Του Κωνσταντίνου Α. Μαρκάκη,
Ηλεκ/γου-Μηχ/γου Μηχανικού
ΕΜΠ Αθήνα – TU Hannover
Η τεχνολογία κατασκευής πυρηνικών αντιδραστήρων για την ειρηνική παραγωγή ενέργειας, δυστυχώς όμως και για την κατασκευή καταστρεπτικών πολεμικών όπλων, “διχάζεται”, στο πρότυπο του γνωστού δυϊσμού, του “καλού” και του “κακού”, του ωφέλιμου και του βλαπτικού. Με απλά λόγια:
- Η θερμο-πυρηνική σύντηξη χρησιμοποιεί τα ελαφρότερα ισότοπα και στοιχεία της φύσης (Υδρογόνο, Δευτέριο, Τρίτιο), σε συνθήκες πολύ υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων, για τη δημιουργία βαρύτερων ισοτόπων και στοιχείων ( Ήλιο), με ταυτόχρονη έκλυση τεράστιων ποσοτήτων πλεονάζουσας ενέργειας. (βλ. Σχ.0) Η πυρηνική αντίδραση αυτοσυντηρείται εφόσον η παραγόμενη ενέργεια εξακολουθεί να είναι περισσότερη από αυτή που καταναλώνεται. Εδώ υπάρχει ένα στάδιο δυϊσμού: ειρηνικές χρήσεις παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και πολεμικές χρήσεις για “υδρογονοβόμβες”. Οι αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έχουν το πλεονέκτημα έναντι αντιδραστήρων σχάσης ότι είναι περισσότερο φιλικοί στο περιβάλλον, διότι δεν δημιουργούν ραδιενεργά κατάλοιπα και δεν είναι επιρρεπείς σε διαρροές επικίνδυνης ακτινοβολίας. Η λειτουργία τους “μιμείται” την παραγωγή ενέργειας των άστρων, όπως λεκτικά παραπέμπει το όνομα μιας από τις κυριότερες τεχνολογίες, των αντιδραστήρων τύπου stellarator. Η άλλη κυριότερη τεχνολογία είναι οι αντιδραστήρες τύπου tokamak (από το ρωσικό тороидальная камера с магнитными катушками = toroidal chamber with magnetic coils).
Εξακολουθεί όμως να υφίσταται κίνδυνος, διότι το χρησιμοποιούμενο Τρίτιο (3Η), είναι ένα ραδιενεργό ισότοπο του υδρογόνου. Επομένως μια «κατάρρευση» (meltdown) αντιδραστήρα σύντηξης θα απελευθέρωνε επίσης ραδιενεργά υλικά, άρα θα προκαλούσε ραδιενεργό ρύπανση, ενώ τα άτομα υδρογόνου τείνουν να συνδέονται σχεδόν με όλα όσα αγγίζουν. - Η πυρηνική σχάση χρησιμοποιεί τα βαρύτερα ισότοπα και στοιχεία της φύσης (Ουράνιο, Πλουτώνιο). Τα βαρέα ισότοπα βομβαρδίζονται με νετρόνια, με αποτέλεσμα τη δημιουργία δύο ελαφρότερων ραδιενεργών ισοτόπων, ενέργειας, νετρονίων και διαφόρων ακτινοβολιών. Η πυρηνική αντίδραση αυτοσυντηρείται εφόσον τα παραγόμενα νετρόνια κατά τη σχάση υπερκαλύπτουν τις διάφορες απώλειες / απορροφήσεις σε δομικά υλικά, έτσι ώστε να περισσεύουν για την σχάση άλλων ισοτόπων. Και εδώ υπάρχει ένα στάδιο δυϊσμού : ειρηνικές χρήσεις για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και πολεμικές χρήσεις για ατομικές βόμβες. Όμως, οι αντιδραστήρες πυρηνικής σχάσης για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έχουν σημαντικό μειονέκτημα έναντι των αντιδραστήρων σύντηξης επειδή είναι καταστροφικοί στο φυσικό περιβάλλον, διότι παράγουν ραδιενεργά κατάλοιπα και είναι επιρρεπείς σε διαρροές επικίνδυνης ακτινοβολίας.
