Jakim termometrem zmierzyć 200 milionów stopni Understand article

Tłumaczenie: Jakub Kościelniak. Pomiar temperatury we wnętrzu reaktora termojądrowego nie jest prostym zadaniem. Dowiedz się więc, jak to się robi - a później nawet wypróbuj na lekcji w szkole!

Zdjęcie dzięki uprzejmości
AMIDAPHAT / Flickr

Joint European Torus (JET) jest największym na świecie tokamakiem, pionierskim urządzeniem do produkcji dużych ilości czystej energii tym samym sposobem, jak we wnętrzu Słońca: w trakcie fuzji lekkie atomy, takie jak wodór, łącząc się tworzą cięższy hel.

Wytwarzanie energii przez
Słońce: dwa jądra wodoru
łączą się, dając jądro deuteru,
pozytron i neutrino. Pozytron
szybko napotyka elektron,
obie cząstki ulegają
anihilacji, pozostaje jedynie
energia. Jądro deuteru łączy
się z kolejnym jądrem
wodoru, dając hel-3. W
ostatniej fazie, dwa jądra
helu-3 łączą się, dając hel-4
i dwa jądra wodoru. Kliknij
na obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Mark Tiele Westra

Tak na prawdę JET w Wielkiej Brytanii – i jego większy następca ITER, budowany na południu Francji – mogą być nawet tysiąc razy wydajniejsze od Słońca, mimo że w reaktorze konieczne jest wytworzenie temperatury dziesięć razy większej, niż w centrum Słońca.

Naukowcy i inżynierowie obmyślili wystarczającą ilość sposobów ogrzania paliwa wodorowego do tych temperatur i zabezpieczenia go przez przetapianiem reaktora poprzez kontrolowanie go za pomocą bardzo silnych pół magnetycznych (jak opisano w Rüth, 2012). Podstawą tych eksperymentów są nie tylko metody kontrolowania reakcji (zobacz Dooley, 2012) ale także pomiaru profili temperaturowych paliwa, od jego rozgrzanego rdzenia do chłodniejszych krawędzi, aby badacze mogli stworzyć optymalne warunki dla zachodzenia fuzji.

Jak naukowcy mierzą
temperaturę w reaktorze
termojądrowym? Zwykły
termometr stopiłby się w
ułamku sekundy

Zdjęcie dzięki uprzejmości
alxpin / iStockphoto

W takich temperaturach paliwo wodorowe przechodzi w czwarty stan skupienia – plazmę. Pomiar temperatury plazmy, która jest dziesięć razy gorętsza od Słońca, stanowi wyzwanie – nie można po prostu wetknąć do niej zwykłego termometru, bo stopiłby się w ułamku sekundy. Problem jest jeszcze bardziej skomplikowany, ponieważ plazma składa się z dwu zupełnie odmiennie naładowanych cząstek: elektronów, które zostały usunięte z atomów i cięższych, dodatnich jonów powstałych na skutek usunięcia elektronów. Kluczem do przeprowadzenia fuzji jest stworzenie gorących jonów, które ulegną połączeniu, ale elektrony mogą inaczej reagować na ogrzewanie – i ulec reakcji w innej temperaturze! Złożone interakcje pomiędzy elektronami i jonami mogą znacząco decydować o powodzeniu eksperymentu fuzji.

Pomimo tych wyzwań fizycy plazmy opracowali wiele metod do określania temperatury (Ryc. 1) – kontrola wyników z różnych metod podnosi rzetelność pomiarów – więc fizycy mogą być pewni, że kontrolują to, co dzieje się wewnątrz jednego z najgorętszych miejsc Układu Słonecznego.

Ryc. 1A: Fragment modelu
eksperymentu JET, pokazano
jedynie systemy pomiaru
temperatury. Promieniowanie
cyklotronowe (purpurowy),
LIDAR / rozpraszanie
thomsonowskie (czerwony),
wymiana ładunkowa
(jasnozielony), spektroskopia
rentgenowska (zielony).
Kliknij na obrazek aby powiększyć
Ryc. 1B (powiększenie):
Przebieg sygnału LIDAR
przez plazmę:
promieniowanie laserowe
wnika poziomo od lewej.
Detektor na górze reaktora
rejestruje promieniowanie
laserowe rozproszone
przez elektrony.
Kliknij na obrazek
aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
EFDA

Temperatura elektronu

Zapętlić pętlę: emisja cyklotronowa elektronów

Pierwszy „termometr” bazuje na wpływie pola magnetycznego na naładowane cząstki. Elektrony, ponieważ są obdarzone ładunkiem, poruszają się ruchem spiralnym wzdłuż linii pola magnetycznego, co powoduje generowanie mikrofal nazywanych promieniowaniem cyklotronowym (Ryc. 2). Im gorętsze – a przez to szybciej poruszające się – są elektrony, tym silniej emitują mikrofale.

