Znajdź zawartość

Naukowcy z Politechniki Łódzkiej będą prowadzić badania nad systemem monitorującym wytwarzanie plazmy termojądrowej. Jak podkreślono w komunikacie prasowym uczelni, finansowanie przyznała [doktorantowi Bartłomiejowi Jabłońskiemu] europejska organizacja EUROfusion w konkursie na projekty dotyczące rozwiązania problemów naukowych związanych z fuzją termojądrową. Opiekunami grantu są dr hab. inż. Dariusz Makowski i dr hab. inż. Wojciech Tylman. Projekt będzie realizowany we współpracy z dr. Marcinem Jakubowskim z Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka w Greifswaldzie, dr. Raphaelem Mitteau z centrum badań jądrowych CEA i specjalistami z International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). W ramach trzyletniego grantu prowadzone będą badania naukowe nad nowymi metodami przetwarzania obrazów w czasie rzeczywistym oraz wykorzystaniem uczenia maszynowego i sieci neuronowych do ochrony i sterowania urządzeniami do wytwarzania plazmy termojądrowej. Głównym celem projektu jest opracowanie metodyki oraz algorytmów sterowania plazmą, jak również zabezpieczenia maszyny, wykorzystując obrazy z kamer termowizyjnych dla wyładowań plazmowych dłuższych niż 30 minut – wyjaśnia dr hab. inż. Dariusz Makowski. Urządzenia, które powstaną dzięki polskim naukowcom zostaną wykorzystane zarówno w niemieckim stellaratorze Wendelstein 7-X, jak we francuskim tokamaku WEST. Wyniki prac urządzeń do obrazowania zachowania plazmy są niezwykle ważne dla rozwoju przyszłych technologii fuzyjnych. Specjaliści mają nadzieję, że dzięki temu lepiej będą rozumieli plazmę i opracują doskonalsze metody jest utrzymania i kontroli. Reakcja termojądrowa (fuzja jądrowa) to zjawisko polegające na łączeniu się lżejszych jąder w jedno cięższe. W jej wyniku powstaje duża ilość energii. Gdyby udało się ją opanować, mielibyśmy do dyspozycji praktycznie niewyczerpane źródło taniej i bezpiecznej energii. Fuzja ma więc wiele zalet w porównaniu z reakcją rozszczepienia jąder cięższych atomów na lżejsze, którą wykorzystujemy w elektrowniach atomowych. Problem w tym, że wciąż nie potrafimy opanować reakcji termojądrowej i uzyskać z niej nadmiarowej energii, gotowej do komercyjnego wykorzystania System monitorujący plazmę będzie zatem przydatny dla rozwoju obu konkurencyjnych technologii reaktorów jądrowych – tokamaka i stellaratora. Bardziej znany z nich jest tokamak, którego koncepcja została stworzona w latach 50. przez radzieckich uczonych. Główna komora tokamaka ma kształt torusa, w którym za pomocą elektromagnesów tworzony jest pierścień plazmy. Przez ostatnich kilkadziesiąt lat świat kładł duży nacisk na rozwój tokamaków. Najbardziej znanym urządzeniem tego typu jest powstający we Francji międzynarodowy ITER. A wspominany tutaj WEST, a konkretnie jego wcześniejsza wersja Tore Supra, to światowy rekordzista pod względem utrzymania plazmy w tokamaku (6 minut 30 sekund). Jedną z alternatyw dla tokamaków są stellaratory. Charakteryzuje je znacznie bardziej skomplikowana budowa, przez co nie wiązano z nimi tak wielkich nadziei jak z tokamakami. Mają jednak liczne zalety, których brak tokamakom. Przykładem stellaratora jest wspomniany tutaj Wendelstein 7-X (W7-X), w który zainwestowała też Polska. Ostatnio informowaliśmy o badaniach, które mogą spowodować, że stellaratory wyjdą z cienia tokamaków i będziemy dysponowali co najmniej dwie rzeczywiście konkurencyjnymi rozwiązaniami reaktora do fuzji jądrowej. « powrót do artykułu

