Wykorzystanie mocy Słońca: reaktory termojądrowe Understand article

Tłumaczyła Katarzyna Badura. Odnawialna, czysta, nieograniczona energia – jak możemy taką uzyskać? Christine Rüth z EFDA przedstawia  tokamak, najbardziej zaawansowany reaktor termojądrowy.

Zdjęcie dzięki uprzejmości Rita
Thielen / Pixelio

Słońce wytwarza ogromne pokłady energii poprzez  fuzję lekkich jąder atomowych w cięższe cząstki. Gdyby naukowcom udało się przeprowadzić taki proces stabilnie na Ziemi, zyskalibyśmy niewyczerpane i przyjazne środowisku źródło energii. Jednogigowatowa reakcja termojądrowa przeprowadzona w elektrowni zużyłaby przez okres jednego roku jedynie 250kg paliwa i pozwoliła na wyprodukowanie energii bez dodatkowej emisji dwutlenku węgla. Pracująca z taką samą efektywnością elektrownia zasilana węglem zużyłaby przez okres roku 2,7 megatony węgla.

W przeciwieństwie do reakcji rozszczepiania, reakcja termojądrowa nie jest procesem łańcuchowym, co zapewnia jej prawidłowy i pewny przebieg: żeby zatrzymać reakcję wystarczy jedynie odciąć dopływ paliwa. Co więcej, pomimo tego, iż niektóre komponenty reakcji fuzji stają się radioaktywne, ta radioaktywność jest krótkotrwała: materiały te mogą być potem bezpiecznie usunięte już po okresie 100 lat, a nie po kilku tysiącach lat, tak jak jest to wymagane w przypadku produktów reakcji rozszczepienia (więcej informacji dostępnych w publikacji Warrick, 2006).

Ryc. 1: Elektrownia
termojądrowa będzie
przeprowadzać reakcję fuzji
cząsteczki trytonu (dwa
neutrony, niebieskie, jeden
proton, czerwony) i deuteru
(jeden neutron, jeden proton),
generując powstanie atomu
helu-4 i
wysokoenergetycznego
neutronu.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
EFDA-JET

Naukowcy pracujący nad największym eksperymentem fuzyjnym w Europie (tokamakiem), Joint European Torus (JET) w mieście Culham w Wielkiej Brytanii, zrobili przez ostatnie 30 lat znaczące postępy w badaniach nad energią pozyskiwaną drogą fuzji. Mimo to, eksperyment JET nadal wymaga większego wkładu energii niż jej w efekcie daje, co nie jest dobrym rozwiązaniem dla elektrowni. Kolejnym krokiem będzie międzynarodowy eksperyment ITER, który ma zostać rozpoczęty w roku 2019. Oczekuje się, że ITER po raz pierwszy doprowadzi do wyprodukowania energetycznej nadwyżki 500 megawat przy wkładzie 50 megawat (Warrick, 2006). To dowiodłoby faktu, że elektrownie fuzyjne są rentownym rozwiązaniem.

Na czym polega reakcja termojądrowa?

Aby przeprowadzić reakcję termojądrową na Ziemi, naukowcy wybrali najbardziej efektywną reakcję, która zachodzi na Słońcu – fuzję dwóch izotopów wodoru: deuteru i trytu. W wyniku tej reakcji powstaje cząstka alfa – jądro helu-4 oraz neutron, który przenosi 80% energii reakcji termojądrowej (Ryc. 1). Te szybkie neutrony są zatrzymywane przez stalową ścianę reaktora termojądrowego, który przewodzi ciepło do płynów chłodzących, znajdujących się w ścianach reaktora, co ostatecznie wprowadza w ruch turbinę produkującą elektryczność.

