Znajdź zawartość

Naukowcy z amerykańskich Ames National Laboratory i Iowa State University stoją na czele konsorcjum, które pracuje nad nowymi materiałami dla reaktorów fuzyjnych. Stworzenie odpowiednich materiałów to niezbędny krok, które mają umożliwić komercyjne wykorzystywanie energii z fuzji jądrowej. Badania prowadzone są w ramach programu CHADWICK (Creating Hardened And Durable fusion first Wall Incorporating Centralized Knowledge) ogłoszonego niedawno przez Advanced Research Projects Agency–Energy (ARPA-E). Celem agencji jest promocja i finansowanie zaawansowanych badań nad technologiami pozyskiwania energii. Przed 2 miesiącami ARPA-E ogłosiła warty 30 milionów USD program CHADWICK, do którego zakwalifikowało się 13 projektów. Jedną z głównych trudności w pozyskiwaniu energii w procesie fuzji jądrowej jest odpowiednie uwięzienie plazmy, w której odbywa się reakcja. Uwięziona plazma jest jak miniaturowe Słońce zamknięte w pojemniku, który musi wytrzymać oddziaływanie niezwykle wysokiej temperatury, silne promieniowanie i pola magnetyczne, a jednocześnie efektywnie przekazywać ciepło, które jest zamieniane w elektryczność. Projekt CHADWICK skupia się na pierwszej ścianie reaktora, tej, która otacza plazmę uwięzioną za pomocą silnego pola magnetycznego. Pierwsza ściana składa się z dwóch warstw materiału. Ta wewnętrzna jest blisko plazmy, zewnętrzna pomaga przekazać energię do innych części reaktora. Pierwsza warstwa musi być wytrzymała, odporna na pęknięcia i erozję. Nie może też być przez długi czas radioaktywna, by po wyłączeniu reaktora można było bezpiecznie przeprowadzić prace w jego wnętrzu. Nicolas Arbigay z Ames National Laboratory kieruje pracami nad udoskonaleniem pierwszej warstwy. Głównym materiałem, jaki badamy, jest wolfram. Nie licząc węgla, a właściwie jego niektórych form – jak diament – ma on najwyższą temperaturę topnienia ze wszystkich pierwiastków, stwierdził uczony. Jego laboratorium kupiło ostatnio specjalną platformę do wytwarzania i testowania nowych materiałów. Możemy robić proszki i odlewy różnych stopów, w tym czystego wolframu, wyjaśnia Argibay i dodaje, że w ciągu kilku najbliższych miesięcy laboratorium wzbogaci się w nowe urządzenia, które pozwolą na uzyskiwanie materiałów również w ilości wystarczającej do prowadzenia programów pilotażowych. Ames Lab zainwestowało też w rzadki system pozwalający na badanie materiałów ogniotrwałych w temperaturze znacznie powyżej 1000 stopni Celsjusza i posiada jedyny w USA komercyjny system testowania takich materiałów w temperaturze do 1500 stopni. To niezwykle ważny element prac nad pierwszą ścianą reaktora fuzyjnego. Materiał pierwszej ściany jest tym, co utrzymuje całość. Musi być wytrzymały. W ścianie muszą być zintegrowane różne elementy, jak kanały chłodzące, pozwalające na pozyskiwanie ciepła, wyjaśnia Jordan Tiarks. Pracuje on nad kolejnym aspektem reaktora fuzyjnego. Tiarks specjalizuje się w stalach ODS (stale dyspersyjnie umacniane tlenkami) przyszłej generacji. Stale ODS są wzbogacone ceramicznymi nanocząstkami, co poprawia ich właściwości mechaniczne i pozwala przetrwać wysokie promieniowanie. To, czego się dotychczas nauczyliśmy, chcemy wykorzystać do stworzenia nowego materiału, stopu bazującego na wanadzie, który będzie dobrze sprawdzał się w reaktorach fuzyjnych, mówi Tiarks. Problem w tym, że wanad zachowuje się inaczej niż stal. Ma znacznie wyższą temperaturę topnienia i jest bardziej reaktywny. Nie można go łączyć z ceramiką, więc zespół Tiarksa szuka innych sposobów na tworzenie stopów