Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Niezwykle precyzyjne obliczenia struktury poziomów energetycznych wolframu pomogą konstruktorom reaktorów termojądrowych
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) wykazali, że opracowany przez nich system dostarczania sproszkowanego boru do reaktora fuzyjnego pozwala na bieżąco zabezpieczać ściany reaktora i zapobiegać pogarszaniu właściwości plazmy. Jej stopniowe zanieczyszczania wolframem jest szkodliwe dla całej reakcji i stanowi jedną przeszkód na drodze ku zbudowaniu praktycznego reaktora fuzyjnego.
Fuzja jądrowa to szansa na produkcję taniej, czystej i bezpiecznej energii. Wciąż jednak, z powodów licznych trudności technicznych, ludzkość nie potrafi zbudować reaktora fuzyjnego, który wytwarzałby więcej energii niż zostało do niego dostarczone i utrzymywał proces reakcji przez długi czas.
W reaktorach fuzyjnych – ich najbardziej rozpowszechnionym rodzajem jest tokamak – coraz częściej stosuje się wolfram. Pierwiastek ten jest bowiem bardzo odporny na wysokie temperatury. Plazma może jednak uszkadzać wolframowe ściany reaktora, co prowadzi do przenikania wolframu do plazmy i jej zanieczyszczenia. Bor chroni wolfram przed negatywnym oddziaływaniem i zapobiega jego przenikaniu do plazmy. Poza tym absorbuje niepożądane pierwiastki, jak np. tlen, które mogą przeniknąć do plazmy z innych źródeł. Pierwiastki te mogą prowadzić do schłodzenia plazmy i przerwania reakcji.
Potrzebowaliśmy sposobu na pokrywanie reaktora borem bez konieczności wyłączania pola magnetycznego tokamaka i nasz system to zapewnia, mówi Grant Bodner z PPPL. Eksperymenty prowadzono we W Environment in Steady-State Tokamak (WEST), którego operatorem jest francuska Komisja Energetyki Alternatywnej i Energii Atomowej (CEA). WEST – którego pierwsza litera nazwy pochodzi od symbolu chemicznego wolframu – to jeden z niewielu tokamaków którego ściany są całkowicie wykonane z wolframu. Ponadto jest to urządzenie charakteryzujące się rekordowo długimi czasami utrzymania reakcji. Został on wybrany jako miejsce eksperymentu również dlatego, że jego nadprzewodzące magnesy są zbudowane z materiału, który będzie wykorzystywany do budowy magnesów dla przyszłych reaktorów fuzyjnych.
Fuzja jądrowa (reakcja termojądrowa) to proces, który zachodzi na Słońcu. W jej ramach dochodzi do połączenia lżejszych pierwiastków w cięższy, a w procesie tym powstają duże ilości energii. Żeby przeprowadzić fuzję konieczne są bardzo wysokie temperatury. I właśnie te wysokie temperatury to poważny problem. Sięgają one milionów stopni i są zagrożeniem dla materiałów, z których zbudowany jest reaktor. Dlatego też odporny na wysokie temperatury wolfram pokrywa się chroniącym go borem. Jednak wewnątrz reaktora panują ekstremalne warunki i ochronna powłoka ulega zużyciu. Trzeba ją nakładać ponownie. Konieczne było zatem opracowanie sposobu na odtwarzanie powłoki bez konieczności częstego wyłączania reaktora. Wrzucanie boru do pracującego tokamaka jest jak sprzątanie mieszkania bez przerywania codziennych czynności. To bardzo pomocne, oznacza bowiem, że nie potrzebujesz przeznaczać dodatkowego czasu na sprzątanie, obrazowo wyjaśnia Alberto Gallo z CEA.
Opracowane przez Amerykanów urządzenie montuje się na górze tokamaka. Wykorzystuje ono precyzyjne aktuatory przesypujące proszek ze zbiorników do komory próżniowej tokamaka. Zastosowany mechanizm pozwala na dokładne ustawienie ilości i tempa wsypywania proszku. Urządzenie jest uniwersalne i może pracować też z innymi materiałami, nie tylko z borem. Przyda się więc też w inaczej zbudowanych reaktorach fuzyjnych. Może być ono bardzo użyteczne w przyszłości, mówi Bodner.
Wyniki eksperymentów zaskoczyły samych twórców urządzenia. Okazało się bowiem, że wsypywany bor nie tylko zabezpieczał wolfram. Zauważyliśmy, że gdy wrzucaliśmy proszek, zwiększał się stopień uwięzienia plazmy, dzięki czemu miała ona wyższą temperaturę, a to wspomagało reakcję, dodaje Bodner. Zjawisko to było szczególnie pomocne, gdyż dochodziło do niego bez pojawiania się niekorzystnego trybu pracy H-mode. To stan, w którym ma miejsce znaczny wzrostu uwięzienia plazmy, co grozi niestabilnością plazmy brzegowej (ELMs – Edge Localised Modes). ELMs prowadzą zaś do odprowadzania ciepła poza plazmę, co zmniejsza efektywność całej reakcji i grozi uszkodzeniem elementów reaktora. Możliwość uzyskania tak dobrego uwięzienia plazmy, jak w trybie H-mode, jednak bez wchodzenia w tryb H-mode i ryzyka pojawienia się ELMs, to świetna wiadomość, cieszy się Bodner.
W najbliższej przyszłości naukowcy planują eksperymenty, w ramach których chcą sprawdzić, ile z dostarczanego boru rzeczywiście tworzy powłokę ochronną na ścianach reaktora. Wiedza ta pozwoli na zoptymalizowanie pracy systemu dostarczania proszku. Określą też, kiedy należy dosypywać bor. Podkreślają, że ich systemu należy używać tylko, gdy jest to konieczne. Każde dodatkowe zanieczyszczenie, nawet bor, może zmniejszyć efektywność reaktora, gdyż plazma staje się mniej czysta. Dlatego też chcemy określić minimalną ilość boru, jaką musimy dodawać, by uzyskać pożądane efekty, wyjaśnia Bodner.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
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 -
przez 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 -
przez 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
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.