Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Jony podczas fuzji jądrowej zachowują się inaczej, niż przewidują teorie

Recommended Posts

Naukowcy z National Ignition Facility (NIF) w Lawrence Livermore National Laboratory zauważyli, że jony w reaktorze fuzyjnym zachowują się inaczej, niż wynika z obliczeń. Prowadzone w NIF badania dadzą lepszy wgląd w działanie reaktorów fuzyjnych, w których reakcja inicjowana jest za pomocą potężnych impulsów laserowych.

Specjaliści z całego świata próbują odtworzyć reakcje fuzji jądrowej zachodzące na Słońcu. Ich opanowanie dałoby ludzkości niemal nieograniczone źródło czystej energii. W NIF wykorzystuje się zespół 192 laserów, za pomocą których kompresuje się kapsułki z trytem i deuterem, zapoczątkowując fuzję jądrową. To koncepcja znana jako ICF (Inertial Confinement Fusion – inercyjne uwięzienie plazmy) Przed kilkoma dniami na łamach Nature Physics opublikowano artykuł, z którego dowiadujemy się, że zmierzona energia neutronów – przynajmniej podczas najbardziej intensywnej fazy fuzji – jest wyższa niż spodziewana.

To oznacza, że jony biorące udział w fuzji mają większą energię. To coś czego się nie spodziewaliśmy i nie byliśmy w stanie przewidzieć na podstawie standardowych równań opisujących ICF, mówi fizyk Alastair Moore, główny autor artykułu.

Eksperci nie są pewni, co spowodowało obserwowane zjawisko, podkreślają jednak, że to jeden z najbardziej bezpośrednich pomiarów jonów biorących udział w fuzji. Pomiary oznaczają, że teoretycy będą musieli zmodyfikować teorie i wzory, którymi posługują się specjaliści z NIF. Jest tutaj też powód do optymizmu. Dzięki lepszym teoriom wyjaśniającym obserwowane zjawiska, być może uda się opracować metodę zainicjowania długotrwałej samopodtrzymującej się reakcji.

Zaobserwowanie niespodziewanego zachowania jonów było możliwe dzięki opracowaniu nowej technologii detektorów, nazwanej Cherenkov nToF. Dzięki niej niepewność odnośnie prędkości neutronów wynosi zaledwie 5 km/s czyli 1/10 000. Średnia energia neutronów uzyskiwana podczas reakcji w NIF oznacza, że poruszają się one z prędkością ponad 51 000 km/s.

Jednym z możliwych wyjaśnień zaobserwowanego zjawiska jest stwierdzenie, że jony deuteru i trytu nie są w równowadze. Potrzebujemy bardziej zaawansowanych symulacji, by to zrozumieć. Współpracujemy na tym polu z Los Alamos National Laboratory, Imperial College London i MIT, dodaje Moore.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites
W dniu 17.11.2022 o 10:45, KopalniaWiedzy.pl napisał:

jony w reaktorze fuzyjnym zachowują się inaczej, niż wynika z obliczeń

Raczej zachowują się inaczej, niż wynika z założeń do obliczeń.

Cytat

Evidence for suprathermal ion distribution in burning plasmas

Nie ma w tym nic dziwnego - fuzja zachodzi zbyt szybko aby mogło dojść do pełnej termalizacji plazmy.
Fuzja nie podnosi temperatury tylko dostarcza wielkich porcji energii które, cząsteczki dostają tą energię w sposób skumulowany i z dużym prawdopodobieństwem ulegną kolejnej fuzji zanim zdołają rozproszyć energię.
Zjawisko proste i raczej oczywiste.
 

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 minutę temu, Astro napisał:

Mam wątpliwości, bo na "wyczucie" byłby to argument przy gęstościach w tokomakach, ale nie w przypadku NIF.

Jest dokładnie odwrotnie. To w tokomakach plazma ma czas na termalizację. Ale w przypadku "eksplozji" praktycznie cały czas mamy do czynienia z procesem nierównowagowym.

