Świat wej
Transkrypt
Świat wej
JET (1997) 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Q≈0.64 Fusion power (MW) Toroidalne cewki magnetyczne Prąd elektryczny w plazmie Plazma Linie sił pola magnetycznego Pole magnetyczne w stellaratorze Pierwszy tokamak w Instytucie Kurczatowa (Federacja Rosyjska) Amerykański tokamak DIII-D (General Atomics) Plazma utrzymywana jest w komorze o kształcie obwarzanka — torusa — w pewnej odległości od jej ścian za pomocą silnego pola magnetycznego. Ta metoda nazywana — „magnetycznym utrzymaniem plazmy” wkorzystuje fakt, że elektrycznie naładowane cząstki tworzące plazmę — dodatnio naładowane jony wodoru i elektrony o ładunku ujemnym — krążą wokół linii sił pola magnetycznego, które w komorze o kształcie torusa tworzą zamknięte pętle. Plazma jest więc uwięziona w „klatce magnetycznej” a jej cząstki mogą przebiec dziesiątki tysięcy kilometrów nigdy nie zderzając sie ze ścianą. Na tej zasadzie działają dwa rodzaje reaktorów: tokamaki i stellaratory. Istnieją również inne konfiguracje magnetyczne np. reaktor zwierciadlany bądź tokamak sferyczny. Najlepsze wyniki uzyskano jak dotąd przy użyciu tokamaków. Aby doprowadzić do reakcji syntezy w urządzeniu z magnetycznym utrzymaniem plazmy konieczne jest zastosowanie dodatkowego grzania aż do osiągnięcia odpowiedniej temperatury. Stosuje się tu promieniowanie mikrofalowe bądź strumienie cząstek neutralnych. Od momentu zainicjowania „zapłonu” plazmy zaczynają wytwarzać się w niej duże ilości produktów syntezy jądrowej – neutrony i jądra atomów helu, niosące znaczne ilości energii. Płonąca plazma Jednym z produktów reakcji syntezy deuteru i trytu jest jądro helu. Unosi ono w formie energii kinetycznej 20% energii wyprodukowanej podczas reakcji. Naładowane elektrycznie jądra helu są utrzymywane w polu magnetycznym i przekazują swoją energię paliwu plazmowemu - mieszaninie deuteru i trytu. W ten sposób ogrzewane jest paliwo. Proces ten, który może zachodzić w energy_pl.indd 1 odpowiednio dużych urządzeniach, pozwala na utrzymanie temperatury koniecznej dla procesu syntezy poprzez „samoogrzewanie się plazmy”. Stan taki nazywany jest „płonącą plazmą”. Oprócz jądra helu w każdej reakcji syntezy wyzwala się również neutron niosący 80% wyzwolonej w tej reakcji energii. Ponieważ neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego, nie są zatrzymywane w polu magnetycznym i wnikają w „blanket” — wyłożenie ścian reaktora — gdzie oddają swoją energię. W elektrowni plazmowej przepływające przez blanket medium chłodzące odbiera tę energię. Podobnie jak w konwencjonalnej elektrowni dostarczana jest ona do wymienników ciepła, gdzie wytwarzana jest para wodna do napędu turbin generatorów prądu elektrycznego. Istnieje także możliwość zastosowania uzyskiwanych tu wysokich temperatur do wytwarzania wodoru. Synteza bezwładnościowa Synteza bezwładnościowa opiera się na innej zasadzie. W metodzie tej wypełniona paliwem deuterowo-trytowym kapsułka o średnicy kilku mm jest poddawana impulsowemu działaniu wielu promieni laserowych o ogromnej energii. Zewnętrzna warstwa kapsułki jest gwałtownie odparowywana, co powoduje, że ogromne siły ściskają jej wnętrze. Ta kompresja powoduje wzrost temperatury i gęstości paliwa do poziomu koniecznego do wystąpienia reakcji syntezy jądrowej. Głównym problemem w syntezie bezwładnościowej jest osiągnięcie wysokoenergetycznego i równomiernego napromieniowania kapsułek z wysoką powtarzalnością. W typowym reaktorze działającym na tej zasadzie powinno