Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Fuzja jądrowa: kapsułki z paliwem mogą być tańsze i łatwiejsze w produkcji
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez 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 -
przez 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 -
przez KopalniaWiedzy.pl
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 -
przez KopalniaWiedzy.pl
Fuzja jądrowa to szansa na produkcję taniej, czystej i bezpiecznej energii. Jednak do jej przeprowadzenia konieczne jest, by plazma w centrum reaktora miała temperaturę około 100 milionów stopni Celsjusza. Jednocześnie trzeba zabezpieczyć reaktor, by się nie roztopił. Dlatego krawędź plazmy musi być izolowana od ścian reaktora. Problem w tym, że na krawędzi pojawiają się niestabilności plazmy brzegowej (ELMs). Powodują one, że cząstki plazmy mogą docierać do ścian reaktora i go uszkadzać.
Naukowcy z Unwersytetu Technicznego w Wiedniu (TU Wien) i Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka w Garching zaprezentowali sposób operowania reaktorami termojądrowymi, który – akceptując niewielkie niestabilności brzegowe – unika problemu pojawiania się dużych niestabilności zagrażających integralności reaktora.
W toroidalnych tokamakach ultragorące cząstki plazmy poruszają się z wielką prędkością, a potężne magnesy utrzymują je w odpowiedniej odległości od ścian reaktora. Jednak plazmy nie można całkowicie odizolować od reaktora, gdyż trzeba dodawać paliwo i usuwać hel, powstający podczas reakcji.
Ruch cząstek plazmy zależy od jej gęstości, temperatury i pola magnetycznego. To elementy, którymi można manipulować, uzyskując różne parametry pracy reaktora. Już kilka lat temu wykazano, że jeśli za pomocą pola magnetycznego nieco zdeformujemy plazmę tak, by jej przekrój nie był eliptyczny, a przypominał trójkąt z zaokrąglonymi rogami i jednocześnie zwiększymy gęstość plazmy na brzegach, unikniemy powstawania najbardziej niebezpiecznych niestabilności brzegowych (ELMs) typu I. Sądzono jednak, że taki scenariusz sprawdzi się tylko w niewielkich maszynach i nie działa w większych reaktorach. Nasze symulacje i eksperymenty pokazują jednak, że w ten sposób można uniknąć niebezpiecznych niestabilności pracy nawet przy parametrach pracy takich reaktorów jak ITER, mówi Lidija Radovanovic, doktorantka z TU Wien.
W plazmie o trójkątnym przekroju i przy kontrolowanym wstrzykiwaniu dodatkowych cząstek na krawędziach, dochodzi do tysięcy małych niestabilności na sekundę. Te niewielkie wyrzuty cząstek trafiają w ściany reaktora szybciej, niż jest on w stanie się rozgrzać i schłodzić. Zatem te niestabilności nie wpływają zbytnio na ściany, wyjaśnia główny autor badań, Georg Harrer. Jednocześnie wykazano, że te niewielkie niestabilności zapobiegają powstawaniu dużych niestabilności, groźnych dla reaktora. To jak gotowanie pod przykryciem. Jeśli szczelnie zakryjemy garnek z gotującą się wodą, pod pokrywką wzrośnie ciśnienie i w końcu pokrywka zacznie się unosić i opadać, a para będzie gwałtownie wydobywała. Jeśli jednak pozostawimy niewielką szczelinę, para będzie uchodziła, a pokrywka pozostanie stabilna, dodaje Harrer.
