Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Naukowcy z Łodzi stworzą system monitorowania plazmy w reaktorach termojądrowych
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Zaledwie kilka tygodni po tym, jak National Ignition Facility doniosło o przełomowym uzyskaniu w reakcji termojądrowej większej ilości energii niż wprowadzono jej do paliwa, największy projekt energii fuzyjnej – ITER – informuje o możliwym wieloletnim opóźnieniu. International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) to międzynarodowy projekt, w ramach którego na południu Francji powstaje największy z dotychczas zbudowanych reaktorów termojądrowych. Ma to być reaktor eksperymentalny, który dostarczy około 10-krotnie więcej energii niż zaabsorbowana przez paliwo. Dla przypomnienia, NIF dostarczył jej 1,5 raza więcej.
Budowa ITER rozpoczęła się w 2013 roku, a w roku 2020 rozpoczęto montaż jego reaktora, tokamaka. Pierwsza plazma miała w nim powstać w 2025 roku. Jednak Pietro Barabaschi, który od września jest dyrektorem projektu, poinformował dziennikarzy, że projekt będzie opóźniony. Zdaniem Barabaschiego, rozpoczęcie pracy reaktora w 2025 roku i tak było nierealne, a teraz pojawiły się dwa poważne problemy. Pierwszy z nich, to niewłaściwe rozmiary połączeń elementów, które należy zespawać, by uzyskać komorę reaktora. Problem drugi to ślady korozji na osłonie termicznej. Usunięcie tych problemów "nie potrwa tygodnie, ale miesiące, a nawet lata", stwierdził menedżer. Do końca bieżącego roku poznamy nowy termin zakończenia budowy reaktora. Barabaschi pozostaje jednak optymistą i ma nadzieję, że opóźnienia uda się nadrobić i w roku 2035 reaktor będzie – jak się obecnie planuje – pracował z pełną mocą.
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 -
przez KopalniaWiedzy.pl
Amerykańscy eksperci z National Ignition Facility poinformowali o uzyskaniu z fuzji jądrowej wyraźnie więcej energii niż wprowadzono w paliwo. Uzyskano tym samym punkt tzw. breakeven. Po kilkudziesięciu latach badań pojawiła się realna nadzieja na uzyskanie niemal niewyczerpanego źródła czystej energii.
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. Na Ziemi są olbrzymie zasoby i wody i litu, z których można pozyskać paliwo do fuzji jądrowej, deuter i tryt. Wystarczą one na miliony lat produkcji energii. Takiego luksusu nie mamy ani jeśli chodzi o węgiel czy gaz ziemny, ani o uran do elektrowni atomowych. Tego ostatniego wystarczy jeszcze na od 90 (według World Nuclear Association) do ponad 135 lat (wg. Agencji Energii Atomowej). Fuzja jądrowa jest 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. Jednak 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.
Fuzja jądrowa jest od wielu dekad przedmiotem zainteresowania naukowców na całym świecie. Problem w tym, że aby pokonać siły elektrostatyczne odpychające od siebie atomy potrzeba albo ekstremalnie wysokich temperatur, albo potężnych impulsów laserowych. To zaś wymaga budowy olbrzymich, bardzo skomplikowanych i kosztownych instalacji.
Istnieją różne pomysły na przeprowadzeni fuzji jądrowej, a najpopularniejszym z nich jest próba wykorzystania tokamaków. Optymalna temperatura, w której dochodzi do reakcji połączenia się deuteru z trytem w tokamaku wynosi od ok. 100 do ok. 200 milionów stopni Celsjusza. Tak rozgrzana materia znajduje się w stanie plazmy. Trzeba ją uwięzić w jakiejś niematerialnej pułapce. Może być nią np. silne pole magnetyczne. I to właśnie rozwiązanie stosowane jest w tokamakach i będzie je wykorzystywał słynny budowany we Francji reaktor badawczy ITER. Uwięzienie jest konieczne zarówno dlatego, by plazma się nie rozpraszała i nie chłodziła, jak i dlatego, by utrzymać ją z dala od ścian reaktora, które zostałyby uszkodzone przez wysokie temperatury.
