Skocz do zawartości
Forum Kopalni Wiedzy

Rekomendowane odpowiedzi

W Narodowym Centrum Badań Jądrowych rozpoczęto prace badawcze nad metastabilnym izotopem renu 186m. Czas życia tego izomeru wynosi ok. 200 tys. lat, ale można wymusić jego przejście do stanu jądrowego, który szybko się rozpada, uwalniając znacznie większą porcję energii niż energia potrzebna do zainicjowania procesu. Dzięki tej własności jądra renu mogą być użytecznymi magazynami energii. Ich badania w Świerku będą finansowane przez Laboratorium Badawcze Armii USA (ARL).

Problem magazynowania energii dotyczy wielu dziedzin naszego życia – od globalnej energetyki, poprzez transport, eksplorację kosmosu, aż do nanorobotyki. Największe wyzwanie to znalezienie sposobu na to, by jak najwięcej energii zgromadzić w jak najmniejszej objętości i jak najmniejszej masie.

Teoretycznie idealnym magazynem energii są jądra atomowe. Energię, która w wyniku naturalnych procesów zgromadziła się w jądrach uranu wykorzystuje się dziś w elektrowniach jądrowych. Uran lub pluton to jednak paliwo, a nie akumulator, a reaktory są "duże". Dlatego fizycy poszukują nowych sposobów gromadzenia i uzyskiwania energii z jąder. Jednym z obiecujących pomysłów jest wykorzystanie długożyciowych jąder metastabilnych. Wiemy bowiem od dawna, że niektóre jądra atomowe można wzbudzić do takiego stanu kwantowego, w którym przez długi czas – liczony nawet w setkach czy milionach lat – mogą pozostawać, zachowując dostarczoną im energię wzbudzenia. Zjawisko wzbudzenia kwantowego nie ma dobrego odpowiednika w skali życia codziennego. Odchodząc bardzo daleko od ścisłości, można powiedzieć, że składniki jądra – po dostarczeniu im energii wzbudzenia – zaczynają względem siebie drgać lub raczej obracać się (bo wysoki spin – kwantowy odpowiednik momentu pędu – jest cechą charakterystyczną takich wzbudzonych, metatrwałych jąder). Jądro pozostające w metatrwałym stanie wzbudzonym można "nakłonić" do oddania energii wzbudzenia, którą nagromadziło. Trzeba tylko dostarczyć mu kolejną porcję energii, by przeszło ono do stanu znacznie mniej trwałego. To trochę tak, jak z kulką, która utknęła w dołku na szczycie góry: jeśli ją trochę potrącimy, to wyjdzie z dołka i stoczy się po zboczu, rozpędzając się na końcu do energii, którą musieliśmy zużyć wnosząc ją wcześniej na tę górę.

Jednym z najbardziej obiecujących kandydatów na akumulator izotopowy są jądra renu 186m. Połowiczny czas deekscytacji takiego izomeru wynosi ok. 200 tys. lat, a wartość wyzwalanej przy tym energii wynosi ok. 150 KeV. Oznacza to, że w 1 gramie renu 186m zgromadzone jest ok. 30 kWh energii, czyli tyle, ile w popularnym akumulatorze do zasilania samochodu elektrycznego! Teoretycznie taki izomer może być bardzo atrakcyjnym źródłem energii, ale trzeba jeszcze umieć taki "akumulator" ładować i rozładowywać. Badania nad tymi zagadnieniami mają być właśnie prowadzone w Narodowym Centrum Badań Jądrowych, a sfinansuje je grant uzyskany z Laboratorium Badawczego Armii USA (ARL).

W naszym reaktorze badawczym Maria będziemy badali możliwości uzyskiwania renu 186m w wyniku napromieniania neutronami specjalnie przygotowanych tarcz – wyjaśnia dr Rafał Prokopowicz z Zakładu Badań i Technik Reaktorowych NCBJ. Chcemy zbadać i zoptymalizować efektywność produkcji tego izomeru w reaktorze. Maria jest bardzo dobrym narzędziem do tego celu, gdyż konstrukcja naszego reaktora pozawala na przygotowanie różnych warunków napromieniowania.

