ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΥΝΤΗΞΗ

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΥΝΤΗΞΗ

ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΣΥΝΤΗΞΗ

 Είδαμε ότι η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο των  ελαφρών πυρήνων είναι μικρότερη από την ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο των βαρύτερων.Η διαδικασία της συνένωσης δύο ελαφρών πυρήνων,για να σχηματίσουν ένα βαρύτερο,λέγεται πυρηνική σύντηξη. 

Η διαδικασία της συνένωσης δύο ελαφρών πυρήνων, για να σχηματίσουν ένα βαρύτερο,λέγεται πυρηνική σύντηξη

 Επειδή η μάζα ηρεμίας του τελικού πυρήνα είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των αρχικών πυρήνων,υπάρχει μια απώλεια μάζας,η οποία συνοδεύεται από αντίστοιχη αύξηση της ενέργειας της τελικής κατάστασης.Τρία τέτοια παραδείγματα σύντηξης είναι τα  παρακάτω: 

¹₁H+¹₁H→²₁H+e⁺+v_e

¹₁H+²₁H→³₂He+γ

¹₁H+³₂He→⁴₂He+e⁺+v_e

 Αυτή η σειρά των αντιδράσεων,που λέγεται κύκλος πρωτονίου-πρωτονίου,πιστεύεται ότι συμβαίνει στο εσωτερικό του Ήλιου αλλά και άλλων αστεριών,όπου αφθονεί το  υδρογόνο,και  από αυτήν προέρχεται η ενέργεια των άστρων.

Η σύντηξη δευτερίου και τριτίου σχηματίζει πυρήνα He και ένα νετρόνιο

 Τα  ποζιτρόνια  που  παράγονται στις αντιδράσεις αυτές συγκρούονται στο εσωτερικό του Ήλιου με ηλεκτρόνια, τα ζεύγη αυτά εξαϋλώνονται και η ενέργειά τους μετατρέπεται σε ακτινοβολία γ. 

Επειδή η μάζα ηρεμίας του τελικού πυρήνα είναι μικρότερη  από το άθροισμα  των μαζών των αρχικών πυρήνων,υπάρχει μια απώλεια μάζας,η οποία συνοδεύεται  από αντίστοιχη αύξηση της ενέργειας της τελικής κατάστασης

 Επομένως ολόκληρος ο κύκλος και των τριών αντιδράσεων ισοδυναμεί τελικά με μία αντίδραση,όπου  συντήκονται και δημιουργούν έναν πυρήνα,ενώ  ταυτόχρονα εκπέμπεται ακτινοβολία γ και νετρίνα. 

 Βλέπουμε ότι η ενέργεια του Ήλιου προέρχεται  από το «πυρηνικό καύσιμο» υδρογόνο,καθώς αυτό μετατρέπεται βαθμιαία σε ήλιο.Αν υποτεθεί ότι η παραγωγή ενέργειας στον Ήλιο,καθώς και η ακτινοβολία του,θα συνεχιστούν με τους ίδιους ρυθμούς,εκτιμάται ότι ο Ήλιος διαθέτει αρκετά καύσιμα στον πυρήνα του για να διατηρήσει την  υπάρχουσα λαμπρότητά του για 5-9 δισεκατομμύρια χρόνια περίπου. 

Στην προσπάθεια να επιτευχθεί ελεγχόμενη σύντηξη δοκιμάζεται η μέθοδος συγκράτησης του πλάσματος με μαγνητικό πεδίο

 Για να συμβεί σύντηξη μεταξύ δύο πυρήνων,πρέπει να προσεγγίσουν αρκετά μεταξύ τους,ώστε να υπερνικηθεί η ηλεκτρική άπωση και να επικρατήσει η ισχυρή πυρηνική δύναμη.Για να συμβεί αυτό,πρέπει οι πυρήνες  να αποκτήσουν πολύ υψηλή κινητική ενέργεια της τάξης των 0,7 MeV.Τόσο μεγάλη όμως κινητική ενέργεια μόνο σε εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία μπορεί να αποκτηθεί από  έναν πυρήνα. 