Innym pomysłem jest zaś inercyjne uwięzienie plazmy. Z tej technologii korzysta właśnie National Ignition Facility (NIF). NIF otwarto w 2009 roku w w Kalifornii. To laboratorium badawcze, w którym zespół 192 laserów skupia wiązki na niewielkiej kapsułce zawierającej paliwo. Jest ono zgniatane prze światło lasera, a zapłon następuje w wyniku transformacji promieniowania laserowego w promieniowanie rentgenowskie. To efekt prac prowadzonych od dziesięcioleci. W latach 60. zespół fizyków z Lawrence Livermore National Laboratory – do którego należy NIF – pracujący pod kierunkiem Johna Nuckollsa, wysunął hipotezę, że zapłon fuzji jądrowej można by uzyskać za pomocą laserów. Właśnie poinformowano, że 5 grudnia bieżącego roku uzyskano długo oczekiwany zapłon.
Zapłon ma miejsce, gdy ciepło z cząstek alfa powstających w wyniku fuzji termojądrowej w centrum kapsułki z paliwem jest w stanie przezwyciężyć efekt chłodzący wywołany m.in. stratami promieniowania rentgenowskiego czy przewodnictwem elektronowym, zapewniając samopodtrzymujący mechanizm ogrzewania i gwałtowny wzrost ilości uzyskanej energii, czytamy na stronach NIF. Podczas eksperymentu do paliwa dostarczono 2,05 megadżula (MJ) energii, a w wyniku reakcji uzyskano 3,15 MJ.
Zapłon uzyskano w niewielkim cylindrze zwanym hohlraum, wewnątrz którego znajdowała się kapsułka z paliwem. Wewnątrz niej energia światła laserowego zmieniła się w promieniowanie rentgenowskie, doszło do kompresji kapsułki, jej implozji i pojawienia się wysokotemperaturowej plazmy, wewnątrz której panowało wysokie ciśnienie.
To ważny krok, jednak zanim do naszych domów popłynie czysta energia uzyskana drogą fuzji jądrowej, musimy nauczyć się uzyskiwać wielokrotnie więcej energii niż kosztowało nas doprowadzenie do reakcji. Do tego zaś potrzeba wielu naukowych i technologicznych przełomów. Ich osiągnięcie może potrwać całe dekady.
« powrót do artykułu -
przez 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 -
przez KopalniaWiedzy.pl
Grupa amerykańskich, brytyjskich i japońskich badaczy pracujących w National Ignition Facility (NIF) odkryła, że pokrycie cewką magnetyczną cylindra zawierającego paliwo wodorowe podnosi temperaturę paliwa i trzykrotnie zwiększa wydajność reakcji. To kolejny krok ku kontrolowanej praktycznej reakcji termonuklearnej.
National Ignition Facility otwarto w 2009 roku. To laboratorium badawcze, w którym zespół 192 laserów skupia wiązki na niewielkiej kapsułce zawierającej wodór, wykorzystując technikę inercyjnego uwięzienia plazmy. To alternatywny wobec znanych tokamaków, sposób na fuzję jądrową. Już w 2014 roku z systemu uzyskano więcej energii niż weń włożono. Natomiast w sierpniu ubiegłego roku udało się osiągnąć uzysk energii rzędu 1,3 MJ i poinformowano, że naukowcy z NIF są bliżej zainicjowania stabilnej samopodtrzymującej się reakcji termojądrowej niż ktokolwiek inny. Od tamtej pory eksperci z NIF próbują powtórzyć swoje osiągnięcie, ale wciąż im się to nie udało. Niedawno na przykład odkryli, że jony w reaktorze fuzyjnym zachowują się inaczej, niż wynika z obliczeń.
Grupa fizyków z NIF, poszukując przyczyny niepowodzeń, przeanalizowała starsze prace naukowe i zauważyła w nich coś intrygującego. Autorzy niektórych z nich twierdzili, że przeprowadzone symulacje komputerowe wykazały, iż zamknięcie cylindra z paliwem w polu magnetycznym powinno znacznie zwiększyć produkcję energii. Postanowiono więc sprawdzić, czy tak jest w rzeczywistości.
Jednak do przeprowadzenia eksperymentów konieczna była modyfikacja samego cylindra. Jest on zbudowany ze złota. Umieszczenie go w silnym polu magnetycznym spowodowałoby pojawienie się silnego prądu elektrycznego, który rozerwałby cylinder. Dlatego też uczeni zbudowali nowy cylinder, ze stopu złota i tantalu. Zmienili też paliwo w kapsułce z wodoru na jeden z jego izotopów, deuter. Następnie całość zapakowali w cewkę i wystrzelili wiązki laserowe. Zastosowanie zewnętrznego osiowego pola magnetycznego o natężeniu 26 tesli [...] zwiększyło temperaturę jonów o 40%, a uzysk neutronów o 3,2 razy, czytamy w Physical Review Letters.
« powrót do artykułu -
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
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.