ΕΠΙΣΤΗΜΗ

Πυρηνική σύντηξη: Το μεγάλο στοίχημα

ΑΣΠΑΣΙΑ ΔΑΣΚΑΛΟΠΟΥΛΟΥ

Οι εργασίες στο εργοτάξιο του Διεθνούς Πειραματικού Θερμοπυρηνικού Αντιδραστήρα, γνωστού ως ITER, κοντά στο ερευνητικό κέντρο Κανταράς στη νότια Γαλλία, κατά την επίσκεψη της «Κ» στις εγκαταστάσεις τον Μάιο.

ΕΤΙΚΕΤΕΣ:

Ενα αστέρι πάνω στη Γη επιχειρεί να «φτιάξει» η παγκόσμια επιστημονική κοινότητα, ελπίζοντας έτσι να λύσει το ενεργειακό πρόβλημα του πλανήτη μέσα στις επόμενες δεκαετίες. Η πυρηνική σύντηξη, η ενέργεια που τροφοδοτεί τον Ηλιο και τα άλλα αστέρια, είναι η κύρια πηγή ενέργειας στο Σύμπαν, και ίσως στο μέλλον, εάν καταφέρουμε να τη θέσουμε στην υπηρεσία μας, να τροφοδοτήσει και τις ενεργοβόρες δραστηριότητες της ανθρωπότητας.

Στο εργοτάξιο του Διεθνούς Πειραματικού Θερμοπυρηνικού Αντιδραστήρα, γνωστού ως ITER, κοντά στο ερευνητικό κέντρο Κανταράς στη νότια Γαλλία, τα θεμέλια των εγκαταστάσεων βρίσκονται ήδη στη θέση τους. O εξοπλισμός για το συγκρότημα των 39 κτιρίων, τα οποία θα κατασκευαστούν σε μία πλατφόρμα εμβαδού 420 στρεμμάτων, μία έκταση που αντιστοιχεί με περίπου 50 ποδοσφαιρικά γήπεδα, καταφθάνει καθημερινά από κάθε γωνιά του κόσμου. Παρότι η παραγωγή ενέργειας δεν προβλέπεται να ξεκινήσει στο άμεσο μέλλον, η εγκατάσταση θεωρείται ήδη πυρηνική, και η είσοδος στο κοινό απαγορεύεται. Η «Κ», η οποία τον περασμένο μήνα είχε την ευκαιρία να περιπλανηθεί για δύο ημέρες στις προστατευμένες εγκαταστάσεις του ITER, παρατήρησε από κοντά την καλοκουρδισμένη ορχήστρα τεχνικού, επιστημονικού και διοικητικού προσωπικού, που έμοιαζε να διευθύνεται από τον διαρκή χορό των πέντε τεράστιων γερανών του εργοταξίου.

Το ΙΤΕR αποτελεί με διαφορά τη μεγαλύτερη διεθνή επιστημονική συνεργασία για ειρηνικούς σκοπούς πάνω στη Γη και δεύτερη στο γνωστό μας Σύμπαν, μετά τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Το συνολικό κόστος κατασκευής του έχει υπολογιστεί ότι δεν θα ξεπεράσει τα 15 δισεκατομμύρια ευρώ, θα κοστίζει δηλαδή οκτώ φορές λιγότερο από τη διοργάνωση του Μουντιάλ στο Κατάρ το 2022. Η Ε.Ε., η Ινδία, η Ιαπωνία, η Κίνα, η Νότια Κορέα, η Ρωσία και οι ΗΠΑ, είναι τα επτά μέλη που έχουν ενώσει τις δυνάμεις τους γύρω από την προσπάθεια κατασκευής του ITER, με σκοπό να διαπιστώσουν εάν η πυρηνική σύντηξη, ως πηγή ενέργειας, είναι εφικτή πάνω στη Γη. Το ITER είναι ένα διεθνές σχολείο που θα διδάξει πώς κατασκευάζεται ένας πυρηνικός αντιδραστήρας σύντηξης, και θα μοιραστεί τελικά την πνευματική αυτή ιδιοκτησία με τα μέλη του.