Ryc. 2: Schemat budowy
tokamaku JET ukazujący
stalowe naczynie otoczone
przez osiem miedzianych
zwojów produkujących pola
magnetyczne. Po lewej
stronie umieszczony został
człowiek żeby pozwolić na
wyobrażenie sobie rozmiaru
urządzenia.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
EFDA

Układ termojądrowy

Na chwilę obecną, najnowocześniejszym układem termojądrowym jest tokamak. Jego serce stanowi reaktor – naczynie w kształcie zbliżonym do pierścienia, posiadające dużą liczbę otworów grzewczych, pomiarowych oraz wykorzystywanych przez inne systemy, oraz wewnętrzną ścianę wyłożoną wymiennymi płytkami żaroodpornymi (Ryc. 2). Żeby zainicjować reakcję termojądrową, w naczyniu reaktora generuje się wysoką późnię – w eksperymencie JET wartość ta wynosi 0,00000001 milibara – oraz wstrzykuje kilka gram deuteru i trytu. Gaz ogrzewa się do temperatury ponad 10 000 °C, pod wpływem której elektrony uciekają z jądra. Taki zjonizowany gaz nazywany jest plazmą i stanowi czwarty stan skupienia, będąc jednocześnie podstawą do produkcji energii termojądrowej.

Warunki reakcji termojądrowej

Słońce, zobrazowane przez
teleskop obrazujący w
skrajnym ultrafiolecie
(Extreme Ultraviolet Imaging
Telescope) znajdujący się na
pokładzie sondy SOHO (część
projektu badawczego Solar
and Heliospheric
Observatory), znajdującej się
w odległości ok. 1,5 mln km
od Ziemi.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
zespołów ESA, NASA, SOHO /
EIT.

Doprowadzenie do fuzji jąder nie jest takim łatwym zadaniem, bowiem są one dodatnio naładowane i wzajemnie się odpychają, dlatego też żeby doszło do fuzji muszą się zderzyć poruszając się z niezwykle dużą prędkością.w1. Ponieważ prędkość cząsteczek jest ściśle powiązana z temperaturą, temperatura plazmy musi wynosić miliony stopni Celsjusza zanim reakcja termojądrowa się rozpocznie. Pomimo tego, iż plazma traci ciepło na brzegach, potrafi utrzymać wysoki poziom ciepła poprzez absorpcję energii przenoszonej przez jądra helu powstające w tej reakcji, a tym samym proces fuzji może zachodzić tak długo, jak tylko do układu dostarczane jest nowe paliwo. Żeby zainicjować reakcję, plazma musi być wystarczająco gorąca, wystarczająco gęsta (żeby zapewnić odpowiednią szybkość reakcji termojądrowej), oraz wystarczająco długo utrzymywać poziom energii – ten ostatni warunek nazwany jest czasem utrzymania.

Produktem trzech parametrów – temperatury, gęstośli oraz czasu utrzymania jest potrójny produkt, główny parametr w nauce o syntezie termojądrowej. By mogło dojść do inicjacji reakcji termojądrowej, plazma musi posiadać temperaturę rzędu 100-200 milionów °C oraz gęstość około  1020 cząstek w jednym metrze kwadratowym (około  1 mg/m3, co stanowi jedną milionową gęstości powietrza), co więcej stan taki musi być utrzymany przez okres 3-6 sekundw2. Tak wysoka temperatura stanowi nie lada wyzwanie, jednak to nie ogrzewanie stanowi problem (popatrz poniżej). Znacznie trudniejszym do zapewnienia jest czas utrzymania, szczególnie z zachowaniem tak wartości temperatury jak i gęstości, bowiem plazma bardzo szybko wytraca energię oraz cząsteczki (które tą energię również przenoszą).

Jak działa tokamak?

1) Utrzymywanie integralności plazmy: pola magnetyczne

W celu utrzymania wysokiej temperatury oraz ochrony ścian reaktora (które w przeciwnym razie bardzo szybko pokryłyby się rdzą), plazma musi być utrzymywana z dala od ścian reaktora. Żeby tego dokonać naukowcy wykorzystują siłę Lorentza, wygenerowaną eksperymentalnie poprzez wymuszenie ruchu cząsteczek stosowanymi polami magnetycznymi. Siła ta jest prostopadła zarówno do kierunku ruchu cząsteczki jak i działającego pola magnetycznego dlatego wymusza na cząsteczkach rotację wokół linii pola magnetycznego. W rezultacie cząstka porusza się spiralnie wokół linii pola, natomiast jej elektrony i jądro poruszają się w drugą stronę (Ryc. 3).

