Διεθνές Ερευνητικό Πρόγραμμα ITER

Μια από τις μεγάλες ερευνητικές προσπάθειες του καιρού μας η οποία αφορά στην προσπάθεια εκμετάλλευσης ανεξάντλητων, φθηνών και καθαρών πηγών/αποθηκών ενέργειας για την επίλυση τόσο του ενεργειακού προβλήματος του ανθρώπου όσο και του περιβαλλοντικού προβλήματος του πλανήτη μας είναι το Διεθνές Ερευνητικό Πρόγραμμα ITER. Στην υπό κατασκευή από το 2008 (στη Νότια Γαλλία) πειραματική διάταξη ελπίζεται –σε μια χρονική περίοδο 50 ετών– ότι θα αποδειχθεί η επιστημονική και τεχνολογική εφικτότητα, η ενεργειακή αποδοτικότητα και η πρακτική εκμετάλλευση σε ευρεία κλίμακα της ελεγχόμενης (;) θερμοπυρηνικής σύντηξης πυρήνων υδρογόνου (σε θερμοκρασίες της τάξης εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου).

Η Επιστημονική / ΕκΠαιδευτική Μέθοδος (μια Διερευνητική, Ανακαλυπτική Μεθοδολογία) Η ερευνητική διαδικασία εντάσσεται στο πλαίσιο της επιστημονικής μεθοδολογίας η οποία –προτείνεται να– αξιοποιείται (και) ως εκ-παιδευτική μεθοδολογία:

Η λειτουργία αυτής της πειραματικής διάταξης βασίζεται στη γνωστή διαδικασία της σύντηξης / συγκόλλησης πυρήνων υδρογόνου σε θερμοκρασίες της τάξης των 150 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου (κατάσταση "πλάσματος") και τη δημιουργία πυρήνων ηλίου -όπως συμβαίνει στον Ήλιο-. Η σύντηξη απελευθερώνει ενέργεια η οποία θερμαίνει νερό και το μετατρέπει σε ατμό (με τεχνολογίες του προπερασμένου αιώνα!) ο οποίος περιστρέφει ηλεκτρογεννήτριες. Αυτές στη συνέχεια δημιουργούν ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο μεταφέρεται με μεταλλικούς αγωγούς όπου απαιτούν οι ενεργειακές μας ανάγκες. Οι διαδικασίες αυτές συσχετίζονται –ενδεικτικά– με διδα- σκόμενες στην τυπική εκπαίδευση θεματικές ενότητες και πειραματικές διαδικασίες και είναι δυνατό οι πρώτες να αποτελέσουν έναυσμα (και εφαρμογή) για τη μελέτη των δεύτερων:

α. Η "θερμική" σύντηξη πυρήνων υδρογόνου επιχειρείται σε έναν χώρο ο οποίος οριοθετείται από τις δυναμικές γραμμές ενός μαγνητικού πεδίου –μια "μαγνητική φιάλη"– όπου εγκλωβίζονται αιωρούμενοι οι πυρήνες υδρογόνου, με μεγάλες όμως δυσκολίες λόγω της αστάθειας του μαγνητικού πεδίου. Αιτιολογήστε γιατί δε χρησιμοποιείται ένας θάλαμος με τοιχώματα από κάποιο υλικό και περιγράψτε / εξηγήστε μικροσκοπικά –με λόγια ή/και σχήματα– τι θα συνέβαινε σε αυτή την περίπτωση. β. Η σύντηξη ελευθερώνει θερμική ενέργεια η οποία μεταφέρεται ως θερμότητα εκτός του χώρου σύντηξης και θερμαίνει ποσότητα νερού το οποίο, μετατρεπόμενο σε ατμό σε ατμολέβητες, κινεί έμβολα και περιστρέφει ηλεκτρογεννήτριες. Εξηγήστε μικροσκοπικά –με λόγια ή/και σχήματα– τον τρόπο της αύξησης της πίεσης στους ατμολέβητες και την άσκηση δύναμης στα έμβολα.