Για να συμβεί σύντηξη μεταξύ δύο πυρήνων, πρέπει να προσεγγίσουν αρκετά μεταξύ τους,ώστε να υπερνικηθεί η ηλεκτρική άπωση και να επικρατήσει η ισχυρή πυρηνική δύναμη

 Η θερμοκρασία, για να προκληθεί αντίδραση σύντηξης,είναι της τάξης των 10⁸ Κ.Στις θερμοκρασίες αυτές τα άτομα έχουν πια ιονισθεί τελείως,δηλαδή έχουν χάσει  τα ηλεκτρόνιά τους,και η ιονισμένη αυτή κατάσταση, όπου έχουμε μόνο ηλεκτρόνια και πυρήνες,λέγεται πλάσμα. 

Σε έναν ερευνητικό αντιδραστήρα ΤΟΚΑΜΑΚ το ρεύμα που θερμαίνει το πλάσμα είναι αρκετά εκατομμύρια ampere και η θερμοκρασία μεγαλύτερη από 10^-8 K

 Τέτοιες θερμοκρασίες συναντάμε στη φύση μόνο στα άστρα.Οι υψηλές αυτές θερμοκρασίες δικαιολογούν την ονομασία θερμοπυρηνικές αντιδράσεις με την οποία  χαρακτηρίζονται συχνά οι αντιδράσεις σύντηξης.

 Σε πολλά εργαστήρια στον κόσμο καταβάλλεται έντονη προσπάθεια κατασκευής θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα,όπου  θα γίνεται ελεγχόμενη πυρηνική σύντηξη.Δυστυχώς τόσο υψηλές θερμοκρασίες είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιτευχθούν και να συντηρηθούν για αρκετό χρονικό διάστημα,ώστε να έχουμε πρακτικά αξιοποιήσιμη  παραγωγή ενέργειας. 

Τα ΤΟΚΑΜΑΚ αποτελούν την πιο επιτυχημένη προσπάθεια κατασκευής αντιδραστήρων σύντηξης

 Αν πάντως επιτευχθεί αξιοποιήσιμη ελεγχόμενη πυρηνική σύντηξη,το ενεργειακό κέρδος για τον άνθρωπο θα είναι σημαντικό,αφού το «πυρηνικό καύσιμο» που προτείνεται είναι το δευτέριο,που υπάρχει  άφθονο και φθηνό στο νερό των θαλασσών. 

ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΙΚΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ 

 Ένα  από  τα μεγαλύτερα προβλήματα,που συνοδεύουν τη λειτουργία των πυρηνικών αντιδραστήρων,είναι αυτό της διαχείρισης των αποβλήτων τους.Τα απόβλητα του αντιδραστήρα είναι τα ραδιενεργά υλικά που εμφανίζονται ως προϊόντα των αντιδράσεων,καθώς και τα μέταλλα της «καρδιάς» του αντιδραστήρα,όταν αυτή πρέπει να αντικατασταθεί.Αυτά τα υψηλής ραδιενέργειας υλικά περιέχουν  ισότοπα με μεγάλους  χρόνους υποδιπλασιασμού και πρέπει  να αποθηκευτούν για πολύ μεγάλη χρονική διάρκεια,ώστε να μην προκαλέσουν περιβαλλοντική μόλυνση. 

Ένα  από  τα μεγαλύτερα προβλήματα, που συνοδεύουν τη λειτουργία των πυρηνικών αντιδραστήρων,είναι αυτό της διαχείρισης των αποβλήτων τους

 Επί  του παρόν τος η λύση στο πρόβλημα αυτό είναι να τα τοποθετούμε σε καλά σφραγισμένα κιβώτια και να τα θάβουμε βαθιά σε ορυχεία. 

 Πάντως πρέπει να αναφερθεί ότι  ένα ακόμη πλεονέκτημα των αντιδραστήρων σύντηξης,σε σχέση με τους αντιδραστήρες σχάσης,είναι  τα λίγα ραδιενεργά κατάλοιπα που αφήνουν.