Przed dwoma dniami odbyła się oficjalna uroczystość, podczas której zainaugurowano montaż reaktora termojądrowego, tokamaka ITER. Dziesięć lat po rozpoczęciu budowy projekt ITER wszedł w decydującą fazę. W miesiącach poprzedzających niedawną uroczystość do Francji dostarczono główne elementy tokamaka, w tym cewki toroidalne – jedna Europy i dwie z Japonii. Kilka dni przed uroczystością z Korei dotarła pierwsza część komory próżniowej. Rozpoczynamy montaż ITER. To historyczny moment. Mija sto lat od chwili, gdy naukowcy zrozumieli, że Słońce i gwiazdy są zasilane przez fuzję jądrową, i sześć dekad od czasu, gdy w Związku Radzieckim zbudowano pierwszy tokamak. [...] Musimy jak najszybciej zastąpić paliwa kopalne [...] Posuwamy się do przodu tak szybko, jak to możliwe, mówił dyrektor generalny ITER, Bernard Bigot. ITER ma być urządzeniem badawczym. Największym dotychczas zbudowanym tokamakiem i pierwszym, w którym uzyskany zostanie dodatni bilans energetyczny. Naukowcy od kilkudziesięciu lat pracują nad fuzją termojądrową, ale dopiero niedawno udało się uzyskać z takiej reakcji więcej energii niż w nią włożono. Dokonali tego w 2013 roku specjaliści z amerykańskiego National Ignition Facility. Z fuzją termojądrową wiązane są olbrzymie nadzieje na uzyskanie źródła naprawdę czystej bezpiecznej energii. Różnica pomiędzy reaktorem fuzyjnym, a standardowym reaktorem atomowym polega na tym, że w reaktorze atomowym energię uzyskuje się z rozpadu ciężkich izotopów radioaktywnych. Zaś w elektrowni termojądrowej ma ona powstawać w wyniku łączenia się lekkich izotopów wodoru. Proces ten, podobny do procesów zachodzących w gwiazdach, niesie ze sobą dwie olbrzymie korzyści. Po pierwsze w reaktorze termojądrowym nie może zajść niekontrolowana reakcja łańcuchowa, podobna do tej, jaka zaszła w Czarnobylu. Po drugie, nie powstają tam odpady radioaktywne, które trzeba by przez tysiące lat przechowywać w specjalnych bezpiecznych warunkach. Fuzja jądrowa ma olbrzymi potencjał. Z 1 grama wodoru i trytu można teoretycznie uzyskać tyle energii, co ze spalenia 80 000 ton ropy naftowej. Deuter i tryt są łatwo dostępnymi, powszechnie występującymi na Ziemi pierwiastkami. ITAR zaś posłuży to badań i stworzenia technologii, które pozwolą na zbudowanie komercyjnych elektrowni fuzyjnych. Obecnie przewiduje się, że pierwszy zapłon ITER nastąpi w 2025 roku, a 10 lat później rozpoczną się regularne prace z kontrolowaną syntezą termojądrową. Obecnie przewiduje się, że pierwsze komercyjne elektrownie termojądrowe powstaną w latach 50. obecnego wieku. Uczestnikami projektu ITER są Unia Europejska, Chiny, Indie, Japonia, Korea Południowa, Rosja i Stany Zjednoczone. UE pokrywa 45,4% kosztów projektu, a pozostałe koszty są po równo (po 9,1%) podzielone pomiędzy resztę członków. « powrót do artykułu

Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) wykonali niesłychanie precyzyjne obliczenia poziomów energetycznych i przejść kwantowych pomiędzy dziesiątkami tysięcy poziomów energetycznych jonów wolframu - jednego z najważniejszych materiałów konstrukcyjnych przyszłych reaktorów termojądrowych. Ich praca ukazała się w prestiżowym czasopiśmie Atomic Data and Nuclear Data Tables. Jednym z podstawowych wyzwań przy konstruowaniu reaktorów termojądrowych, takich jak ITER czy DEMO, jest usuwanie z plazmy zbędnych produktów reakcji syntezy jądrowej i odprowadzanie ciepła. Do tego celu służy diwertor - układ zlokalizowany na jednej z wewnętrznych ścian reaktora termojądrowego, w którym - dzięki specjalnej konfiguracji pola magnetycznego - są zakrzywiane tory jonów cięższych pierwiastków "zanieczyszczających" plazmę. Przekierowane jony grzęzną w specjalnych tarczach, oddając im swoją energię, która odprowadzana jest przez systemy chłodzenia. W przypadku reaktora ITER jako materiał płyty diwertora wybrano wolfram, który jest metalem o najwyższej temperaturze topnienia, ma dużą odporność termiczną i niski współczynnik erozji, a także niską tzw. retencję trytu - wyjaśnia profesor Jacek Rzadkiewicz, dyrektor Departamentu Aparatury i Technik Jądrowych NCBJ, jeden z dwóch współautorów właśnie opublikowanego artykułu naukowego. Pomimo niskiego współczynnika erozji jony wolframu mogą migrować do struktur plazmowych, w szczególności tych tworzących się w sąsiedztwie płyty diwertora. Spektroskopia atomowa jonów wolframu daje unikalną możliwość poznania właściwości takich struktur plazmowych oraz procesów atomowych prowadzących do ich powstawania. Co więcej, wiedza ta umożliwia kontrolę gęstości mocy w najbliższym sąsiedztwie płyty diwertora i tym samym pozwala na zapewnienie bezpiecznej pracy reaktora termojądrowego. Praca opublikowana w podstawowym referencyjnym czasopiśmie Atomic Data and Nuclear Data Tables, przygotowana wyłącznie przez autorów z NCBJ, przedstawia wyniki obszernych, benedyktyńskich obliczeń, przeprowadzonych dla ponad 27 tysięcy poziomów atomowych jonów ośmiokrotnie zjonizowanych atomów wolframu oraz dla ponad 300 milionów przejść między nimi. W naszych obliczeniach zastosowaliśmy relatywistyczną wielokonfiguracyjną metodę Diraca-Hartree-Focka - opowiada dr Karol Kozioł z Zakładu Detektorów i Diagnostyki Plazmy NCBJ. Bogata struktura spektroskopowa kilkukrotnie zjonizowanych atomów wolframu jest wynikiem możliwości występowania jonów w wielu stanach atomowych, leżących często blisko siebie, między którymi mogą zachodzić różne przejścia radiacyjne (w tym tzw. przejścia wzbronione). Analiza skomplikowanej struktury poziomów energetycznych jonów wolframu wymagała użycia precyzyjnych narzędzi teoretycznych i prowadzenia zaawansowanych analiz, np. analizy wpływu tzw. wirtualnych korelacji elektronowych na energię wzbudzonych stanów atomowych jonów. Przeprowadzone obliczenia w sposób istotny uzupełniają bazę danych spektroskopowych - dodaje profesor Rzadkiewicz. Powinny one przyczynić się do dalszego rozwoju diagnostyk rentgenowskich i diagnostyk w zakresie ultrafioletu próżniowego dla struktur plazmowych tworzących się w sąsiedztwie płyty diwertora. Synteza termojądrowa to niezwykle obiecujące źródło czystej, praktycznie niewyczerpalnej energii. Energia w reaktorach termojądrowych nie pochodzi z rozszczepienia ciężkich jąder atomów uranu czy plutonu lecz - podobnie jak w gwiazdach - z łączenia się lekkich jąder izotopów wodoru i helu, "podgrzanych" do ogromnych temperatur i utrzymywanych w stanie plazmy. Niestety, mimo kilkudziesięciu lat intensywnych wysiłków międzynarodowych, do tej pory nie udało się przenieść koncepcji reaktora termojądrowego na poziom komercyjnych urządzeń technicznych wytwarzających użytkową energię. Projekt ITER, w którym w czerwcu osiągnięto kolejny kamień milowy, przybliża nas do realizacji tej idei. Przyczyniają się do tego naukowcy polscy, także badacze z NCBJ. Warto przeczytać: opis układu diwertorów na stronie projektu ITER. « powrót do artykułu