Przełomowa fuzja jądrowa. Uzyskano rekordowo dużo energii
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Fuzja jądrowa to obietnica czystego, bezpiecznego i praktycznie nieskończonego źródła energii. Badania nad nią trwają od dziesięcioleci i nic nie wskazuje na to, byśmy w najbliższym czasie mogli zastosować ją w praktyce. Naukowcy dokonują powolnych, mniejszych lub większych, kroków na przód w kierunku jej opanowania. Uczeni z University of Texas, Los Alamos National Laboratory i Type One Energy Group rozwiązali właśnie poważny problem, który od 70 lat nękał jeden z rodzajów reaktorów fuzyjnych – stellaratory – spowalniając prace nad nimi. Jego rozwiązanie przyda się również w udoskonaleniu tokamaków, innego – znacznie bardziej popularnego – projektu reaktora fuzyjnego.
Jednym z poważnych wyzwań stojących przed wykorzystaniem w praktyce fuzji jądrowej jest utrzymanie wysokoenergetycznych cząstek wewnątrz reaktora. Gdy takie wysokoenergetyczne cząstki alfa wyciekają, uniemożliwia to uzyskanie wystarczająco gorącej i gęstej plazmy, niezbędnej do podtrzymania reakcji. Inżynierowie opracowali złożone metody zapobiegania wyciekom za pomocą pól magnetycznych, jednak w polach takich występują luki, a przewidzenie ich lokalizacji i zapobieżenie im wymaga olbrzymich mocy obliczeniowych i wiele czasu.
Na łamach Physical Review Letters ukazał się artykuł, w którym wspomniani wcześniej naukowcy informują o opracowaniu metody 10-krotnie szybszego przewidywania miejsc pojawiania się luk, bez poświęcania dokładności.
Rozwiązaliśmy problem, który był nierozwiązany od 70 lat. Będzie to znaczący przełom w sposobie projektowania reaktorów, mówi profesor Josh Burry z University of Texas. W stellaratorach wykorzystywany jest układ cewek, za pomocą których generowane są pola magnetyczne. Nazywany jest on „magnetyczną butelką”. Miejsca występowania dziur w magnetycznej butelce można precyzyjnie przewidywać korzystając z zasad dynamiki Newtona. Jednak działanie takie wymaga olbrzymich ilości czasu i wielkich mocy obliczeniowych. Co więcej, by zaprojektować stellarator idealny konieczna byłaby symulacja setek tysięcy różnych projektów i stopniowe dostosowywanie do każdego z nich układu magnetycznej butelki.
By więc oszczędzić czas i pieniądze podczas obliczeń standardowo używa się teorii perturbacji, która daje wyniki przybliżone. Są one jednak znacznie mniej dokładne. Autorzy najnowszych badań podeszli do problemu w inny sposób, wykorzystując teorię symetrii.
Obecnie nie ma innego niż nasz teoretycznego sposobu na rozwiązanie kwestii uwięzienia cząstek alfa. Bezpośrednie zastosowanie zasad dynamiki Newtona jest zbyt kosztowne, a teoria perturbacji związana jest z poważnymi błędami. Nasza teoria jest pierwszą, która radzi sobie z tymi ograniczeniami, dodaje Burry.
Co więcej, nowa praca może pomóc też w rozwiązaniu podobnego, ale innego problemu występującego w tokamakach. W nich z kolei problemem są wysokoenergetyczne elektrony, które dziurawią osłony reaktora. Nowa metoda może pozwolić na zidentyfikowanie luk w polach magnetycznych, przez które elektrony wyciekają.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Firma TAE Technologies, która od niemal 30 lat prowadzi badania nad fuzją jądrową, ogłosiła, że dokonała znaczącego postępu pod względem wydajności i sprawności reaktora fuzyjnego. Wyniki naszych eksperymentów, opublikowane na łamach recenzowanego pisma Nature Communications, dowodzą, że TAE opracowało taką metodę formowania i optymalizacji plazmy, która zwiększa wydajność, znacząco obniża złożoność i koszty oraz przyspiesza moment, w którym zademonstrujemy pozyskiwanie energii netto i komercyjną fuzję jądrową, czytamy w firmowym oświadczeniu.