Mikrofale pozwalają poznać też profil temperatury elektronów, ze względu na obecność zmiennych pól magnetycznych w reaktorze: im silniejsze pole, tym większa częstotliwość ruchu śrubowego. Rejestrowanie intensywność w funkcji częstotliwości pozwala poznać zależność temperatury dla każdej siły pola magnetycznego. Przyrównując to do przestrzennego rozkładu sił pola magnetycznego, uzyskanego innymi przyrządami, otrzymuje się profil temperatury elektronów.

Ryc. 2: Pole magnetyczne we wnętrzu torusa sprawia, że elektrony poruszają się po spiralnych ścieżkach, emitując promieniowanie o częstotliwości równej częstotliwość ich oscylacji. Im silniejsze pole magnetyczne (np. w kierunku środka torusa), tym węższe ścieżki ruchu, co powoduje wzrost szybkości ruchu śrubowego i wyższą częstotliwość emisji. Intensywność promieniowania jest zależna od prędkości poruszania się elektronu – a więc, od jego temperatury. Im gorętsza plazma, tym silniejszy sygnał. Natężenie pola magnetycznego używane jest także w innych, nie omówionych tu pomiarach; także rozkład temperatur w plazmie może zostać określony na podstawie porównania częstotliwości promieniowania do jego intensywności. Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości EFDA

Radar! LIDAR

Drugi „termometr” JET’a mierzy prędkość cząstek podobnie, jak policyjny radar, z tym, że używa promieniowania laserowego (LIDAR) w miejsce fal radiowych. Światło laserowe rozpraszane jest na elektronach w procesie nazywanym rozpraszaniem thomsonowskim; jeśli elektrony są w ruchu, w rozproszonym świetle widoczne będzie przesunięcie dopplerowskie (Ryc. 3). Bardziej znany jest nam efekt Dopplera obserwowany dla dźwięków: odgłos poruszającego się pojazdu wydaje się wyższy, kiedy jedzie on w naszym kierunku, niż kiedy się oddala. Podobnie, jeśli światło rozproszone będzie przez elektrony w ruchu, jego częstotliwość (kolor) ulegnie przesunięciu dopplerowskiemu do wyższych częstotliwości dla elektronów poruszających się w kierunku detektora i do niższych częstotliwości dla tych, które poruszają się w drugą stronę. Im szybciej elektrony się poruszają, tym przesunięcie częstotliwości jest większe.

Zbiorczym efektem działania wielu elektronów w plazmie – części poruszających się do, a części od detektora – jest poszerzenie wąskiej częstotliwości pasma lasera (Ryc. 1B). Wielkość poszerzenia mówi nam o szybkości elektronu, a przez to o jego temperaturze.

Dwuwymiarowy profil temperaturowy powstaje poprzez połączenie danych zebranych dla wiązek przechodzących przez plazmę pod różnymi kątami. Jest to podobne do tworzenia obrazu 2D z wielu pojedynczych zdjęć rentgenowskich w tomografii komputerowej.

Ryc. 3: Efekt Dopplera w rozpraszaniu thomsonowskim Światło lasera, padające od lewej, jest pochłaniane, a następnie emitowane z powrotem przez elektrony. Detektor umieszczony nad wiązką rejestruje część promieniowania emitowanego do góry. Ruch elektronów względem zarówno wiązki laserowej jak i detektora powoduje występowanie przesunięcia dopplerowskiego rozproszonego światła względem początkowej częstotliwości w kierunku wyższych lub niższych częstości, w zależności od kierunku ruchu.