Η σύντηξη των ελαφρών στοιχείων καθώς και η σχάση των βαρέων ραδιενεργών στοιχείων, βασίζονται στην ισχυρή και στην ασθενή πυρηνική δύναμη (δύο από τις τέσσερες γνωστές δυνάμεις στη φύση: βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητική, ισχυρή πυρηνική και ασθενής πυρηνική), που συγκρατούν πρωτόνια και νετρόνια στους πυρήνες των στοιχείων. Η χημεία βασίζεται στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη, που αφορά στα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τα άτομα των στοιχείων και τα συνδέουν σε μόρια και χημικές ενώσεις.
Η αξιοποίηση της θερμοπυρηνικής σύντηξης, εφόσον επιτευχθεί με ασφαλείς προδιαγραφές λειτουργίας και συμφέρουσας εμπορικής – οικονομικής λειτουργίας μεγάλων βιομηχανικών εγκαταστάσεων, είναι η καλλίτερη επιλογή για την ενεργειακή επάρκεια ενός τεχνολογικά ανεπτυγμένου πολιτισμού, αλλά και για την διατήρηση ενός φυσικού περιβάλλοντος φιλικού στον άνθρωπο, στη βιοποικιλότητα, στην αποφυγή ατμοσφαιρικής ρύπανσης και κλιματικής αλλαγής.
Αυτό είναι πλέον ιδιαίτερα σημαντικό, δεδομένης της κλιματικής κρίσης και της υποκριτικής και αδιέξοδης στάσης κυβερνήσεων – βιομηχανίας και τεχνοκρατών περί της δήθεν “πράσινης τεχνολογίας παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας” (ανεμογεννήτριες, ηλεκτρικά αυτοκίνητα), που παραβλέπουν τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από εξόρυξη και επεξεργασία απαιτούμενων πρώτων υλών, αλλά και από εκτεταμένη αποψίλωση τροπικών δασών για καλλιέργεια ζωοτροφών και εκτροφή ζώων (κυρίως βοοειδών), απροθυμία αλλαγής προτύπου διατροφής και κατανάλωσης (π.χ. http://32346271115.blog.com.gr/πράσινη-επανάσταση-ηλεκτρικά-αυτ/, https://eleftheriaonline.gr/stiles/apopseis/item/232972-prasini-epanastasi-ilektrika-aftokinita-kaienallaktikes-texnologies)
Στις συσκευές πυρηνικής σύντηξης επιδιώκεται η δημιουργία, περιορισμός και συμπύκνωση “πλάσματος”, της τέταρτης από τις πέντε καταστάσεις της ύλης (στερεάς, υγρής, αέριας, πλάσματος και συμπυκνώματος Bose-Einstein). “Πλάσμα” είναι το ρευστό που προκύπτει όταν ουδέτερα άτομα θερμαίνονται σε υψηλές θερμοκρασίες, οπότε τα ηλεκτρόνια αποδεσμεύονται από τους πυρήνες. Σε αντίθεση με τα ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα, το πλάσμα είναι ηλεκτρικά αγώγιμο και μπορεί να χειραγωγείται από ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία.
Το πρόβλημα επί πολλές δεκαετίες ήταν ότι, στις πειραματικές εγκαταστάσεις όλων των εναλλακτικών τεχνολογικών λύσεων πυρηνικής σύντηξης, υπήρχαν αστάθειες στη λειτουργία και δυσκολία να ξεπεραστεί το ενεργειακά κρίσιμο σημείο, όπου η παραγόμενη ενέργεια γίνεται μεγαλύτερη από την ιδιοκατανάλωση του αντιδραστήρα και των περιφερειακών του εγκαταστάσεων. Όλα δείχνουν όμως ότι οι δυσκολίες έχουν πλέον ξεπεραστεί και ότι περισσότερες από μία τεχνολογικές λύσεις προβλέπεται να αρχίσουν “εμπορική λειτουργία” στις επόμενες λίγες δεκαετίες.
Ακολουθεί συνοπτική παρουσίαση βασικών τεχνολογικών λύσεων που ξεχωρίζουν.