 

Zwłaszcza że "problem" pojawia sie w fazie najintensywniejszej syntezy

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
3 godziny temu, Astro napisał:

Ok, ale miałem na myśli czas termalizacji. Przy podobnych energiach (temperaturach), a przy różnych gęstościach cząstki w rzadszej plazmie mają dłuższą drogę swobodną, a tym samym potrzebują więcej czasu na termalizację

Rozumowanie od d*py strony (Nie mówię że się nie da osiągnąć celu, oznacza to tylko tyle że człowiek strasznie się namęczy zanim coś trafi do żołądka ;) I choć czasami trzeba się namęczyć, to jednak warto przed obliczeniami znać wynik :P ).
Tokomaki itp pracują w sposób kwazi-ciągły, a tu mamy pracę wybitnie impulsową na poziomie mikrowybuchów jądrowych.
Istotne jest to, że w tym drugim wypadku występuje zjawisko "samonagrzewania" od reakcji syntezy, i. generalnie przebieg temperatury ma formę grzebienia.
 

O ile dobrze rozumiem w tokomaku nie dochodzi do takiego zjawiska bo pod wpływem temperatury plazma się rozdyma, i dlatego ma postać bardziej "cefeidy" - krzywa wzrostu tempa reakcji jest wolniejsza od tempa reakcji układu. Tokamaki są "gwiazdami", a tu mówimy o mikro-supernowych. ( "Micronova" - piękna nazwa dla firmy ).

Notabene jestem oczarowany podejściem firmy FirstLight. Przypomina ono polską syntezę jądrową z lat 70 gdzie chcieliśmy wykorzystywać materiały wybuchowe wsparte laserami.
Fist Light zamiast materiałów wybuchowych używa pocisków hipersonicznych, co pozwala zrezygnować z dogrzewania laserami. To przypuszczalnie najlepszy sposób na budowę elektrowni termojądrowych, bo uzyskali już reakcję syntezy dla pocisków 6.5 km/s, a dużych problemów w skalowaniu prędkości pocisków nie ma. Podejście unika całej zabawy z plazmą, wielkimi polami magnetycznymi, laserami - po prostu miniaturowa bomba termojądrowa podgrzewa wnętrze reaktora, co 30 sekund.
Sama komora postać długiego obracającego się walca wypełnionego ciekłym litem, z pustą komorą w środku do której dostarczane są pociski (z jednej) i paliwo (z drugiej strony). Elegancja inżynieryjna absolutnie powala, pozbyto się wszystkiego co sprawiało trudność.

Edited by peceed

Share this post


Link to post
Share on other sites
16 godzin temu, peceed napisał:

po prostu miniaturowa bomba termojądrowa podgrzewa wnętrze reaktora, co 30 sekund.

Pomysł niezły ale chciałbym zobaczyć koszty/zyski. Elektrownia termojądrowa ma być urzadzeniem zyskownym a nie zabawką.

Share this post


Link to post
Share on other sites
32 minuty temu, thikim napisał:

Pomysł niezły ale chciałbym zobaczyć koszty/zyski

To najtańsze podejście. Obywa się bez całej drogiej maszynerii jak lasery czy nadprzewodzące elektromagnesy o masie setek ton, zastępując ją działem. Jeśli zadziała, to musi być zarówno najtańsze jak i zyskowne.
Byłoby ironią losu że najprostsze rozwiązanie zaproponowano w praktyce jako ostatnie.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Nawet najtańsze nie znaczy wystarczająco dobre w kategorii koszty/zysk.
Niemniej zapowiada się bardzo ciekawie. Jak pisałeś - wygląda na pomysł prosty w skalowaniu.