Projekt jest efektem wcześniejszej współpracy badawczej NCBJ z ARL oraz z innymi ośrodkami – dodaje dr Jacek Rzadkiewicz, dyrektor Departamentu Aparatury i Technik Jądrowych, kierownik projektu. W ramach tej współpracy udało się przeprowadzić eksperyment, w którym po raz pierwszy zaobserwowano uwolnienie energii zgromadzonej w izomerze molibdenu 93. Praca na ten temat ukazała się na początku bieżącego roku w renomowanym czasopiśmie Nature. Szczególnego wsparcia w uzyskaniu obecnego grantu udzielił nam dr J.J. Carroll z ARL, który gościł u nas w tym tygodniu z okazji inauguracji projektu i będzie współpracował z nami w czasie jego realizacji. Nasze prace są zaplanowane na najbliższe 12 miesięcy i nie ograniczają się jedynie do badań reaktorowych. Ich wyniki będą miały znaczenie także dla badań podstawowych. Z analizy stosunku zawartości renu i osmu we Wszechświecie astrofizycy wyciągają ciekawe wnioski kosmologiczne dotyczące ewolucji i nukleosyntezy. Własności izomeru renu 186m, którego czas życia wynosi aż 200 tys. lat są istotne dla tych analiz, a my zamierzamy je właśnie zbadać możliwie dokładnie. Nasz projekt jest więc modelowym przykładem tego jak trudna do zdefiniowania jest czasem granica pomiędzy badaniami aplikacyjnymi i podstawowymi, szczególnie w takiej dziedzinie jak fizyka jądrowa.


« powrót do artykułu

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

A ja bym powiedział że w zalewie kolejnych doniesień o akumulatorowych rewolucjach to jedno moim zdaniem jest czymś rzeczywiście przyszłościowym.

 

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
  1. Określenie "akumulator" sugeruje wielokrotne ładowanie. Gdzie będą ładowane te akumulatory?
  2. Jeżeli te akumulatory mają być takie efektywne, to jak łatwo można je przekształcić w bombę (niekoniecznie atomową)? 

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

1. Nawet gdyby nie dało się ich ładować w domu to przy pojemności 10 tysięcy razy większej niż zwykły akumulator - wystarczałby akumulator z fabryki i w sumie nawet ładowanie nie jest potrzebne.

2. Być może byłoby to łatwe. Mąkę też można rozpylić w powietrzu i zamienić w "bombę".

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
Napisano (edytowane)

Sami czarnowidze jak widzę ;)

Rozwiązanie jest bardzo proste, budujemy farmę akumulatorów, która będzie służyć do pełnego balansowania sieci ze sporym zapasem, przy wydajności o jakiej tu mowa kilka takich stacji wystarczy do zasilania kraju wielkości Polski. A prąd do ich ładowania bierzemy ze źródeł odnawialnych i po problemie.

Jedyny duży problem jaki tu widzę, to koszt za kWh - podejrzewam, że będzie drogo. Co wcale nie znaczy, że rozwiązanie to nie ma przyszłości - sama idea jest naprawdę rewelacyjna.

p.S. Poza tym, podejrzewam, że nie tylko atomy pierwiastków promieniotwórczych można w ten sposób potraktować.

Edytowane przez rahl

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

A ja myślę, że te akumulatory na bardzo długi czas będą miały sens tylko dla satelitów i sond kosmicznych. Może jeszcze jakieś zastosowanie w armii. Raczej będą za drogie i zbyt trudne w produkcji by były powszechnie stosowane. Mam też wątpliwości czy przy ich rozładowywaniu nie będzie powstawać zbyt wiele promieniowania, by myśleć o wprowadzaniu ich pod strzechy.

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
Napisano (edytowane)

Dla satelitów wystarczą obecne oparte na radioizotopach (0.5-5% efektywności): https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_battery

Temat mnie zaciekawił więc poszukałem wspomnianej pracy ( https://www.nature.com/articles/nature25483 ) - mówi o użyciu elektronów do wzbudzania jąder zamiast standardowych gamm, co jest dość ciekawe.

Tutaj są izotopy renu: https://en.wikipedia.org/wiki/Isotopes_of_rhenium

Rzeczywiście jest długożyciowy 186m wzbudzony o ~150keV - artykuł sugeruje że tuż nad nim jest kolejny krótkożyciowy stan (?) doprowadzając do którego (elektronami?) można by wymusić szybsze przejście do stanu podstawowego, uwalniając energię.

Nie widzę informacji o tym dodatkowym krótkożyciowym stanie, ale może nie musi go być (?) - kwestia "rozbujania" z lokalnego minimum - nie jest to mainstreamowy sposób myślenia (trzeba stanów i basta), ale zgodny z moim spojrzeniem na jądro.