H γέννηση του ΙΤΕR

Παρότι επισήμως το ITER, ως οργανισμός, ιδρύθηκε πριν από επτά χρόνια, η ιδέα για τη δημιουργία του γεννήθηκε πριν από 30 χρόνια, στη Σύνοδο Κορυφής της Γενεύης τον Νοέμβριο του 1985. Μετά συζητήσεις με τον πρόεδρο της Γαλλίας, Φρανσουά Μιτεράν και την πρωθυπουργό της Βρετανίας, Μάργκαρετ Θάτσερ, ο γενικός γραμματέας της τότε Σοβιετικής Ενωσης Μιχαήλ Γκορμπατσόφ πρότεινε στον Αμερικανό πρόεδρο Ρόναλντ Ρίγκαν την εκκίνηση ενός διεθνούς προγράμματος με σκοπό την ανάπτυξη της θερμοπυρηνικής σύντηξης για ειρηνικούς σκοπούς.

Σήμερα, το ITER πλαισιώνεται από 34 έθνη και χιλιάδες επιστήμονες. «Αυτή τη στιγμή μόνο στο εργοτάξιο απασχολούνται περίπου 400 εργάτες, οι οποίοι αναμένεται να φτάσουν τους 1.200 μέχρι το τέλος του 2015 και να ξεπεράσουν τους 2.000 μέχρι το 2017» λέει ο επικεφαλής των εγκαταστάσεων της ευρωπαϊκής ομάδας, Λοράν Σμίντερ, στην επίσκεψη της «Κ» στο εργοτάξιο. Χωρίς αμφιβολία, το σημαντικότερο κτίριο για το ITER είναι εκείνο που θα στεγάσει τον θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα σύντηξης, τεχνολογίας Τόκαμακ.

Κάθε κομμάτι της πολύπλοκης αυτής συσκευής κατασκευάζεται από διαφορετικές ομάδες σε όλο τον κόσμο, καθιστώντας την τελική συναρμολόγησή του το πιο σύνθετο παζλ που έχουν κληθεί ποτέ να ολοκληρώσουν η επιστημονική κοινότητα και η παγκόσμια βαριά βιομηχανία. «Είναι μία τεράστια πρόκληση, γιατί κάθε στοιχείο του Τόκαμακ είναι σύνθετο» λέει ο Αμερικανός επιστήμονας του ITER Μαρκ Χέντερσον, ειδικός στη θέρμανση του πλάσματος.

Ο κίνδυνος

Για τον γενικό διευθυντή όμως του ITER, Μπερνάρντ Μπιγκότ, ο αληθινός κίνδυνος δεν είναι τεχνολογικής φύσης, αλλά ούτε και ασφάλειας. Μία θερμοπυρηνική αντίδραση είναι στη βάση της ασφαλής. Σε αντίθεση με την πυρηνική ενέργεια σχάσης, η οποία χρησιμοποιείται σήμερα στα εργοστάσια παραγωγής πυρηνικής ενέργειας, στη σύντηξη δεν υπάρχει κίνδυνος η αντίδραση «να βγει εκτός ελέγχου» και να δημιουργηθεί κάποιο ατύχημα.

«Ο κίνδυνος που διατρέχουμε είναι ένας και μοναδικός: Η διατήρηση και η ενίσχυση της εμπιστοσύνης των πολιτικών αρχηγών και της κοινής γνώμης, γιατί στο τέλος της ημέρας αυτοί είναι που πληρώνουν. Εάν δεν καταφέρουμε να αποδείξουμε ότι είμαστε σοβαροί στον τρόπο που χειριζόμαστε το έργο, τότε μπορεί πράγματι αυτό να τεθεί σε κίνδυνο» λέει ο κ. Μπιγκότ, ο οποίος παραδέχτηκε ότι το έργο έχει καθυστερήσει, και ότι είναι αδύνατο να τηρηθεί η υπόσχεση που δόθηκε το 2010, ότι το πρώτο πλάσμα θα μπει στον αντιδραστήρα το 2019. Ο γενικός διευθυντής δεσμεύτηκε να ανακοινώσει το νέο χρονοδιάγραμμα τον προσεχή Νοέμβριο.