wanadu. Wykorzystujemy gaz pod wysokim ciśnieniem, by rozbić roztopiony materiał na niewielkie kropelki, które gwałtownie schładzamy i uzyskujemy proszek. Tutaj nie możemy użyć żadnej ceramiki, stwierdza uczony. Dodatkowym problemem jest reaktywność wanadu. Już same proszki są bardzo reaktywne. Jeśli tworzymy z nich aerozol, mogą eksplodować. Na szczęście duża część metali tworzy cienką warstwę tlenu na takich cząstkach, która zapobiega kolejnym reakcjom. Ta warstewka chroni resztę cząstki przed dalszym utlenianiem się. Znaczna część prowadzonych przez nas badań polega na opracowaniu metod zapobiegania gwałtownym reakcjom. Jest to konieczne, by bezpiecznie używać proszku. Jednocześnie zaś nie możemy zbytnio ich utlenić, bo to negatywnie wpłynie na ich właściwości. Opracowanie odpowiednich metod przetwarzania sproszkowanych materiałów opartych na wanadzie pozwoli lepiej kontrolować strukturę drugiej warstwy pierwszej ściany reaktora. Gdy już odpowiedni materiał zostanie uzyskany, jego testowaniem zajmie się zespół profesora Sida Pathaka z Iowa State University. Uczeni nałożą proszek na odpowiednie powierzchnie i będą badali przede wszystkim odporność tak stworzonych paneli na silne promieniowanie reaktora fuzyjnego. Uważają, że nowy materiał będzie bardziej odporny niż dotychczas używane. Jednak, jak zauważa uczony, negatywne skutki promieniowania ujawniają się w materiale ścian reaktora po 10-20 latach. Projekt badawczy będzie trwał 3 lata, więc nie jest możliwe odtworzenie odpowiednich warunków. Dlatego badania będą prowadzone w Ion Beam Laboratory, gdzie materiał będzie bombardowany za pomocą jonów, a nie neutronów, jakby to miało miejsce w reaktorze. Dodatkową zaletą jest fakt, że materiał potraktowany jonami nie będzie radioaktywny, co ułatwi badania. Z kolei negatywną stroną użycia jonów jest bardzo płytka penetracja. Uszkodzenia materiału pojawią się na głębokości 1-2 mikrometrów, więc ich badanie będzie wymagało użycia wyspecjalizowanych narzędzi. Opracowanie komercyjnej fuzji jądrowej stawia przed nami jedne z największych wyzwań technologicznych naszych czasów, jednocześnie jednak niesie ze sobą obietnicę olbrzymich korzyści, w postaci nieograniczonego źródła czystej energii, podsumowuje Tiarks. Fuzja jądrowa – czyli reakcja termojądrowa – to obiecujące źródło energii. Polega ona na łączeniu się atomów lżejszych pierwiastków w cięższe i uwalnianiu energii. To proces, który zasila gwiazdy.  Taki sposób produkcji energii na bardzo wiele zalet. Nie dochodzi tutaj do uwalniania gazów cieplarnianych. Na Ziemi są olbrzymie zasoby i wody i litu, z których można pozyskać paliwo do fuzji jądrowej, deuter i tryt. Wystarczą one na miliony lat produkcji energii. Takiego luksusu nie mamy ani jeśli chodzi o węgiel czy gaz ziemny, ani o uran do elektrowni atomowych. Tego ostatniego wystarczy jeszcze na od 90 (według World Nuclear Association) do ponad 135 lat (wg. Agencji Energii Atomowej). Fuzja jądrowa jest niezwykle wydajna. Proces łączenia atomów może zapewnić nawet 4 miliony razy więcej energii niż reakcje chemiczne, takie jak spalanie węgla czy gazu i cztery razy więcej energii niż wykorzystywane w elektrowniach atomowych procesy rozpadu atomów. Co ważne, w wyniku fuzji jądrowej nie powstają długotrwałe wysoko radioaktywne odpady. Te, które powstają są na tyle mało radioaktywne, że można by je ponownie wykorzystać lub poddać recyklingowi po nie więcej niż 100 latach. Nie istnieje też ryzyko proliferacji broni jądrowej, gdyż w procesie fuzji nie używa się materiałów rozszczepialnych, a radioaktywny tryt nie nadaje się do produkcji broni. Nie ma też ryzyka wystąpienia podobnych awarii jak w Czernobylu czy Fukushimie. Jednak fuzja jądrowa to bardzo delikatny proces, który musi przebiegać w ściśle określonych warunkach. Każde ich zakłócenie powoduje, że plazma ulega schłodzeniu w ciągu kilku sekund i reakcja się zatrzymuje. « powrót do artykułu

