|
Ακόμη και κάτω από το βαρύ φορτίο της ευθύνης του ως Γενικού
Διευθυντή του Κέντρου Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN) από το 1989-1993
το γόνιμο μυαλό του Carlo Rubbia δεν ησύχασε ποτέ. Ένα μεγαλόπνοο "χόμπι"
του Rubbia είναι η αναζήτηση νέων πηγών πυρηνικής ενέργειας, που να
εκμεταλλεύονται τη γνώση και τις δεξιότητες που αποκτήθηκαν από την φυσική
υψηλής ενέργειας.
Ένας αρχικός στόχος ήταν να υιοθετηθούν οι τεχνικές των βαρέων
ιόντων για να προκληθεί ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη, αλλά το 1994
αυτή η αναζήτηση άλλαξε κατεύθυνση. Βάζοντας τα προβλήματα της θερμοπυρηνικής
σύντηξης κατά μέρος, ο Rubbia άρχισε να εξερευνά μια εναλλακτική διαδρομή
στην ενεργειακή παραγωγή μέσω της ελεγχόμενης πυρηνικής σχάσης.
Η ιδέα είναι να χρησιμοποιηθεί ένας επιταχυντής σωματιδίων που παράγει νετρόνια
από την αλληλεπίδραση των σωματιδίων με έναν στόχο, για να τροφοδοτήσει μια
διάταξη σχάσης που περιέχει καύσιμα και επιβραδυντές όπου τα νετρόνια
πολλαπλασιάζονται με τις αλυσιδωτές αντιδράσεις σχάσης. Εάν η ενέργεια που
ελευθερώνεται γίνεται ουσιαστικά μεγαλύτερη από αυτή που απαιτείται για να
οδηγήσει τον επιταχυντή, η διαδικασία έχει ένα καθαρό κέρδος ενέργειας και
γίνεται αυτοσυντηρούμενη. Από εκεί προέρχεται και το
όνομα "ενεργειακός ενισχυτής" (EΕ).
Παρόμοια συστήματα για την παραγωγή ενέργειας ή για την εξουδετέρωση πυρηνικών
αποβλήτων έχουν προταθεί στο Los Alamos και στην Ιαπωνία και τη Ρωσία, αλλά
εμφανίζονται να απαιτούν προηγουμένως την ανάπτυξη νέας τεχνολογίας
γραμμικών επιταχυντών. Για τον ενισχυτή του Rubbia, ο απαραίτητος επιταχυντής
είναι μια λογική παρέκταση ενός υπάρχοντος κυκλοτρονίου σαν αυτόν που υπάρχει
στο Ελβετικό Ινστιτούτο Paul Scherrer.
Επιπλέον, ο ΕΕ θα απαιτούσε ράβδους καυσίμων παρόμοιες με εκείνες των συμβατικών
αντιδραστήρων, αντί για νέα τεχνολογία με χρήση βρόχων υγρών καυσίμων (λειωμένα
άλατα) στους οποίους να γίνεται απευθείας διαχωρισμός των ραδιενεργών προϊόντων.
Αντίθετα από έναν αντιδραστήρα, η αντίδραση σχάσης σ' έναν ΕΕ δεν είναι
αυτοσυντηρούμενη: Γίνεται κάτω από την κρίσιμη μάζα και χρειάζεται έναν συνεχή
ανεφοδιασμό με νετρόνια από τον επιταχυντή. Αυτό καθιστά απίθανη την ρευστοποίηση
μερών του αντιδραστήρα όπως έγινε στο Τσέρνομπιλ. Εεάν
ο επιταχυντής σταματήσει σταματάει επίσης και ο αντιδραστήρας. Ένα άλλο σημαντικό
πλεονέκτημα είναι ότι το παλαιό όνειρο της χρησιμοποίησης του θορίου ως καύσιμο,
γίνεται τώρα πραγματικότητα Το θόριο δεν αποτελεί το ίδιο σχάσιμο υλικό,
αλλά κάτω από βομβαρδισμό με νετρόνια, μπορεί να μετασχηματιστεί στο ιδιαίτερα
σχάσιμο ουράνιο 233. Αυτή η διάσπαση παράγει τα νετρόνια που, εκτός από τη
διατήρηση της αλυσιδωτής αντίδρασης, στη συνέχεια αναδημιουργούν ουράνιο 233
από το θόριο. Αυτό δεν μπορεί να επιτευχθεί ουσιαστικά σε έναν κανονικό θερμικό
αντιδραστήρα δεδομένου ότι ο αριθμός νετρονίων είναι πάρα πολύ μικρός.
Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι στον ΕΕ, η ισορροπία μεταξύ ουρανίου 233 και θορίου
αποκαθίσταται σύντομα. Σε αυτόν τον κύκλο θορίου πολύ λίγο πλουτώνιο παράγεται
- 1000 έως 10.000 φορές λιγότερο απ' ό,τι στους συμβατικούς αντιδραστήρες.
Το θόριο, αφθονότερο στον γήινο φλοιό από το ουράνιο, χρησιμοποιείται πλήρως
στον κύκλο (αντίθετα από το φυσικό ουράνιο όπου μόνο το μικρό ποσοστό
0,7% του ισοτόπου 235 είναι σχάσιμο. Τα ενεργειακά εκμεταλλεύσιμα
κοιτάσματα θορίου εμφανίζονται να είναι ουσιαστικά "ανεξάντλητα.
Για να επεξηγήσει την περίπτωση Με μια ισχύ δέσμης των 7 μεγαβάτ (αντιστοιχούν
σε ρεύμα 7 mA από πρωτόνια που παράγονται από ένα σύγχρονο επιταχυντή κυκλοτρονίου
του 1GeV), ο ΕΕ θα παρήγε 280 MW θερμικής ισχύος, που αντιστοιχούν με
τη σειρά τους περίπου σε 100 MW ηλεκτρικής ισχύος. Δεδομένου ότι η ισχύς
που απαιτείται για να ενεργοποιήσει τον επιταχυντή δεν υπερβαίνει περίπου
τα 20 MW, θα υπήρχε έτσι μια καθαρή παραγωγή πάνω από 80 MW. (Ένας συνηθισμένος
σταθμός πυρηνικής ενέργειας παράγει περίπου ένα Gigawatt.) Κατά τη διάρκεια
του 1994 μια υπό-κρίσιμη μάζα καυσίμων έχει ακτινοβοληθεί πειραματικά με μια
δέσμη προερχόμενη από το σύγχροτρο πρωτονίων PS του CERN, με μια πολύ χαμηλή
ισχύ (της τάξης του ενός Watt).
Ο Rubbia έχει κάνει επίσης εξομοιώσεις χρησιμοποιώντας το μόλυβδο
ως επιβραδυντή. Αυτό απαιτεί νετρόνια υψηλότερης ενέργειας απ' ό,τι στους
κανονικούς αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων όπου επιβραδυντής είναι το διόλου
προσφιλές υγρό νάτριο. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η ικανότητα αμέσου αντιδράσεως
όταν χρησιμοποιείται ο μόλυβδος, παραμένει πολύ σταθερή δεδομένου ότι η επίδραση
των προϊόντων σχάσης (δηλητήρια) μειώνεται αρκετά. Αυτό επιτρέπει την πληρέστερη
καύση προτού να πρέπει να επανεπεξεργαστούν οι ράβδοι καυσίμων (μπόρεσαν να
μείνουν σε ισχύ για τέσσερα έτη αντί για ένα χρόνο με τη μέθοδο του ελαφρού
νερού ως επιβραδυντή). Επιπλέον, η σταθερή ικανότητα αμέσου αντιδράσεως ανοίγει
την προοπτική του ενεργειακού κέρδους που αυξάνεται από περίπου 60 σε 100
ή 120, με τη διάταξη να παραμένει σε υπό-κρίσιμη κατάσταση.
Τα γρήγορα νετρόνια δημιουργούν νέες ενδιαφέρουσες δυνατότητες για την επανεπεξεργασία
των ακτινοβολημένων ράβδων των αντιδραστήρων. Αυτή η επανεπεξεργασία θα περιοριστεί
στο διαχωρισμό των σχάσιμων προϊόντων, δεδομένου ότι όλες οι ακτινίδες είναι
"καύσιμες", παρακάμπτοντας το πρόβλημα του πλουτώνιου. Τα μόνα απόβλητα ακτινίδων
(0.5%) του ΕΕ, προέρχονται από τις ατέλειες στη διαδικασία χωρισμού.
Τα προϊόντα σχάσης μπορούν να ανακυκλωθούν στις ράβδους, καθώς η ροή νετρονίων
τα μετασχηματίζει σε μη-ραδιενεργά στοιχεία. Εντούτοις, αντίθετα από
τη σχάση των ακτινίδων, αυτός ο μετασχηματισμός καταναλώνει τα νετρόνια και
μειώνει την ενεργειακή παραγωγή. Μια λύση συμβιβασμού θα ήταν να διατηρηθεί
αυτή η δαπανηρή επεξεργασία μόνο για τα ευαίσθητα στοιχεία όπως το καίσιο
135, το ιώδιο 129, κ.λπ., τα οποία είναι μακρόβια (αρκετά εκατομμύρια έτη)
και ενδεχομένως ρυπογόνα.
Μια μελέτη που πραγματοποιείται πάνω στη θερμική παραλλαγή της διαδικασίας
(η παραλλαγή με τα ταχέα νετρόνια είναι πιθανώς ακόμα φτηνότερη, αλλά δεν
είναι ακόμα κοστολογημένη) που επιβεβαιώνεται από τους εμπειρογνώμονες από
το Laboratoire d'Economie de l'Energie στην Grenoble δείχνει μια τιμή ανά
μονάδα ενέργειας ελαφρώς υψηλότερη από αυτή των γαλλικών σταθμών πυρηνικής
ενέργειας, αλλά πολύ χαμηλότερη από άλλες πηγές (γερμανικοί σταθμοί πυρηνικής
ενέργειας, άνθρακας, γαλλικό φυσικό αέριο).
Αυτό μπορεί να φανεί εκπληκτικό ("προσθέτετε ένα κυκλοτρόνιο, πώς μπορείτε
να είστε φτηνότεροι;"), αλλά η σχετική πρόσθετη επένδυση αντισταθμίζεται από
το χαμηλότερο κόστος καυσίμων (κανένας διαχωρισμός ισοτόπων) και την ευκολία
της λειτουργίας, με το λιγότερο συχνό χειρισμό ράβδων καυσίμων.
Το να οδηγήσουμε την υπο-κρίσιμη ποσότητα θα απαιτούσε ένα κυκλοτρόνιο του
1 GeV με μια ένταση 10 mA ή περισσότερο - πράγμα που είναι μια εξ ολοκλήρου
εφικτή προοπτική. Το πείραμα στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN),
που χρησιμοποιεί μια ακτίνα από το PS, δείχνει ότι μια ενέργεια 800 MeV έως
1 GeV είναι βέλτιστη.
Ο κύριος στόχος της δοκιμής ήταν να επιβεβαιωθούν οι προσομοιώσεις των υπολογιστών.
Το Universidad Politecnica της Μαδρίτης παρείχε μια υπό-κρίσιμη ποσότητα χρησιμοποιούμενη
για λόγους διδασκαλίας με 3,6 τόνους φυσικού ουράνιου σε μια δεξαμενή με νερό
χωρίς μεταλλικά άλατα, το οποίο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με μερικές δευτερεύουσες
μόνο τροποποιήσεις για να παίξει το ρόλο του αρχικού στόχου της δέσμης. Η
διάταξη χρησιμοποίησε χαμηλή ένταση της δέσμης (1/100.000 του ποσοστού παραγωγής
πρωτονίων PS) για να ελαχιστοποιήσει τη ραδιενέργεια.