Elektron A porusza się w stronę lasera i dlatego pochłania promieniowanie przesunięte w stronę błękitu, podczas gdy elektron D porusza się w przeciwnym kierunku, pochłaniając promieniowanie przesunięte w stronę czerwieni, które następnie rozpraszane na absorbowanych falach. Elektrony B i C nie poruszają się względem lasera, więc pochłaniają promieniowanie o niezmienionej częstotliwości. Ponieważ jednak poruszają się one odpowiednio do i od detektora, wtórnie emitowane promieniowanie jest przesunięte dopplerowsko w stronę błękitu lub czerwieni, jak pokazano na rysunku. Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości EFDA

Temperatura jonu

Niestety LIDAR nie radzi sobie z pomiarem temperatury jonów. Wynika to z faktu, że rozpraszanie thomsonowskie zależy od indukowanych oscylacji naładowanych cząstek. Oscylacje ciężkich jonów są słabsze – światło lasera nie ma na nie tak dużego wpływu, jak na lekkie elektrony.

Większa masa jonów oznacza również, że ich częstotliwość cyklotronowa jest zbyt niska, by była użyteczna – długości fal są za długie, aby móc je dokładnie zmierzyć i nakładają się one na pasmo absorpcji plazmy, więc nie opuszczają one plazmy bez interferencji.

W dodatku, jony wodoru w plazmie stają się niewidoczne, ponieważ nie posiadają żadnych elektronów, które są podstawą mechanizmu emitowania promieniowania – poprzez przemieszczanie elektronów pomiędzy orbitalami.

Aczkolwiek, pomiar temperatury umożliwiły zanieczyszczenia plazmy; podczas gdy są niepożądane w dużych ilościach, to ich ślady mogą być w tym celu użyteczne.

Zamiana wspólników: wymiana ładunków

Badania nad fuzją jądrową
zainspirowane są działaniem
Słońca, gdzie zachodzi
łączenie lekkich atomów –
jak wodór – w cięższe jądra
z uwolnieniem energii

Zdjęcie dzięki uprzejmości
EFDA

Najczęstszym zanieczyszczeniem plazmy jest węgiel, który stanowił okładzinę ścian JET’a do 2010 r. Mimo że węglowa okładzina została zastąpiona berylowo-wolframową, to ślady węgla są ciągle obecne w plazmie. Zwykle węgiel jest także niewidoczny, jak wodór, ale może być wykrywany dzięki procesowi nazywanemu wymianą ładunków. Wymaga to wprowadzania do plazmy z wysoką szybkością wiązki atomów wodoru. Kiedy takie atomy napotykają jony węgla, czasami elektron przeskakuje z wodoru na węgiel, co powoduje emisję wyraźnego widma, które jest łatwe do zmierzenia.

Ze względu na wysoką temperaturę, atomy węgla poruszają się bardzo szybko we wszystkich kierunkach, więc ostre pasma widma poszerzają się na tej samej zasadzie, jak sygnał LIDAR (Ryc. 3).

Rentgenowskie oczy: ślady wolframu

Druga metoda pomiaru temperatury jonów – także wykorzystująca zanieczyszczenia – została ostatnio wprowadzona w JET’cie: nowy detektor promieniowania rentgenowskiego. Nieuchronne zanieczyszczenia plazmy małymi ilościami wolframu są spowodowane jego wybijaniem z nowej okładziny ściennej tokamaka. W przeciwieństwie do lekkich atomów, gorący wolfram zwykle zatrzymuje około połowy ze swoich 74 elektronów, nawet w tak drastycznych warunkach temperaturowych, jak rdzeń plazmy; dzięki temu nie staje się niewidoczny – elektrony mogą przeskakiwać między powłokami i emitować promienie X. Poszerzenie dopplerowskie widma promieniowania rentgenowskiego wywołane ruchem jonów pozwala na określenie temperatury (jak na Ryc. 3).

Profile temperaturowe uzyskiwane z czterech systemów pomiarowych są niezbędne do analizy skuteczności systemów grzejnych wykorzystywanych w JET’cie – z których jedna część oddziałuje na elektrony, a inna na jony. Pomiary dają także istotną informację na temat zachowania plazmy w różnych warunkach, włączywszy w to sposoby wzajemnej interakcji elektronów i jonów. Dzięki tej wiedzy naukowcy pracujący przy JET’cie mogą maksymalnie zwiększyć wytwarzanie energii i tym samym stworzyć i utrzymać optymalne dla fuzji warunki.