Ryc 3: Pole magnetyczne B generuje siłę wymuszającą ruch naładowanych cząsteczek. Ta elektromagnetyczna siła działająca na cząsteczkę o ładunku q i prędkości v nazywana jest siłą Lorentza i wynika ze wzoru:
F = qE + q× B
Pierwszy człon (qE) pochodzi z siły elektrycznej. Druga część (qv x B) jest rezutatem działania siły magnetycznej i jest skierowana prostopadle to prędkości v oraz pola magnetycznego B. Siła magnetyczna jest proporcjonalna do q i iloczynu v x B. Uwzględniając kąt ϕ znajdujący się pomiędzy wektorem v i wektorem B wartość siły wynosi qvB sin ϕ.
(Źródło: internetowa Encyclopædia Britannica)
(siły magnetyczne: ruchome ładunki).
Pobrane 23 stycznia 2012r.
 www.britannica.com/EBchecked/media/1319/
Magnetic-force-on-moving-charges
)

A: ruch naładowanych cząsteczek w polu magnetycznym jest efektem działania siły Lorentza i odbywa się po torze wokół lini sił pola. Pozytywnie i negatywnie naładowane cząsteczki poruszają się spiralnie w przeciwnych kierunkach.

B: Ruch cząsteczek, na które nie działa pole magnetyczne

Zdjęcie dzięki uprzejmości EFDA

Rycina 4: Kilka zestawów
cewek wraz z plazmą składa
się na spiralne pole
magnetyczne otaczające
plazmę. Znajdujące się w
centrum cewki plazmoidalne
indukują plazmę. Kliknij na
zdjęcie żeby je powiększyć.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
EFDA.

Najbardziej zaawansowanym projektem magnetycznego urządzenia jest tokamak, pierścieniowa komora próżniowa otoczona cewkami. Prąd elektryczny przepływający przez jeden zestaw cewek (cewki toroidalne, Rycina 4)  tworzy pole magnetyczne w kształcie pierścienia. Natężenie tego toroidalnego pola (w kształcie pączka) nie jest jednolite na całej powierzchni pierścienia, ponieważ cewki są bliżej siebie wewnątrz torusa (pączka). Dlatego też cząsteczki doświadczają działania większej siły Lorenza w momencie, gdy poruszają się rotacyjnie wokół wewnętrznych linii pola. W wyniku tego, przemieszczają się stopniowo od linii pola w stronę krawędzi plazmy.

Żeby ten efekt zredukować, generowane jest drugie, poloidalne pole magnetyczne. Powstałe w ten sposób helikalne pole magnetyczne spiralnie okręca się wokół plazmy, skutecznie ją w ten sposób ograniczając. Najłatwiej jest wygenerować poloidalne pole przy użyciu prądu plazmowego.

Ten z kolei jest generowany wtedy, gdy cząstki plazmy przemieszczają się wzdłuż pierścieni okalających linie pola toroidalnego – elektrony i jony krążące w przeciwnych kierunkach. Prąd ten, podobnie jak przewód, wytwarza wokół siebie pole magnetyczne o kształcie pierścienia. Jest to wywołane przez transformator, w którym sama plazma zachowuje się jak drugi zwój otaczający duże pierwotne uzwojenie (wewnętrzne zwoje pola poloidalnego). Ponieważ plazma ma tendencje do unoszenia się w pionie, dodatkowe pole magnetyczne, wytwarzane przez zewnętrzne zwoje pola poloidalnego jest wykorzystywane do kontroli jej pozycji i kształtu.

2) Ogrzewanie

Żeby ogrzać plazmę do temperatury 100-200 milionów °C, naukowcy fuzyjni wykorzystują trzy komplementarne systemy (Ryc. 5).

Rycina 5: Aby osiągnąć w
plazmie temperature
100-200 millionów °C,
wykorzystuje się trzy
komplementarne systemy:
ogrzewanie omowe,
wstrzyknięcie wiązki
neutralnej oraz ogrzewanie
radiowe. Kliknij na zdjęcie,
żeby je powiękrzyć.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
EFDA
  1. Prąd plazmowy wytwarza ciepło (ogrzewanie omowe) – w taki sam sposób, w jaki ogrzewa się drut, w momencie, ghdy przepływa przez niego prąd.
  2. Wiązki wysokoenergetycznych cząsteczek, zazwyczaj atomów wodorowych, są wstrzykiwane w plazmę, gdzie na drodze kolizji przekazują swoją energię cząsteczkom plazmy (wyobraź sobie szybko toczącą się bilę, która uderza w wolniejszą bilę powodując jej przyspieszenie). Wiązka cząsteczek jest generowana przez przyspieszenie jonów o wysokim napięciu. Ponieważ cząsteczki posiadające ładunek nie mogą przeniknąć przez pole magnetyczne wokół plazmy, przed wstrzyknięciem przekształca się je w neutralne atomy.