Σε αυτήν την δοκιμαστική εγκατάσταση, η ενεργειακή παραγωγή ήταν της τάξης
του 1 Watt, που δίνει μια άνοδο θερμοκρασίας της τάξης του 1/100 του βαθμού,
πράγμα που απαιτεί προσεκτική θερμομέτρηση. Για να αποδείξουν ότι η θέρμανση
οφειλόταν στη σχάση, πλαστικά φύλλα (Lexan) εκτέθηκαν στις περιοχές
ελέγχων της θερμοκρασίας. Οι χαρακτηριστικές
χαράξεις που παράγονται από τα θραύσματα σχάσης πάνω σ' αυτό το πλαστικό μπορούν
ν' αναπτυχθούν και να παρατηρηθούν κάτω από το μικροσκόπιο. Ο συσχετισμός
ήταν τέλειος.
Από αυτές τις τοπικές μετρήσεις, που πραγματοποιήθηκαν σε τέσσερις διαφορετικές
αποστάσεις, η άνοδος στη θερμοκρασία θα μπορούσε να εξηγηθεί από την κατανομή
των θραυσμάτων της σχάσης. Αυτό στηρίχθηκε στην προσομοίωση υπολογιστών και
μια λεπτομερή χαρτογράφηση από 200 ηλεκτρονικούς ανιχνευτές των προϊόντων
της σχάσης. Αυτές οι φωτοδίοδοι πυριτίου, ή οι
θάλαμοι ιονισμού που περιέχουν αργό υπό πίεση, μετρούν τα θραύσματα
που προέρχονται από λεπτές βαθμολογημένες στρώσεις ουράνιου και
παρουσιάζουν τη χρονική εξάρτηση του ρυθμού σχάσης μετά από έναν σύντομο παλμό
πρωτονίων.
Το μετρηθέν ενεργειακό κέρδος είναι της τάξης του 30, σύμφωνο με τις προβλέψεις
της προσομοίωσης.
Η εγκατάσταση της δοκιμής ήταν μακριά από το βέλτιστο. Η προσομοίωση δείχνει
ότι μια μεγαλύτερη συσκευή με ένα κυκλοτρόνιο των 10 mA στο1 GeV, θα έδινε
ένα κέρδος περίπου 60, ικανοποιητικό για 600 MW θερμικής ισχύος,
δηλ. περίπου 200 MW της ηλεκτρικής ισχύος.
Η εξάρτηση της απόδοσης από την ενέργεια των προσπιπτόντων πρωτονίων, έχει
μελετηθεί μεταξύ 600 MeV και 2,75 GeV. Επάνω από το 1 GeV η απόδοση αυξήθηκε
πολύ λίγο, ενώ κάτω από τα 800 MeV η απόδοση μειώθηκε εμφανώς.
Αλλού, διάφορες ομάδες - Los Alamos, Brookhaven, Ιαπωνία (JAERI) και Ρωσία
(τουλάχιστον επτά ιδρύματα γύρω από ITEP, Μόσχα) - προγραμματίζουν διατάξεις
σχάσης, οδηγημένες από επιταχυντή για μια σειρά εφαρμογών (καταστροφή αποβλήτων
και πλουτώνιου, παραγωγή τριτίου, ενεργειακή παραγωγή από το θόριο, ουράνιο
ή πλουτώνιο). Μια κοινή έκθεση αναμένεται να συνταχτεί υπό την αιγίδα της
διεθνούς αντιπροσωπείας ατομικής ενέργειας.
Με τις βαριές οικολογικές επιπτώσεις των σημερινών πυρηνικών και συμβατικών
πηγών ενέργειας, είναι εκπληκτικό πόση λίγη εργασία έρευνας και ανάπτυξης
επενδύεται παγκόσμια σε αυτήν την κατ' αρχήν πολλά υποσχόμενη λύση εναλλακτικής
ενέργειας.
|