ogrzewać się i spalać około 10 do 20 kapsułek na sekundę. Kamienie milowe na drodze rozwoju syntezy jądrowej W ostatnich kilkunastu latach obserwuje się na całym świecie ogromny postęp w dziedzinie syntezy jądrowej. Pozytywne doświadczenia dokonane na tokamakach z początku lat 70tych umożliwiły zaplanowanie pierwszych eksperymentów z deuterem i trytem (D-T). Po raz pierwszy na świecie w 1991 r. przeprowadzono kontrolowaną reakcję syntezy D-T osiągając moc syntezy 1,7 MW. Ten ważny kamień milowy został osiągnięty w zbudowanym i eksploatowanym przez fizyków i inżynierów z całej Europy tokamaku JET (Joint European Torus) znajdującym się w pobliżu Oxfordu w Anglii. W roku 1994 ponad 10 MW mocy syntezy uzyskano w amerykańskim tokamaku TFTR. Następny sukces JET-a zanotowano w 1997 r., kiedy to przez kilka sekund uzyskano moc syntezy rzędu 10 MW z maksimum równym 16 MW. JET (Joint European Torus), Centrum Badawcze w Culham, Wielka Brytania JET (1997) 5 0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Trwałe źródło energii Synteza jądrowa jest w dalszej perspektywie jednym z niewielu trwałych źródeł energii dla ludzkości. Spełnia ona warunki bezpieczeństwa dla ludzi i środowiska naturalnego oraz szerokiej dostępności paliw i pewności w ich uzyskiwaniu. Jeśli zostanie ona opanowana, wraz z innymi technologiami będzie odgrywać główną rolę w produkcji energii. Emisja gazów powodujących efekt cieplarniany zmienia nasz klimat. Powoduje ona globalny wzrost temperatury, zmiany intensywności opadów atmosferycznych i podniesienie poziomu mórz. W celu uniknięcia poważnych zaburzeń środowiska naturalnego należy jak najszybciej ograniczyć emisję tych gazów. Konieczne są tu zarówno krótko, jak i długookresowe środki zaradcze. Limity ustalone w protokole z Kyoto są tylko pierwszym krokiem na tej drodze. Ważnym czynnikiem będzie opracowanie i zastosowanie nowych technologii uzyskiwania energii charakteryzujących się zbliżoną do zera emisją gazów cieplarnianych. Elektrownie plazmowe nie będą emitować takich gazów: synteza jądrowa jest jedną z niewielu opcji dla przyszłego zaopatrzenia w energię na wielką skalę. Jeżeli programy badawcze dotyczące syntezy jądrowej zakończą się sukcesem, może ona stać się użyteczną już w drugiej połowie tego wieku. South Pole 320 1990 Time (s) Światowy rekord mocy otrzymanej z reakcji syntezy jądrowej w JET Zasoby paliwa plazmowego — praktycznie niewyczerpalne Deuter i tryt — paliwo plazmowe — są cięższymi i mniej rozpowszechnionymi izotopami wodoru. W metrze sześciennym wody znajduje się około 33 gramów deuteru. Geograficznie jest on więc szeroko dostępny i tani w pozyskaniu. Tryt, którego okres połowicznego rozpadu wynosi około 12,3 lat, występuje niezwykle rzadko w naturze, gdyż powstaje tylko pod wpływem promieniowania kosmicznego. Jednakże w elektrowni plazmowej 2000 może on być sztucznie wytwarzany z litu będącego jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w skorupie ziemskiej. Zapotrzebowanie na paliwo elektrowni plazmowej jest bardzo niewielkie. Tylko 100 kg deuteru (zawartego w 2800 tonach wody morskiej) i 150 kg trytu (odpowiada to 10 tonom rudy litu) zużywane będą w elektrowni o mocy 1 GW w ciągu roku. Dla porównania: w elektrowni węglowej o tej samej mocy trzeba spalić w takim samym czasie 2,7 milionów ton węgla. D+T Plazma Paliwo deuterowe Tryt 280 Zmiany światowego zużycia nośników energii pierwotnej od 1971 do 2003 r. w miliardach ton równoważnika ropy naftowej (Btoe). Źródło: MAE D Blanket (zawiera