Firma twierdzi, że jej ostatnie pracy udowodniły, iż z reaktora, który rozwija, można będzie pozyskać 100-krotnie więcej energii niż z typowego tokamaka korzystającego z pola magnetycznego o tej samej sile, zdolnego do uwięzienia tej samej ilości plazmy. Dodatkowo jej system jest znacznie prostszy, dzięki czemu jest znacznie tańszy w budowie i utrzymaniu.
TAE Technologies powstała w 1998 roku. Przez wiele lat firma unikała rozgłosu, nie zdradzając o sobie zbyt wielu informacji. Witrynę internetową uruchomiła dopiero w 2015 roku. Wiadomo, że w 2021 roku zatrudniała ponad 250 pracowników i zebrała finansowanie w wysokości 880 milionów USD. Jej głównymi sponsorami są Goldman Sachs, Vulcan Inc. (firma założyciela Microsoftu Paula Allena) czy fundusze venture capital jak Venrock i New Enterprise Associates.
TAE Technologies rozwija technologię fuzji aneutronowej za pomocą techniki FRC (Field-Reversed Configuration). Fuzja aneutronowa to rodzaj syntezy termojądrowej, w której bardzo mało energii jest unoszonej przez neutrony. Jest ona znacznie bezpieczniejsza od tradycyjnej fuzji jądrowej, nie wymaga tak dobrego ekranowania, a pozyskana z niej energia jest łatwiejsza do przetworzenia na użyteczny dla nas prąd. Nie ma też ryzyka, że poszczególne elementy reaktora staną się radioaktywne, więc trzeba będzie je w specjalny sposób zabezpieczać, gdy przestaną być używane. Jednak uzyskanie fuzji aneutronowej jest znacznie trudniejsze, wymaga bardziej ekstremalnych warunków, niż w przypadku tradycyjnej fuzji z wykorzystaniem deuteru i trytu.
TAE Technologies ma zamiar wykorzystać w swoim reaktorze paliwo wodorowo-borowe (p-B11). To, zdaniem firmy, najczystsze, najbezpieczniejsze i najbardziej przyjazne środowisku paliwo, jakie można wykorzystać w czasie fuzji.
W technice FRC plazma samodzielnie się organizuje i generuje własne pole magnetyczne wewnątrz reaktora, co znacząco zmniejsza zapotrzebowanie na zewnętrzne magnesy i ułatwia działanie reaktora. Sam reaktor jest też prostszy, więc tańszy i łatwiejszy w budowie czy utrzymaniu. Przełom, ogłoszony przez TAE Technologies, polega na rozwiązaniu wcześniejszych problemów z wygenerowaniem i utrzymaniem plazmy, co osiągnięto dzięki wstrzyknięciu wiązki neutralnej wiązki cząstek.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Głęboko pod powierzchnią Morza Śródziemnego znajduje się niezwykła infrastruktura, wykrywacz neutrin KM3NeT. Jedna część znajduje się 30 km od południowych wybrzeży Francji, na głębokości ok. 2500 m i jest zoptymalizowana do pracy z neutrinami o energiach liczonych w gigaelektronowoltach (GeV). Część druga, KM3NeT-It, położona 100 km na wschód od południowych wybrzeży Sycylii, zlokalizowana 3500 m pod powierzchnią, wykrywa neutrina z zakresu tera- i petaelektronowoltów (TeV, PeV). Zarejestrowano tam najbardziej energetyczne neutrino. Jego energia sięgała 220 PeV.
