Πυρηνική σύντηξη – Ορισμός, διαδικασία, αντιδράσεις και ενέργεια

Είναι μια διαδικασία κατά την οποία δύο ή περισσότεροι ελαφροί πυρήνες συγκρούονται για να δημιουργήσουν έναν βαρύτερο πυρήνα. Στοιχεία όπως το υδρογόνο που έχουν χαμηλό ατομικό αριθμό υφίστανται πυρηνική σύντηξη. Το αντίστροφο της πυρηνικής σύντηξης είναι η διαδικασία πυρηνικής σχάσης κατά την οποία βαριά άτομα διασπείρονται και παράγουν ελαφρύτερα στοιχεία. Η πυρηνική σύντηξη και η σχάση παράγουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας επειδή μέρος της μάζας των πυρήνων σύντηξης μετατρέπεται σε ενέργεια καθ' όλη τη διάρκεια της αντίδρασης και η ύλη δεν διατηρείται.

Διαδικασία πυρηνικής σύντηξης

Ένα γρήγορο νετρόνιο και ένα άτομο ηλίου δημιουργούνται όταν το δευτέριο και το τρίτιο συνδυάζονται, αντίστοιχα. Τα δύο βαριά ισότοπα συνδυάζονται ξανά για να σχηματίσουν ένα άτομο ηλίου και ένα νετρόνιο, μετατρέποντας την επιπλέον μάζα τους σε κινητική ενέργεια.

Για τη διαδικασία της πυρηνικής σύντηξης, οι εμπλεκόμενοι πυρήνες πρέπει να συγκεντρωθούν. Ο στόχος είναι να τα φέρουμε τόσο κοντά ώστε οι πυρηνικές δυνάμεις να αρχίσουν να λειτουργούν και να συντήξουν τους πυρήνες.

Πυρηνική σχάση

Η πυρηνική σύντηξη είναι η διαδικασία δημιουργίας ενέργειας με την ένωση των ατομικών πυρήνων μεταξύ τους αντί για τη διάσπασή τους (όπως με τη σχάση). Δεν παράγονται μακροχρόνια ραδιενεργά απόβλητα ή αέρια θερμοκηπίου κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η οποία εμφανίζεται φυσικά στα κέντρα των αστεριών όπως ο Ήλιος.

Όπως οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής σχάσης, οι μονάδες σύντηξης χρησιμοποιούν θερμότητα από ατομικές αντιδράσεις για να θερμάνουν το νερό, να παράγουν ατμό, να τροφοδοτούν τουρμπίνες και να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, έχει αποδειχθεί δύσκολο να δημιουργηθούν οι απαραίτητες συνθήκες σε αντιδραστήρες σύντηξης χωρίς να απαιτείται περισσότερη ενέργεια από αυτή που δημιουργείται.

Ένας αντιδραστήρας σύντηξης, επίσης γνωστός ως tokamak, χρησιμοποιεί ένα αέριο, συχνά δευτέριο, ένα ισότοπο υδρογόνου που μπορεί να ανακτηθεί από το θαλασσινό νερό. Η υψηλή θερμότητα και πίεση αναγκάζουν τα ηλεκτρόνια των ατόμων δευτερίου να απελευθερωθούν, σχηματίζοντας ένα πλάσμα. Ισχυρά μαγνητικά πεδία απαιτούνται για να περιοριστεί αυτό το πλάσμα, καθώς μπορεί να φτάσει σε θερμοκρασίες τουλάχιστον 100.000.000°C. Το πλάσμα είναι ένα υπερθερμασμένο, ιονισμένο αέριο. Αν και αυτές οι θερμοκρασίες είναι δέκα φορές υψηλότερες από εκείνες στον πυρήνα του Ήλιου, είναι απαραίτητες για τη διαδικασία επειδή η βαρυτική πίεση που απαιτείται για αυτήν δεν μπορεί να παραχθεί από τον ίδιο τον Ήλιο. Τα θερμαινόμενα σωματίδια πλάσματος συγκρούονται καθώς οι βοηθητικές συσκευές θέρμανσης αυξάνουν τη θερμοκρασία στα επίπεδα που απαιτούνται για τη σύντηξη.