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 godziny temu, Astro napisał:

Już? To prawie pierwsza kosmiczna. ;)

Całe 50 neutronów. Co do prędkości - niby tak, ale przy dziale elektromagnetycznym to da się więcej.
Asteroidy uderzają z prędkocią 18 km/s, komety - 30 km/s. Jest zapas ;)
 

2 godziny temu, Astro napisał:

Cholernie ciekawe, że to wszystko z pomocą "gas gun".

Przecież były projekty wystrzeliwania satelitów na orbitę...

2 godziny temu, Astro napisał:

Czyli modelowe - zaczynamy od pryncypiów.

Powiedzmy że od "podstaw" ;)

Edited by peceed

Share this post


Link to post
Share on other sites

Jedno co mnie zastanawia to ta cisza odnośnie radioaktywności trytu. Prawie 10 tyś. curie na gram!
Te elektrownie będą cholernie radioaktywne, z nieuniknionymi wyciekami.
Dla zabawy zastanowiłem się co by się stało, gdyby udało się zrobić miniaturkowe nuki fuzyjne inicjwane materiałami wybuchowymi. I wyszło, że dla bomby około 5 tonowej radioaktywność głowicy deuterowo-trytowej (w zapłon deuterku litu nie wierzę) to 150 curie. Nawet jeśli tylko 1% zostanie, to wciąż w miejscu trafienia mogą zostać poważne skażenia.

Cała elektrownia termojądrowa musi być uszczelniona, i najlepiej nie zawierać w sobie śladów pary wodnej.

14 godzin temu, thikim napisał:

Jak pisałeś - wygląda na pomysł prosty w skalowaniu.

Wraz ze wzrostem rozmiarów spada stosunek powierzchni ścianek do siły eksplozji. Moc maksymalna będzie ograniczona zdolnością litu do przyjmowania ciepła. A nie doczytałem jak chcą sobie radzić z oknami wlotowymi. Z drugiej strony - im większy ładunek uda się skompresować, tym łatwiejsza fuzja, ze względu na dłuższy czas. A ten będzie proporcjonalny do rozmiarów liniowych kapsułki. Więc z tym skalowaniem to nie do końca musi wyjść łatwo. I jeszcze jest kwestia niestabilności dla dużych kapsułek. Naiwna gładka fizyka pozwala kompresować dłużej, ale w praktyce są limity.
Więc wciąż może się okazać że jest to pomysł którego nie będzie się dało zrealizować.  

Share this post


Link to post
Share on other sites

Lubię te wasz bajdurzenia.

Na słońcu nie ma żadnej fuzji i nigdy nie było. No, ale niedługo dzień dziecka, załóżmy, że jest :)

*Jest, ale nigdy tego nie odtworzymy - w sensie zysku energetycznego. Sprawa jest prosta. Nie dysponujemy darmową energią w postaci silnego pola grawitacyjnego, które pozwoliło by utrzymać w ryzach taką hipotetyczną fuzję. Można się rozejść. Z okazji dnia dziecka wybuduje się kolejną nikomu nie potrzebną zabawkę.     

Share this post


Link to post
Share on other sites

Owszem - dlatego to jest takie trudne. 
Ale pomysłowość ludzka też jest wielka chociaż ograniczona.
Mnie ten pomysł interesuje w kontekście tego że wszystkie inne do tej pory uważam za nie mające szans właśnie z powodu braku tego darmowego silnego pola grawitacyjnego. Ale zauważ że jednak bombę termojądrową byliśmy w stanie skonstruować. Teraz jest kwetia skali bo żeby coś ogrzać potrzeba takich mikrowybuchów termojądrowych.
I ten pomysł jako że nowy - ma przynajmniej jakąś szansę realizacji.
W sumie ciekawi mnie gdzie w kwestii miniaturyzacji bomby termojądrowej napotkano granicę, czyli jak małą bombę termojądrową jesteśmy w stanie skonstruować.

