 |
| Αποφυγή πυρηνικών καταστροφών |
Η ικανότητα του υδρογόνου να καεί και να εκραγεί πιο εύκολα από ότι αναμενόταν σε υψηλές πιέσεις, στην κβαντομηχανική είναι προς τα κάτω - αυτό είναι το συμπέρασμα μιας νέας μελέτης από φυσικούς στη Ρωσία, οι οποίοι ισχυρίζονται ότι η έρευνά τους μπορεί να οδηγήσει σε λιγότερες εκρήξεις υδρογόνου στους πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και στην ασφαλέστερη βιομηχανική παραγωγή υδρογόνου και άλλων αερίων καυσίμων.
Το δυναμικό των εκρήξεων υδρογόνου σε πυρηνικούς αντιδραστήρες απεικονίζεται γραφικά τον περασμένο Μάρτιο στο εργοστάσιο Fukushima Daiichi στην Ιαπωνία. Τρεις από τους αντιδραστήρες στο εργοστάσιο ήρθαν σε τήξη μετά το τεράστιο τσουνάμι που έπληξε το βόρειο-ανατολικό τμήμα της χώρας και έβγαλε νοκ άουτ τα συστήματα ψύξης των αντιδραστήρων. Η επένδυση από κράμα ζιρκονίου γύρω από το πυρηνικό καύσιμο στους πυρήνες των αντιδραστήρων εκτέθηκε μετά από πτώση της στάθμης των υδάτων και αντέδρασε με ατμό για την παραγωγή υδρογόνου. Μόλις εξαερώνονται στα περιβάλλοντα δοχεία συγκράτησης, η αύξηση του υδρογόνου αντέδρασε με το οξυγόνο του αέρα και προκάλεσε μια έκρηξη που ανατίναξε ακόμα και τα πλοία. Τέτοιες εκρήξεις είναι επικίνδυνες γιατί μπορούν να απελευθερώσουν δυνητικά ραδιενέργεια στο περιβάλλον.
Ωστόσο, δεν είναι γνωστές ακριβώς οι συνθήκες που συμβαίνουν τέτοιες εκρήξεις του υδρογόνου. Το πρόβλημα έγκειται με προσδιορισμό του χρόνου που απαιτείται για το αέριο υδρογόνου σε μία ορισμένη θερμοκρασία και πίεση για την ανάφλεξη, καθώς και η θερμοκρασία του κατωφλίου που απαιτείται για αυτό το αέριο για να εκρήγνυνται - εκτονώσεως συμβαίνει όταν οι αντιδράσεις καύσης διαδίδονται πιο γρήγορα από τον ήχο. Θεωρητική προβλέψεις των ποσοτήτων αυτών δεν συμφωνούν με τα πειραματικά αποτελέσματα, και αυτό αυξάνει την διαφωνία ως θερμοκρασία μειώνεται και αυξάνεται η πίεση. Σε θερμοκρασίες από 700 έως 800 Κ, οι υπολογιζόμενες καθυστερήσεις ανάφλεξης μπορεί να είναι έως 1000 φορές περισσότερο από εκείνες που μετρήθηκαν στην πραγματικότητα.
Αβέβαιες ενέργειες
Οι επιστήμονες έχουν ήδη προσπαθήσει να εξηγήσουν αυτές τις διαφορές με το επιχείρημα ότι οι υπολογισμοί αγνόησαν την επίδραση ορισμένων προσμείξεων στο φυσικό αέριο ή, πιο απλά, ότι οι μετρήσεις τους ήταν ανακριβείς. Αλλά αυτές οι διαφορές εμφανίζονται επίσης για άλλα αέρια καύσιμα. Στην τελευταία έρευνα, ο Βλαντιμίρ Fortov και οι συνεργάτες του στο Κοινό Ινστιτούτο για Υψηλές Θερμοκρασίες στη Μόσχα, μαζί με δύο φυσικούς στο Θερμοπυρηνικό Ινστιτούτο Καινοτομίας και Έρευνας Troitsk, που βρίσκεται έξω από την ρωσική πρωτεύουσα, παρέχει μια γενική εξήγηση για τις αναντιστοιχίες με την ενσωμάτωση κβαντικών διορθώσεων σε υπάρχοντα μοντέλα καύσης.