W praktyce nie jest to łatwe zadanie. Aby nadać cząsteczkom konieczną prędkość, akcelerator cząsteczek wykorzystuje siłę przyciągania, jaką wysokie napięcie wywiera na naładowanych cząsteczkach (lub jonach). Ponieważ tylko nienaładowane (neutralne) cząsteczki mogą przeniknąć przez pole magnetycznew otaczające plazmę, (nienaładowane) atomy wodoru muszą zostać pozbawione swoich elektronów, przyspieszone i ponownie zneutralizowane przed wstrzyknięciemw3.

  1. Anteny w ścianie zbiornika są wykorzystywane do rozprzestrzeniania w plazmie fal elektromagnetycznych o określonej częstotliwości. Wywołuje to rezonans spiralnie poruszających się cząsteczek plazmy i absorbcję energii fal.

Dlaczego synteza jądrowa trwa tak długo?

Czy elektrownie przyszłości
będą zasilane syntezą
jądrową?

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Khánh Hmoong; źródło zdjęcia:
Flickr

W latach 70. naukowcy wierzyli, że jeśli odpowiednio ogrzeją plazmę i wytworzą odpowiednio duże pole magnetyczne, to osiągną cel, jakim była energia fuzyjna. Niestety okazało się, że plazma jest wysoce niestabilna i traci znacznie więcej energii niż oczekiwano. Od tego momentu naukowcy badali podłoże fizyczne tego fenomenu i rozwijali metody pozwalające na kontrolę tej niestabilności. Jeśli, zgodnie z oczekiwaniami, ITER ostatecznie wygeneruje nadmiar energii fuzyjnej, te kwestie zostaną zaliczone do problemów rozwiązanych, a pierwsza elektrownia termojądrowa będzie gotowa do użytku w roku 2050.

 

Energia fuzyjna

Fuzja jednego trytu (T) i jednego jądra deuteru uwalnia 17,6 MeV energii, z czego 80%, czyli 14,1 MeV, jest przenoszona przez neutron i może zostać wykorzystana do produkcji energii elektrycznej. Przereagowanie 1kg D z 1,5 kg T (masa T jest 1,5 większa od masy D), przy założeniu, że jedno jądro D zawiera jeden proton i jeden neutron, z których każde waży 1,67262·10-27 kg, dostarcza 14,1/(2*1,67262*10-27) = 4,2*1027 MeV.

Jeden kilogram D zawiera 3·1026  jąder (jedno jądro D zawiera jeden proton i jeden neutron, z których każde waży 1,6·10-27 kg). Dlatego też przereagowanie 1 kg D (z 1,5 kg T, jako że masa T jest 1,5 raza większa od masy D) wywołuje 3·1026 reakcji termojądrowych, które dostarczają 14,1 x 3·1026  = 4,2 x 1027 MeV energii.

Elektrownia termojądrowa o wydajności 40% byłaby w stanie wygenerować 70 GWh energii elektrycznej (z 1 eV = 1.6*10-19 J or Ws)  z jednego kilograma D. Wystarczająco, by zaopatrzyć domowych w kraju rozwiniętym 20 przeciętnych gospodarstw.

Deuter można otrzymywać z wody morskiej, w której obecny jest w ilości 35 gram na metr sześcienny. Trytu nie da się co prawda znaleźć w dużych ilościach w środowisku naturalnym, można go jednak otrzymać na drodze reakcji lekkiego metalu litu z częścią neutronów, powstałych w trakcie reakcji termojądrowej:

6Li + n => 4He + 3H + energia

bądź podobnej reakcji z 7Li. Większość minerałów na ziemi zawiera lit, z którego na każde 2,3 kg masy na drodze reakcji można otrzymać 1 kg trytu. Elektrownia termojądrowa produkująca 1 GW energii elektrycznej (wydajność podobna do tej, jaką prezentują elektrownie jądrowe) wykorzysta w skali roku 150 kg T i 100 kg D.