Edited by thikim

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

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zespół z Lawrence Livermore National Laboratory po raz drugi uzyskał w wyniku fuzji jądrowej (reakcji termojądrowej) więcej energii niż zostało wprowadzone do kapsułki paliwowej. Pierwszy raz o takim wydarzeniu usłyszeliśmy w grudniu ubiegłego roku. Teraz energii uzyskano więcej niż wówczas. Szczegóły poznamy podczas zbliżających się konferencji naukowych oraz z opublikowanych artykułów w recenzowanych magazynach. Musimy jednak pamiętać, że mamy tutaj do czynienia z przełomem naukowym, jednak do wykorzystania energii z fuzji jądrowej droga jeszcze daleka.
      Obecnie potrafimy uzyskiwać energię w elektrowniach atomowych z rozpadu cięższych atomów na lżejsze. Elektrownie atomowe to ekologiczne i stabilne źródło energii, jednak wytwarzają wysoce radioaktywne odpady, które pozostają radioaktywne przez setki i tysiące lat, ponadto opierają się na ograniczonych zasobach paliwa. Wedle różnych szacunków paliwa do nich wystarczy na od 90 do ponad 130 lat.
      Fuzja jądrowa pozbawiona jest tych wad. Polega ona na łączeniu dwóch izotopów wodoru – zwykle deuteru i trytu – w cięższy hel. Powstają przy tym co prawda odpady promieniotwórcze, ale ich promieniotwórczość jest stosunkowo niska i przestają one sprawiać problem w ciągu kilkudziesięciu lat. Ponadto dysponujemy praktycznie nieograniczonymi zasobami wodoru. Dlatego też od dziesiątków lat naukowcy pracują nad opanowaniem fuzji jądrowej i uzyskaniu z niej zysku energetycznego netto. Dotychczas się to nie udało.
      W grudniu ubiegłego roku naukowcy z National Ignition Facility poinfomrowali o uzyskaniu z fuzji jądrowej większej ilości energii niż została wprowadzona do kapsułki z paliwem w celu rozpoczęcia reakcji. Było to ważne wydarzenie z naukowego punktu widzenia. Jednak nie z praktycznego. Ilość energii potrzebna do przeprowadzenia eksperymentu była bowiem co najmniej 100-krotnie większa, niż ilość energii uzyskanej. Teraz ten sam zespół uzyskał więcej energii niż w grudniu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fuzja jądrowa może stać się niewyczerpanym źródłem taniej bezpiecznej i ekologicznej energii. Od jej zastosowania dzielą nas dziesięciolecia, ale naukowcy powoli dokonują małych kroków w stronę jej realizacji. W ubiegłym roku w National Ignition Facility uzyskano więcej energii niż wprowadzono do kapsułki z paliwem. Teraz naukowcy poinformowali o udanym teście dynamicznego formowania kapsułek paliwowych wykorzystywanych przy inercyjnym uwięzieniu plazmy. Nowe kapsułki są tańsze i łatwiejsze w produkcji.
      Stosowane w National Ignition Facility (NIF) inercyjne uwięzienie plazmy polega na oświetleniu potężnymi laserami niewielkiej kapsułki zawierającej izotopy wodoru – deuter i tryt. W wyniku oddziaływania laserów kapsułka jest ściskana olbrzymim ciśnieniem i podgrzewana do wysokich temperatur. W końcu jej osłonka zapada się, dochodzi do zapłonu paliwa i zapoczątkowania fuzji jądrowej. Hipotetyczna elektrownia fuzyjna, działająca w ten sposób, zużywałaby około miliona kapsułek z paliwem dziennie. A obecne metody ich formowania, podczas których stosuje się zamrażanie oraz warstwę kriogeniczną, są bardzo kosztowne i skomplikowane.