Fuzja jądrowa to szansa na produkcję taniej, czystej i bezpiecznej energii. Jednak do jej przeprowadzenia konieczne jest, by plazma w centrum reaktora miała temperaturę około 100 milionów stopni Celsjusza. Jednocześnie trzeba zabezpieczyć reaktor, by się nie roztopił. Dlatego krawędź plazmy musi być izolowana od ścian reaktora. Problem w tym, że na krawędzi pojawiają się niestabilności plazmy brzegowej (ELMs). Powodują one, że cząstki plazmy mogą docierać do ścian reaktora i go uszkadzać. Naukowcy z Unwersytetu Technicznego w Wiedniu (TU Wien) i Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka w Garching zaprezentowali sposób operowania reaktorami termojądrowymi, który – akceptując niewielkie niestabilności brzegowe – unika problemu pojawiania się dużych niestabilności zagrażających integralności reaktora. W toroidalnych tokamakach ultragorące cząstki plazmy poruszają się z wielką prędkością, a potężne magnesy utrzymują je w odpowiedniej odległości od ścian reaktora. Jednak plazmy nie można całkowicie odizolować od reaktora, gdyż trzeba dodawać paliwo i usuwać hel, powstający podczas reakcji. Ruch cząstek plazmy zależy od jej gęstości, temperatury i pola magnetycznego. To elementy, którymi można manipulować, uzyskując różne parametry pracy reaktora. Już kilka lat temu wykazano, że jeśli za pomocą pola magnetycznego nieco zdeformujemy plazmę tak, by jej przekrój nie był eliptyczny, a przypominał trójkąt z zaokrąglonymi rogami i jednocześnie zwiększymy gęstość plazmy na brzegach, unikniemy powstawania najbardziej niebezpiecznych niestabilności brzegowych (ELMs) typu I. Sądzono jednak, że taki scenariusz sprawdzi się tylko w niewielkich maszynach i nie działa w większych reaktorach. Nasze symulacje i eksperymenty pokazują jednak, że w ten sposób można uniknąć niebezpiecznych niestabilności pracy nawet przy parametrach pracy takich reaktorów jak ITER, mówi Lidija Radovanovic, doktorantka z TU Wien. W plazmie o trójkątnym przekroju i przy kontrolowanym wstrzykiwaniu dodatkowych cząstek na krawędziach, dochodzi do tysięcy małych niestabilności na sekundę. Te niewielkie wyrzuty cząstek trafiają w ściany reaktora szybciej, niż jest on w stanie się rozgrzać i schłodzić. Zatem te niestabilności nie wpływają zbytnio na ściany, wyjaśnia główny autor badań, Georg Harrer. Jednocześnie wykazano, że te niewielkie niestabilności zapobiegają powstawaniu dużych niestabilności, groźnych dla reaktora. To jak gotowanie pod przykryciem. Jeśli szczelnie zakryjemy garnek z gotującą się wodą, pod pokrywką wzrośnie ciśnienie i w końcu pokrywka zacznie się unosić i opadać, a para będzie gwałtownie wydobywała. Jeśli jednak pozostawimy niewielką szczelinę, para będzie uchodziła, a pokrywka pozostanie stabilna, dodaje Harrer. To już kolejne w ostatnim czasie badania, która przybliżają nas do momentu opanowania reakcji termojądrowej. Ostatnio informowaliśmy o opracowaniu systemu zabezpieczaniu ścian reaktora bez jego wyłączania, który – jak się okazało – poprawia przy okazji stabilność plazmy. « powrót do artykułu