Temat jest bardzo ciekawy, ale obawiam się że daleki od aplikacji - nawet jeśli po prostu przepływem prądu (o jakimś olbrzymim napięciu) można by przyśpieszyć uwalnianie tej energii (efektywność poniżej radioizotopowych), jej ładowanie wymagałoby przynajmniej np. akceleratora i użycia tysięcy razy większej ilości energii.

ps. 10% uwalnianej energii jest w betach, czyli przechodzimy do osmu - taka "bateria" bardzo szybko by degradowała.

Edytowane przez Jarek Duda

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
Napisano (edytowane)

Do praktyki jest oczywiście daleko.

I pytanie ile w tym marketingu. Ale pomysł jest ciekawy.

Przy czym chciałbym zauważyć że przy takiej pojemności o jakiej wspomniano czyli rzędu 10 000 razy większej niż obecne rozwiązania to wielokrotne ładowanie nie jest do niczego potrzebne. Kupuję gotowe przygotowane przez producenta ogniwo i używam przez 10 lat. Nawet jeśli kupię 10 kg jako ogniwo do samochodu elektrycznego. Czyli w zasadzie producent samochodów montowałby gotowe nieładowalne ogniwo, które być może dostarczone do odpowiedniej fabryki byłoby recyklingowane.

Większym problemem wydaje mi się kwestia sprawności. To że mamy ileś tam energii nie oznacza że dostaniemy prąd o odpowiedniej mocy w odpowiednim czasie. Bo tu jeszcze z energii jądrowej trzeba uzyskać prąd. I mówimy tu o innych zjawiskach niż promieniowanie beta.

Właściwie nie wiem jaki jest mechanizm oddawania energii w tym przypadku? Energia idzie w ruch atomów czyli temperaturę?

Gdyby tak udało się wzbudzenia bardziej bezpośrednio przetwarzać w ruch ładunków. To byłaby rewolucja.

Edytowane przez thikim

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
Napisano (edytowane)
Godzinę temu, thikim napisał:

Większym problemem wydaje mi się kwestia sprawności. To że mamy ileś tam energii nie oznacza że dostaniemy prąd o odpowiedniej mocy w odpowiednim czasie

chyba mówisz o mocy a nie sprawności?

w zależności od zastosowania najbardziej pożądanymi właściwościami aku jest pojemność  i moc. sprawność obecnie jest najmniej ważna. kupując aku do samochodu najważniejsze jest dla mnie żeby miał przynajmniej 800A inaczej będzie problem z rozruchem. Kupując aku do tel. czy samochodu elektrycznego najważniejsza jest pojemność żeby daleko zajechać, chociaż mocą też bym nie pogardził żeby ładnie przyspieszać. W jakiejś elektrowni buforowej, np szczytowo-pompowej też najważniejsza jest moc i pojemność. Najmniej ważne jest że jak ładuję aku telefonu 0,5Ah to ładowarka weźmie 1Ah czy 10Ah, ładowanie aku kwasowego czy litowo-jonowego w elektryku to samo. w elektrowni szczytowo pompowej też nikt się nie przejmuje tym, że pompując na górę wodę zużyje 10MWh, a spuszczając ją z powrotem na turbinę odzyska te 50 %. Oczywiście fajnie by było żeby wydajność była dodatnia i jak najwyższa ale jest ona najmniej ważna w aku

Edytowane przez tempik

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
Napisano (edytowane)

Jak pewnie zauważyłeś napisałem najpierw o energii a potem o mocy i czasie.

Jak masz jakąś tam bryłę to ona ma jakąś tam energię. A z mocą może pracować zmienną.
Ostatecznie chodzi nam o to żeby całka z mocy po czasie była bliska tej energii. I ta bliskość to sprawność.

5 minut temu, tempik napisał:

najważniejsze jest dla mnie żeby miał przynajmniej 800A

No ale to ogniwo/akumulator to raczej do elektryka :)

Po co Ci takie super ogniwo w dieslu do rozruchu?

Edytowane przez thikim

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
Napisano (edytowane)

Taką "niekończącą się baterię" niby dają radioizotopowe - tyle że dość niebezpieczną, zaletą tutaj jest bezpieczeństwo poprzez konieczność napracowania się do jej wydobycia.