      Przed dwoma laty Valeri Goncharov z Laboratory for Laser Energetics na University of Rochester opisał nową metodą formowania kapsułek z paliwem. Teraz, wraz z Igorem Igumenshchevem i innymi naukowcami, przeprowadził eksperyment, podczas którego dowiódł, że opisana metoda rzeczywiście działa.
      W procesie dynamicznego formowania kapsułki krople deuteru i trytu są wstrzykiwane w piankową osłonkę. Gdy taka kapsułka zostanie poddana działaniu laserów, najpierw tworzy się sferyczna osłonka, która następnie ulega implozji, zapada się i dochodzi do zapłonu. Taka metoda produkcji jest łatwiejsza i tańsza niż dotychczas stosowana. Szczegóły eksperymentu zostały opisane na łamach Physical Review Letters.
      Wykorzystanie nowych kapsułek do zainicjowania fuzji będzie wymagało prac nad laserami o dłuższym i silniejszym impulsie, jednak przeprowadzony eksperyment wskazuje, że może być to właściwe rozwiązanie na drodze ku praktycznym elektrowniom fuzyjnym.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W jednym z laboratoriów na Imperial College London odtworzono wirujący dysk plazmy, z tych, jakie otaczają czarne dziury i tworzące się gwiazdy. Eksperyment pozwala lepiej modelować procesy, zachodzące w takich dyskach, a naukowcy mają nadzieję, że dzięki temu dowiedzą się, jak rosną czarne dziury i powstają gwiazdy.
      Gdy materia zbliża się do czarnej dziury, jest rozgrzewana i staje się plazmą, czwartym stanem materii składającym się z naładowanych jonów i wolnych elektronów. Zaczyna też się obracać, tworząc dysk akrecyjny. W wyniku obrotu powstają siły odśrodkowe odrzucające plazmę na zewnątrz, jednak siły te równoważy grawitacja czarnej dziury.
      Naukowcy chcą poznać odpowiedź na pytanie, w jaki sposób czarna dziura rośnie, skoro materia – w formie plazmy – pozostaje na jej orbicie. Najbardziej rozpowszechniona teoria mówi, że niestabilności w polu magnetycznym plazmy prowadzą do pojawienia się tarcia, plazma traci energię i wpada do czarnej dziury.
      Dotychczas mechanizm ten badano za pomocą ciekłych wirujących metali. Za ich pomocą sprawdzano, co dzieje się, gdy pojawi się pole magnetyczne. Jednak metale te zamknięte są w rurach, co nie oddaje w pełni swobodnie poruszającej się plazmy.
      Doktor Vincente Valenzuela-Villaseca i jego zespół wykorzystali urządzenie Mega Ampere Generator for Plasma Implosion Experiments (MAGPIE) do stworzenia wirującego dysku plazmy. Za jego pomocą przyspieszyli osiem strumieni plazmy i doprowadzili do ich zderzenia, w wyniku czego powstała obracająca się kolumna plazmy. Odkryli, że im bliżej środka, tym plazma porusza się szybciej. To ważna cecha dysków akrecyjnych.
      MAGPIE generuje krótkie impulsy plazmy, przez co w utworzonym dysku dochodziło tylko do jednego obrotu. Jednak liczbę obrotów będzie można zwiększyć wydłużając czas trwania impulsów plazmy. Przy dłużej istniejących dyskach możliwe będzie też zastosowanie pól magnetycznych i zbadanie ich wpływu na plazmę. Zaczynamy badać dyski akrecyjne w nowy sposób, zarówno za pomocą Teleskopu Horyzontu Zdarzeń, jak i naszego eksperymentu. Pozwoli nam to przetestować różne teorie i sprawdzić, czy zgadzają się one z obserwacjami, mówi Valenzuela-Villaseca.
      Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Physical Review Letters.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W ostatnich dniach media informowały o przełomie w dziedzinie fuzji jądrowej. W National Ignition Facility (NIF) przeprowadzono fuzję jądrową (reakcję termojądrową), podczas której uzyskano więcej energii niż jej wprowadzono do kapsułki z paliwem. To ważne osiągnięcie naukowe, jednak nie oznacza, że w najbliższym czasie będziemy masowo produkowali energię tą metodą. Ilość pozyskanej energii jest bowiem co najmniej 100-krotnie mniejsza niż ilość energii użytej.