To już kolejne w ostatnim czasie badania, która przybliżają nas do momentu opanowania reakcji termojądrowej. Ostatnio informowaliśmy o opracowaniu systemu zabezpieczaniu ścian reaktora bez jego wyłączania, który – jak się okazało – poprawia przy okazji stabilność plazmy.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Przed miesiącem należąca do Pentagonu Defense Innovation Unit przyznała firmie Avalanche Energy grant na stworzenie prototypu urządzenia Orbitron, które ma generować ciepło lub elektryczność na potrzeby napędu prototypowego satelity. Satelita ma trafić w przestrzeń kosmiczną już w 2027 roku. I nie byłoby w tym nic nadzwyczajnego, gdyby nie fakt, że Orbitron ma być niewielkim reaktorem, w którym ma zachodzić... fuzja jądrowa. Ta słynna fuzja, która ma nam zapewnić nieskończone źródło czystej energii, a od której od zawsze dzieli nas tylko 20 lat.
Fuzja jądrowa polega na połączeniu dwóch lżejszych atomów w jeden cięższy. Uwalnia się przy tym duża ilość energii. Problem jednak 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. Prace nad opanowaniem fuzji jądrowej trwają od lat, pochłonęły już miliardy dolarów, a elektrowni fuzyjnej generującej zysk energetyczny netto jak nie było, tak nie ma.
Pomysł Orbitrona opiera się na pracy doktorskiej Toma McGuire'a z 2007 roku, który pracował na MIT nad inercyjnym uwięzieniem elektrostatycznym plazmy (IEC). Idea ta polega na uwięzieniu jonów w polach elektrycznych generowanych przez sferyczne elektrody. Jony krążą w takim polu, przez co mają wiele okazji, by się połączyć.
McGuire przeprowadził symulacje zachowania jonów przy różnych ułożeniach katody i zauważył, że niektóre konfiguracje prowadzą do spontanicznego organizowania się plazmy w zsynchronizowane impulsy grup jonów. Grupy takie istniały przez około 1/10 sekundy, a więc tysiące razy dłużej niż samodzielnie poruszające się jony, co zwiększało szanse na zajście fuzji. Kilka lat później pracą McGuire'a zainteresowali się dwaj inżynierowie z Blue Origin. Przed 4 laty założyli oni Avalanche Energy.
W marcu bieżącego roku Avalanche Energy zyskała 5 milionów dolarów od inwestorów. Firma złożyła wniosek patentowy na Orbitron. Opisano w nim urządzenie o średnicy kilkudziesięciu centymetrów, w którym strumień jonów pod wpływem pola elektrostatycznego wchodzi na eliptyczną orbitę wokół elektrody. W systemie tym jony mają istnieć przez około sekundę, co wystarczy, by każdy z nich okrążył elektrodę miliony razy. Avalanche twierdzi, że uzyskała już tą metodą neutrony powstałe w wyniku fuzji jądrowej. Orbitron o średnicy 10 cm ma dostarczać 1 kW mocy. Możliwe byłoby grupowanie takich urządzeń, co pozwoliłoby niewielkim pojazdom na swobodne manewrowanie w przestrzeni kosmicznej. Teraz Avalanche musi wykazać, że to wszystko jest możliwe i w ciągu 5 lat dostarczyć działający prototyp.
Eksperci zajmujący się fuzją jądrową sceptycznie podchodzą do pomysłu. Jedni zwracają uwagę, że bardzo trudno będzie osiągnąć odpowiednie zagęszczenie jonów bez zaburzenia ich orbitalnego ruchu wokół elektrody. Inni przypominają, że fuzja nie jest jedynym, co może się zdarzyć, gdy dwa jony zbliżą się do siebie. Prawdopodobieństwo zajścia fuzji jest znacznie mniejsze niż np. prawdopodobieństwo rozproszenia.
Kolejnym problemem mogą być neutrony, których uzyskaniem pochwaliła się Avalanche. Bez odpowiednich osłon mogą one uszkodzić pojazd kosmiczny, ładunek czy zaszkodzić zdrowiu znajdujących się w pobliżu ludzi. Właściciele firmy Avalanche mogą się więc pocieszać, że jeśli nie wyjdzie im z napędem, być może opracują tanie źródło neutronów, które już teraz znajdują wiele zastosowań od obrazowania medycznego po bezpieczeństwo.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.