Przed miesiącem należąca do Pentagonu Defense Innovation Unit przyznała firmie Avalanche Energy grant na stworzenie prototypu urządzenia Orbitron, które ma generować ciepło lub elektryczność na potrzeby napędu prototypowego satelity. Satelita ma trafić w przestrzeń kosmiczną już w 2027 roku. I nie byłoby w tym nic nadzwyczajnego, gdyby nie fakt, że Orbitron ma być niewielkim reaktorem, w którym ma zachodzić... fuzja jądrowa. Ta słynna fuzja, która ma nam zapewnić nieskończone źródło czystej energii, a od której od zawsze dzieli nas tylko 20 lat. Fuzja jądrowa polega na połączeniu dwóch lżejszych atomów w jeden cięższy. Uwalnia się przy tym duża ilość energii. Problem jednak w tym, że aby pokonać siły elektrostatyczne odpychające od siebie atomy potrzeba albo ekstremalnie wysokich temperatur, albo potężnych impulsów laserowych. To zaś wymaga budowy olbrzymich, bardzo skomplikowanych i kosztownych instalacji. Prace nad opanowaniem fuzji jądrowej trwają od lat, pochłonęły już miliardy dolarów, a elektrowni fuzyjnej generującej zysk energetyczny netto jak nie było, tak nie ma. Pomysł Orbitrona opiera się na pracy doktorskiej Toma McGuire'a z 2007 roku, który pracował na MIT nad inercyjnym uwięzieniem elektrostatycznym plazmy (IEC). Idea ta polega na uwięzieniu jonów w polach elektrycznych generowanych przez sferyczne elektrody. Jony krążą w takim polu, przez co mają wiele okazji, by się połączyć. McGuire przeprowadził symulacje zachowania jonów przy różnych ułożeniach katody i zauważył, że niektóre konfiguracje prowadzą do spontanicznego organizowania się plazmy w zsynchronizowane impulsy grup jonów. Grupy takie istniały przez około 1/10 sekundy, a więc tysiące razy dłużej niż samodzielnie poruszające się jony, co zwiększało szanse na zajście fuzji. Kilka lat później pracą McGuire'a zainteresowali się dwaj inżynierowie z Blue Origin. Przed 4 laty założyli oni Avalanche Energy. W marcu bieżącego roku Avalanche Energy zyskała 5 milionów dolarów od inwestorów. Firma złożyła wniosek patentowy na Orbitron. Opisano w nim urządzenie o średnicy kilkudziesięciu centymetrów, w którym strumień jonów pod wpływem pola elektrostatycznego wchodzi na eliptyczną orbitę wokół elektrody. W systemie tym jony mają istnieć przez około sekundę, co wystarczy, by każdy z nich okrążył elektrodę miliony razy. Avalanche twierdzi, że uzyskała już tą metodą neutrony powstałe w wyniku fuzji jądrowej. Orbitron o średnicy 10 cm ma dostarczać 1 kW mocy. Możliwe byłoby grupowanie takich urządzeń, co pozwoliłoby niewielkim pojazdom na swobodne manewrowanie w przestrzeni kosmicznej. Teraz Avalanche musi wykazać, że to wszystko jest możliwe i w ciągu 5 lat dostarczyć działający prototyp. Eksperci zajmujący się fuzją jądrową sceptycznie podchodzą do pomysłu. Jedni zwracają uwagę, że bardzo trudno będzie osiągnąć odpowiednie zagęszczenie jonów bez zaburzenia ich orbitalnego ruchu wokół elektrody. Inni przypominają, że fuzja nie jest jedynym, co może się zdarzyć, gdy dwa jony zbliżą się do siebie. Prawdopodobieństwo zajścia fuzji jest znacznie mniejsze niż np. prawdopodobieństwo rozproszenia. Kolejnym problemem mogą być neutrony, których uzyskaniem pochwaliła się Avalanche. Bez odpowiednich osłon mogą one uszkodzić pojazd kosmiczny, ładunek czy zaszkodzić zdrowiu znajdujących się w pobliżu ludzi. Właściciele firmy Avalanche mogą się więc pocieszać, że jeśli nie wyjdzie im z napędem, być może opracują tanie źródło neutronów, które już teraz znajdują wiele zastosowań od obrazowania medycznego po bezpieczeństwo. « powrót do artykułu

Po trzech latach pracy inżynierom z MIT udało się zwiększyć moc wysokotemperaturowego nadprzewodzącego elektromagnesu dla reaktorów fuzyjnych do rekordowych 20 tesli. Tym samym stworzyli najpotężniejszy magnes tego typu. Osiągnięcie to pozwoli na zbudowanie pierwszej elektrowni fuzyjnej, zdolnej do wygenerowania większej ilości energii niż sama pobiera. Przed zaledwie 3 miesiącami informowaliśmy, że po dziesięciu latach prac projektowych i produkcyjnych firma General Atomics jest gotowa do dostarczenia pierwszego modułu Central Solenoid, jednego z najpotężniejszych magnesów na świecie. Będzie on centralnym elementem reaktora fuzyjnego ITER. Central Solenoid to główny wkład USA w tę instalację. Będzie on generował pole magnetyczne o mocy 13 tesli, czyli 280 000 razy większe od ziemskiego pola magnetycznego. Magnes z MIT generuje pole magnetyczne silniejsze o 50%. Reaktory fuzyjne wytwarzają energię metodą fuzji jądrowej, w czasie której lżejsze pierwiastki łączą się w cięższe. Taki proces zachodzi na Słońcu. Fuzja to pod wieloma względami najdoskonalsze źródło czystej energii. Ilość energii, jaką może dostarczyć zupełnie zmieni reguły gry. Paliwo do fuzji jądrowej można uzyskać z wody, a Ziemia jest pełna wody. To niemal niewyczerpane źródło energii. Musimy tylko dowiedzieć się, jak go używać, mówi profesor Maria Zuber, wiceprezydent MIT ds. badawczych. Osiągnięcie naukowców z MIT daje nadzieję na uzyskanie w laboratorium zysku energetycznego netto drogą fuzji jądrowej. To zaś znakomicie ułatwi i przyspieszy prace nad tą technologią. Teraz, gdy udało się przeprowadzić udane testy tak potężnego magnesu dla reaktorów fuzyjnych konsorcjum MIT-CMS będzie chciało wybudować pierwszą na świecie demonstracyjną elektrownię fuzyjną, zwaną SPARC, uzyskującą dodatni bilans energetyczny. Wspomniany magnes to krok milowy na drodze do jej budowy. Dzięki niemu jest szansa, że SPARC powstanie już za 4 lata. CFS (Commonwealth Fusion Systems) to firma założona w 2018 roku w Plasma Science and Fusion Center na MIT. Jest finansowana m.in. przez włoski koncern ENI, założoną przez Billa Gatesa Breakthrough Energy Ventures  czy singapurską Temasek. Firma współpracuje z Departamentem Energii, MIT oraz Princeton Plasma Physics Laboratory, a jej celem jest wybudowanie kompaktowej elektrowni fuzyjnej opartej na stworzonej na MIT koncepcji tokamaka ARC. Żeby zrozumieć, po co w reaktorach fuzyjnych tak potężne magnesy, trzeba wiedzieć, że do zaistnienia fuzji jądrowej potrzebne są olbrzymie temperatury, sięgające 100 milionów stopni Celsjusza i więcej. Takich temperatur nie wytrzyma żadne ciało stałe. Dlatego też plazmę, w której będzie zachodziła fuzja, trzeba utrzymać z dala od ścian reaktora. Można to zrobić za pomocą silnego pola magnetycznego. I właśnie temu – zawieszeniu plazmy w przestrzeni – służą potężne elektromagnesy. Główna innowacja projektu ARC polega na wykorzystaniu wysokotemperaturowych nadprzewodników, które pozwalają na uzyskanie znacznie silniejszego pola magnetycznego w mniejszej przestrzeni. Materiały pozwalające na stworzenie takiego magnesu pojawiły się na rynku dopiero kilka lat temu. Koncepcja ARC powstała w 2015 roku. Demonstracyjny reaktor SPARC ma być o połowę mniejszy niż pełnowymiarowy ARC i ma posłużyć do przetestowania projektu. Prace nad fuzją jądrową trwają na MIT od dawna. W ubiegłym roku pojawiło się kilka artykułów naukowych, których autorzy donosili, że jeśli uda się wyprodukować takie magnesy, jak założono, to reaktory typu ARC rzeczywiście powinny wytwarzać więcej energii niż zużyją. Nasz projekt wykorzystuje standardową fizykę plazmy oraz projekt i założenia inżynieryjne konwencjonalnego tokamaka, ale