1. Stellarator: συσκευή με εξωτερικούς μαγνήτες για περιορισμό “πλάσματος” μέσα σε θάλαμο τοροειδούς σχήματος (ντόνατ), προκειμένου να επιτευχθούν συνθήκες θερμοπυρηνικής σύντηξης. Π.χ. στο Πείραμα Wendelstein 7-X, όπου μια σειρά μαγνητικών τυλιγμάτων (μπλε σωληνοειδές πηνίο) περιβάλλει το πλάσμα (κίτρινο), ενώ η γραμμή μαγνητικού πεδίου επισημαίνεται με πράσινο χρώμα στην κίτρινη επιφάνεια του πλάσματος. Εφευρέθηκε από τον Αμερικανό επιστήμονα Lyman Spitzer του Πανεπιστημίου Πρίνστον το 1951, και αναπτύχθηκε στο Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Ακολούθησε χρηματοδότηση του “Προγράμματος Matterhorn”, αφενός του (φανατικού ορειβάτη) Lyman Spitzer για παραγωγή Η.Ε. και του (πολεμοχαρούς) John Wheeler αφετέρου για ανάπτυξη της υδρογονοβόμβας. Μερικές αντιπροσωπευτικές υλοποιήσεις: Wendelstein 7-X στη Γερμανία, ελικοειδές συμμετρικό πείραμα (HSX) στις ΗΠΑ και η μεγάλη ελικοειδής συσκευή στην Ιαπωνία. (βλ. Σχ. 1α, 1β).
2. Tokamak: συσκευή που χρησιμοποιεί ισχυρό μαγνητικό πεδίο για να περιορίζει πλάσμα σε σχήμα δακτυλίου (ντόνατ). Είναι ένας τύπος μαγνητικού περιορισμού “πλάσματος” σε συσκευές ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης. Από το 2020, είναι η κύρια τεχνολογία για έναν πρακτικό αντιδραστήρα σύντηξης. Το Tokamak επινοήθηκε αρχικά τη δεκαετία του 1950 από τους σοβιετικούς φυσικούς Igor Tamm και Andrei Sakharov, εμπνευσμένους από τον Oleg Lavrentiev. Το πρώτο λειτουργικό tokamak ήταν έργο του Natan Yavlinsky το 1958. Τη δεκαετία 1970 δεκάδες tokamaks ήταν σε πειραματική χρήση σε όλο τον κόσμο, φθάνοντας συνθήκες “breakeven” (Q =1, παραγωγή ενέργειας ίση με την ιδιοκατανάλωση), όπως το Joint European Torus (JET), Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR). Όμως, η επίλυση των κατασκευαστικών και λειτουργικών προβλημάτων ήταν πέρα από τις δυνατότητες οποιασδήποτε χώρας. (βλ. Σχ. 2α, 2β).
3. INTOR – ITER: Προσπάθειες για διεθνή σχεδιασμό αντιδραστήρων ήταν σε εξέλιξη από 1973 έως 1978 με το όνομα INTOR (INternational TOkamak Reactor), μεταξύ Richard Nixon – Leonid Brezhnev. Ακολούθησε η συμφωνία μεταξύ Ρόναλντ Ρέιγκαν – Μιχαήλ Γκορμπατσόφ τον Νοέμβριο του 1985, οπότε προέκυψε το International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), το οποίο παραμένει η κυριότερη διεθνής προσπάθεια ανάπτυξης ενός λειτουργικού αντιδραστήρα έως σήμερα, με Q > 1. (βλ. Σχ 3α, 3β) Ως πειραματικός, δεν περιλαμβάνει τουρμπίνες παραγωγής Η.Ε.
Το έργο χρηματοδοτείται και διευθύνεται από επτά κράτη-μέλη: Ευρωπαϊκή Ένωση, Κίνα, Ινδία, Ιαπωνία, Ρωσία, Νότια Κορέα και Ηνωμένες Πολιτείες, ενώ το Ηνωμένο Βασίλειο και η Ελβετία συμμετέχουν μέσω της Euratom. Συνολικά συνεργάζονται 35 χώρες (μεταξύ αυτών και η Ελλάδα), που εκπροσωπούν τον μισό πληθυσμό της Γης και το 85% του παγκόσμιου ΑΕΠ, ενώ συμφωνίες υπάρχουν και με Αυστραλία, Καζακστάν και Καναδά.
