Znajdź zawartość

Fuzja jądrowa może stać się niewyczerpanym źródłem taniej bezpiecznej i ekologicznej energii. Od jej zastosowania dzielą nas dziesięciolecia, ale naukowcy powoli dokonują małych kroków w stronę jej realizacji. W ubiegłym roku w National Ignition Facility uzyskano więcej energii niż wprowadzono do kapsułki z paliwem. Teraz naukowcy poinformowali o udanym teście dynamicznego formowania kapsułek paliwowych wykorzystywanych przy inercyjnym uwięzieniu plazmy. Nowe kapsułki są tańsze i łatwiejsze w produkcji. Stosowane w National Ignition Facility (NIF) inercyjne uwięzienie plazmy polega na oświetleniu potężnymi laserami niewielkiej kapsułki zawierającej izotopy wodoru – deuter i tryt. W wyniku oddziaływania laserów kapsułka jest ściskana olbrzymim ciśnieniem i podgrzewana do wysokich temperatur. W końcu jej osłonka zapada się, dochodzi do zapłonu paliwa i zapoczątkowania fuzji jądrowej. Hipotetyczna elektrownia fuzyjna, działająca w ten sposób, zużywałaby około miliona kapsułek z paliwem dziennie. A obecne metody ich formowania, podczas których stosuje się zamrażanie oraz warstwę kriogeniczną, są bardzo kosztowne i skomplikowane. Przed dwoma laty Valeri Goncharov z Laboratory for Laser Energetics na University of Rochester opisał nową metodą formowania kapsułek z paliwem. Teraz, wraz z Igorem Igumenshchevem i innymi naukowcami, przeprowadził eksperyment, podczas którego dowiódł, że opisana metoda rzeczywiście działa. W procesie dynamicznego formowania kapsułki krople deuteru i trytu są wstrzykiwane w piankową osłonkę. Gdy taka kapsułka zostanie poddana działaniu laserów, najpierw tworzy się sferyczna osłonka, która następnie ulega implozji, zapada się i dochodzi do zapłonu. Taka metoda produkcji jest łatwiejsza i tańsza niż dotychczas stosowana. Szczegóły eksperymentu zostały opisane na łamach Physical Review Letters. Wykorzystanie nowych kapsułek do zainicjowania fuzji będzie wymagało prac nad laserami o dłuższym i silniejszym impulsie, jednak przeprowadzony eksperyment wskazuje, że może być to właściwe rozwiązanie na drodze ku praktycznym elektrowniom fuzyjnym. « powrót do artykułu

Stefan Kaskel i Thomas Heine z Uniwersytetu Technologicznego w Dreźnie oraz Michael Hirscher z Instytutu Systemów Inteligentnych im. Maxa Plancka w Stuttgarcie wykorzystali szkielet metalo-organiczny DUT-8 w roli kwantowego sita do pozyskiwania deuteru, dzięki temu ten cenny izotop wodoru można będzie pozyskiwać znacznie taniej niż obecnie. Istnieją dwa stabilne izotopy wodoru. 1H (prot) stanowi 99,98% wszystkich atomów wodoru, a w jego jądrze znajduje się pojedynczy proton. Drugim ze stabilnych izotopów jest 2H, deuter, który w jądrze zawiera proton i neutron. Deuter ma liczne zastosowania. Jest wykorzystywany zarówno w fuzji jądrowej, pracach nad nowymi lekami i obrazowaniu medycznym. Obecnie deuter pozyskuje się w drodze elektrolizy z wody. To bardzo kosztowny proces, przez co deuter jest droższy od złota. Niemieccy naukowcy uważają, że dzięki wykorzystaniu kwantowego sita pozyskiwanie deuteru może być znacznie tańsze. W 2012 roku naukowcy z Drezna stworzyli nowy typ szkieletu metalo-organicznego. Zbudowany jest on z jonów metali połączonych za pomocą organicznych ligand, dzięki którym tworzy uporządkowaną macierz. Szkielet DUT-8 wyróżnia się niezwykłą elastycznością. Reaguje na zewnętrzną stymulację, dostosowując ligandy, przez co zmienia rozmiary porów. Już w 2012 roku naukowcy wykazali, że DUT-8 pod wpływem wysokiego ciśnienia lub bardzo niskich temperatur blokuje przepływ molekuł wodoru w formie gazowej. Teraz uczeni zbadali reakcję DUT-8 na molekuły złożone z dwóch jąder deuteru. Dzięki zaawansowanym technikom obrazowania naukowcy zauważyli, że w temperaturze ok. -250 stopni Celsjusza i ciśnieniu ok. 24 kPa pory DUT-8 otwierały się w obecności D2. dzięki temu przez sito przechodziło 12-krotnie więcej molekuł D2 niż H2. Dzięki zdobytej w ten sposób wiedzy naukowcy mogli przeprowadzić symulacje całego procesu. Pozwoliło to na opisanie procesu, w wyniku którego pory otwierają się w obecności D2, ale zamykają w obecności H2 i HD. Ponadto obliczenia wykazały, że sito będzie otwierało się też w obecności trytu T2 i DT, ale pozostanie zamknięte dla HT. Naukowcy zapewniają, że ich eksperymenty wykazały, iż wykorzystanie DUT-8 może być efektywną tanią metodą rozdzielania izotopów wodoru z formy gazowej. Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Science Advances. « powrót do artykułu