lit) 300 Gaz ziemny Energia wodna Japoński tokamak JT-60U c w z a e d a syntezy ją b a r t n e c e d r w owej o t a i Św Źródło energii bez emisji CO2 340 Mauna Loa Ropa naftowa „Następny Krok” Osiągnięcia te oraz inne rezultaty uzyskane w wielu tokamakach na całym świecie stworzyły szeroką bazę naukowo-techniczną i pozwoliły na podjęcie następnego kroku: międzynarodowego projektu ITER. ITER jest tokamakiem zaprojektowanym w celu osiągnięcia mocy syntezy w zakresie kilkuset megawatów, dziesięciokrotnie większej w stosunku do mocy zużytej do ogrzania plazmy. ITER będzie wytwarzał płonącą plazmę — w której reakcje syntezy będą same utrzymywały wystarczająco wysoką temperaturę — o parametrach wymaganych dla elektrowni plazmowych, demonstrując zastosowanie kluczowych technologii koniecznych do uczynienia syntezy jądrowej jednym z przyszłych źródeł energii. D47 Q≈0.2 JET (1991) 360 D57 1980 Wnętrze torusa JET, po prawej stronie plazma Pole magnetyczne w tokamaku Magnetyczne utrzymywanie plazmy 10 JG00.57/1c Poloidalne cewki magnetyczne 380 Koncentracja CO2 (ppm) 15 800 1000 1200 1400 1600 1800 T+4He Tryt i hel 4He 260 2000 Hel Rok Zmiana stężenia CO2 w atmosferze Energia elektryczna Wytwornica pary Turbina i generator JG9 Mała porcja paliwa — szybkie wygaszenie reakcji Pomimo, że gorąca plazma w elektrowni plazmowej zajmuję dużą objętość — 1000 metrów sześciennych lub więcej — całkowita ilość deuteru i trytu w plazmie jest niewielka: waga paliwa w komorze plazmowej będzie porównywalna z wagą 10 znaczków pocztowych. Znikoma ilość paliwa tworzącego plazmę jest fundamentalnym czynnikiem bezpieczeństwa reaktora elektrowni plazmowej. Jedynie niewielka porcja paliwa potrzebna do kilkusekundowej pracy reaktora jest wprowadzana do jego komory plazmowej. Oznacza to, że w wypadku zaistnienia jakichkolwiek problemów technicznych, reakcja syntezy może być przerwana w ciągu kilku sekund poprzez odcięcie dopływu paliwa (jak w przypadku palnika gazowego) co oznacza, że elektrownia plazmowa może być zatrzymana bezpiecznie i bardzo szybko. Tryt będzie wytwarzany i zużywany na miejscu Trudności z osiągnięciem prawidłowych parametrów plazmy sprawiają, że synteza jądrowa jest nawet pasywnie bezpiecznym procesem: każde odchylenie od optymalnych warunków powoduje zmniejszenie ilości produkowanej energii lub nawet zatrzymanie procesu. Pierwotne składniki paliwa plazmowego — deuter i lit — nie są radioaktywne i bez problemów mogą być dostarczane do elektorwni. „Popiołem” syntezy jądrowej jest mała ilość szlachetnego gazu — helu, który również nie jest radioaktywny. Analizy bezpieczeństwa pracy elektrowni plazmowej wykazały brak zagrożenia związanego z uwolnieniem substancji radioaktywnych niebezpiecznych dla ludzi i powodujących skażenie środowiska naturalnego. Maksymalna ilość trytu mogąca przedostać się do otoczenia wskutek najgorszej ze wszystkich wyobrażalnych awarii reaktora została oceniona jako na tyle niewielka, że ludzie znajdujący się poza terenem elektrowni nie będą musieli być ewakuowani. Elektrownia plazmowa będzie tak skonstruowana, aby postępować z trytem w sposób bezpieczny, zgodny ze ścisłymi procedurami prawnymi i licencyjnymi. Bezpieczeństwo nieodłączną cechą reaktorów plazmowych Jedynym źródłem energii w reaktorze plazmowym, jeśli plazma w nim już nie płonie, jest radioaktywny rozpad napromieniowanych produktami syntezy materiałów konstrukcyjnych ścian reaktora. Przeprowadzone analizy wykazały, że źródło tej energii jest na tyle małe, iż nie przewiduje