Η κατασκευή του συγκροτήματος ξεκίνησε το 2013 και η συναρμολόγηση του tokamak 2020. Ο αρχικός προϋπολογισμός ήταν περί τα 6 δισ. €, αλλά να ξεπεράσει τα 20 δις. € (οι απαισιόδοξοι μιλούν για 50 δις. €!)). Πρόκειται το ακριβότερο επιστημονικό πείραμα όλων των εποχών, έναντι 7,5 δις. € του Large Hadron Collider, αλλά και για το περιπλοκότερο τεχνολογικό έργο στην ανθρώπινη ιστορία μετά τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό ISS (περί τα 100 δις. €). Η κρυοστατική βάση και ο κατώτερος κύλινδρος εγκατάστασης του tokamak αποκαλύφθηκαν το 2019, η έναρξη λειτουργίας ήταν για το 2025 προκειμένου να αρχίσουν ρυθμίσεις και σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ η φάση σύντηξης, όπου από δευτέριο (2H) και τρίτιο (3H) προκύπτει ήλιο (4He) και 1 νετρόνιο (Σχ. 0), αναμένεται περί το 2035. Ως διάδοχος του πειραματικού ITER, προβλέπεται ο DEMO που θα συνοδεύεται από τουρμπίνες για δοκιμαστική παραγωγή Η.Ε., και στη συνέχεια ο PROTO, ως πλήρες πλέον εργοστάσιο εμπορικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
| Project | Injected Thermal Input | Gross Thermal Output | Q value |
| JET | 24 MW | 16 MW | 0.67 |
| ITER | 50 MW | 500 MW | 10 |
| DEMO | 80 MW | 2000 MW | 25 |
4. CHINA, αντιδραστήρας EAST:
Η Κίνα προωθεί τον σχεδιασμό πυρηνικού αντιδραστήρα σύντηξης, γνωστού ως «τεχνητός ήλιος». Προβλέπεται να φτάνει σε θερμοκρασία 360 εκατομμύρια βαθμούς Φαρενάιτ, και μοιάζει μάλλον με 12 τεχνητούς ήλιους σε συνδυασμό. Η πειραματική συσκευή, το HL-2M Tokamak, είναι η πρώτη που δοκίμασε υπεραγώγιμους μαγνήτες νιοβίου-τιτανίου, γνωστή με το επίσημο όνομά της “Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST)” και είναι η μεγαλύτερη του είδους της μέχρι σήμερα. Λειτούργησε για πρώτη φορά το 2006, ενώ το 2018, έφτασε τα 180 εκατομμύρια βαθμούς Φαρενάιτ, 50% της βέλτιστης θερμοκρασίας λειτουργίας της, που αρχικά προβλεπόταν για το 2020 (βλ. Σχ. 4).
Στο μεταξύ, άλλα φιλόδοξα σχέδια κρατών και ιδιωτικών επιχειρήσεων βρίσκονται σε εξέλιξη, από μικρούς “φορητούς” θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες (!!!) έως μεσαίου μεγέθους εγκαταστάσεις, όπου όμως τα χρονοδιαγράμματα εμπορικής εκμετάλλευσης επιταχύνονται και το κόστος πιέζεται δραστικά. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα.
5. USA, αντιδραστήρας TAE-FRC:
Η TAE Technologies, η μεγαλύτερη ιδιωτική εταιρεία σύντηξης στον κόσμο, ανακοίνωσε ότι θα διαθέτει εμπορικά βιώσιμη μονάδα παραγωγής πυρηνικής σύντηξης έως το 2030, η οποία την θέτει χρόνια – ή και δεκαετίες – μπροστά από άλλες εταιρείες τεχνολογίας σύντηξης. Η εταιρεία έχει ήδη συγκεντρώσει 880 εκατομμύρια δολάρια για τη χρηματοδότηση ενός αντιδραστήρα υδρογόνου-βορίου, ο οποίος δεν είναι παραδοσιακό tokamak ή stellarator. Χρησιμοποιεί έναν επιταχυντή σωματιδίων, ο οποίος παράγει και περιορίζει το πλάσμα.
Η τεχνολογία της TAE, που ονομάζεται advanced beam-driven Field Reversed Configuration(FRC), χρησιμοποιεί μη ραδιενεργό υδρογόνο-βόριο για την παραγωγή πλάσματος σε μια προσεκτικά περιορισμένη περιοχή. Η τεχνολογία μπορεί επίσης να λειτουργήσει με καύσιμα ισοτόπων υδρογόνου όπως δευτέριο-τρίτιο. Η δέσμη στον επιταχυντή σωματιδίων θερμαίνει τα μόρια έως την κατάσταση πλάσματος, και στη συνέχεια η FRC τα συγκρατεί και τα περιορίζει.
