Najpotężniejszy impuls laserowy umożliwi fuzję jądrową
By
KopalniaWiedzy.pl, in Technologia
-
Similar Content
-
By KopalniaWiedzy.pl
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 -
By KopalniaWiedzy.pl
W National Ignition Facility dokonano przełomowego kroku na drodze ku uzyskiwaniu energii z fuzji jądrowej. Po raz pierwszy w historii w tego typu systemie udało się uzyskać porównywalną ilość energii jak ta, która została zaabsorbowana przez paliwo podczas inicjowania reakcji. Jednak do uzyskania większej ilości energii niż włożono do całego systemu jeszcze daleka droga. Ostatni eksperyment wykazał też, że naukowcom z Lawrence Livermore National Laboratory udało się zwiększyć wydajność systemu o cały rząd wielkości.
Przełom dokonał się, gdy cząsteczki alfa, jądra helu powstałe w wyniku fuzji deuteru i trytu, oddały swoją energię do paliwa, zamiast, jak zwykle, wydostać się z niego. Ta dodatkowa energia przyspieszyła fuzję, prowadząc do jeszcze większej produkcji cząsteczek alfa. Taki samonapędzający się mechanizm to początek fuzji jądrowej.
Najnowszy eksperyment został bardzo szczegółowo zaprojektowany tak, by nie doszło do pęknięcia plastikowych osłon, w których znajduje się paliwo. Prawdopodobnie to właśnie degradacja osłoń spowodowała, że poprzednie eksperymenty były nieudane. Osiągnięcie celu było możliwe dzięki zmodyfikowaniu impulsu laserowego, za pomocą którego paliwo jest kompresowane.
W National Ignition Facility używa się 192 laserów, które kompresują miniaturowe pigułki z paliwem deuterowo-trytowym do tego stopnia, iż w wyniku fuzji jądrowej dochodzi do uwolnienia dodatkowej energii. Kapsułki mają średnice mniejszą niż połowa średnicy ludzkiego włosa. Wewnątrz znajdują się tryt i deuter, które przez mniej niż miliardową część sekundy zostają poddane olbrzymiemu ciśnieniu i temperaturze.
Obecnie naukowcy starają się wykorzystać dwie różne koncepcje rozpoczęcia fuzji jądrowej. Jedna, z której korzysta National Ignition Facility, zakłada użycie laserów do skompresowania paliwa i utrzymania go na miejscu za pomocą inercyjnego uwięzienia. Z kolei w Europie próbuje się innego podejścia. W Joint European Torus w Wielkiej Brytanii oraz w reaktorze ITER we Francji próbuje się utrzymać plazmę na miejscu za pomocą uwięzienia magnetycznego.
Celem wszystkich tych prac jest rozpoczęcie fuzji jądrowej i uzyskanie z niej energii.
Po dziesiątkach latach badań i niezwykle powolnego rozwoju techniki fuzji jądrowej w końcu udało się uzyskać nadmiarową energię. Przełom dokonany w otwartym w 2009 NIF powinien bardziej przychylnie nastawić doń krytyków tego eksperymentu. Warto przypomnieć, że NIF bił rekordy impulsu i uzyskanej mocy laserowej. Duże koszty związane z utrzymaniem NIF skłoniły jednak Kongres USA do podjęcia decyzji, iż ośrodek ma w większym niż wcześniej stopniu zajmować się badaniami nad bronią jądrową. To jednak, jak widzimy, nie przeszkodziło w osiągnięciu sukcesu na pierwotnym polu zainteresowań NIF.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
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 -
By KopalniaWiedzy.pl
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 -
By KopalniaWiedzy.pl
„Niemożliwy” unipolarny (jednobiegunowy) laser zbudowany przez fizyków z University of Michigan i Universität Regensburg może posłużyć do manipulowania kwantową informacją, potencjalnie zbliżając nas do powstania komputera kwantowego pracującego w temperaturze pokojowej. Laser taki może też przyspieszyć tradycyjne komputery.
Światło, czyli promieniowanie elektromagnetyczne, to fala oscylująca pomiędzy grzbietami a dolinami, wartościami dodatnimi a ujemnymi, których suma wynosi zero. Dodatni cykl fali elektromagnetycznej może przesuwać ładunki, jak np. elektrony. Jednak następujący po nim cykl ujemny przesuwa ładunek w tył do pozycji wyjściowej. Do kontrolowania przemieszania informacji kwantowej potrzebna byłaby asymetryczna – jednobiegunowa – fala światła. Optimum byłoby uzyskanie całkowicie kierunkowej, unipolarnej „fali”, w której występowałby tylko centralny grzbiet, bez oscylacji. Jednak światło, jeśli ma się przemieszczać, musi oscylować, więc spróbowaliśmy zminimalizować te oscylacje, mówi profesor Mackillo Kira z Michigan.
Fale składające się tylko z grzbietów lub tylko z dolin są fizycznie niemożliwe. Dlatego też naukowcy uzyskali falę efektywnie jednobiegunową, która składała się z bardzo stromego grzbietu o bardzo wysokiej amplitudzie, któremu po obu stronach towarzyszyły dwie rozciągnięte doliny o niskiej amplitudzie. Taka konstrukcja powodowała, że grzbiet wywierał silny wpływ na ładunek, przesuwając go w pożądanym kierunku, a doliny były zbyt słabe, by przeciągnąć go na pozycję wyjściową.
Taką falę udało się uzyskać wykorzystując półprzewodnik z cienkich warstw arsenku galu, w którym dochodzi do terahercowej emisji dzięki ruchowi elektronów i dziur. Półprzewodnik został umieszczony przed laserem. Gdy światło w zakresie bliskiej podczerwieni trafiło w półprzewodnik, doszło do oddzielenia się elektronów od dziur. Elektrony poruszyły się w przód. Następnie zostały z powrotem przyciągnięte przez dziury. Gdy elektrony ponownie łączyły się z dziurami, uwolniły energię, którą uzyskały z impulsu laserowego. Energia ta miała postać silnego dodatniego półcyklu w zakresie teraherców, przed i po którym przebiegał słaby, wydłużony półcykl ujemny.
Uzyskaliśmy w ten sposób zadziwiającą unipolarną emisję terahercową, w którym pojedynczy dodatni półcykl był czterokrotnie wyższy niż oba cykle ujemne. Od wielu lat pracowaliśmy nad impulsami światła o coraz mniejszej liczbie oscylacji. Jednak możliwość wygenerowania terahercowych impulsów tak krótkich, że efektywnie składały się z mniej niż pojedynczego półcyklu oscylacji była czymś niewyobrażalnym, cieszy się profesor Rupert Hubner z Regensburga.
Naukowcy planują wykorzystać tak uzyskane impulsy do manipulowania elektronami w materiałach kwantowych w temperaturze pokojowej i badania mechanizmów kwantowego przetwarzania informacji. Teraz, gdy wiemy, jak uzyskać unipolarne terahercowe impulsy, możemy spróbować nadać im jeszcze bardziej asymetryczny kształt i lepiej przystosować je do pracy z kubitami w półprzewodnikach, dodaje doktorant Qiannan Wen.
« powrót do artykułu
-
-
Recently Browsing 0 members
No registered users viewing this page.