Εξήγηση φύσης και μεθόδων πυρηνικής σύντηξης.

1. Πυρηνική σύντηξη

2. Τι είναι η πυρηνική σύντηξη?
qΠυρηνική σύντηξη (συν + τήξη)
ονομάζεται
η συνένωση ελαφρών πυρήνων
σε βαρύτερους με ταυτόχρονη
απελευθέρωση ενέργειας.

3. Παραδείγματα πυρηνικής σύντηξης
Η σύντηξη είναι υπεύθυνη για την
ύπαρξη αρχικά και την διατήρηση
της ζωής στην γη.
Ο ήλιος μαζί με τα υπόλοιπα
αστέρια αποτελούν
πυρηνικούς αντιδραστήρες
σύντηξης.
Η ενέργεια από την σύντηξη
φτάνει στη γη ως ηλιακή
ακτινοβολία

4. Πιο <<όμορφα>> παραδείγματα
Η πρώτη δοκιμή βόμβας
υδρογόνου, με το κωδικό
όνομα Ivy Mike, έγινε από τις ΗΠΑ
το 1952 στον Ειρηνικό Ωκεανό.

5. Τρόπος λειτουργίας ( έλλειμμα μάζας)
•Όπως για να χωρίσουμε μια σταγόνα υγρού σε μικρότερες
σταγόνες πρέπει να καταβάλλουμε έργο, ομοίως για να
αποσπάσουμε ένα σωματίδιο από τον πυρήνα ενός ατόμου πρέπει
να προσφέρουμε ενέργεια. Αντίστροφα η ενσωμάτωση ενός
σωματιδίου στον πυρήνα μας προσφέρει ενέργεια.
•Πράγματι, έστω ότι έχουμε ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο σε
ηρεμία και σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους. Οι μάζες τους είναι
αντίστοιχα 1,007825 u για το πρωτόνιο και 1,008665 u για το
νετρόνιο. Φέρνουμε σε τόσο μικρή απόσταση αυτά μεταξύ τους,
ώστε να δρουν μεταξύ τους οι πυρηνικές δυνάμεις και
σχηματίζουμε έτσι το Δευτέριο που έχει μάζα το άθροισμα το δύο
παραπάνω μαζών, δηλαδή 2,016490 u.

6. Τρόπος λειτουργίας ( έλλειμμα μάζας)
•Όμως οι μετρήσεις δείχνουν ότι το Δευτέριο έχει μάζα 2,014102 u.
Αυτή η διαφορά μάζας 2,016490 u - 2,014102 u = 0,002388 u «έχει
χαθεί», διότι κατά την παραπάνω συσσωμάτωση νετρονίου και
πρωτονίου, έχουμε έκκλυση ενέργειας.
• Έτσι μπορούμε να μιλήσουμε για «έλλειμμα μάζας του πυρήνα»
και για την ισοδύναμη της μάζας αυτής «ενέργεια σύνδεσης» του
πυρήνα. Επειδή το 1 u, ισοδυναμεί με ενέργεια 931,50 MeV, η
παραπάνω ενέργεια σύνδεσης είναι ίση με 0,002388 u X 931,5 MeV
= 2,224 MeV, ενέργεια διόλου ευκαταφρόνητη.
Όπου u=amu , δηλαδή ‘’atomic mass unit = ατομική μονάδα μάζας’’
1 amu = 1,660 538 782(83) ·10-24 gram

7. Παραδείγματα αντιδράσεων
Συνηθισμένες αντιδράσεις σύντηξης ισοτόπων του Υδρογόνου τις
οποίες μελετάμε:
• D + D → 4He + 23.85 MeV (Hypothetical)
• H + H → D + β + + ν + 1.44 MeV
•D + T → 4He + n + 17.6 MeV
•D + 3He → 4He + p + 18.4 MeV
•D + D → 3He + n + 3.3 MeV
•D + D → 3 T + p + 4.0 MeV
Όπου : 1 ev (electron-volt) = 1,60217662 * 10-19 joule

8. Η «πρώτη κυρία»

9. Πώς πραγματοποιείται η αντίδραση?
D + T → 4He + n + 17.6 MeV
•Για να υπερνικήσουμε τις απώστικες δυνάμεις μεταξύ των πυρήνων
πρέπει να θερμάνουμε τα ‘’καύσιμα’’ σε πολύ υψηλή θερμοκρασία
(≈100 εκατομμύρια βαθμούς ).
•Έτσι θα καταφέρουμε να φέρουμε τα αντιδρώντα σε μορφή
πλάσματος.
•Πλάσμα: Ιονισμένο αέριο. Στην περίπτωσή μας, πρόκειται για αέριο,
τα άτομα του οποίου διασπώνται σε θετικά ιόντα και ισάριθμα
ηλεκτρόνια και κινούνται σαν ελεύθερα σωματίδια στο χώρο του
πλάσματος, Ο Ήλιος αποτελείται από πλάσμα.
•Το πλάσμα είναι η πιο διαδεδομένη μορφή της ύλης στο σύμπαν και
υπάρχει σε αυτό με πολλές διαφορετικές μορφές.