Więcej na temat EFDA-JET

Jako wspólne przedsięwzięcie, JET jest wykorzystywany wspólnie przez ponad 40 europejskich laboratoriów termojądrowych. Europejskie porozumienie na rzecz rozwoju syntezy jądrowej (The European Fusion Development Agreement – EFDA) stanowi platformę z ponad 350 naukowcami i inżynierami z całej Europy, biorącymi udział w programie JET.

EFDA-JET jest członkiem EIROforumw4, wydawcy Science in School.

Podziękowanie

Podziękowania, za wkład w poniższy artykuł, należą się Örs Benedekfi’emu, byłemu szefowi informacji publicznej EFDA.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – W 2007 roku, w ramach międzynarodowego festiwalu Nauki Przyrodnicze na Scenie (Science on Stage), Zoltán Köllö otrzymał nagrodę za prostą prezentację reakcji termojądrowej i bariery kulombowskiej na przykładzie kilku kropli wody i denka puszki na napoje. Żeby dowiedzieć się więcej na ten temat wejdź na: www.esa.int/SPECIALS/Science_on_Stage/SEMRE58OY2F_0.html
    • Żeby dowiedzieć się więcej o festiwalu Science on Scene, sieci zrzeszającej europejskich nauczycieli nauk ścisłych, wejdź na: www.scienceonstage.eu
  • w2 – Żeby dowiedzieć się więcej na temat fuzji, reaktorów fuzyjnych oraz EFDA-JET, sprawdź: www.efda.org
  • w3 – Żeby dowiedzieć się więcej na temat produkcji wiązek wysokoenergetycznych cząsteczek, wejdź na stronę internetową EFDA (www.efda.org) lub skorzystaj z bezpośredniego linku: http://tinyurl.com/neutralbeam
  • w4 – Żeby dowiedzieć się więcej o EIROforum, sprawdź: www.eiroforum.org

Resources

  • Żeby dowiedzieć się więcej na temat reakcji termojądrowych na Słońcu, sprawdź:
  • Jeśli interesuje cię kompleksowy przegląd badań nad syntezą jądrową, prowadzonych w Europie, w tym informacje dotyczące podstaw fizyki plazmy oraz typów reaktorów, jak również piękne animacje i pliki wideo, wejdź na: www.efda.org
  • By zobaczyć jak na drodze przypadku naukowcy wytworzyli plazmę w mikrofalówce i jak ją wykorzystali do swoich badań zobacz:

Institution

EUROfusion

Author(s)

Dr Christine Rüth jest redaktorem Fusion in Europe, newslettera EFDA. Zrobiła tytuł doktora w zakresie badań nad klimatem i uważa obecne zaangażowanie w źródła energii przyjazne środowisku za pasjonujące. Po etapie pracy jako fizyk w przemyśle, zdobyła tytuł magistra w komunikacji naukowej i od tego czasu pracuje jako informator naukowy i technologiczny.


Review

Poniższy artykuł opisuje badania prowadzone nad pozyskiwaniem energii elektrycznej na drodze reakcji fuzji lekkich jąder atomowych – tak jak zachodzi to na Słońcu. Dostarcza nauczycielom fizyki i pozostałych nauk ścisłych informacji poglądowych na temat tego, jak przebiega reakcja fuzji i jakie wyzwania są związane z produkcją energii w elektrowniach termojądrowych.

Problem zmian klimatycznych i efektu cieplarnianego oznacza, że wiele państw ma do rozwiązania kwestię pozyskiwania odnawialnej energii elektrycznej w sposób przyjazdy dla środowiska. Dlatego też poniższy artykuł może być przydatny nie tylko na lekcjach fizyki, ale również biologii, geografii i zajęciach językowych.

Artykuł może posłużyć do zainicjowania dyskusji opartej na wielu zagadnieniach problemowych, w tym:

  • Na czym polega reakcja termojądrowa?
  • Dlaczego nawet po 30 latach badań wciąż jeszcze nie produkujemy energii w elektrowniach jądrowych? Jakie są wyzwania z tym związane?
  • Jakie mogłyby być zalety korzystania z reaktorów termojądrowych?
  • Czy produkcja energii na drodze reakcji termojądrowej jest przyjazna dla środowiska?

Gerd Vogt, Wyższa Szkoła Środowiska i Ekonomii, Yspertal, Austria




License

CC-BY-NC-ND