Το όλο σύστημα διαφέρει ριζικά από τα tokamaks και τα stellarators. Στην πραγματικότητα, είναι πιο κοντά σε ιατρικές εφαρμογές, όπως οι ακτίνες πρωτονίων που χρησιμοποιούνται σε Κέντρα Θεραπείας Καρκίνου. Αυτό συμβαίνει επειδή η στοχευμένη δέσμη του επιταχυντή λειτουργεί στο σώμα όπως και στη θέρμανση και τον περιορισμό σωματιδίων μέσα στον αντιδραστήρα.
Ο υφιστάμενος λειτουργικός αντιδραστήρας της TAE ονομάζεται Norman, από το όνομα του συνιδρυτή επιστήμονα της TAE το 1998. Έχει μήκος 24 μέτρα, πλάτος 6,6 μέτρα και ζυγίζει 27 τόννους. Αυτό τον καθιστά ήδη πολύ μικρότερο από υπάρχοντες πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Πρόσφατα η TAE ανακοίνωσε ότι ο Norman φθάνει και παραμένει σταθερά στα 50 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, που απαιτούνται για δημιουργία και διατήρηση πλάσματος.
Οι δύο καθιερωμένοι όροι για να υπάρξει καθαρό πλεόνασμα ενέργειας, είναι: α) «αρκετά ζεστό» και β) για «επαρκή χρόνο». Ο Norman εκτελεί πάνω από 600 πειράματα κάθε μήνα, δηλαδή 20 δοκιμές κάθε μέρα, φτάνοντας στην «ανάφλεξη» πλάσματος και αυτοσυντηρούμενος κάθε φορά ενεργειακά και θερμοκρασιακά. Σύμφωνα με την ΤΑΕ, ο αντιδραστήρας θεωρείται πλέον ώριμος για εμπορική “αναβάθμιση” και χρήση σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο θεωρεί εφικτό έως το τέλος της δεκαετίας του 2030. (βλ. Σχ 5α, 5β, 5γ).
6. USA, NASA-Lattice Confinement
Η NASA “ξεκλείδωσε” την πυρηνική σύντηξη σε μικρή κλίμακα, με ένα φαινόμενο που ονομάζεται “σύντηξη με περιορισμό εντός πλέγματος” (lattice confinement fusion) και λαμβάνει χώρα στα στενά διάκενα μεταξύ ατόμων. Στην αντίδραση, το κοινό πυρηνικό καύσιμο δευτέριο παγιδεύεται στον «κενό» χώρο εντός του κρυσταλλικού πλέγματος στερεών μετάλλων. Εκεί προκύπτουν ιδανικές συνθήκες (Goldilocks effect), που δεν απαιτούν ούτε υπερβολική ψύξη ούτε υπερβολική θέρμανση, αλλά τα άτομα φθάνουν ευκολότερα σε ενεργειακά επίπεδα σύντηξης.
Ο «περιορισμός εντός κρυσταλλικού πλέγματος» μπορεί να ακούγεται περίπλοκος, αλλά είναι απλώς ένας άλλος μηχανισμός από αυτόν που χησιμοποιούν τα tokamaks όπως το ITER και τα stellarators, ήτοι διαφορετικός από τον «μαγνητικό περιορισμό» (magnetic confinement). Είναι επιστημονικές μέθοδοι συμπύκνωσης και περιορισμού πλάσματος και πυρηνικού καυσίμου, προκειμένου να επιτευχθούν συνθήκες πυρηνικής σύντηξης.
Στην συμβατική σύντηξη “μαγνητικού περιορισμού”, χρησιμοποιούνται εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες για αντιμετώπιση των φυσικών δυνάμεων αντίδρασης των ατόμων σε συμπίεση και για περιορισμό τους σε μικρό χώρο εντός υπέρθερμου πλάσματος. Σε μια άλλη μέθοδο, που ονομάζεται «αδρανειακός περιορισμός» (inertial confinement), εξηγεί η NASA, «το καύσιμο συμπιέζεται σε εξαιρετικά υψηλά επίπεδα, αλλά για μια σύντομη, χρονική περίοδο νανοδευτερoλέπτων, όπου μπορεί να συμβεί σύντηξη».