γ. Η περιστροφή των ηλεκτρογεννητριών προκαλεί τη δημιουργία και ροή ηλεκτρικού ρεύματος ("από τον μαγνητισμό στον ηλεκτρισμό") σε μεταλλικά σύρματα τα οποία το μεταφέρουν όπου απαιτείται η χρήση του. Περιγράψτε / εξηγήστε μικροσκοπικά –με λόγια ή/και σχήματα– τη δημιουργία και ροή του ηλεκτρικού ρεύματος και την αύξηση της θερμοκρασίας τους όπου η διατομή είναι μικρή. δ. Εξηγήστε / σχολιάστε την αναφορά σε "ανεξάντλητη", "φθηνή" και "καθαρή" ενέργεια από τη θερμοπυρηνική σύντηξη πυρήνων υδρογόνου. Αναφέρετε τις διαδοχικές "μορφές" ενέργειας κατά την ερευνητική / πειραματική διαδικασία.

Έναυσμα Ενδιαφέροντος θερμοπυρηνική σύντηξη πυρήνων υδρογόνου (από το Βιβλίο "Πρωτοβάθμια ΕκΠαίδευση στις-με τις ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ, Ι. οι Θεωρίες, ΙΙ. τα Φαινόμενα")

Έναυσμα Ενδιαφέροντος φυσική θερμοπυρηνική σύντηξη πυρήνων υδρογόνου στον ήλιο τεχνητή, μη ελεγχόμενη θερμοπυρηνική σύντηξη πυρήνων υδρογόνου στις βόμβες υδρογόνου

αυθόρμητη σχάση βαρέων ασταθών πυρήνων στη φύση τεχνητή, μη ελεγχόμενη σχάση βαρέων ασταθών πυρήνων στις βόμβες πυρηνικής σχάσης ελεγχόμενη σχάση βαρέων ασταθών πυρήνων στους αντιδραστήρες πυρηνικής σχάσης (από το Βιβλίο "Πρωτοβάθμια ΕκΠαίδευση στις-με τις ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ, Ι. οι Θεωρίες, ΙΙ. τα Φαινόμενα")

Διατύπωση Υποθέσεων ελεγχόμενη (;) θερμοπυρηνική σύντηξη πυρήνων υδρογόνου … εξασφάλιση (;) ανεξάντλητης φθηνής καθαρής ενέργειας … επίλυση (;) του ενεργειακού προβλήματος του ανθρώπου του περιβαλλοντικού προβλήματος του πλανήτη μας

αντίθετα, η ελεγχόμενη σχάση βαρέων ασταθών πυρήνων … δεν εξασφαλίζει ανεξάντλητη φθηνή καθαρή ενέργεια

Αποδεικτικός Πειραματισμός Διεθνές Ερευνητικό Πρόγραμμα ITER The acronym ITER originated from the title International Thermonuclear Experimental Reactor, but that title was dropped due to the negative popular connotation of "thermonuclear". "Iter" also means "journey", "direction" or "way" in Latin, reflecting ITER's potential role in harnessing nuclear fusion as a peaceful power source. Διεθνής Συνεργασία: European Union, United States of Amerika, Russia, Japan, India, China, South Korea Τόπος Πειραματικής Διαδικασίας: South France Χρονοδιάγραμμα: > 50 yr ερευνητική / πειραματική διαδικασία για την ελεγχόμενη (;) θερμοπυρηνική σύντηξη πυρήνων υδρογόνου

Αποδεικτικός Πειραματισμός Διεθνές Ερευνητικό Πρόγραμμα ITER ελεγχόμενη (;) θερμοπυρηνική σύντηξη πυρήνων υδρογόνου

ITER

Αποδεικτικός Πειραματισμός Συγκέντρωση μορίων / ατόμων / πυρήνων (;) υδρογόνου (στατικές εικόνες από δυναμικές προσομοιώσεις του Εργαστηρίου)

Αποδεικτικός Πειραματισμός Συγκέντρωση μορίων / ατόμων / πυρήνων (;) υδρογόνου Οριοθέτηση των πυρήνων υδρογόνου - με υλικό μέσο (;) - με μαγνητικό πεδίο (;)

