Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Niezwykle precyzyjne obliczenia struktury poziomów energetycznych wolframu pomogą konstruktorom reaktorów termojądrowych

Recommended Posts

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

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy od dziesięcioleci spierają się o to, czy dochodzi do wymiany materiału pomiędzy jądrem Ziemi, a warstwami położonymi powyżej. Jądro jest niezwykle trudno badać, częściowo dlatego, że rozpoczyna się na głębokości 2900 kilometrów pod powierzchnią planety.
      Profesor Hanika Rizo z Carleton University, wykładowca na Queensland University of Technology David Murphy oraz profesor Denis Andrault z Universite Clermont Auvergne informują, że znaleźli dowody na wymianę materiału pomiędzy jądrem, a pozostałą częścią planety.
      Jądro wytwarza pole magnetyczne i chroni Ziemię przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym, umożliwiając istnienie życia. Jest najcieplejszym miejscem Ziemi, w którym temperatury przekraczają 5000 stopni Celsjusza. Prawdopodobnie odpowiada ono za 50% aktywności wulkanicznej naszej planety.
      Aktywność wulkaniczna to główny mechanizm, za pomocą którego Ziemia sie chłodzi. Zdaniem Rizo, Murphy'ego i Andraulta niektóre procesy wulkaniczne, np. te na Hawajach czy na Islandii, mogą brać swój początek w jądrze i transportować ciepło bezpośrednio z wnętrza planety. Twierdzą oni, że znaleźli dowód na to, iż do płaszcza ziemskiego trafia materiał z jądra.
      Odkrycia dokonano badając niewielkie zmiany w stosunku izotopów wolframu. Wiadomo, że jądro jest zbudowane głównie z żelaza i aluminium oraz z niewielkich ilości wolframu, platyny i złota rozpuszczonych w żelazno-aluminiowej mieszaninie. Wolfram ma wiele izotopów, w tym wolfram-182 i wolfram-184. Wiadomo też, że stosunek wolframu-182 do wolframu-184 jest w płaszczu znacznie wyższy niż w jądrze. Dzieje się tak dlatego, że hafn, który nie występuje w jądrze, posiada izotop hafn-182. Izotop ten występował w przeszłości w płaszczu, jednak obecnie już go nie ma, gdyż rozpadł się do wolframu-182. Właśnie dlatego stosunek wolframu-182 do wolframu-184 jest w płaszczu wyższy niż w jądrze.
      Uczeni postanowili więc zbadać stosunek izotopów wolframu, by przekonać się, czy na powierzchni występują skały zawierające taki skład wolframu, jaki odpowiada jądru. Problem w tym, że istnieje mniej niż 5 laboratoriów zdolnych do badania wolframu w ilościach nie przekraczających kilkudziesięciu części na miliard.
      Badania udało się jednak przeprowadzić. Wykazały one, że z czasem w płaszczu Ziemi doszło do znaczącej zmiany stosunku 182W/184W. W najstarszych skałach płaszcza stosunek ten jest znacznie wyższy niż w skałach młodych. Zespół badaczy uważa, że zmiana ta wskazuje, iż materiał z jądra przez długi czas trafiał do płaszcza ziemskiego. Co interesujące, na przestrzeni około 1,8 miliarda lat nie zauważono zmiany stosunku izotopów. To oznacza, że pomiędzy 4,3 a 2,7 miliarda lat temu do górnych warstw płaszcza materiał z jądra nie trafiał w ogóle lub trafiało go niewiele. Jednak 2,5 miliarda temu doszło do znaczącej zmiany stosunków izotopu wolframu w płaszczu. Uczeni uważają, że ma to związek z tektoniką płyt pod koniec archaiku.
      Jeśli materiał z jądra trafia do na powierzchnię, to oznacza, że materiał z powierzchni Ziemi musi trafiać głęboko do płaszcza. Proces subdukcji zabiera bogaty w tlen materiał w głąb planety. Eksperymenty zaś wykazały, że zwiększenie koncentracji tlenu na granicy płaszcza i jądra może spowodować, że wolfram oddzieli się od jądra i powędruje do płaszcza. Alternatywnie, proces zestalania wewnętrznej części jądro może prowadzić do zwiększenia koncentracji tlenu w części zewnętrznej. Jeśli uda się rozstrzygnąć, który z procesów zachodzi, będziemy mogli więcej powiedzieć o samym jądrze Ziemi.
      Jądro było w przeszłości całkowicie płynne. Z czasem stygło i jego wewnętrzna część skrystalizowała, stając się ciałem stałym. To właśnie obrót tej części jądra tworzy pole magnetyczne chroniące Ziemię przed promieniowaniem kosmicznym. Naukowcy chcieliby wiedzieć, jak przebiegał proces krystalizacji o określić jego ramy czasowe.

      « powrót do artykułu
×
×
  • Create New...