Αντίδραση πυρηνικής σύντηξης

Οι διαδικασίες σύντηξης μεταξύ των ελαφρύτερων στοιχείων που έχουν ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ηλίου είναι επίσης απαραίτητες για την πρακτική παραγωγή ενέργειας σύντηξης. Το δευτέριο (D) και το τρίτιο (Τ), τα βαριά ισότοπα του υδρογόνου, αντιδρούν πιο αποτελεσματικά μεταξύ τους και όταν συντήκονται, παράγουν περισσότερη ενέργεια ανά αντίδραση από δύο πυρήνες υδρογόνου. Ένα πρωτόνιο αποτελεί τον πυρήνα του υδρογόνου. Το τρίτιο έχει ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια, ενώ ο πυρήνας του δευτερίου έχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο.) Λόγω μιας κρίσιμης πτυχής της πυρηνικής ύλης που ονομάζεται ενέργεια δέσμευσης, η οποία μπορεί να απελευθερωθεί μέσω σύντηξης ή σχάσης, διεργασίες σύντηξης μεταξύ ελαφρών στοιχείων και συμβάντων σχάσης που διαίρεση βαρέων ατόμων απελευθερώνει ενέργεια.

Η δεσμευτική ενέργεια του πυρήνα χρησιμεύει ως μετρητής του πόσο αποτελεσματικά συνδέονται μεταξύ τους τα νουκλεόνια του. Θεωρήστε ένα στοιχείο που έχει N νετρόνια και Ζ πρωτόνια στον πυρήνα του. Το στοιχείο έχει ατομικό αριθμό Z και ατομικό βάρος Α Z + N. Η ενέργεια δέσμευσης Β είναι η ενέργεια που σχετίζεται με τη διαφορά μάζας μεταξύ των νουκλεονίων που είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους (Z + N) σε έναν πυρήνα μάζας Μ και των πρωτονίων Ζ και Ν νετρόνια όταν εξετάζονται μεμονωμένα. Η εξίσωση είναι:

Β =( Zmp + Nmn − Μ ) γ 2

Όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός και mp, και mn οι μάζες του πρωτονίου και του νετρονίου. Πειραματική έρευνα έδειξε ότι η ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο φτάνει το μέγιστο περίπου 1,4 1012 joules σε ατομική μάζα περίπου 60 ή περίπου την ατομική μάζα του σιδήρου. Ως αποτέλεσμα, η καθαρή ενέργεια που απελευθερώνεται από τη σύντηξη στοιχείων ελαφρύτερων από τον σίδηρο ή τη διάσπαση βαρύτερων είναι συνήθως θετική.

Τόσο η πυρηνική σύντηξη όσο και οι αντιδράσεις πυρηνικής σχάσης

Η σχάση χωρίζει δύο βαρείς, ασταθείς ατομικούς πυρήνες σε δύο ελαφρύτερους πυρήνες, οι οποίοι επίσης απελευθερώνουν ενέργεια αλλά σε μικρότερο βαθμό από τη σύντηξη. Η σύντηξη είναι η διαδικασία δύο ελαφρών ατομικών πυρήνων που συνδυάζουν και απελευθερώνουν ενέργεια.

Η σύντηξη είναι μια πολύ πιο ισχυρή διαδικασία από τη σχάση επειδή απελευθερώνει περισσότερη ενέργεια. Η πυρηνική σύντηξη είναι λιγότερο επικίνδυνη από την πυρηνική σχάση, επειδή η σύντηξη δημιουργεί ράβδους καυσίμου απόβλητα που περιέχουν ραδιενεργό υλικό που είναι αρκετά τοξικό για να χρησιμοποιηθεί σε όπλα και πρέπει να φυλάσσεται προσεκτικά για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Τόσο η πυρηνική σύντηξη όσο και οι αντιδράσεις πυρηνικής σχάσης παράγουν μεγάλη ποσότητα ενέργειας.

Ενέργεια πυρηνικής σύντηξης

Οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας από πυρηνική σύντηξη απαιτούν επιπλέον θερμότητα, καθώς είναι δύσκολο να διπλασιαστεί το είδος της πίεσης που επιτρέπει τη σύντηξη να συμβεί φυσικά στον πυρήνα του Ήλιου. Απαιτείται περισσότερη ενέργεια για τη δημιουργία των 150–300 εκατομμυρίων °C θερμότητας που απαιτείται για να συμβεί η σύντηξη από ό,τι για τη σχάση.