(από το Βιβλίο Μαθητή "ΦΥΣΙΚΑ – Ερευνώ και Ανακαλύπτω" της πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης)

(στατικές εικόνες από δυναμικές προσομοιώσεις του Εργαστηρίου για τη σειρά της Εκπαιδευτικής Τηλεόρασης "Με το μικρόΚοσμο εξηγώ …")

Shield Magnet System Vacuum Vessel Person R=6.2 m I p =15 MA P fus =500 MW Divertor 30 m 24 m

(από το Βιβλίο Μαθητή "ΦΥΣΙΚΑ – Ερευνώ και Ανακαλύπτω" της πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης)

MHD Stability Heat Confinement Steady State Operation Control of Plasma Purity Exploration of the new physics with a dominant  -particles plasma self heating Plasma Physics Issues

Αποδεικτικός Πειραματισμός Συγκέντρωση μορίων / ατόμων / πυρήνων (;) υδρογόνου Οριοθέτηση των πυρήνων υδρογόνου - με υλικό μέσο (;) - με μαγνητικό πεδίο (;) Αύξηση της θερμοκρασίας (;) των πυρήνων υδρογόνου Ακτινοβολία με laser

Αποδεικτικός Πειραματισμός Συγκέντρωση μορίων / ατόμων / πυρήνων (;) υδρογόνου Οριοθέτηση των πυρήνων υδρογόνου - με υλικό μέσο (;) - με μαγνητικό πεδίο (;) Αύξηση της θερμοκρασίας (;) των πυρήνων υδρογόνου Σύντηξη / Απελευθέρωση (;) της θερμικής ενέργειας των πυρήνων υδρογόνου (από το Βιβλίο "Πρωτοβάθμια ΕκΠαίδευση στις-με τις ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ, Ι. οι Θεωρίες, ΙΙ. τα Φαινόμενα")

(από το Βιβλίο του ΚΑΠΕ "Η Ενέργεια και οι Πηγές της, Τι, Πώς, Γιατί" )

Αποδεικτικός Πειραματισμός Συγκέντρωση μορίων / ατόμων / πυρήνων (;) υδρογόνου Οριοθέτηση των πυρήνων υδρογόνου - με υλικό μέσο (;) - με μαγνητικό πεδίο (;) Αύξηση της θερμοκρασίας (;) των πυρήνων υδρογόνου Σύντηξη / Απελευθέρωση (;) της θερμικής ενέργειας των πυρήνων υδρογόνου Διάδοση θερμότητας / θέρμανση νερού σε ατμολέβητες

(από το Βιβλίο Μαθητή "ΦΥΣΙΚΑ – Ερευνώ και Ανακαλύπτω" της πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης)

Αποδεικτικός Πειραματισμός Συγκέντρωση μορίων / ατόμων / πυρήνων (;) υδρογόνου Οριοθέτηση των πυρήνων υδρογόνου - με υλικό μέσο (;) - με μαγνητικό πεδίο (;) Αύξηση της θερμοκρασίας (;) των πυρήνων υδρογόνου Σύντηξη / Απελευθέρωση (;) της θερμικής ενέργειας των πυρήνων υδρογόνου Διάδοση θερμότητας / θέρμανση νερού σε ατμολέβητες Κίνηση ατμοστροβίλων / ηλεκτρογεννητριών

Αποδεικτικός Πειραματισμός

(από το Βιβλίο "Πρωτοβάθμια ΕκΠαίδευση στις-με τις ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ, Ι. οι Θεωρίες, ΙΙ. τα Φαινόμενα")

(από το Βιβλίο Μαθητή "ΦΥΣΙΚΑ – Ερευνώ και Ανακαλύπτω" της πρωτοβάθμιας εκπαίδευσης)