Οι επιστήμονες έχουν ήδη προσπαθήσει να εξηγήσουν αυτές τις διαφορές με το επιχείρημα ότι οι υπολογισμοί αγνόησαν την επίδραση ορισμένων προσμείξεων στο φυσικό αέριο ή, πιο απλά, ότι οι μετρήσεις τους ήταν ανακριβείς. Αλλά αυτές οι διαφορές εμφανίζονται επίσης για άλλα αέρια καύσιμα. Στην τελευταία έρευνα, ο Βλαντιμίρ Fortov και οι συνεργάτες του στο Κοινό Ινστιτούτο για Υψηλές Θερμοκρασίες στη Μόσχα, μαζί με δύο φυσικούς στο Θερμοπυρηνικό Ινστιτούτο Καινοτομίας και Έρευνας Troitsk, που βρίσκεται έξω από την ρωσική πρωτεύουσα, παρέχει μια γενική εξήγηση για τις αναντιστοιχίες με την ενσωμάτωση κβαντικών διορθώσεων σε υπάρχοντα μοντέλα καύσης.
Στη νέα μελέτη τους, ο Fortov και οι συνάδελφοι του εξέτασαν την κλασσική κατανομή Maxwell Boltzmann, η οποία περιγράφει το φάσμα των μοριακών ταχυτήτων σε ένα αέριο σε μια ορισμένη θερμοκρασία. Οι θεωρητικοί έδειξαν πρόσφατα ότι η κβαντομηχανικές επιδράσεις μπορούν να μεταβάλλουν σημαντικά το σχήμα του άκρου της υψηλότερης ενέργειας αυτής της κατανομής για αέρια σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και υψηλές πιέσεις. Η τροποποίηση είναι αποτέλεσμα της αρχής της αβεβαιότητας Heizenberg του. Η αβεβαιότητα έγκειται στην ενέργεια των συγκρουόμενων σωματιδίων αυξάνοντας την πιθανότητα των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα μεταξύ τους, εφ' όσον η πυκνότητα αυτών των σωματιδίων είναι αρκετά υψηλή.
Ενώ η τροποποίηση αυτή είναι ασήμαντη για γενικά θερμοδυναμικά φαινόμενα, που διέπονται από την συντριπτική πλειοψηφία των μορίων με κινητικές ενέργειες κοντά στην μέση, είναι σημαντικό για τις διαδικασίες στις οποίες η υψηλής ενέργειας "ουρά" της κατανομής διαδραματίζει έναν σημαντικό ρόλο. Μια τέτοια διαδικασία είναι η πυρηνική σύντηξη σε πυκνή, δροσερό πλάσματα. Η ρωσική ομάδα έχει δείξει ότι πλέον κατέχει επίσης κυριαρχεί στις χημικές αντιδράσεις που εμπλέκονται στην καύση, δεδομένου ότι η ενέργεια που απαιτείται για να ενεργοποιήσει τέτοιες αντιδράσεις είναι πολύ υψηλότερο από εκείνο της θερμικής ενέργειας μέση μόρια. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι με την εισαγωγή κβαντικές διορθώσεις, απέκτησαν μια στενή συμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος για το πεπιεσμένο αέριο αργό που περιέχει 4% μοριακού υδρογόνου και 2% μοριακό οξυγόνο. Βρήκαν επίσης μια καλή συμφωνία κατά την ανάλυση της έκρηξης του ακετυλενίου.
