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

Duży krok naprzód w dziedzinie fuzji jądrowej. Stellaratory mogą wyjść z cienia tokamaków

Recommended Posts

Stellaratory, skomplikowane urządzenia do wytwarzania plazmy i przeprowadzania kontrolowanej reakcji termojądrowej, zawsze pozostawały w cieniu tokamaków. W stellaratorze plazma uzyskiwana jest w komorze o złożonym kształcie, przypominającym kilkukrotnie skręconą wstęgę Mobiusa, a potrzebne do pracy cewki muszą mieć najróżniejsze kształty dostosowane do kształtu komory. To czyni stellaratory bardzo złożonymi urządzeniami, ale ich olbrzymią zaletą jest fakt, że – inaczej niż w tokamakach – plazma stabilizuje się sama.

Trudności w wyprodukowaniu odpowiednich cewek magnetycznych oraz utrata temperatury spowodowana złożonym kształtem komory stellaratora powodowały, że więcej słyszeliśmy i pisaliśmy o tokamakach. Jednak to się może zmienić.

Naukowcy z niemieckiego Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka (IPP) we współpracy z naukowcami z amerykańskiego Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) wykazali właśnie, że w największym na świecie i najnowocześniejszym stellaratorze Wendelstein 7-X (W7-X) w niemieckim Greifswald uzyskano temperaturę dwukrotnie wyższą niż temperatura jądra Słońca.

Udało się to dzięki instrumentowi diagnostycznemu XICS, który jest wspólnym dziełem Novimira Pablanta z PPPL i Andreasa Langenberga z IPP. Instrument ten wykazał, że udało się znacznie zmniejszyć utratę ciepła w stellaratorze. Dotychczas klasyczne stellaratory traciły go znacznie więcej niż tokamaki.

Słabą stroną stellaratorów jest wchodzenie cząstek w tryb transportu neoklasycznego, który przejawia się m.in. wypchnięciem zanieczyszczeń do centrum plazmy i jej szybkim wychłodzeniem [...]. W urządzeniach typu stellarator neoklasyczne uwięzienie cząstek jest dużo większe niż w tokamakach. [...] Do zalet tokamaka można przede wszystkim zaliczyć jego prostą budowę (geometrię) oraz zdecydowanie niższy transport neoklasyczny niż w stellaratorze, stwierdza Natalia Wendler w rozprawie doktorskiej pt. Badania plazmy przy użyciu systemu diagnostycznego PHA na stellaratorze Wendelstein 7-X.

W najnowszym raporcie opublikowanym na łamach Nature eksperci informują, że udało im się zmniejszyć transport neoklasyczny za pomocą odpowiednio ukształtowanych magnesów. To olbrzymi sukces, który daje nadzieję, że w końcu uda się opanować fuzję jądrową.

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

Stellarator to jedno z pierwszych urządzeń fuzyjnych. Wymyślił je w latach 50. XX wieku fizyk Lyman Spitzer, późniejszy założyciel Princeton Plasma Physics Laboratory. Swoją drogą Spitzer był też pomysłodawcą budowy teleskopów kosmicznych.

Jak już wspomnieliśmy, stellaratory bardziej tracą ciepło niż tokamaki, ale mają też liczne zalety. Swoją przewagę opierają na możliwości pracy ciągłej, niemalże braku niestabilności typu MHD oraz gwałtownych wygaśnięć reakcji związanych z przekraczaniem limitu Greenwalda, którego się nie obserwuje w tej konstrukcji. To wszystko sprawia, że stellaratory mogłyby być o wiele bardziej  atrakcyjne  dla przyszłej elektrowni termojądrowej, gdyby udało się tylko poprawić neoklasyczne utrzymanie naładowanych cząstek. Mimo to przez ostatnie 60 lat zdecydowanie większy nacisk był kierowany na badanie tokamaków, co zaowocowało znaczącym postępem w tej dziedzinie, czytamy w pracy Natalii Wendler.