Στη νέα μέθοδο, δημιουργούνται συνθήκες επαρκείς για σύντηξη στα διάκενα του μεταλλικού κρυσταλλικού πλέγματος, το οποίο όμως διατηρείται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ενώ το μεταλλικό πλέγμα, φορτωμένο με καύσιμο δευτέριο, αρχικά φαίνεται ότι βρίσκεται σε θερμοκρασία δωματίου, η νέα μέθοδος δημιουργεί ένα ενεργειακό περιβάλλον μέσα στο πλέγμα όπου μεμονωμένα άτομα επιτυγχάνουν κινητικές ενέργειες ισοδύναμες με επίπεδα σύντηξης. Το καύσιμο επομένως είναι πυκνότερο και έτσι ενεργοποιείται ευκολότερα η αντίδραση. «Σε μέταλλο όπως το έρβιο όντας «δευτεριωμένο» (φορτωμένο με άτομα δευτερίου), το καύσιμο συμπιέζεται ένα δισεκατομμύριο φορές περισσότερο από τους αντιδραστήρες σύντηξης μαγνητικού περιορισμού (tokamak). Στη νέα μέθοδο, μια πηγή νετρονίων «θερμαίνει» (επιταχύνει) τους πυρήνες δευτερίου αρκετά, έτσι ώστε όταν συγκρούονται με γειτονικούς πυρήνες προκαλείται αντίδραση σύντηξης (D-D fusion)».
Με τα άτομα ενός στοιχείου (δευτέριο) συμπιεσμένα τόσο πυκνά μέσα στο ατομικό πλέγμα ενός άλλου στοιχείου (έρβιο), η απαιτούμενη ενέργεια για την πρόκληση σύντηξης είναι πλέον πολύ μικρή, αφού το ίδιο το πλέγμα “φιλτράρει” ποια σωματίδια περνούν και ωθεί τα σωστά είδη ακόμη πιο κοντά (σ.σ. λειτουργώντας όπως οι καταλύτες και τα ένζυμα). Αλλά υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος της νέας μεθόδου, ώστε από αυτή τη μικροσκοπική πειραματική κλίμακα να οδηγηθούμε σε μεγάλες εγκαταστάσεις πυρηνικής σύντηξης σε εμπορική κλίμακα. (βλ. Σχ 6α, 6β).
7. Canada-General Fusion, USA-Commonwelth Fusion, Αντιδραστήρες MTF:
Μικροί αντιδραστήρες MTF της General Fusion στον Καναδά (η οποία υποστηρίζεται από τον Jeff Bezos), και της Commonwealth Fusion Systems στις ΗΠΑ (που στηρίζεται από τον Bill Gates) στοχεύουν σε εμπορική χρήση το 2025, αξιοποιώντας εξαιρετικά ισχυρούς μαγνήτες για συμπίεση και δημιουργία υπέρθερμου πλάσματος. Η τεχνολογία Magnetized Target Fusion (MTF) χρονολογείται από τη δεκαετία του 1970, όταν το US Naval Research Lab την πρότεινε για πρώτη φορά, αλλά εκτιμάται μπορεί πλέον να φθάσει σε εμπορική εκμετάλλευση. Όπως ένα tokamak, ένας αντιδραστήρας MTF αξιοποιεί θερμό πλάσμα το οποίο περιορίζεται από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο.
Όμως, ενώ ένας αντιδραστήρας tokamak απαιτεί εξαιρετικά μεγάλη εξωτερική ισχύ για να φθάσει θερμοκρασία σύντηξης, ο αντιδραστήρας MTF της General Fusion χρησιμοποιεί ισχυρή συμπίεση για την υπερθέρμανση του πλάσματος. Αυτή η συμπίεση ασκείται από έμβολα που λειτουργούν συντονισμένα σπρώχνοντας υγρό μέταλλο για τη δημιουργία πιεστικού κύματος. Καυτά νετρόνια που διαφεύγουν από το πλάσμα συλλαμβάνονται στο υγρό μέταλλο, όπου η ενέργειά τους τροφοδοτεί έναν εναλλάκτη θερμότητας για παραγωγή ισχύος. Μέσα σε κύριο θάλαμο διαμέτρου μόλις 3 μέτρων, ο αντιδραστήρας MTF-General Fusion θεωρείται μικρός για τεχνολογία σύντηξης που προορίζεται να αυτοσυντηρείται και να παράγει ισχύ μετά την ανάφλεξη στο πλάσμα.