      Cały proces w NIF rozpoczyna się od wygenerowania 1 słabej wiązki lasera, która jest wielokrotnie rozszczepiania i wzmacniana. Po przebyciu 1500 metrów, w cel – kapsułkę z paliwem o średnicy 2-3 milimetrów – trafiają 192 potężne wiązki. Niedawno, 5 grudnia, dostarczyły one do kapsułki 2,05 megadżuli (MJ) energii inicjując reakcję, w wyniku której uwolniło się 3,15 MJ energii. Jednak cały proces generowania wiązek pochłonął... 322 MJ. Jak więc widzimy, tak naprawdę odzyskano około 1% energii, wprowadzonej do paliwa w celu uzyskania zapłonu. A mowa tutaj tylko o energii zużytej przez lasery.
      Co więcej, jeśli chcielibyśmy taką reakcję wykorzystać w praktyce, musielibyśmy jeszcze energię cieplną zamienić na energię elektryczną, np. za pomocą turbiny parowej. Taka zamiana nie jest darmowa i znaczna część energii cieplnej nie ulega zamianie na energię elektryczną. Straty mogą sięgać 50%. A to oznacza, że uzyskalibyśmy 200-krotnie mniej energii, niż włożyliśmy.
      Musimy pamiętać, że NIF to infrastruktura badawcza, a nie komercyjna. Nie projektowano jej pod kątem wydajności, ale z myślą o uzyskaniu najpotężniejszych wiązek laserowych. Instalacja służy trzem celom: badaniom nad kontrolowaną fuzją jądrową, badaniom procesów zachodzących we wnętrzach gwiazd oraz stanowi część programu utrzymania, konserwacji i zapewnienia bezpieczeństwa broni atomowej, bez konieczności przeprowadzania testów nuklearnych.
      Osiągnięcie z 5 grudnia jest istotne z naukowego punktu widzenia. Przede wszystkim udowodniono, że za pomocą inercyjnego uwięzienia plazmy możliwe jest zainicjowanie fuzji jądrowej, w wyniku której uzyskuje się więcej energii niż ta potrzebna do rozpoczęcia reakcji. Udany eksperyment pokazuje też, że NIF pozwoli naukowcom na badanie zjawisk zachodzących podczas eksplozji jądrowych.
      Wielu ekspertów wątpi, czy technologia wykorzystywana przez NIF pozwoli kiedykolwiek na komercyjną produkcję energii. Żeby w ogóle o tym myśleć stosunek energii pozyskanej do energii włożonej musiałby zwiększy się o co najmniej 2 rzędy wielkości. A to tylko jeden z wielu problemów naukowych i technologicznych, jakie należy rozwiązać.
      Wykorzystywane w NIF inercyjne uwięzienie plazmy to technologia inna niż magnetyczne uwięzienie plazmy, którą rozwijają naukowcy pracujący przy tokamakach czy stellaratorach. Każda z nich zmaga się ze swoimi problemami. Jednak wszystkie zapewne odniosą olbrzymie korzyści z osiągnięć specjalistów z National Ignition Facility. Osiągnięcie bowiem tak ważnego punktu w pracach nad fuzją termojądrową zwiększy zainteresowanie tymi technologiami, co powinno przełożyć się na większe inwestycje w ich rozwój. Musimy bowiem pamiętać, że świat potrzebuje nowych źródeł energii. Uranu do elektrowni atomowych wystarczy jeszcze na od 90 (według World Nuclear Association) do ponad 135 lat (wg. Agencji Energii Atomowej). Fuzja jądrowa napędzana jest trytem i deuterem, które można pozyskiwać z wody i litu. Dostępne na Ziemi zasoby wystarczą na miliony lat.
      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
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...