Teraz w uruchomionym przed kilkoma laty stellaratorze W7-X udało się wykazać, że urządzenia te nie muszą tracić tak dużo ciepła. Badania przeprowadzone za pomocą instrumentu XICS wykazały bowiem, że osiągnięto tam tak wysoką temperaturę jonów, że nie byłoby to możliwe bez znacznej redukcji transportu neoklasycznego. Pomiary potwierdzono za pomocą nieco mniej dokładnego narzędzia CXRS.

Wyniki tych badań wskazują, że stellaratory oparte na architekturze W7-X mogą być kluczowymi reaktorami, za pomocą których uda nam się opanować fuzję jądrową. Jednak redukcja transportu neoklasycznego nie jest jedynym problemem, z którym musimy się zmierzyć. Jest jeszcze cały szereg zagadnień, w tym poradzenie sobie z pracą ciągłą i zmniejszenie transportu turbulentnego, mówi Pablant. Transport turbulentny powoduje wiry i fale przechodzące przez plazmę, które są drugą najważniejszą przyczyną utraty ciepła.

W przyszłym roku W7-X znowu ruszy pełną parą. W stellaratorze przez ostatnie trzy lata montowano nowy system chłodzenia, który umożliwi dłuższą pracę.


« 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
      Zespół europejskich, w tym polskich, fizyków poinformował o ustanowieniu rekordu energetycznego z syntezy termojądrowej. Specjaliści pracujący przy tokamaku Joint European Torus (JET) w Wielkiej Brytanii uzyskali 59 megadżuli trwałej energii z fuzji jądrowej. Wyniki są zgodne z oczekiwaniami, potwierdzają słuszność decyzji o budowie reaktora ITER i dowodzą, że fuzja może być wydajnym, bezpiecznym i niskoemisyjnym źródłem energii.
      Osiągnięcie to jest wynikiem wieloletnich przygotowań zespołu naukowców EUROfusion z całej Europy. Sam rekord, a co ważniejsze, to czego nauczyliśmy się o fuzji w tych warunkach i jak to całkowicie potwierdza nasze przewidywania, pokazuje, że obraliśmy właściwą drogę, by ziścił się świat funkcjonujący w oparciu o energię z syntezy jądrowej. Jeśli jesteśmy w stanie kontrolować fuzję przez pięć sekund, możemy to robić przez pięć minut, a następnie przez pięć dni, w miarę zwiększania skali funkcjonowania urządzeń w przyszłości, powiedział Tony Donné, menedżer programu EUROfusion, w którego pracach udział bierze 4800 ekspertów i studentów z całego świata. A Bernard Bigot, dyrektor ITER, dodał, że stabilne wyładowanie deuteru z trytem na tym poziomie energetycznym, prawie na skalę przemysłową, potwierdza sens działania wszystkich zaangażowanych w fuzję na świecie. W przypadku projektu ITER wyniki JET pozwalają nam zakładać, że jesteśmy na dobrej drodze do zademonstrowania mocy syntezy jądrowej.
      JET znajduje się w Culham w Wielkiej Brytanii. Został uruchomiony w 1977 roku jako przedsięwzięcie Wspólnoty Europejskiej. Prowadzone w nim badania są niezbędne do rozwoju ITER i innych elektrowni termojądrowych. JET to jedyny tokamak na świecie, w którym można zastosować taką samą mieszankę deutery i trytu (D-T), jaka będzie stosowana w ITER i elektrowniach przyszłości. Temperatura osiągana w JET jest 10-krotnie wyższa niż wewnątrz Słońca. Teraz udało się tam uzyskać również olbrzymią ilość energii. Podczas 5-sekundowego wyładowania plazmy uwolniło się 59 megadżuli energii w postaci ciepła. Tym samym JET utrzymał moc wyjściową nieco ponad 11 MW ciepła uśrednioną w ciągu pięciu sekund. Poprzedni rekord, 22 megadżule energii całkowitej, oznaczał 4,4 MW uśrednione w ciągu pięciu sekund.