Το ITER, που στα λατινικά σημαίνει «δρόμος», δεν είναι σε καμία περίπτωση το τέλος του δρόμου της θερμοπυρηνικής σύντηξης, αλλά ένα ακόμα σταυροδρόμι στην αναζήτηση απάντησης στο ερώτημα εάν η πανίσχυρη, αλλά σύνθετη, αυτή αντίδραση μπορεί να συμβεί στη Γη, παράγοντας περισσότερη ενέργεια από αυτή που καταναλώνει. Οι προκάτοχοι του ITER, όπως το γαλλικό Tore Supra στο Κανταράς και ο ευρωπαϊκός αντιδραστήρας σύντηξης JET στη Μεγάλη Βρετανία, έστρωσαν τον δρόμο για την μεγάλη διεθνή συνεργασία του ITER, το οποίο με τη σειρά του θα στρώσει τον δρόμο για τον διάδοχό του, το DEMO (DEMOnstration Power Plant). Σκοπός του DEMO, του οποίου η κατασκευή δεν προβλέπεται να ξεκινήσει πριν από το 2030, ούτε το πρώτο πλάσμα να εισέλθει στον αντιδραστήρα πριν από το 2040, είναι να αποδείξει την αποτελεσματικότητα αυτής της μεθόδου στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες κλίμακες.

Το σχέδιο αγγίζει τα όρια της επιστημονικής φαντασίας, όμως η σημερινή ενεργειακή κρίση του πλανήτη, μας αφήνει το περιθώριο να μην προσπαθήσουμε; Οπως είπε στην «Κ» ο κ. Χέντερσον: «Δουλεύουμε όλοι μαζί σαν είδος για να επιβιώσουμε».

Ο «Δημόκριτος» και το Πολυτεχνείο

Οι χώρες της Eυρωπαϊκής Ενωσης, μαζί με την Ελβετία, έχουν ενώσει τις δυνάμεις τους γύρω από τον ευρωπαϊκό οργανισμό Fusion for Εnergy, ο οποίος είναι υπεύθυνος για το 45% του έργου και τα κόστη που αυτό συνεπάγεται.

Σε αντίθεση με άλλα διεθνή έργα στα οποία τα μέλη καλύπτουν τα έξοδα κατασκευής καταβάλλοντας κάποιο προσυμφωνημένο χρηματικό ποσό, στο ITER το καθένα από τα επτά μέλη αναλαμβάνει το ίδιο να μοιράσει τα χρήματα που του αναλογούν, για την κατασκευή εξαρτημάτων ή την ανάπτυξη τεχνογνωσίας, στη βαριά βιομηχανία, σε μικρομεσαίες επιχειρήσεις ή εργαστήρια, με ανάθεση έργων μέσω διαγωνισμών.

«Η Ευρώπη έχει ήδη υπογράψει συμβόλαια που φτάνουν τα 4 δισεκατομμύρια ευρώ, από τα 6,6 δισεκατομμύρια που έχει σκοπό να διαθέσει για το σύνολο του έργου», λέει στην «Κ» ο Αρης Απολλωνάτος, επικεφαλής ενημέρωσης και πληροφόρησης του Fusion for Εnergy.

«Οι μικρότερες χώρες θα μπορούσαν επίσης να επωφεληθούν από το πρόγραμμα», λέει ο κ. Απολλωνάτος. «Ακόμα και όταν το μεγαλύτερο μέρος των συμβολαίων έχει υπογραφεί, αυτό δεν είναι το τέλος του δρόμου» εξηγεί.

«Σήμερα, τα ελληνικά εργαστήρια εμπλέκονται και συνεισφέρουν στο ITER μέσω ενός έργου, που αφορά τη μελέτη και την κατασκευή μιας συσκευής θέρμανσης που ονομάζεται γυροτρόνιο» λέει ο κ. Αναστάσιος Γιούτσος, εθνικός εκπρόσωπος της Ελλάδας στο διοικητικό συμβούλιο του Ευρωπαϊκού Κοινού Εγχειρήματος για το ΙΤΕR (Fusion for Energy). Tα 24 γυροτρόνια που θα εγκατασταθούν στο ITER αποτελούν έναν από τους τρόπους θέρμανσης του πλάσματος, διοχετεύοντας ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς, με τη μορφή μικροκυμάτων, στον πυρήνα του πλάσματος. Ο ευρωπαϊκός οργανισμός, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την κατασκευή έξι γυροτρονίων, ανέθεσε το έργο σε μία ομάδα επιστημόνων από την Ελλάδα, τη Γερμανία, την Ιταλία, την Ελβετία και τη Λεττονία, με επικεφαλής της ελληνικής ομάδας το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο.