W brytyjskim tokamaku Joint European Torus (JET) wkrótce rozpoczną się testy mieszanki paliwowej, która w przyszłości może zasilać ITER – największy na świecie eksperymentalny reaktor fuzyjny. Fuzja jądrowa to proces, który zachodzi w Słońcu. Jej opanowanie może zapewnić ludzkości niemal niewyczerpane źródło czystej energii. JET jest 10-krotnie mniejszy od ITER. W grudniu rozpoczęto tam eksperymenty z trytem. Tym samym po raz pierwszy od 1997 roku ludzkość prowadzi reakcje fuzji jądrowej ze znaczącymi ilościami tego pierwiastka. W czerwcu bieżącego roku rozpoczną się testy, podczas których w reakcji będą brały udział równe ilości trytu i deuteru. Dokładnie tak samo ma działać ITER, którego zadaniem będzie doprowadzenie do sytuacji, w której z fuzji jądrowej uzyskamy więcej energii niż w nią włożyliśmy. Dotychczas ludzkości nie udało się uzyskać energetycznego zysku netto z fuzji. W końcu, po latach przygotowań, udało nam się dojść do punktu, w którym możemy rozpocząć testy. Jesteśmy gotowi, mówi Joelle Mailloux, która kieruje programem naukowym w JET. Eksperymenty w JET pomogą naukowcom przewidzieć, w jaki sposób będzie zachowywała się plazma w ITER i odpowiednio dobrać parametry pracy wielkiego tokamaka. To najbliższa symulacja warunków w ITER, jaką w tej chwili możemy wykonać, wyjaśnia Tim Luce, główny naukowiec eksperymentu ITER. Testy, do których przygotowuje się JET, to kulminacja 2 dekad badań. ITER ma ruszyć w 2025 roku. Wówczas będą w nim przeprowadzane niskoenergetyczne reakcje z udziałem wodoru. Jednak od roku 2035 ma używać wyłącznie trytu i deuteru w proporcjach 1:1. Zarówno ITER jak i JET wykorzystują bardzo silne pole magnetyczne do utrzymania i ściśnięcia plazmy. Temperatura w JET może osiągnąć 100 milionów stopni Celsjusza. To wielokrotnie więcej niż w jądrze Słońca. Ostatnie eksperymenty, jakie prowadziła ludzkość z fuzją trytu były przeprowadzone właśnie w JET. Celem było ustanowienie rekordowego stosunku energii uzyskanej do energii włożonej. JET ustanowił wówczas do dzisiaj obowiązujący rekord Q=0,67. Celem tegorocznego eksperymentu jest uzyskanie podobnego wyniku i utrzymanie reakcji przez co najmniej 5 sekund. W ten sposób naukowcy chcą zdobyć dane dotyczące zachowania się plazmy przez dłuższy czas. Praca z trytem stawia przed specjalistami nowe wyzwania. Specjaliści z JET przez ostatnie 2 lata dostosowywali swoje urządzenia i przygotowywali je do pracy z tym radioaktywnym pierwiastkiem. Tryt ma bardzo krótki czas półrozpadu, w naturze występuje w ilościach śladowych, a powstaje jako półprodukt pracy elektrowni jądrowych. Całą światowa produkcja trytu to zaledwie 20 kilogramów. Po uruchomieniu eksperymentów z trytem, wnętrze JET stanie się radioaktywne i ludzie nie będą mieli do niego wstępu przez 18 miesięcy. Musieliśmy zmienić nasze procedury. Wszystko musi zadziałać za pierwszym razem. Nie będziemy mogli tam wejść i czegoś poprawić, wyjaśnia  Ian Chapman. Podczas badań JET wykorzysta mniej niż 60 gramów trytu, który będzie poddawany recyklingowi. Paliwo zawierające ułamek grama trytu będzie wstrzykiwane do tokamaka 3 do 14 razy na dobę. Każde takie wstrzyknięcie będzie stanowiło osobny eksperyment o nieco innych parametrach i z każdego naukowcy uzyskają od 3 do 10 sekund użytecznych danych. W ten sposób chcemy zweryfikować naszą obecną wiedzę i wykorzystać ją do dalszych prac, mówi Mailloux. Podczas części eksperymentów będzie używany tylko tryt, a podczas innych tryt i deuter w równych proporcjach. Dzięki obu rodzajom badań naukowcy chcą zrozumieć, jak na zachowanie się plazmy wpłynie większa masa trytu. Pierwiastek ten ma w jądrze dwa neutrony, tymczasem deuter ma jeden, a wodór – żadnego. Badania takie pozwolą przewidzieć, co w przyszłości będzie się działo w ITER. Masa izotopów wpływa bowiem na pole magnetyczne czy temperaturę plazmy. "Musimy zbadać co się tam dzieje i dlaczego się dzieje", wyjaśnia Anna White, fizyk plazmy z MIT. Inną ważną różnicą w porównaniu z ostatnimi eksperymentami z trytem z roku 1997 jest fakt, że obecnie wnętrze JET zostało wyłożone takimi materiałami osłonowymi, co wnętrze ITER. Jako, że materiały te mogą oddawać energię do plazmy i ją chłodzić, niezwykle istotnym jest zrozumienie, w jaki sposób wpływają one na fuzję. Nie należy też zapominać o jeszcze jednym bardzo ważnym czynniku. Ludziach. Ostatnie eksperymenty z trytem były prowadzone przed 24 laty. Nowe pokolenie fizyków zupełnie nie ma doświadczenia z tym pierwiastkiem. Teraz będą mieli okazję uczyć się od bardziej doświadczonych kolegów. « powrót do artykułu