Międzynarodowy zespół naukowy KM3NeT Collaboration poinformował na łamach Nature, o wynikach analiz przeprowadzonych na danych zebranych przez wykrywacze umieszczone na 21 linach wpuszczonych w głąb morza. Infrastruktura w pobliżu Sycylii pracowała w takich konfiguracji pomiędzy końcem września 2022 a połową września 2023, kiedy to dodano 7 kolejnych lin z detektorami. Uczeni przeanalizowali dane z 287 dni pracy KM3NeT. W tym czasie zarejestrowano 110 milionów interakcji. A najpotężniejsze ze znanych neutrin wykrywacze zarejestrowały 13 lutego 2023 roku. Wspomniane już energia 220 PeV to 16 000 razy więcej niż energia najpotężniejszych kolizji, do jakich dochodzi w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC).
Wszechświat jest pełen neutrin. Jest ich tak dużo, że w każdej sekundzie przez nasze ciała przelatuje ich nawet 100 bilionów. Nie mają one jednak ładunku elektrycznego i prawie nie posiadają masy. Niezwykle rzadko wchodzą w interakcje z materią. Dlatego do ich wykrywania używa się gigantycznych teleskopów, takich jak KM3NeT. To zespół czujników zawieszonych na linach w głębinach Morza Śródziemnego, które rejestrują promieniowanie Czerenkowa. Gdy neutrino wchodzi w interakcję z jądrem atomu w wodzie morskiej, może powstać mion. W wyniku interakcji jądro atomu-neutrino powstały mion zyskuje tak olbrzymią energię kinetyczną, że gdy przemieszcza się przez wodę, dochodzi do emisji światła. To właśnie jest promieniowanie Czerenkowa, które możemy porównać do gromu dźwiękowego powstającego, gdy samolot przekracza prędkość dźwięku.
Każda z 230 lin składających się na KM3NeT wyposażona jest w 18 modułów optycznych, z których każdy zawiera 31 fotopowielaczy, wykrywających i wzmacniających słabe rozbłyski światła ze wszystkich kierunków. W tym światło generowane przez miony powstające po uderzeniu neutrin w jądra atomowe. Jak więc łatwo się domyślić, dokładając kolejne liny z kolejnymi fotopowielaczami możemy łatwo rozbudowywać KM3NeT, którego objętość będzie wkrótce liczyła wiele kilometrów sześciennych.
KM3NeT wykrywa obecnie neutrina pochodzące z ekstremalnych źródeł i wydarzeń astrofizycznych. Pierwsze zarejestrowanie neutrina o energii w zakresie setek PeV otwiera nowy rozdział w astronomii, stwierdził Paschal Coyle. Łącząc obserwacje z różnych źródeł, poszukujemy związku pomiędzy promieniowaniem kosmicznym, pojawianiem się neutrin oraz supermasywnymi czarnymi dziurami, wyjaśnia Yuri Kovalev z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka.
Źródłem wysokoenergetycznych neutrin mogą być zresztą nie tylko supermasywne czarne dziury, ale też supernowe. Najpotężniejsze z zarejestrowanych neutrin może pochodzić z któregoś z tych źródeł. Może być też pierwszym zauważonym neutrino kosmogenicznym. Mogą one powstawać, gdy wysokoenergetyczne promieniowanie kosmiczne wchodzi w interakcję z reliktowymi niskoenergetycznymi fotonami z mikrofalowego promieniowania tła. Jednak, jako że to jedyne neutrino o energii rzędu setek PeV, naukowcy nie są w stanie określić jego źródła.