Αποδεικτικός Πειραματισμός Συγκέντρωση μορίων / ατόμων / πυρήνων (;) υδρογόνου Οριοθέτηση των πυρήνων υδρογόνου - με υλικό μέσο (;) - με μαγνητικό πεδίο (;) Αύξηση της θερμοκρασίας (;) των πυρήνων υδρογόνου Σύντηξη / Απελευθέρωση (;) της θερμικής ενέργειας των πυρήνων υδρογόνου Διάδοση θερμότητας / θέρμανση νερού σε ατμολέβητες Κίνηση ατμοστροβίλων / ηλεκτρογεννητριών Δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος σε μεταλλικούς αγωγούς

(στιγμιότυπο από εκπαιδευτικό λογισμικό του Εργαστηρίου)

Αποδεικτικός Πειραματισμός Συγκέντρωση μορίων / ατόμων / πυρήνων (;) υδρογόνου Οριοθέτηση των πυρήνων υδρογόνου - με υλικό μέσο (;) - με μαγνητικό πεδίο (;) Αύξηση της θερμοκρασίας (;) των πυρήνων υδρογόνου Σύντηξη / Απελευθέρωση (;) της θερμικής ενέργειας των πυρήνων υδρογόνου Διάδοση θερμότητας / θέρμανση νερού σε ατμολέβητες Κίνηση ατμοστροβίλων / ηλεκτρογεννητριών Δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος σε μεταλλικούς αγωγούς Μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος με μεταλλικούς αγωγούς

Αποδεικτικός Πειραματισμός Συγκέντρωση μορίων / ατόμων / πυρήνων (;) υδρογόνου Οριοθέτηση των πυρήνων υδρογόνου - με υλικό μέσο (;) - με μαγνητικό πεδίο (;) Αύξηση της θερμοκρασίας (;) των πυρήνων υδρογόνου Σύντηξη / Απελευθέρωση (;) της θερμικής ενέργειας των πυρήνων υδρογόνου Διάδοση θερμότητας / θέρμανση νερού σε ατμολέβητες Κίνηση ατμοστροβίλων / ηλεκτρογεννητριών Μετατροπές / εκμετάλλευση της ενέργειας Δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος σε μεταλλικούς αγωγούς Μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος με μεταλλικούς αγωγούς

(στιγμιότυπο από εκπαιδευτικό λογισμικό του Εργαστηρίου)

Διατύπωση Συμπερασμάτων, Εφαρμογή ;

Γενίκευση, Συστημική / Διαθεματική Συσχέτιση

Βιβλιογραφία, Αναφορές Γ.Θ. Καλκάνης, "Πρωτοβάθμια ΕκΠαίδευση στις-με τις ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ", Ι. οι Θεωρίες, ΙΙ. τα Φαινόμενα, Αθήνα, 2007 "ΦΥΣΙΚΑ Ε’ και Στ’ Δημοτικού - Ερευνώ και Ανακαλύπτω" - Βιβλίο Μαθητή, - Τετράδιο Εργασιών, - Βιβλίο Δασκάλου, Υπουργείο Εθνικής Παιδείας και Θρησκευμάτων, Παιδαγωγικό Ινστιτούτο, ΟΕΔΒ, Αθήνα 2006 Γ. Θ. Καλκάνης, "Η Ενέργεια και οι Πηγές της: Τι, Πώς, Γιατί", (βιβλίο για το μαθητή και βιβλίο για το δάσκαλο), Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, Υπουργείο Ανάπτυξης, Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας "Ανοιχτές Θύρες", Πικέρμι 1997 Σειρά Επεισοδίων Εκπαιδευτικής Τηλεόρασης: "με το μικρόΚοσμο εξηγώ … 1. τη Θερμότητα και τη Θερμοκρασία των Σωμάτων, 2. την Εξάτμιση, το Βρασμό και την Υγροποίηση των Σωμάτων, 3. την Τήξη και την Πήξη των Σωμάτων, 4. τις Δυνάμεις μεταξύ των Σωμάτων, 5. τις Ανανεώσιμες Αποθήκες Ενέργειας"» (επιστημονικός υπεύθυνος: Γ. Θ. Καλκάνης), σε συνεργασία με τις εκδόσεις Ερευνητές Α.Ε., Εκπαιδευτική Ραδιοτηλε- όραση, Υπουργείο Εθνικής Παιδείας και Θρησκευμάτων,