Εν τω μεταξύ, η αμερικανική εταιρεία Commonwealth Fusion Systems λειτουργεί με μαγνήτη 10 τόνων στην καρδιά του αντιδραστήρα σύντηξης. Ο υπεραγώγιμος μαγνήτης παγιδεύει και συμπιέζει υδρογόνο για να δημιουργήσει υπέρθερμο πλάσμα. Πέρυσι, η TechCrunch ανακοίνωση την εκτίμηση ότι η τεχνολογία της Commonwealth FS θα αποτελέσει τεχνολογικό «άλμα» της τρέχουσας γενιάς αντιδραστήρων πλάσματος tokamak. (βλ. Σχ 7α, 7β)
Μικρότερες εταιρείες όπως οι παραπάνω, έχουν φιλόδοξα σχέδια που χρησιμοποιούν ως σύγκριση το τεράστιο διεθνές έργο ITER. Χωρίς την γραφειοκρατική – διπλωματική περιπλοκότητα της διεθνούς συνεργασίας δεκάδων χωρών, μπορούν να λειτουργούν πιο γρήγορα και πιό ευέλικτα. Αλλά μέχρι να φθάσουν σε σύντηξη πλάσματος που να παράγει περισσότερη ενέργεια από όση καταναλώνει, οι τεχνολογικές καινοτομίες δεν επαρκούν.
Όμως, η General Fusion διαθέτει δύο γιγάντιους επενδυτές: τον Bezos της Amazon και τον Tobias Lutke ιδρυτή του Shopify, ενώ η Commonwealth FS έχει τσέπες ανάλογου μεγέθους με τον Bill Gates μεταξύ των επενδυτών της. Επισημαίνεται ότι οι επενδύσεις τόσο του Gates όσο και του Lutke προέρχονται από εταιρείες που στηρίζουν τεχνολογίες μείωσης της εξάρτησης από τον άνθρακα.
8. USA, αντιδραστήρας DIII-D:
Πρόκειται για νέα σχεδίαση που χρησιμοποιεί συμπιεσμένο πλάσμα, αυξάνοντας την ενεργειακή πυκνότητα και μειώνοντας το συνολικό μέγεθος του αντιδραστήρα. Οι ερευνητές στο General Atomics DIII-D National Fusion Facility, πιστεύουν ότι το μέλλον ανήκει σε μικρού μεγέθους, αυτοσυντηρούμενους αντιδραστήρες τύπου tokamak, συμπιεσμένου πλάσματος. Σε σχετικές προσομοιώσεις προκύπτει καθαρή ηλεκτροπαραγωγή 200 MW, αλλά πρόκειται για μελλοντική κατασκευή, μετά από 20 χρόνια.
9. USA, NuScale mini reactor:
Ο σχεδιασμός μικροσκοπικών αντιδραστήρων της NuScale (tini modular design), έλαβε πρόσφατα τελική έκθεση αξιολόγησης ασφάλειας (FSER) στην πορεία για πιστοποίηση. Ο αντιδραστήρας δεν είναι τεχνολογικά νέος, αλλά διαθέτει μικρότερο μέγεθος και νέο σύστημα ασφαλείας. (βλ. Σχ 9)
Ο βασικός σχεδιασμός της NuScale αξιοποιεί κλασική τεχνολογία ψύξης με νερό αντιδραστήρων πυρηνικής σχάσης, σε μινιμαλιστική μορφή, σε αντίθεση με τα αυξανόμενα μεγέθη της πρόσφατης κατασκευής πυρηνικών εγκαταστάσεων σε όλο τον κόσμο. Στη συνέχεια αξιοποιείται μια ενδιάμεση φάση νέας τεχνολογίας, όπως το λιωμένο αλάτι, ενώ αναμένεται ότι το επόμενο κύμα προηγμένων αντιδραστήρων θα περιλαμβάνει τεχνολογία σύντηξης, βασισμένη στον ITER, καθώς και σε πολύ μικρότερα έργα tokamak και stellarator σε όλο τον κόσμο.
Το NuScale είναι ένας αντιδραστήρας φυσικής κυκλοφορίας ελαφρού νερού ψύξης, όπου ο πυρήνας του αντιδραστήρα και οι ελικοειδείς γεννήτριες ατμού βρίσκονται σε κοινό δοχείο μέσα σε χαλύβδινο κυλινδρικό περίβλημα. Όπως εξηγεί η αμερικανική πυρηνική κανονιστική επιτροπή (NRC): «Το περίβλημα με το δοχείο του αντιδραστήρα βυθίζεται σε νερό στη δεξαμενή ασφαλείας του κτιρίου του αντιδραστήρα, η οποία αναλαμβάνει και την ψύξη του αντιδραστήρα. Το τμήμα του κτιρίου που περιέχει τη δεξαμενή βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους.”Σε περίπτωση οποιουδήποτε ατυχήματος, ο αντιδραστήρας ψύχεται μέσα στη δεξαμενή, που τον καθιστά «παθητικά ασφαλή».
