλει τον παραπάνω θάλαμο και