Sprawność jak wspominałem byłaby kosmicznie mała - radioizotopowe mają kilka procent a tutaj dodatkowo trzeba zainwestować żeby jakoś wydobyć tą energię ... a jej "ładowanie" to już kompletna masakra.

Gdzieś widziałem pomysły użycia cząstek beta z np. fuzji do bezpośredniej produkcji prądu, ale to jest bardzo trudne, szczególnie przy tak dużej energii jak 150keV tutaj ... o jest: https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_energy_conversion

Edytowane przez Jarek Duda

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
Napisano (edytowane)

Tak się robi przecież dlatego pisałem wcześniej o promieniowaniu beta.
Ale tu jednak inny jest mechanizm oddawania energii.

Spada taki proton na niższą orbitę i co? :) Ja nie wiem. Kwant gamma? Drgnięcie cieplne atomu? Emisja czegoś tam?

Edytowane przez thikim

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
Napisano (edytowane)

" Spada taki proton na niższą orbitę i co? " jeśli chodzi o uwolnienie energii z jądra - czyli zmianę jego niezwykle skomplikowanej struktury (której nie rozumiemy), przyjmuje się że albo bezpośrednio produkuje gammę czy inną cząstkę, albo przekazuje energię elektronowi z orbitalu ( https://en.wikipedia.org/wiki/Internal_conversion ).

Zdarza się też że jądro wyłapie elektron z orbitalu (co wymaga zbliżenia się na zasięg oddziaływania silnego - femtometrów) : https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_capture

Edytowane przez Jarek Duda

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
Godzinę temu, thikim napisał:

Po co Ci takie super ogniwo w dieslu do rozruchu?

no, duży diesel, duży prąd potrzebny żeby obrócić wałem :)

Godzinę temu, Jarek Duda napisał:

a jej "ładowanie" to już kompletna masakra.

ale z tego co zrozumiałem to  właśnie to chcą robić w Marii

 

W dniu 10.09.2018 o 12:21, KopalniaWiedzy.pl napisał:

W naszym reaktorze badawczym Maria będziemy badali możliwości uzyskiwania renu 186m w wyniku napromieniania neutronami specjalnie przygotowanych tarcz – wyjaśnia dr Rafał Prokopowicz z Zakładu Badań i Technik Reaktorowych NCBJ.

 

optymizm spada jak sprawdzi się jak ren jest rzadki i drogi. nawet jak wszystko zadziała to będziemy tą technologię mogli jedynie pokazywać palcem w książce czy telewizorze. Zupełnie jak z baleronem za komuny, każdy go widział ale nieliczni kosztowali :)

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
11 minutes ago, tempik said:

ale z tego co zrozumiałem to  właśnie to chcą robić w Marii

Artykuł pisze tylko o bombardowaniu neutronami (źródła to reaktory jądrowe albo akcelerator-tarcza) - czyli nie ładowanie renu 186, ale zupełna zmiana izotopu - która może w kilka milionów lat dałaby 1 gram :)

Dla bycia "baterią" trzeba by bezpośrednio ładować ren 186, ale przypuszczam że przekrój czynny na tak precyzyjną transformację jest jakiś kosmicznie mały.

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
8 minut temu, Jarek Duda napisał:

czyli nie ładowanie renu 186, ale zupełna zmiana izotopu

no nie wydaje mi się. napisane jest :

W dniu 10.09.2018 o 12:21, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Maria będziemy badali możliwości uzyskiwania renu 186m

m czyli metastabilny.

jakby było tak jak mówisz to by chcieli ćwiczyć prawie alchemię :), aż tak chyba ich nie poniosło....

 

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

Dokładnie - bombardowanie neutronami to podstawowe narzędzie alchemików :)

Natomiast żeby mieć baterię z cyklem ładowania, potrzebujemy bezpośrednio przechodzić z renu 186 do 186m o 150keV wyżej - dostarczyć tylko energię np. gammą, lub może przekazać z wysokoenergetycznego elektronu jak sugeruje artykuł z Nature - prawdopodobieństwo takiego zdarzenia wydaje się niezwykle małe.

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

Coś mi tu nie gra... 

Czym się różni Ren 186 od 186m tak konkretnie w budowie? Ta sama ilośc protonów i neutronów... więc?

Byłem przekonany, że litera "m" jest tylko pomocnicza, bo każdy ren 186 jest metastabilny... ale ja się nie znam, dlatego dopytuję.