Παράδειγμα πυρηνικής σύντηξης

Ακολουθούν μερικά από τα παραδείγματα πυρηνικής σύντηξης –

Βόμβα υδρογόνου

Μια βόμβα υδρογόνου είναι ένα από τα κύρια παραδείγματα πυρηνικής σύντηξης. Η θερμοπυρηνική βόμβα είναι ένα άλλο όνομα για τη βόμβα υδρογόνου ή «βόμβα h». Σε σύγκριση με τις ατομικές βόμβες, αυτές οι βόμβες έχουν μεγαλύτερη καταστροφική δύναμη. Τα γεγονότα πυρηνικής σύντηξης οδήγησαν στη δημιουργία αυτών των βομβών υδρογόνου. Η πυρηνική σύντηξη είναι μια διαδικασία που προκαλεί μια ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση που είναι αυτοσυντηρούμενη σε υψηλές θερμοκρασίες.

Υπάρχουν δύο κύρια μέρη των πυρηνικών όπλων σύντηξης:Το Ουράνιο-235 και/ή το Πλουτώνιο-239 αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του αρχικού σταδίου. Ένα διαφορετικό δευτερεύον στάδιο πυρηνικής σύντηξης χρησιμοποιεί ως καύσιμο δευτέριο, τρίτιο ή δευτερίδιο λιθίου. Τα ισότοπα δευτερίου και τριτίου που μοιάζουν με υδρογόνο προσφέρουν τους τέλειους αλληλεπιδρώντες πυρήνες για σύντηξη. Το δευτερίδιο του λιθίου-6 χρησιμοποιείται τώρα ως καύσιμο για όπλα.

Πυρηνική ενέργεια σύντηξης στον Ήλιο

Η πυρηνική σύντηξη κρατά ζωντανά όλα τα αστέρια στον κόσμο, συμπεριλαμβανομένης της πυρηνικής σύντηξης στον Ήλιο. Δημιουργούν σημαντική ποσότητα θερμότητας και ενέργειας μέσω αυτής της διαδικασίας. Ο πυρήνας οποιουδήποτε αστεριού υφίσταται εξαιρετικά υψηλή πίεση, όπου συμβαίνουν αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης. Για παράδειγμα, η θερμοκρασία του πυρήνα του Ήλιου είναι περίπου 15 εκατομμύρια βαθμοί Κελσίου. Όταν δύο ισότοπα υδρογόνου, το Δευτέριο και το Τρίτιο, συνδυάζονται για να δημιουργήσουν Ήλιο σε αυτή τη θερμοκρασία και εξαιρετικά υψηλή πίεση, απελευθερώνεται μια τεράστια ποσότητα ενέργειας με τη μορφή θερμότητας. Στην πυρηνική σύντηξη στον ήλιο, περίπου 600 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου μετατρέπονται σε Ήλιο ανά δευτερόλεπτο. Η πυρηνική σύντηξη φαίνεται από τις διεργασίες που συμβαίνουν στον Ήλιο.

Πυρηνική σύντηξη στα αστέρια

Η αντίδραση πυρηνικής σύντηξης στις αντιδράσεις αστεριών συμβαίνει στους πυρήνες, οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την τεράστια φωτεινότητά τους. Η ενέργεια προήλθε από την πυρηνική σύντηξη στα αστέρια μέσω της σύντηξης ηλίου, της σύντηξης πρωτονίου-πρωτονίου ή ακόμα και του κύκλου του άνθρακα, ανάλογα με την ηλικία και τη μάζα ενός άστρου. Βαριά στοιχεία μέχρι σίδηρο μπορεί να συγχωνευθούν για λίγο προς το τέλος της φωτεινής ζωής ενός αστεριού. Δεδομένου ότι η ομάδα του σιδήρου βρίσκεται κοντά στην κορυφή της καμπύλης ενέργειας δέσμευσης, η σύντηξη στοιχείων βαρύτερων από τον σίδηρο θα συνεπαγόταν αντ' αυτού απορρόφηση ενέργειας. Αν και η ομάδα σιδήρου αντιπροσωπεύει το μέγιστο όριο για την ικανότητα της σύντηξης να παράγει ενέργεια, υψηλότερα άτομα παράγονται στα αστέρια μέσω διαφορετικής κατηγορίας πυρηνικών γεγονότων.