się niebezpiecznego wzrostu temperatury komponentów reaktora nawet w przypadku zupełnego odłączenia wszystkich systemów chłodzących. Charakterystyczne dla elektrowni plazmowej jest wytwarzanie trytu — radioaktywnego składnika paliwa — w elementach ściany komory plazmowej zawierających lit, który oddziałując z neutronami uwalnianymi podczas reakcji syntezy rozpada się tworząc tryt. Tak więc ten jedyny radioaktywny składnik paliwa plazmowego będzie wytwarzany i zużywany wewnątrz reaktora w zamkniętym cyklu, co pozwoli uniknąć transportowania trytu (z wyjątkiem okresu rozruchu elektrowni plazmowej i po zakończeniu jej eksploatacji). Brak szkodliwej emisji promieniowania 9.27 8/3c Schemat elektrowni plazmowej Testy niskoaktywujących się materiałów konstrukcyjnych Wprawdzie produkty samej reakcji syntezy nie są radioaktywne, to jednak neutrony uwalniane w tej reakcji mają duża energię i oddziaływują ze ścianami komory reaktora i jej wewnętrznymi elementami powodując ich aktywację. Wzbudzona w ten sposób radioaktywność zależy od wyboru materiałów użytych do konstrukcji tych komponentów. Otwiera to możliwość znacznego zredukowania ilości odpadów radioaktywnych w przyszłych elektrowniach plazmowych. Ważnym zadaniem badawczym jest więc opracowanie nowych niskoaktywujących się stali czy stopów wanadu i chromu. Ceramiki i włókniste materiały kompozytowe są również badane z powodu ich potencjalnej właściwości niskiej aktywacji. Badania materiałów będą realizowane w Międzynarodowym Urządzeniu do Napromieniowywania Materiałów dla Syntezy Jądrowej (International Fusion Materials Irradiation Facility, IFMIF). To intensywne źródło szybkich neutronów ma umożliwić badanie i weryfikację właściwości materiałów, w szczególności niskoaktywujacych się materiałów konstrukcyjnych dla przyszłych reaktorów. Dotychczasowe wyniki prac badawczych wykazują, że wzbudzona w trakcie eksploatacji elektrowni plazmowej radioaktywność jej materiałów konstrukcyjnych szybko spada do poziomu umożliwiającego ponowne ich użycie — przeważnie po około stu latach. 29.08.2006 19:39:04 Uhr ITER, „droga” do przyszłości Makieta ITERa Energia syntezy jądrowej Ogólnoświatowa współpraca Reakcja syntezy jądrowej, w której wodór zamienia się w hel, stanowi źródło energii słońca. W reakcji tej około pół procenta masy wodoru jest zamieniane w energię zgodnie z dobrze znaną regułą Einsteina E = mc2 opisującą zależność masy i energii. Energia ta uwalniana jako promieniowanie elektromagnetyczne — światło — rozprasza się prawie całkowicie w otchłaniach przestrzeni kosmicznej. Jedynie znikoma jej część — mniej niż jedna miliardowa — dociera do Ziemi, dostarczając jednak wystarczająco dużo energii aby podtrzymać obieg wody w przyrodzie, wywołać wiatr, czy umożliwić życie na przestrzeni miliardów lat. ITER — po łacinie „droga” — będzie następnym wielkim eksperymentalnym tokamakiem. Jego zadaniem jest zademonstrowanie naukowej i technicznej możliwości wykorzystania energii syntezy jądrowej dla potrzeb pokojowych. Projekt ITER jest realizowany w ramach współpracy międzynarodowej. Partnerami w programie ITER są Unia Europejska, Chiny, Japonia, Indie, Rosja, Korea Południowa i Stany Zjednoczone. Model cewki pola toroidalnego w urządzeniu testującym TOSCA (Karlsruhe, Niemcy) ITER ma umożliwić wytworzenie i zbadanie płonącej plazmy w warunkach bardzo zbliżonych do tych, jakie oczekiwane są w przyszłych reaktorach elektrowni plazmowych. Ma on wytwarzać 500 MW energii syntezy jądrowej przy współczynniku