Βελτιστοποιημένη γεωμετρία για την ασφάλεια
Σύμφωνα με τον Fortov, αυτοί οι υπολογισμοί θα μπορούσαν να συμβάλουν στη βελτίωση της ασφάλειας των πυρηνικών εγκαταστάσεων, επιτρέποντας στους μηχανικούς να μελετήσουν το πλήρες φάσμα των συνθηκών με τις οποίες θα μπορούσε να συμβεί έκρηξη του υδρογόνου. Ως εκ τούτου, λέει, πρέπει να καταστεί δυνατόν να μειωθούν οι πιθανότητες των εκρήξεων του υδρογόνου με τη βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του αντιδραστήρα ή με τη γνώση του καλύτερου τρόπου για συσκευές θέση γνωστή ως "recombiners υδρογόνου" που εξαλείφουν το υδρογόνο από δοχεία συγκράτησης δια συνδυασμού με οξυγόνο για τον σχηματισμό υδρατμών. Ο Fortov ισχυρίζεται επίσης ότι το έργο της ομάδας του θα μπορούσε να επιτρέψει στη βιομηχανία να παράγει και να αποθηκεύει το υδρογόνο με μεγαλύτερη ασφάλεια, αλλά και για την καλύτερη δέσμευση με το ακετυλένιο, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως ως καύσιμο και ως δομικό χημικών και μπορεί να αναφλεγεί και να εκραγεί χωρίς οξειδωτικό.
Σύμφωνα με τον Fortov, αυτοί οι υπολογισμοί θα μπορούσαν να συμβάλουν στη βελτίωση της ασφάλειας των πυρηνικών εγκαταστάσεων, επιτρέποντας στους μηχανικούς να μελετήσουν το πλήρες φάσμα των συνθηκών με τις οποίες θα μπορούσε να συμβεί έκρηξη του υδρογόνου. Ως εκ τούτου, λέει, πρέπει να καταστεί δυνατόν να μειωθούν οι πιθανότητες των εκρήξεων του υδρογόνου με τη βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του αντιδραστήρα ή με τη γνώση του καλύτερου τρόπου για συσκευές θέση γνωστή ως "recombiners υδρογόνου" που εξαλείφουν το υδρογόνο από δοχεία συγκράτησης δια συνδυασμού με οξυγόνο για τον σχηματισμό υδρατμών. Ο Fortov ισχυρίζεται επίσης ότι το έργο της ομάδας του θα μπορούσε να επιτρέψει στη βιομηχανία να παράγει και να αποθηκεύει το υδρογόνο με μεγαλύτερη ασφάλεια, αλλά και για την καλύτερη δέσμευση με το ακετυλένιο, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως ως καύσιμο και ως δομικό χημικών και μπορεί να αναφλεγεί και να εκραγεί χωρίς οξειδωτικό.
Ωστόσο, ο Τόνι Roulstone, ένας πυρηνικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, αμφιβάλλει αν η τελευταία δουλειά θα έχει σημαντικά πρακτικά οφέλη για την παραγωγή πυρηνικής ενέργειας. Λέει ότι οι σχεδιαστές των σκαφών συγκράτηση του αντιδραστήρα υποθέσουμε ότι το υδρογόνο θα είναι πάντα καίγονται, αν υπερβαίνει το "όριο αναφλεξιμότητας του υδρογόνου" που έχει προσδιοριστεί πειραματικά. Δικαιολογεί ότι μπορεί να είναι δυνατόν να μειωθεί η πίεση και ότι η δομή συγκράτησης έχει σχεδιαστεί για να αντέχει, αν υπήρχαν καλύτεροι τρόποι υπολογισμού πότε και σε ποιο ποσοστό καίγεται το υδρογόνο. Αλλά επισημαίνει ότι, στην πράξη, μια τέτοια μείωση δεν μπορεί να είναι δυνατή, δεδομένου ότι τα περιβλήματα του αντιδραστήρα, επίσης είναι σχεδιασμένα να αντέχουν ακόμα και σε μεγάλες προσκρούσεις αεροσκαφών. "Είναι ατυχήματα, που είναι πιθανόν να μπορούν να ελεγχθούν", λέει.
Η έρευνα δημοσιεύεται στο περιοδικό Physical Review Letters.
Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου