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

Zespół z Lawrence Livermore National Laboratory po raz drugi uzyskał w wyniku fuzji jądrowej (reakcji termojądrowej) więcej energii niż zostało wprowadzone do kapsułki paliwowej. Pierwszy raz o takim wydarzeniu usłyszeliśmy w grudniu ubiegłego roku. Teraz energii uzyskano więcej niż wówczas. Szczegóły poznamy podczas zbliżających się konferencji naukowych oraz z opublikowanych artykułów w recenzowanych magazynach. Musimy jednak pamiętać, że mamy tutaj do czynienia z przełomem naukowym, jednak do wykorzystania energii z fuzji jądrowej droga jeszcze daleka. Obecnie potrafimy uzyskiwać energię w elektrowniach atomowych z rozpadu cięższych atomów na lżejsze. Elektrownie atomowe to ekologiczne i stabilne źródło energii, jednak wytwarzają wysoce radioaktywne odpady, które pozostają radioaktywne przez setki i tysiące lat, ponadto opierają się na ograniczonych zasobach paliwa. Wedle różnych szacunków paliwa do nich wystarczy na od 90 do ponad 130 lat. Fuzja jądrowa pozbawiona jest tych wad. Polega ona na łączeniu dwóch izotopów wodoru – zwykle deuteru i trytu – w cięższy hel. Powstają przy tym co prawda odpady promieniotwórcze, ale ich promieniotwórczość jest stosunkowo niska i przestają one sprawiać problem w ciągu kilkudziesięciu lat. Ponadto dysponujemy praktycznie nieograniczonymi zasobami wodoru. Dlatego też od dziesiątków lat naukowcy pracują nad opanowaniem fuzji jądrowej i uzyskaniu z niej zysku energetycznego netto. Dotychczas się to nie udało. W grudniu ubiegłego roku naukowcy z National Ignition Facility poinfomrowali o uzyskaniu z fuzji jądrowej większej ilości energii niż została wprowadzona do kapsułki z paliwem w celu rozpoczęcia reakcji. Było to ważne wydarzenie z naukowego punktu widzenia. Jednak nie z praktycznego. Ilość energii potrzebna do przeprowadzenia eksperymentu była bowiem co najmniej 100-krotnie większa, niż ilość energii uzyskanej. Teraz ten sam zespół uzyskał więcej energii niż w grudniu. « powrót do artykułu

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

W ostatnich dniach media informowały o przełomie w dziedzinie fuzji jądrowej. W National Ignition Facility (NIF) przeprowadzono fuzję jądrową (reakcję termojądrową), podczas której uzyskano więcej energii niż jej wprowadzono do kapsułki z paliwem. To ważne osiągnięcie naukowe, jednak nie oznacza, że w najbliższym czasie będziemy masowo produkowali energię tą metodą. Ilość pozyskanej energii jest bowiem co najmniej 100-krotnie mniejsza niż ilość energii użytej. Cały proces w NIF rozpoczyna się od wygenerowania 1 słabej wiązki lasera, która jest wielokrotnie rozszczepiania i wzmacniana. Po przebyciu 1500 metrów, w cel – kapsułkę z paliwem o średnicy 2-3 milimetrów – trafiają 192 potężne wiązki. Niedawno, 5 grudnia, dostarczyły one do kapsułki 2,05 megadżuli (MJ) energii inicjując reakcję, w wyniku której uwolniło się 3,15 MJ energii. Jednak cały proces generowania wiązek pochłonął... 322 MJ. Jak więc widzimy, tak naprawdę odzyskano około 1% energii, wprowadzonej do paliwa w celu uzyskania zapłonu. A mowa tutaj tylko o energii zużytej przez lasery. Co więcej, jeśli chcielibyśmy taką reakcję wykorzystać w praktyce, musielibyśmy jeszcze energię cieplną zamienić na energię elektryczną, np. za pomocą turbiny parowej. Taka zamiana nie jest darmowa i znaczna część energii cieplnej nie ulega zamianie na energię elektryczną. Straty mogą sięgać 50%. A to oznacza, że uzyskalibyśmy 200-krotnie mniej energii, niż włożyliśmy. Musimy pamiętać, że NIF to infrastruktura badawcza, a nie komercyjna. Nie projektowano jej pod kątem wydajności, ale z myślą o uzyskaniu najpotężniejszych wiązek laserowych. Instalacja służy trzem celom: badaniom nad kontrolowaną fuzją jądrową, badaniom procesów zachodzących we wnętrzach gwiazd oraz stanowi część programu utrzymania, konserwacji i zapewnienia bezpieczeństwa broni atomowej, bez konieczności przeprowadzania testów nuklearnych. Osiągnięcie z 5 grudnia jest istotne z naukowego punktu widzenia. Przede wszystkim udowodniono, że za pomocą inercyjnego uwięzienia plazmy możliwe jest zainicjowanie fuzji jądrowej, w wyniku której uzyskuje się więcej energii niż ta potrzebna do rozpoczęcia reakcji. Udany eksperyment pokazuje też, że NIF pozwoli naukowcom na badanie zjawisk zachodzących podczas eksplozji jądrowych. Wielu ekspertów wątpi, czy technologia wykorzystywana przez NIF pozwoli kiedykolwiek na komercyjną produkcję energii. Żeby w ogóle o tym myśleć stosunek energii pozyskanej do energii włożonej musiałby zwiększy się o co najmniej 2 rzędy wielkości. A to tylko jeden z wielu problemów naukowych i technologicznych, jakie należy rozwiązać. Wykorzystywane w NIF inercyjne uwięzienie plazmy to technologia inna niż magnetyczne uwięzienie plazmy, którą rozwijają naukowcy pracujący przy tokamakach czy stellaratorach. Każda z nich zmaga się ze swoimi problemami. Jednak wszystkie zapewne odniosą olbrzymie korzyści z osiągnięć specjalistów z National Ignition Facility. Osiągnięcie bowiem tak ważnego punktu w pracach nad fuzją termojądrową zwiększy zainteresowanie tymi technologiami, co powinno przełożyć się na większe inwestycje w ich rozwój. Musimy bowiem pamiętać, że świat potrzebuje nowych źródeł energii. Uranu do elektrowni atomowych wystarczy jeszcze na od 90 (według World Nuclear Association) do ponad 135 lat (wg. Agencji Energii Atomowej). Fuzja jądrowa napędzana jest trytem i deuterem, które można pozyskiwać z wody i litu. Dostępne na Ziemi zasoby wystarczą na miliony lat. 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. Jest ona 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. W końcu, nie ma też ryzyka wystąpienia podobnych awarii jak w Czernobylu czy Fukushimie. « powrót do artykułu

Naukowcy z National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory zauważyli, że jony w reaktorze fuzyjnym zachowują się inaczej, niż wynika z obliczeń. Prowadzone w NIF badania dadzą lepszy wgląd w działanie reaktorów fuzyjnych, w których reakcja inicjowana jest za pomocą potężnych impulsów laserowych. Specjaliści z całego świata próbują odtworzyć reakcje fuzji jądrowej zachodzące na Słońcu. Ich opanowanie dałoby ludzkości niemal nieograniczone źródło czystej energii. W NIF wykorzystuje się zespół 192 laserów, za pomocą których kompresuje się kapsułki z trytem i deuterem, zapoczątkowując fuzję jądrową. To koncepcja znana jako ICF (Inertial Confinement Fusion – inercyjne uwięzienie plazmy) Przed kilkoma dniami na łamach Nature Physics opublikowano artykuł, z którego dowiadujemy się, że zmierzona energia neutronów – przynajmniej podczas najbardziej intensywnej fazy fuzji – jest wyższa niż spodziewana. To oznacza, że jony biorące udział w fuzji mają większą energię. To coś czego się nie spodziewaliśmy i nie byliśmy w stanie przewidzieć na podstawie standardowych równań opisujących ICF, mówi fizyk Alastair Moore, główny autor artykułu. Eksperci nie są pewni, co spowodowało obserwowane zjawisko, podkreślają jednak, że to jeden z najbardziej bezpośrednich pomiarów jonów biorących udział w fuzji. Pomiary oznaczają, że teoretycy będą musieli zmodyfikować teorie i wzory, którymi posługują się specjaliści z NIF. Jest tutaj też powód do optymizmu. Dzięki lepszym teoriom wyjaśniającym obserwowane zjawiska, być może uda się opracować metodę zainicjowania długotrwałej samopodtrzymującej się reakcji. Zaobserwowanie niespodziewanego zachowania jonów było możliwe dzięki opracowaniu nowej technologii detektorów, nazwanej Cherenkov nToF. Dzięki niej niepewność odnośnie prędkości neutronów wynosi zaledwie 5 km/s czyli 1/10 000. Średnia energia neutronów uzyskiwana podczas reakcji w NIF oznacza, że poruszają się one z prędkością ponad 51 000 km/s. Jednym z możliwych wyjaśnień zaobserwowanego zjawiska jest stwierdzenie, że jony deuteru i trytu nie są w równowadze. Potrzebujemy bardziej zaawansowanych symulacji, by to zrozumieć. Współpracujemy na tym polu z Los Alamos National Laboratory, Imperial College London i MIT, dodaje Moore. « 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

Większość przedsiębiorstw działających na rynku energii fuzyjnej przewiduje, że pierwszy prąd z elektrowni termojądrowych trafi do sieci już w latach 30. obecnego stulecia. Tak wynika z pierwszego raportu na temat światowego stanu energetyki fuzyjnej. Został on opublikowany przez Fusion Industry Association (FIA) oraz UK Atomic Energy Authority (UKAEA). 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, mówiła niedawno profesor Maria Zuber, wiceprezydent MIT ds. badawczych. Informowaliśmy wówczas o przełomie dokonanym na MIT i możliwości pojawienia się za 4 lata reaktora, który wytworzy energię netto. Obecnie na całym świecie istnieje co najmniej 35 firm działających na rynku fuzji jądrowej. Większość z nich to przedsiębiorstwa z USA i Europy. Dwanaście z tych 35 firm zadeklarowało, że dopiero rozpoczyna działalność lub też woli nie ujawniać swojego istnienia, zatem nie zostały uwzględnione w raporcie. Z pozostałych 23 firm kolejny tuzin działa nie dłużej niż 5 lat. Wśród 23 uwzględnionych w raporcie firm w USA działa 13, a w Europie 7, czego 5 w Wielkiej Brytanii. Z raportu The Global Fusion Industry in 2021 dowidujemy się, że prywatne przedsiębiorstwa zajmujące się fuzją termojądrową otrzymały od lat 90. finansowanie w wysokości ponad 1 miliarda 872 milionów USD, z czego 1,786 miliarda pochodziło ze źródeł prywatnych, a 85 milionów ze dotacji rządowych. W przedsiębiorstwa te inwestują m.in. Bezos Expeditions, Breakthrough Energy Ventures, Capricorn Investment Group, Chevron Technology Ventures, Google, Eni, Wellcome Trust czy Oxford Sciences Innovation. Nie każde z badanych przedsiębiorstw przyznało, jakie finansowanie otrzymało. Informacji takiej udzieliło 18 firm. Najwięcej pieniędzy, bo aż 85% całego finansowania, trafiło do 4 największych graczy na tym rynku. Są to Commonwealth Fusion Systems (USA, powstało w 2018 r.), General Fusion (Kanada, 2002 r.), , TAE Technologies (USA, 1998 r.) oraz Tokamak Energy (Wielka Brytania, 2009 r.). Głównym celem firm pracujących nad fuzją jądrową jest produkcja energii elektrycznej, jednak niemal połowa takich przedsiębiorstw planuje też wykorzystanie tej technologii jako napędu pojazdów kosmicznych, napędu statków i okrętów, pozyskiwania wodoru i dostarczania ciepła na potrzeby przemysłu. Przedsiębiorstwa z rynku fuzyjnego zatrudniają przede wszystkim inżynierów, którzy stanowią 51% ich załóg. Kolejnych 26% pracowników to naukowcy. Najpopularniejszymi rozwijanymi technologiami są magnetyczne uwięzienie plazmy, nad którym pracuje 13 z 23 ankietowanych przedsiębiorstw oraz magnetyczno-inercyjne uwięzienie plazmy (5 przedsiębiorstw). Najbardziej interesująca zaś była odpowiedź na pytanie, kiedy po raz pierwszy, gdzieś na świecie do sieci trafi prąd z elektrowni termojądrowej. Aż 17 przedsiębiorstw odpowiedziało, że stanie się to w przyszłej dekadzie. Z kolei 11 uważa, że w przyszłej dekadzie fuzja zostanie po raz pierwszy wykorzystana w roli napędu w przestrzeni kosmicznej. Największym i najbardziej znanym projektem związanym z fuzją jądrową jest budowany we Francji międzynarodowy reaktor ITER, który ma rozpocząć pracę jeszcze przed końcem dekady. Będzie to jednak reaktor eksperymentalny, który nie będzie wytwarzał energii netto. Innymi słowy, pochłonie więcej energii niż wytworzy. Podobnym projektem jest brytyjski STEP. Ma on ruszyć w latach 40. To zaś pokazuje, że firmy prywatne, chociaż ze znacznie mniejszym rozgłosem, planują zastosowanie fuzji jądrowej w praktyce znacznie szybciej, niż organizacje rządowe. Jednak będą to robiły na znacznie mniejszą skalę. Nasz raport pokazuje, że prywatny rynek fuzji jądrowej, bez rozgłosu, szybko przybliża nas do chwili rozpoczęcia komercyjnego dostarczania energii z reaktorów termojądrowych, mówi Melanie Windridge z FIA. Jej zdaniem pierwsze prywatne reaktory termojądrowe zaczną działać w latach 30., a w kolejnej dekadzie dostarczą energię na zasadach komercyjnych. « powrót do artykułu

Jednym z największych problemów, z jakim stykają się specjaliści pracujący przy fuzji jądrowej, są swobodnie przyspieszające elektrony, które w końcu osiągają prędkości bliskie prędkości światła czyli stają się cząstkami relatywistycznymi. Tak szybkie elektrony uszkadzają tokamak, w których przeprowadzana jest reakcja termojądrowa. Naukowcy z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) wykorzystali nowatorskie narzędzia diagnostyczne, dzięki którym są w stanie zarejestrować narodziny takich elektronów oraz liniowy i wykładniczy wzrost ich energii. Musimy być w stanie zarejestrować te elektrony przy ich początkowym poziomie energii, a nie dopiero wówczas, gdy mają maksymalną energię i przemieszczają się niemal z prędkością światła, wyjaśnia fizyk Luis Delgado-Aparicio, który stał na czele zespołu badawczego pracującego przy Madison Symmetric Torus (MST) na University of Wisconsin-Madison. Następnym krokiem będzie zoptymalizowanie sposobów na powstrzymanie tych elektronów, zanim ich liczba zacznie się lawinowo zwiększać, dodaje uczony. Reakcja termojądrowa czyli fuzja jądrowa, zachodzi m.in. w gwiazdach. Gdyby udało się ją opanować, mielibyśmy dostęp do niemal niewyczerpanego źródła czystej i bezpiecznej energii. Zanim jednak to się stanie, konieczne jest pokonanie kilku poważnych przeszkód. Dlatego też PPPL we współpracy z University of Wisconsin zainstalowało w MST specjalną kamerę, która już wcześniej sprawdziła się w tokamaku Alcator C-Mod w Massachusetts Institute of Technology. Kamera ta rejestruje nie tylko właściwości plazmy, ale również dystrybucję energii w czasie i przestrzeni. To pozwala uczonym obserwować m.in. wspomniane elektrony, które powstają przy niskich energiach. Badania nad superszybkimi elektronami prowadzone są w MST, gdyż urządzenie to skonstruowane jest tak, że elektrony te nie zagrażają jego pracy. Możliwości, jakimi dysponuje Luis, odnośnie zlokalizowania miejsca narodzin i początkowego liniowego wzrostu energii tych elektronów, a następnie ich śledzenia, są fascynujące. Następnym etapem będzie porównanie uzyskanych wyników z modelami komputerowymi. To pozwoli nam na lepsze zrozumienie tego zjawiska i może prowadzić w przyszłości do opracowania metod zapobiegających tworzeniu się takich elektronów, mówi profesor Carey Forest z University of Wisconsin. Chciałbym zebrać wszystkie doświadczenia, jakich nabyliśmy podczas pracy z MST i zastosować je w dużym tokamaku, stwierdza Delgado-Aparicio. Niewykluczone, że już wkrótce dwaj doktorzy, których mentorem jest Delgado-Aparicio, będą mogli wykorzystać te doświadczenia w Tungsten Einvironment in Steady-state Tokamak (WEST) we Francji. Chcę razem z nimi wykorzystać kamery do rejestrowania wielu różnych rzeczy, takich jak transport cząstek, ogrzewanie falami radiowymi, badanie szybkich elektronów. Chcemy dowiedzieć się, jak spowodować, by elektrony te stały się mniej szkodliwe. A to może być bardzo bezpieczny sposób pracy z nimi. Z Delgado-Aparicio współpracuje kilkudziesięciu specjalistów, w tym naukowcy Uniwersytetu Tokijskiego, japońskich Narodowych Instytutów Badań i Technologii Kwantowych i Radiologicznych czy eksperci ze szwajcarskiej firmy Dectris, która wytwarza różnego typu czujniki. « powrót do artykułu

Świat potrzebuje nowych źródeł energii. Musimy odejść od energetyki opartej na węglu, jednocześnie jednak coraz większym miastom energii nie zapewnią elektrownie wiatrowe czy słoneczne. Energetyka atomowa wciąż zaś budzi liczne obawy. Potrzebne jest czyste, bezpieczne, pewne, efektywne źródło, z którego można produkować duże ilości energii, a które nie będzie zajmowało tak olbrzymich obszarów, jak farmy wiatrowe czy słoneczne. Takim źródłem może być reaktor fuzyjny. Kanadyjscy eksperci twierdzą, że dzięki ostatnim postępom technologicznym oraz prywatnym inwestycjom pierwsze komercyjne reaktory produkujące energię z fuzji jądrowej mogą pojawić się już za 10–15 lat. Fuzja jądrowa polega na łączeniu lekkich jąder w jądro cięższe. Jest to więc inne zjawisko niż to, które zachodzi w reaktorach atomowych, gdzie cięższe jądra są rozszczepiane. Wiąże się to z uwolnieniem energii i niebezpiecznego promieniowania. Koszty awarii i wypadków w elektrowniach atomowych są niezwykle wysokie. Konieczność zapewnienia bezpieczeństwa powoduje, że koszty budowy elektrowni atomowych stały się zbyt wysokie. W ubiegłym tygodniu firma Hitachi zrezygnowała z budowy elektrowni w Wielkiej Brytanii, odpisując na poczet strat 3 miliardy dolarów. Dlatego też elektrownie atomowe są obecnie budowane w głównej mierze z pieniędzy podatników lub też przez nie gwarantowane. A koszty budowy, użytkowania i składowania odpadów z takich elektrowni ciągle rosną. Jednocześnie zaś ciągle spadają koszty pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Elektrownie atomowe stały się więc nieopłacalne, a źródła odnawialne nie zapewniają wystarczającej ilości energii. Problemem jest bowiem gęstość energii. Rozrastające się miasta, których mieszkańcy używają coraz więcej urządzeń wymagających energii elektrycznej i których przyszłością są samochody elektryczne potrzebują skoncentrowanych źródeł energii. Jeśli spróbujemy przestawić się na energię odnawialną, to gęstość źródeł energii spadnie, gdy tymczasem potrzebujemy jej wzrostu. Przejście na energetykę odnawialną wymaga też całkowitego przeprogramowania i przebudowy systemów energetycznych. Proces ten właśnie trwa w wielu miejscach na świecie. Jednak może go zatrzymać szybkie pojawienie się energii z fuzji jądrowej. Skomercjalizowanie tego typu systemu produkcji energii zaważyłoby nie tylko na losach energetyki opartej na węglu, ale również tej opartej na słońcu i wietrze. Mike Delage, prezes ds. technologicznych firmy General Fusion twierdzi, że komercyjna fuzja jądrowa może zadebiutować na rynku już za 10 lat. Jednym z powodów, dla których tak twierdzi, jest rosnące zainteresowanie tym rynkiem ze strony prywatnego biznesu. Piętnaście lat temu na tym rynku działało General Fusion i jedna lub dwie inne firmy. Teraz wiemy o istnieniu ponad 20 firm, mówi Delage. Jedną z nowych firm jest Commonwealth Fusion Systems z MIT, który został dofinansowany kwotą 50 milionów USD przez włoskiego giganta energetycznego ENI. Wielu ekspertów twierdzi jednak, że na komercyjne reaktory fuzyjne będziemy musieli poczekać do około 2050 roku. Niezależnie jednak od tego, czy energię z fuzji opanujemy za 10 czy za 30 lat, jej pojawienie się doprowadzi do marginalizacji dotychczasowych metod produkcji energii, zauważa fizyk Allan Offenberger, który pracował jako doradca wielu rządów na całym świecie. Jednak, jak dodaje uczony, tak perspektywa 10, jak i 30 lat to zbyt długo, by czekać. Należy przestawiać gospodarkę na energię odnawialną, energetyka oparta na węglu, chociaż będzie odgrywała coraz mniejsze znaczenie, wciąż będzie potrzebna, a kluczową rolę w okresie przejściowym odegra energia atomowa. Reaktory fuzyjne nie pojawią się na tyle szybko, byśmy mogli błyskawicznie przerwać emisję gazów cieplarnianych. Potrzebujemy okresu przejściowego, po którym fuzja jądrowa będzie głównym źródłem energii. To jednak potrwa. Można tylko powiedzieć, że stanie się to w obecnym wieku, dodaje Offenberger. « powrót do artykułu

Przed tygodniem w National Ignition Facility (NIF) uzyskano rekordowo silny impuls lasera. W ramach badań nad nowymi źródłami energii 192 lasery wysłały jednocześnie ultrafioletowe impulsy świetlne w kierunku centralnej komory, w której uzyskano 1,875 megadżula. Każdy z impulsów trwał 23 miliardowe części sekundy i w sumie wygenerowały one moc 411 biliardów watów (TW) czyli 1000 razy większą niż potrzebna jest do zasilenia całych Stanów Zjednoczonych. To ważny krok w kierunku rozpoczęcia fuzji. Podczas przygotowań do uruchomienia NIF dokonywaliśmy wielu podobnych prób, podczas których uruchamiany był jeden laser czy też zestawy po cztery. Tym razem jednak jednocześnie wystrzeliły 192 lasery - mówi Edward Moses, dyrektor NIF. Moc laserów NIF wynosi w sumie 2,03 MJ, jednak zanim promienie dosięgną centralnej komory ich moc nieco spada ona podczas przechodzenia przez instrumenty diagnostyczne i optykę. NIF jest zatem pierwszym ośrodkiem, w którym lasery ultrafioletowe osiągnęły moc 2 MJ. To niemal 100-krotnie więcej niż możliwości innych podobnych ośrodków. Podczas testu osiągnięto też bardzo dużą precyzję produkcji energii. Odchylenie nie przekraczało 1,3%. Precyzja jest niezwykle ważna, gdyż to rozkład energii pomiędzy poszczególnymi promieniami będzie decydował o symetrii implozji w kapsułach zawierających paliwo niezbędne do rozpoczęcia fuzji. National Ignition Facility pracuje w ramach Lawrence Livermore National Laboratory. O otwarciu zakładu oraz jego zadaniach informowaliśmy w 2009 roku.

W Lawrence Livermore National Laboratory otwarto National Ignition Facility (NIF), miejsce w którym będzie pracował najpotężniejszy laser na świecie i gdzie będą prowadzone prace nad pozyskiwaniem energii w wyniku fuzji jądrowej. Zakład ma rozpocząć pracę pełną parą już w 2010 roku. Wówczas 192 gigantyczne lasery będą w stanie skupić swe wiązki na niewielkiej "pigułce" zawierającej wodór, rozpoczynając fuzję jądrową. Będzie to pierwszy system laserów, który wyprodukuje więcej energii, niż jej zużyje. Ma umożliwić rozpoczęcie pierwszej kontrolowanej reakcji termonuklearnej. NIF już zapisał się w historii nauki, jako pierwszy system, który dostarczył więcej niż megadżul energii. Po osiągnięciu w przyszłym roku pełnej mocy lasery dostarczą w sumie dwóch megadżuli energii. NIF ma jednak nie tylko rozpocząć epokę kontrolowanej reakcji termonuklearnej. Zakład posłuży do badań nad bronią jądrową. Stany Zjednoczone od ponad 20 lat nie wyprodukowały żadnej nowej głowicy jądrowej, a od 1992 roku nie przeprowadziły żadnej podziemnej próby z bronią jądrową. NIF pozwoli zachować starzejący się arsenał w dobrym stanie. W końcu trzecim z zadań National Ignition Facility będzie umożliwienie naukowcom badania tego, co dzieje się wewnątrz gwiazd. Otwarcie NIF spotkało się także z głosami krytyki. Budowa zakładu kosztowała 3,5 miliarda dolarów, a roczne koszty operacyjne wyniosą 140 milionów USD. Niektórzy uważają, że w czasie kryzysu gospodarczego są lepsze sposoby na wydawanie tak olbrzymich sum.

Fuzja jądrowa to bardzo obiecujące, źródło czystej energii. Wciąż jednak istnieją olbrzymie trudności natury technicznej, które uniemożliwiają zbudowanie wydajnego reaktora fuzyjnego. Tymczasem tego typu urządzenia mogłyby na długi czas rozwiązać problemy energetyczne, gdyż posiadamy sporo potencjalnych źródeł taniego paliwa, podczas fuzji nie są produkowane żadne zanieczyszczenia, powstaje jedynie niewielka ilość odpadów radioaktywnych o bardzo krótkim czasie połowicznego rozpadu. Jednym z największych problemów, z którym borykają się badacze fuzji, jest utrzymanie plazmy z dala od ścian reaktora. Gdy plazma styka się ze ścianami, traci ciepło. Problemem są też wewnętrzne turbulencje, które zmniejszają efektywność reakcji. Z tych powodów dotychczas nie udało się stworzyć eksperymentalnego reaktora, który produkowałby więcej energii niż sam jej potrzebuje do pracy. Yijun Lin i John Rice z MIT-u opracowali metodę utrzymania plazmy z dala od ścian reaktora za pomocą fal radiowych. Ponadto, jak wykazały eksperymenty, ich technika zapobiega powstawaniu wewnętrznych turbulencji w plazmie. To bardzo ważne odkrycie, gdyż obecnie stosowane techniki "odpychania" plazmy nie będą sprawdzały się w dużych reaktorach. Działają jedynie w niewielkich urządzeniach eksperymentalnych. Twórcy nowej technologii przyznają, że sami jej do końca nie rozumieją. Niektóre wyniki testów są "zaskakujące dla teoretyków" - mówi Lin. Dodaje, że obecnie nie istnieje teoria, która potrafiłaby wytłumaczyć część zjawisk i wyjaśnić, dlaczego nowa technika działa. Testy wykazały jednak, że funkcjonuje ona tak, jakbyśmy tego chcieli i sprawdzi się w dużych reaktorach, takich jak np. ITER. Odkrycie Rice'a i Lina nadeszło w samą porę. Na całym świecie naukowcy od lat szukali sposobu na kontrolowanie ruchów plazmy i dotąd się to nie udawało. Tymczasem już za osiem lat ma ruszyć ITER i, gdyby nie prace uczonych z MIT-u, cały projekt mógłby spalić na panewce.