Τα τεστ

Επίσης, ένα δομικό υλικό που προγραμματίζεται να χρησιμοποιηθεί στο ITER, τεστάρεται αυτή τη στιγμή από επιστήμονες του ερευνητικού κέντρου «Δημόκριτος». «Ενα είδος ατσαλιού, που ονομάζεται Eurofer, περνάει από διάφορα τεστ για να διαπιστωθεί ποιες είναι οι ιδιότητές του υπό ακτινοβόληση», λέει ο κ. Μάξιμος Τσάλας, ειδικός στην πυρηνική σύντηξη και ερευνητής στον ευρωπαϊκό πειραματικό αντιδραστήρα JET.

Η Ελλάδα μπορεί να μην έχει τη βιομηχανία εκείνη για να παράξει τα εξαρτήματα μιας πυρηνικής οικονομίας, «θα ήθελα όμως να ελπίζω ότι η χώρα μας, επειδή έχει τεχνογνωσία σε τομείς συστημάτων και πληροφορικής, θα καταφέρει να δημιουργήσει μία προοπτική διεθνούς συνεργασίας με το ITER», υπογραμμίζει ο κ. Απολλωνάτος.

Θα δημιουργήσουν συνθήκες θερμοκρασίας περί τους 150.000.000° C

Από τις αρχές του περασμένου αιώνα οι επιστήμονες είχαν αντιληφθεί ότι εάν καταφέρουμε να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί ο Ηλιος, θα έχουμε στη διάθεσή μας μία ανεξάντλητη πηγή ενέργειας.

Η ημέρα γέννησης της θερμοπυρηνικής σύντηξης ήταν η 24η Αυγούστου 1920, όταν, σε μία συνάντηση της Βρετανικής Εταιρείας Επιστημών στο Κάρντιφ, ο σερ Αρθουρ Στάνλεϊ Εντινγκτον ανέλυσε ότι η ενέργεια του Ηλιου και των άλλων αστέρων παράγεται μέσω πυρηνικών αντιδράσεων.

Ο Ηλιος, όπως και το 99,9% του σύμπαντος, αποτελείται από μία μορφή ύλης που λέγεται πλάσμα. «Το πλάσμα είναι ουσιαστικά ένα αέριο, του οποίου τα άτομα, εξαιτίας της μεγάλης θερμοκρασίας, έχουν διαχωριστεί σε πυρήνες και ηλεκτρόνια. Εξαιτίας αυτού του διαχωρισμού το πλάσμα αποκτά ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες, με αποτέλεσμα να μπορεί κανείς να το κινήσει με μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία», λέει ο Μάξιμος Τσάλας, ειδικός στην πυρηνική σύντηξη και ερευνητής στον ευρωπαϊκό πειραματικό αντιδραστήρα JET.

«Και εμείς, ένα μικρό αστέρι θέλουμε να φτιάξουμε, όμως οι πιέσεις που δημιουργούνται, λόγω της βαρύτητας, μέσα στα άστρα, είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές που μπορούμε να επιτύχουμε εμείς στη Γη» λέει ο Αναστάσιος Γιούτσος, πρώην διευθυντής του Ινστιτούτου Πυρηνικής Τεχνολογίας και Ακτινοπροστασίας του ερευνητικού κέντρου «Δημόκριτος» και εθνικός εκπρόσωπος της Ελλάδας στο διοικητικό συμβούλιο του Ευρωπαϊκού Κοινού Εγχειρήματος για το ΙΤΕR (Fusion for Energy).

Η διαδικασία

«Η διαδικασία εξαρτάται από το γινόμενο της πιέσεως επί τη θερμοκρασία. Δηλαδή, όσο λιγότερη πίεση καταφέρεις να εφαρμόσεις στο σύστημα, τόσο μεγαλύτερες θερμοκρασίες χρειάζεται να επιτύχεις» προσθέτει, εξηγώντας ότι μεγαλύτερη θερμοκρασία σημαίνει και μεγαλύτερη ταχύτητα των ατόμων. Για να επιτύχουν τη σύντηξη, οι επιστήμονες του ITER, θα χρειαστεί να δημιουργήσουν συνθήκες θερμοκρασίας, που αγγίζουν τους 150 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, δηλαδή δέκα φορές υψηλότερη θερμοκρασία από αυτή που επικρατεί στο κέντρο του Ηλιου.

Εκτός όμως από τις τεράστιες θερμοκρασίες του πλάσματος, οι επιστήμονες έχουν επίσης εντοπίσει και μία αποτελεσματικότερη πυρηνική αντίδραση για να αναπαράγουν τη θερμοπυρηνική σύντηξη στο εργαστήριο. Δύο ισότοπα του υδρογόνου συμμετέχουν σε αυτή την αντίδραση, κατά την οποία ένας πυρήνας δευτερίου συγκρούεται με έναν πυρήνα τριτίου και παράγεται ήλιο και ένα νετρόνιο, εξηγεί ο κ. Τσάλας.