Συχνές ερωτήσεις 

1. Είναι μεγαλύτερη η ενέργεια που παράγεται από σύντηξη ή σχάση;

Η σύντηξη παράγει περισσότερη ενέργεια από τη σχάση, αλλά αντιμετώπισε δυσκολίες αφού η ενέργεια που απαιτείται για τη δημιουργία των συνθηκών σύντηξης ήταν μεγαλύτερη από την ενέργεια που παράγεται. Η σύντηξη έχει τη δυνατότητα να παράγει πολλές φορές περισσότερη ενέργεια από τη σχάση όταν αυτές οι δυσκολίες ξεπεραστούν πλήρως.

2. Τα ραδιενεργά απόβλητα προέρχονται από πυρηνική σχάση και σύντηξη;

Υπάρχουν ορισμένα ραδιενεργά απόβλητα που παράγονται τόσο από τη σύντηξη όσο και από τη σχάση. Ωστόσο, η σύντηξη δεν παράγει μακροπρόθεσμα πυρηνικά απόβλητα, ενώ οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής σχάσης παράγουν ασταθείς πυρήνες. Το ήλιο, ένα αδρανές αέριο, παράγεται ως μέρος της τυπικής διαδικασίας σύντηξης, ενώ το τρίτιο παράγεται και καταναλώνεται μέσα στον αντιδραστήρα. Το τρίτιο είναι ραδιενεργό, καθώς εκπέμπει βήτα, αλλά επειδή χρησιμοποιείται μόνο σε πολύ μικρές δόσεις και έχει μικρό χρόνο ημιζωής, δεν αποτελεί σημαντικό κίνδυνο.

3. Γιατί να μην χρησιμοποιήσετε πυρηνική σύντηξη;

Δεδομένου ότι η πυρηνική σύντηξη είναι δαπανηρή και δύσκολο να αναπαραχθεί και να ρυθμιστεί, δεν χρησιμοποιείται επί του παρόντος για την παραγωγή ενέργειας. Οι υψηλές θερμοκρασίες είναι απαραίτητες για να συγκρουστούν θετικά φορτισμένοι πυρήνες και να συντηχθούν χωρίς να απωθούνται σοβαρά από ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Ωστόσο, για την επίλυση αυτών των δυσκολιών, γίνεται ακόμη δουλειά.

4. Τι είναι μερικές πυρηνικές σχάση και σύντηξη;

Όταν δύο ισότοπα χαμηλής μάζας ενώνονται κάτω από απίστευτα υψηλή θερμότητα και πίεση, πραγματοποιείται σύντηξη. Αυτό συμβαίνει συχνά όταν τα ισότοπα δευτερίου (υδρογόνο-2) και υδρογόνου τριτίου (υδρογόνο-3) συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα ισότοπο ηλίου και ένα επιπλέον νετρόνιο. Αυτή η σύντηξη ισοτόπων παράγει ενέργεια με ρυθμό πολλές φορές μεγαλύτερο από τη σχάση, αποφεύγοντας παράλληλα μακροχρόνια ραδιενεργά υποπροϊόντα.

Ο πυρήνας στόχος που χρησιμοποιείται στην πλειονότητα των πυρηνικών αντιδραστήρων είναι το ουράνιο-235. Η επιτάχυνση ενός νετρονίου σε αυτόν τον πυρήνα μπορεί να χωρίσει το άτομο σε δύο μικρότερα ισότοπα (γνωστά ως «προϊόντα σχάσης») και τρία ακόμη νετρόνια, απελευθερώνοντας σημαντική ποσότητα ενέργειας στη διαδικασία. Άλλα άτομα ουρανίου-235 εμπλέκονται σε επακόλουθα γεγονότα σχάσης ως αποτέλεσμα των νετρονίων που εκπέμπονται. Η παραγόμενη ενέργεια χρησιμοποιείται για την περιστροφή στροβίλων σε μια γεννήτρια για τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας θερμαίνοντας νερό σε ατμό, τόσο η πυρηνική σύντηξη όσο και οι αντιδράσεις πυρηνικής σχάσης παράγουν μεγάλη ποσότητα ενέργειας.