łączy je z nową technologią wytwarzania magnesów. Zatem nie potrzebowaliśmy innowacji na kilku polach. Naszym celem było stworzenie odpowiedniego magnesu, a następnie zastosowanie w praktyce tego, czego nauczyliśmy się w ciągu ostatnich kilku dekad, mówi Martin Greenwald z Plasma Science and Fusion Center. To wielka chwila, dodaje Bob Mumgaard, dyrektor wykonawczy CFS. Dysponujemy teraz platformą, która dzięki dziesięcioleciom badań nad tego typu rozwiązaniami jest bardzo zaawansowana z naukowego punktu widzenia i jednocześnie bardzo interesująca z komercyjnego punktu widzenia. To pozwoli nam szybciej budować mniejsze i tańsze reaktory. Trzy lata temu ogłosiliśmy, że zamierzamy zbudować magnes o mocy 20 tesli, który będzie potrzebny do przyszłych reaktorów fuzyjnych. Osiągnęliśmy nasz cel bez żadnych opóźnień, dodaje.   « powrót do artykułu

Po dziesięciu latach prac projektowych i produkcyjnych firma General Atomics jest gotowa do dostarczenia pierwszego modułu Central Solenoid, jednego z najpotężniejszych magnesów na świecie. Będzie on centralnym elementem ITER. Ten reaktor fuzyjny, który ma produkować energię metodą fuzji jądrowej – tak jak powstaje ona w Słońcu – jest budowany we Francji przez 35 krajów. Central Solenoid, największy z magnesów ITER to główny wkład USA w instalację. Potężny magnes będzie składał się z sześciu modułów. Jego wysokość sięgnie 18, a szerokość 4,25 metrów. Będzie ważył 1000 ton. Jego zadaniem będzie indukowanie pola magnetycznego, które pomoże kontrolować plazmę ITER. Central Solenoid będzie naprawdę potężny. Generowane przezeń pole magnetyczne o mocy 13 tesli będzie 280 000 razy silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi. Byłoby ono w stanie unieść lotniskowiec na wysokość 2 metrów. Struktury podtrzymujące to wielkie urządzenie będą musiały wytrzymać siły dwukrotnie przekraczające ciąg promu kosmicznego. General Atomics zakończył w bieżącym roku testy pierwszego modułu Central Solenoid. W ciągu najbliższych dni zostanie on załadowany na specjalną ciężarówkę, przewieziony do Houston, skąd popłynie do Francji. To jeden z największych, najbardziej złożonych i najbardziej wymagających projektów związanych z magnesami, jaki kiedykolwiek został podjęty. To najważniejsze przedsięwzięcie naszych karier, stwierdził John Smith, dyrektor GA ds. inżynieryjnych i projektowych. Nad projektem i produkcją magnesów czuwają specjaliści z Oak Ridge National Laboratory, w którym siedzibę ma US ITER. Pozostałych pięć dodatkowych modułów Central Solenoid, plus jeden zapasowy, są na różnym etapie tworzenia. Moduł 2. ma trafić do Francji już w sierpniu. ITER to największy z prowadzonych projektów prac nad uzyskaniem energii fuzyjnej. Bierze w nim udział 35 krajów. Zgodnie z umową z 2006 roku każdy członek ITER w równej mierze skorzysta z technologii opracowanych przy projekcie. Różne kraje finansują go jednak w różnym stopniu. Stany Zjednoczone finansują około 9% kosztów budowy. ITER to najbardziej złożony projekt współpracy naukowej w historii, mówi dyrektor ITER Organization, doktor Bernard Bigot. Od 10 lat na trzech kontynentach tworzone są komponenty, których nigdy wcześniej nie budowano. Bez globalnej współpracy ITER nie mógłby powstać. Jednak dzięki niej, każdy z zespołów korzysta z doświadczeń innych. Na wspólnym projekcie korzystają również poszczególne kraje. Wiele z nich prowadzi też własne badania nad fuzją jądrową. Pracując nad ITER rozwijają własny przemysł, naukę, zapewniają miejsca pracy wysoko wykwalifikowanej kadrze. « powrót do artykułu