10. Παράδειγμα για πλάσμα
Οι φωτεινές πινακίδες neon που όλοι
γνωρίζουμε περιέχουν πλάσμα που
τις κάνει να φωτοβολούν.

11. Παράδειγμα για πλάσμα

12. Fusion
12
Μέθοδοι συγκράτησης πλάσματος
Three confinement methods

13. Μέθοδοι συγκράτησης πλάσματος
•Κανένα υλικό όμως δεν αντέχει , δίχως να λιώσει αυτές τις
θερμοκρασίες …
•Επομένως βρήκαμε τις ‘’μεθόδους συγκράτησης του
πλάσματος’’.
1. Μαγητική συγκράτηση (Tokamak)
2. Αδρανειακή συγκράτηση
3. Συγκράτηση λόγω βαρύτητας ( ήλιος και αστέρια)

14. Tokamak

15. Tokamak

16. Tokamak
•Με την διεθνή σήμερα ονομασία Τόκαμακ φέρεται ειδική
τεχνολογική διάταξη θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα, μορφής
δακτυλιοειδούς θαλάμου που χρησιμοποιείται στην έρευνα
θερμοπυρηνικής ενέργειας. Εφευρέθηκε
από σοβιετικούς φυσικούς στη δεκαετία του 1960 και από
το 1968 και μετά άρχισε η εγκατάσταση παρόμοιων διατάξεων σε
διάφορες πόλεις του κόσμου.
•Το όνομα Τόκαμακ είναι αρκτικόλεξο από την πλήρη ρωσική
ονομασία του ΤΟροϊντάλναγια ΚAμερα ς ΜΑγνήτνιμι Κατούσκαμι
(= δακτυλιοειδής θάλαμος με μαγνητικά πεδία).

17. Tokamak
•Δημιουργία ελικοειδούς
μαγνητικού πεδίου , με συνδυασμό
δυο κάθετων μαγνητικών πεδίων
1. «‘‘poloidal’’ field» με
κατεύθυνση γύρω από τον
θάλαμο αντίδρασης
2. «‘‘toroidal’’ field» με
κατεύθυνση όπως ο θάλαμος
«δαχτυλίδι»

18. Fusion
18
Κίνηση των θετικά φορτισμένων ιόντων και
ηλεκτρονίων μέσα σε μαγνητικό πεδίο.
Motion of Nuclei and Electrons in a
Magnetic Field
+
Charged particles avoid crossing magnetic lines.

19. Πλήρης σταθμός παραγώγής
ενέργειας

20. “Break even” και “Ignition point”
•Break even = όταν η ενέργεια (θερμότητα κατά βάση) που
παράγεται ισοδυναμεί με την ενέργεια που καταναλώνεται
(εισάγεται) για την υλοποίηση της αντίδρασης.
•Ignition point = όταν η ενέργεια που εισάγεται ισοδυναμεί με μηδέν
και η αντίδραση γίνεται «αυτάρκης» και διατηρείται από μόνη της
•Σήμερα οι υπάρχοντες αντιδραστήρες έχουν φράσει το “Break even”
!!!

23. Πλεονεκτήματα
•Μεγάλη ικανότητα παραγωγής ενέργειας
•Μέσω της πυρηνικής σύντηξης θα μπορούσαμε να λύσουμε το
ενεργειακό πρόβλημα του πλανήτη και ταυτόχρονα αν
ικανοποιήσουμε τις συνεχώς αυξανόμενα διεργασίες του
σύγχρονου ανθρώπου.

24. Πλεονεκτήματα
•Είναι φθηνή ενέργεια
•Δεν έχει μεγάλες επιπτώσεις
στο περιβάλλον, καθώς τα
ραδιενεργά απόβλητα είναι
ελάχιστα και με μικρό χρόνο
ημιζωής.

25. Πλεονεκτήματα
•Πχ. Ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας με άνθρακα(
λιγνίτη ) , χρησιμοποιεί 9000 τόνους λιγνίτη για να παράγει
100 MW ενέργεια και παράγει 30000 τόνους διοξείδιο του
άνθρακα.
•Ενώ ένας αντιδραστήρας σύντηξης θα παράγει την ίδια
ποσότητα ενέργειας με 2.5 λίβρες δευτέριο και τρίτιο και θα
παράγει μόνο 2 λίβρες ήλιο.

26. Πλεονεκτήματα

28. Μειονεκτήματα
•Δεν υπάρχουν και πολλά
!!! J
•Το μόνο είναι τα
κοινωνικά στερεότυπα σε
ότι αφορά οτιδήποτε
αφορά την λέξη πυρηνική
•Μεγάλο κόστος
εγκατάστασης

29. Μειονεκτήματα

30. Τέλος