«Το ήλιο και το νετρόνιο που παράγονται χρησιμοποιούνται για να θερμάνουν νερό, το νερό παράγει ατμό, ο ατμός εισέρχεται σε τουρμπίνα και παράγεται ηλεκτρισμός» λέει ο κ. Χέντερσον.

Διαρκής και ασφαλής πηγή

Το δευτέριο υπάρχει σε αφθονία στο νερό της Γης, ενώ το τρίτιο μπορεί να παραχθεί από λίθιο. Σύμφωνα με τους ερευνητές, ένα γραμμάριο καυσίμου πυρηνικής σύντηξης θα προσφέρει ενέργεια που αντιστοιχεί σε οκτώ τόνους πετρελαίου. Μελλοντικά, εάν επιτευχθεί η παραγωγή ενέργειας από τη σύντηξη, «τα ήπια ραδιενεργά υπολείμματα δεν θα απαιτούν μόνιμη αποθήκευση για πολλές χιλιάδες χρόνια, όπως συμβαίνει με τη συμβατική πυρηνική ενέργεια. Τα υλικά αυτά θα αποθηκεύονται προσωρινά, και το πολύ μέσα σε 100 χρόνια θα μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν» λέει ο Γκούντερ Τζέινεσιτς, επικεφαλής του τμήματος Κεντρικής Ενοποίησης του ITER.

Η πρώτη ύλη δεν είναι το πρόβλημα, η πρόκληση είναι τεχνολογικής φύσης, αφού το Τόκαμακ του ITER είναι ένα από τα πολυπλοκότερα μηχανήματα που έχει σχεδιάσει ποτέ ο άνθρωπος.

Σύμφωνα με τον κ. Χέντερσον τρία πράγματα πρέπει να έχουν οι επιστήμονες στο μυαλό τους για να επιτύχουν τη θερμοπυρηνική σύντηξη στη Γη: τη θερμοκρασία, την πυκνότητα και τη συγκράτηση του πλάσματος. Η υψηλή θερμοκρασία του πλάσματος, η οποία έχει ήδη επιτευχθεί στον αντιδραστήρα JET, «δημιουργείται από τον βομβαρδισμό του πλάσματος με ουδέτερα σωματίδια σε συνδυασμό με ηλεκτρομαγνητικά κύματα», λέει ο κ. Τσάλας. «Η υψηλή πυκνότητα πλάσματος είναι επίσης απαραίτητη προϋπόθεση για να γίνει η σύντηξη, γιατί όσο περισσότερη πρώτη ύλη προσθέσεις, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα αυτά τα ιόντα δευτερίου και τριτίου να συναντηθούν, να συγκρουστούν και να παράξουν ενέργεια» λέει ο κ. Χέντερσον.

Πώς όμως συγκρατείται αυτή την ενέργεια για να μη χαθεί; «Οπως όταν ξεχνάς τον καφέ σου στο φλιτζάνι η θερμότητα διαφεύγει και ο καφές κρυώνει, έτσι και η θερμότητα του πλάσματος πρέπει να συγκρατηθεί από μία θερμική ασπίδα», εξηγεί ο κ. Χέντερσον. Σε αυτή τη συγκράτηση τον κυρίαρχο ρόλο παίζουν οι τεράστιας ισχύος μαγνήτες που περιβάλλουν το Τόκαμακ, το οποίο έχει σχήμα σαμπρέλας. Τα ισχυρά μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται στο εσωτερικό του κυκλικού αντιδραστήρα, συμπιέζουν το πλάσμα, δίνοντάς του σχήμα ντόνατ, αποτρέποντας έτσι την επαφή του με τα κρύα τοιχώματα του αντιδραστήρα.

«Στο JET έχουμε καταφέρει να πάρουμε πίσω μόνο το 60% της ενέργειας που βάλαμε ενώ στο ITER οι επιστήμονες θα προσπαθήσουν να παράξουν την πενταπλάσια έως και δεκαπλάσια ενέργεια από αυτή που θα βάλουν στο σύστημα» καταλήγει ο κ. Τσάλας. Α. Δ.

Έντυπη

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