      Reaktory fuzyjne wytwarzają energię metodą fuzji jądrowej, w czasie której lżejsze pierwiastki łączą się w cięższe. Taki proces zachodzi na Słońcu. Fuzja to pod wieloma względami najdoskonalsze źródło czystej energii. Ilość energii, jaką może dostarczyć zupełnie zmieni reguły gry. Paliwo do fuzji jądrowej można uzyskać z wody, a Ziemia jest pełna wody. To niemal niewyczerpane źródło energii. Musimy tylko dowiedzieć się, jak go używać, mówiła w ubiegłym roku profesor Maria Zuber, wiceprezydent MIT ds. badawczych.
      Badania nad fuzją jądrową prowadzone są na całym świecie i przywiązuje się do nich coraz większą wagę. W bieżącym roku w Wielkiej Brytanii zostanie wybrana lokalizacja dla przyszłej prototypowej elektrowni fuzyjnej, Chińczycy poinformowali o pobiciu rekordu utrzymania wysokotemperaturowej plazmy w tokamaku, prestiżowy MIT twierdzi, że już za 4 lata może powstać pierwszy reaktor fuzyjny z zyskiem energetycznym netto, a z niedawno opublikowanego raportu dowiadujemy się, że na świecie istnieje co najmniej 35 przedsiębiorstw pracujących nad fuzją jądrową. Mimo tego perspektywa powstania pierwsze komercyjnej elektrowni fuzyjnej wydaje się bardzo odległa. To raczej perspektywa dekad niż lat.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Instytut Fizyki Plazmy Chińskiej Akademii Nauk poinformował o pobiciu rekordu utrzymania w tokamaku supergorącej plazmy. Urządzenie Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) utrzymało przez 1056 sekund plazmę o temperaturze 120 milionów stopni Celsjusza.
      EAST ma na koncie kilka rekordów. W czasie 15 lat pracy udało mu się uzyskać prąd o natężeniu 1 megaampera, plazmę o temperaturze 160 milionów stopni, a teraz rekordowo długo utrzymano bardzo gorącą plazmę.
      W tokamakach tryt i deuter są podgrzewane do bardzo wysokich temperatur. Przy około 150 milionach stopni Celsjusza powinno dojść do fuzji. Jednak samo jej rozpoczęcie to nie wszystko. Jeśli chcemy bowiem uzyskiwać z tokamaka energię elektryczną, reakcja musi się sama podtrzymywać, podobnie jak się to dzieje w Słońcu. Dlatego też zespoły naukowe w różnych tokamakach pracują nad wydłużeniem czasu utrzymania reakcji.
      Chińczycy dokonali dużego postępu. Jeszcze na początku ubiegłego roku byli w stanie utrzymać plazmę o temperaturze 120 milionów stopni przez 101 sekund. Obecnie wydłużyli ten czas aż 10-krotnie.
      Fuzja jądrowa – reakcja termojądrowa – to obiecujące źródło energii. Polega ona na łączniu się atomów lżejszych pierwiastków w cięższe i uwalnianiu energii w tym procesie. Taki proces produkcji energii na bardzo dużo zalet. Nie dochodzi do uwalniania gazów cieplarnianych. Na Ziemi są olbrzymie zasoby i wody i litu, z których można pozyskać, odpowiednio, deuter i tryt. Wystarczą one na miliony lat produkcji energii. Fuzja jądrowa jest bowiem 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. Nie ma też ryzyka wystąpienia podobnych awarii jak w Czernobylu czy Fukushimie. Fuzja jądrowa to bardzo delikatny proces, który musi przebiegać w ściśle określonych warunkach. Każde ich zakłócenie powoduje, że plazma ulega schłodzeniu w ciągu kilku sekund i reakcja się zatrzymuje.
      Najbardziej obiecującymi urządzeniami do przeprowadzania fuzji jądrowej są tokamaki. Ostatnio jednak poinformowano, że udało się pokonać poważne problemy, jakie trapiły alternatywną technologię – stellaratory – pojawiła się więc szansa, że tokamaki zyskają konkurencję i prace nad fuzją jądrową przyspieszą.

      « powrót do artykułu
    • By 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
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...