KM3Net składa się z dwóch wykrywaczy: ARCA w pobliżu Sycylii i ORCA w pobliżu Tulonu. W skład zespołu ARCA wchodzi 230 lin o długości 700 metrów każda, rozmieszczonych w odległości 100 metrów od siebie. ORCA to 115 lin długości 200 metrów w odległości 20 metrów od siebie. Na każdej linie znajduje się 18 modułów optycznych, wyposażonych w 31 fotopowielaczy. Dane z wykrywaczy trafiają do INFN Laboratori Nazionali del Sud w Portopalo di Capo Passero i Laboratoire Sous-marin Provence Méditerranée w La Seyne-sur-Mer.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Przed dziewięcioma dniami, 12 lutego, tokamak WEST z francuskiego centrum badawczego Cadarache utrzymał plazmę przez 1337 sekund, bijąc w ten sposób niedawny chiński rekord 1066 sekund. Ostatecznym celem tego typu badań jest opracowanie metod długotrwałego utrzymania plazmy oraz stworzenie materiałów zdolnych wytrzymania niezwykle wysokich temperatur i dawek promieniowania.
Badacze z CEA (Komisja energii atomowej), do którego należy Cadarache zapowiadają, że w najbliższych miesiącach znacząco zwiększą zarówno czas utrzymania plazmy, jak i jej temperaturę. Podczas rekordowego eksperymentu plazma w tokamaku była grzana falami radiowymi z pojedynczej anteny o mocy 2 MW. Badacze postawili sobie ambitny cel. Chcą zwiększyć moc grzewczą do 10 MW, wciąż utrzymując plazmę przez ponad 1000 sekund. Jeśli im się uda, będzie to odpowiadało uzyskaniu mocy rzędu gigawatów w dużych reaktorach, takich jak ITER. A to z kolei pozwoli sprawdzić żywotność wolframowych elementów wystawionych na oddziaływanie plazmy w tak ekstremalnych warunkach. Francuscy eksperci wchodzą w skład wielu zespołów pracujących nad opanowaniem fuzji jądrowej. Można ich spotkać przy projektach JT-60SA w Japonii, EAST w Chinach, KSTAR w Korei Południowej oraz, oczywiście, ITER.
Badania prowadzone we wspomnianych tutaj urządzeniach maja na celu opanowanie fuzji jądrowej i zapewnienie nam w przyszłości niezbędnej 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.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy i inżynierowie z University of Bristol oraz brytyjskiej Agencji Energii Atomowej (UKAEA) stworzyli pierwszą diamentową baterię z radioaktywnym węglem C-14. Urządzenia tego typu mogą działać przez tysiące lat, stając się niezwykle wytrzymałym źródłem zasilania, które może przydać się w wielu zastosowaniach. Bateria wykorzystuje radioaktywny C-14 do długotrwałego wytwarzania niewielkich ilości energii.
Tego typu źródła zasilania mogłyby trafić do biokompatybilnych urządzeń medycznych jak np. implanty słuchu czy rozruszniki serca, a olbrzymią zaletą ich stosowania byłoby wyeliminowanie konieczności wymiany baterii co jakiś czas. Sprawdziłyby się też w przestrzeni kosmicznej czy ekstremalnych środowiskach na Ziemi, gdzie wymiana baterii w urządzeniu byłaby trudna, niepraktyczne czy niemożliwa.
Opracowana przez nas technologia mikrozasilania może znaleźć miejsce w wielu różnych zastosowaniach, od technologii kosmicznych, poprzez bezpieczeństwo po medycynę, mówi profesor Tom Scott. Uczony przypomniał, że prace nad nowatorskim rozwiązaniem trwały przez pięć lat.
Diamentowa bateria generuje dostarcza energię przechwytując elektrony pochodzące z rozpadu radioaktywnego węgla-14. Jako że czas półrozpadu C-14 wynosi 5730 lat, urządzenie takie może działać bardzo długo.
Diamentowe baterie to bezpieczny i zrównoważony sposób na długotrwałe dostarczanie mocy rzędu mikrowatów. To nowa technologia, która pozwala na zamknięcie w sztucznych diamentach niewielkich ilości węgla-14, mówi Sarah Clark, dyrektor wydziału Cyklu Paliwowego Trytu w UKAEA.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.