Η NuScale προορίζει τον μικρό αντιδραστήρα της είτε μεμονωμένα σε εγκαταστάσεις που θα τροφοδοτούν μικρές πόλεις, είτε σε συγκροτήματα με περισσότερες μονάδες που θα λειτουργούν ως «παραδοσιακά» πυρηνικά εργοστάσια μεγάλης κλίμακας. Αυτός ο σχεδιασμός παραπέμπει σε “φορητές” μονάδες που θα τροφοδοτούν π.χ. υποβρύχια και ενδεχομένως να εξυπηρετήσουν τον εποικισμό του διαστήματος. Η τρέχουσα σχεδίαση είναι για 50 μεγαβάτ ανά μονάδα.
10. USA, Πολιτικές της Κυβέρνησης Biden – Harris στην Πυρηνική Ενέργεια
Ο Πρόεδρος Τζο Μπάιντεν σταματά ή αντιστρέφει πολλές από τις αλλαγές του Ντόναλντ Τραμπ σε πολιτικές σχετικές με την υποβάθμιση της επιστήμης, της κλιματικής κρίσης, της περιβαλλοντικής δικαιοσύνης, ή με την ένταση των φυλετικών διακρίσεων και της οπλοχρησίας. Πέρα όμως από τις πολιτικές διαφορές, η πυρηνική ενεργειακή πολιτική του Μπάιντεν δεν διαφέρει πολύ από την προηγούμενη.
Ο Μπάιντεν έδωσε προτεραιότητα στη γρήγορη επανεισδοχή των Ηνωμένων Πολιτειών στη Συμφωνία του Παρισιού, σύμφωνα με την οποία σχεδόν κάθε έθνος στη Γη έχει δεσμευτεί να περιορίσει την αύξηση της υπερθέρμανσης του πλανήτη σε 1,5 βαθμούς Κελσίου πάνω από τα προβιομηχανικά επίπεδα από το έτος 2100.
Ένα από τα σημεία διαμάχης μεταξύ υποστηρικτών της πυρηνικής ενέργειας και του αντιπυρηνικού ακτιβισμού αφορά το άν η πυρηνική είναι «καθαρή» ενέργεια. Ναι, η πυρηνική ενέργεια παράγει λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα σε σύγκριση με τους σταθμούς παραγωγής ενέργειας από άνθρακα και ορυκτά καύσιμα, αλλά υπάρχουν και άλλοι παράγοντες, όπως: ραδιενεργά απόβλητα, κίνδυνοι ασφάλειας, δυνητικά υψηλό κόστος κλπ. Δεν πρόκειται για καθαρή αντικατάσταση ένα προς ένα, όπως ισχυρίζονται οι υποστηρικτές των πυρηνικών. Αλλά ο Μπάιντεν, μαζί με πολλούς ρεαλιστές σε όλο τον κόσμο, πιστεύει ότι η πυρηνική ενέργεια είναι βασικό συστατικό μιας πολιτικής για ένα μέλλον ουδέτερο ως προς τις εκπομπές άνθρακα. Η προεδρία του Μπάιντεν θα «αξιοποιήσει την ενέργεια χωρίς ρύπανση από άνθρακα που παρέχεται από υπάρχουσες πηγές, όπως η πυρηνική και η υδροηλεκτρική ενέργεια, διασφαλίζοντας παράλληλα ότι οι εγκαταστάσεις αυτές πληρούν ισχυρά και αυστηρά πρότυπα για τους εργαζόμενους, για το κοινό, για την περιβαλλοντική ασφάλεια και για την περιβαλλοντική δικαιοσύνη».
Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται σε μικρούς αρθρωτούς ή και “κινητούς” αντιδραστήρες (compact modular design, fully mobile reactors), στο «μισό κόστος κατασκευής των σημερινών αντιδραστήρων», που θα λειτουργούν στο διάστημα, σε απομακρυσμένες περιοχές που βασίζονται σε γεννήτριες ντίζελ, σε περιπτώσεις που αντιμετωπίζουν δημογραφικά προβλήματα λόγω έλλειψης ενέργειας κλπ.
Πηγές:
1. Διαδικτυακή αρθρογραφία σε επιστημονικά θέματα (popularmechanics, Caroline Delbert)
2. Σχετικά άρθρα στην Wikipedia