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
Godzinę temu, Jarek Duda napisał:

Natomiast żeby mieć baterię z cyklem ładowania, potrzebujemy bezpośrednio przechodzić z renu 186 do 186m o 150keV wyżej

wydaj mi się, że własnie nie za szybkimi neutronami chcą obijać jądra re 186 żeby je podbić do re186m.

9 minut temu, pogo napisał:

bo każdy ren 186 jest metastabilny...

w artykule jest zobrazowany przykład

no każdy ma taki dołek, ale niekoniecznie w nim musi siedzieć. masz 2 identyczne kamienie, jeden zostawiasz na ziemi a drugim rzucasz pod górkę i zatrzymuje się w dołku. ten na ziemi już nie ma energii potencjalnej, a ten który ugrzązł wystarczy leciutko trącić i może ukazać swoją energię kinetyczną nabijając co guza podczas upadku :)

 

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
Napisano (edytowane)

@tempik

Rozumiem tę analogię, ale trochę inaczej:
Samo stworzenie renu 186 jest wrzuceniem naszego kamyka do małego dołka na szczycie górki. Teraz trzeba tylko mocniejszego wiatru, by nasz kamyk wyszedł ze swojego dołka i stoczył się na dół, czyli nas ren 186 rozpada się na coś innego.

Ale wciąż nie rozumiem różnicy strukturalnej między renem 186 i 186m. A coś musi być, bo właśnie znalazłem, że 186 rozpada się w niecałe 4 dni.

Edytowane przez pogo

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

Izomery to jądra które mają tyle samo protonów i neutronów, ale różnią się energią - wzbudzone metastabilne stany jądra: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_isomer

Np. ren 186 ma minimalną ilość energii dla jądra zbudowanego z 75 protonów i 111 neutronów.

Natomiast 186m jest jego metastabilnym stanem (stąd literka) o energii wyższej o 150keV (i o spin jądrowy, parzystość): https://en.wikipedia.org/wiki/Isotopes_of_rhenium

Co ciekawe, podczas gdy 186m jest względnie stabilny, 186 ma czas połowicznego rozpadu tylko 3.7 dnia - kolejna dyskwalifikacja dla cyklów ładowania.

Bombardując neutronami zmieniamy ilość neutronów w jądrze - izotop danego pierwiastka.

  • Pozytyw (+1) 1

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach
40 minut temu, Jarek Duda napisał:

Bombardując neutronami zmieniamy ilość neutronów w jądrze - izotop danego pierwiastka

Trzeba się postarać żeby tak było. Jak neutrony będą miały za małą energię to sprężyście odbiją się od jądra oddając im część swojej energii

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

Jasne absorpcja neutronów ( https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_capture ) zdecydowanie nie jest automatyczna, ale dostarczenie 150keV w zderzeniu elastycznym z neutronem wydaje się daleko nieprawdopodobne (?), szczególnie że neutrony produkowane w reaktorze mają raczej znacznie niższą energię - przypuszczam że tutaj jednak bombardują neutronami w celu zmiany izotopu poprzez absorpcję ("alchemię").

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

Nie czytałem oryginału, ale pierwsze na myśl przyszło mi składowanie energii w stanie metastabilnym elektronów izotopu tak jak w luminescencji - opisuje to diagram Jabłońskiego (https://pl.wikipedia.org/wiki/Diagram_Jab%C5%82o%C5%84skiego#/media/File:Dj5.png), stan metastabilny to ten tripletowy/zabroniony i bodajże nazywa się go tak jeżeli elektron znajduje się tam dłużej niż jakieś 10^-6 s (ale nie jestem pewien, w każdym razie krótko).

Elektron zostaje wzbudzony przez np. fale em, następnie spada na na zabronioną orbitę gdzie sobie czeka (to może być ta zaleta tego izotopu, długi czas życia w stanie metastabilnym), a energię do ogniwa odzyskuje się powoli np. w formie ciepła (krótszych fal niż wzbudzenia). Nie sądzę żeby dochodziło do rozpadu neutronu w jądrze.

Udostępnij tę odpowiedź


Odnośnik do odpowiedzi
Udostępnij na innych stronach

Jeśli chcesz dodać odpowiedź, zaloguj się lub zarejestruj nowe konto

Jedynie zarejestrowani użytkownicy mogą komentować zawartość tej strony.

Zarejestruj nowe konto

Załóż nowe konto. To bardzo proste!

Zarejestruj się

Zaloguj się

Posiadasz już konto? Zaloguj się poniżej.

Zaloguj się

×