Pokaz efektu Dopplera

Aby zbadać efekt Dopplera, będziesz potrzebował niewielkiego, zasilanego bateryjne źródła dźwięku, które pozwala emitować stały ton lub kilka dźwięków o stałej wysokości. Niewielki budzik lub telefon komórkowy z jednotonowym sygnałem dzwonka nadadzą się doskonale. Potrzebna będzie także długa skarpeta albo pończocha – im dłuższa, tym lepsza – i wreszcie, dużo wolnego miejsca!

Stojąc na środku uruchom sygnał dźwiękowy, włóż jego źródło do pończochy i zacznij nią kręcić nad głową tak szybko, jak to możliwe. Postronne osoby będą zauważały różnicę w wysokości dźwięku, kiedy jego źródło będzie się do nich zbliżało albo oddalało. Osoba kręcąca źródłem dźwięku będzie słyszała stały ton, ponieważ źródło dźwięku nie oddala się ani nie przybliża, a jedynie znajduje się pod kątem prostym względem niej.

 

Więcej na temat EFDA-JET

W Joint European Torus (JET)w1 bada się możliwość wykorzystania fuzji jako bezpiecznego, czystego i praktycznie nieograniczonego źródła energii dla przyszłych pokoleń. W tokamaku można stworzyć warunki (plazmę o temperaturze 100-200 milionów °C) odpowiednie do zachodzenia fuzji jąder deuteru i trytu, osiągając maksymalną moc 16 MW. Jako wspólne przedsięwzięcie, JET jest zbiorowo używany przez ponad 40 europejskich laboratoriów zajmujących się problemem fuzji. European Fusion Development Agreement (EFDA) jest porozumieniem dotyczącym korzystania z JET’a, już ponad 350 naukowców i inżynierów z całej Europy przystąpiło do programu JET.

EFDA-JET jest członkiem EIROforum w2, wydawcy Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – dowiedz się więcej na temat EFDA-JET.
  • w2 – EIROforum to zrzeszenie ośmiu największych europejskich międzyrządowych ośrodków badawczych, które łączą swoje środki, wyposażenie i doświadczenie aby wspierać europejską naukę w osiągnięciu szczytu możliwości. Jako część działalności edukacyjnej i wspierającej, EIROforum publikuje na łamach Science in School.

Resources

Institution

EUROfusion

Author(s)

Dr Phil Dooley jest pracownikiem działu prasowego i szkoleniowego w EFDA-JET. Urodził się w Canberze w Australii, ukończył doktorat z zakresu fizyki laserowej na Australijskim Uniwersytecie Narodowym. Po porzuceniu uczelni na 18 miesięcy podjął pracę w branży IT w Rarotonga na Wyspach Cooka, po czym powrócił do Australii, gdzie prowadził szkolenia z zakresu oprogramowania. Jednak jego miłość do nauki sprawiła, że wrócił do fizyki, by tym razem zająć się programem pomocy szkołom na Uniwersytecie w Sydney. W październiku 2011 roku Phil dołączył do drużyny EFDA-JET w Oxfordshire w Wielkiej Brytanii.


Review

Niniejszy artykuł opisuje cztery metody używane w największym na świecie eksperymencie fuzji termojądrowej do pomiaru temperatury wewnątrz tokamaka. Ze względu na obecność wysokich temperatur, jakikolwiek zwykły termometr uległby natychmiastowemu stopieniu.

Metody pomiaru angażują pomysły z różnych działów fizyki i chemii, włączywszy w to optykę, elektromagnetyzm, mechanikę oraz naukę o strukturze i energii atomu. Ponadto w artykule zaproponowano pokaz doświadczenia z efektem Dopplera, który częściowo unaocznia niektóre z wykorzystanych metod.

Seria artykułów na temat fuzji opublikowana na łamach Science in School, do której to należy też ten tekst (zobacz wykaz zasobów) ma ogromny, interdyscyplinarny potencjał dla uczniów wyższych klas szkół średnich, ponieważ artykuł ten może posłużyć do rozpoczęcia dyskusji na temat fuzji jądrowej: wykorzystania jej jako źródła odnawialnej energii, sposobów jej prowadzenia oraz jej wad i zalet.


Mariana Martinho, Portugalia




License

CC-BY-NC-ND