wzmocnienia energii wyższym niż 10, co oznacza dziesięciokrotnie wyższą produkcję mocy w stosunku do mocy włożonej w ogrzanie plazmy. Celem tego projektu jest również uzyskanie pracy ciągłej reaktora oraz zademonstrowanie i zintegrowanie technologii istotnych dla elektrowni plazmowych a także testowanie komponentów kolejnych urządzeń plazmowych. Uzyskanie syntezy jądrowej na ziemi We wnętrzu Słońca i innych gwiazd w niezwykle wysokich temperaturach i pod ogromnym ciśnieniem grawitacji atomy wodoru łączą się ze sobą. W zasadzie reakcja ta może zajść także pomiędzy innymi lekkimi pierwiastkami. Spośród wszystkich możliwych reakcji synteza deuteru i trytu — dwóch izotopów wodoru — zachodzi najłatwiej i z tego względu została wybrana jako źródło energii dla przyszłych elektrowni plazmowych. W tym procesie deuter i tryt przekształcane są w hel i neutron z uwolnieniem dużej ilość energii. Demonstracja kluczowych technologii ITERa ITER będzie wykorzystywał technologie kluczowe dla budowy i eksploatacji komponentów elektrowni plazmowych, takie jak nadprzewodzące elektromagnesy, elementy wysoko napromieniowane cieplnie, systemy zasilania trytem i urządzenia do zdalnej obsługi reaktora. W ciągu ostatnich dziesięciu lat osiągnięto na tym polu wiele sukcesów, szczególnie w ramach siedmiu dużych projektów badawczo-rozwojowych, które umożliwiły utworzenie solidnych podstaw technicznych dla konstrukcji reaktora ITER. D+T D Koszty, lokalizacja i harmonogram realizacji projektu ITER EFDA Close Support Unit - Garching Boltzmannstr. 2 D-85748 Garching / Munich - Germany www.efda.org energy_pl.indd 2 phone: +49-89-3299-4237 fax: +49-89-3299-4197 e-mail: [email protected] editors: Federico Casci, Doris Lanzinger graphic design: Karen Jens layout: Stefan Kolmsperger + n + Energia He Cel nadrzędny — elektrownia plazmowa Prototyp integracyjny diwertora Urządzenie testujące zdalny montaż diwertora (Brasimone, Włochy) 4He Przewiduje się, że koszty budowy ITERa wyniosą 4,6 miliardów EUR (w cenach z roku 2000) i będą poniesione przez międzynarodowych partnerów tego projektu głównie w formie dostarczanych komponentów. Unia Europejska pokryje około połowy wydatków. Budowa reaktora ma trwać około dziesięciu lat, a jego eksploatacja około dwudziestu. ITER powstanie w Europie, w pobliżu miejscowości Cadarache na południu Francji. © J. Pamela (EFDA Leader) 2006. This brochure or parts of it may not be reproduced without permission. Text, pictures and layout, courtesy of the EFDA Parties; picture page 1: courtesy of Kurchatow Institut; page 2: General Atomics; page 3: JAERI; page 4: IEA and IPCC 2001(WGI,SPm). The EFDA Parties are the European Commission and the Associates of the European Fusion Programme which is co-ordinated and managed by the Commission. Neither the Commission, the Associates nor anyone acting on their behalf is responsible for any damage resulting from the use of information contained in this publication. Równolegle do budowy i eksploatacji ITER prowadzone będą dalsze prace badawczo-rozwojowe, zarówno w dziedzinie fizyki jak i technologii, w celu stworzenia podstaw dla projektu prototypowej elektrowni plazmowej — DEMO. DEMO ma wejść do eksploatacji 3035 lat po zbudowaniu ITERa i zademonstrować samowystarczalność w zakresie produkcji paliwa trytowego, oraz produkcję energii elektrycznej na dużą skalę. Ma on więc zainicjować erę przemysłową w dziedzinie syntezy jądrowej i otworzyć drogę w kierunku pierwszej komercyjnej elektrowni plazmowej. Na Ziemi energia syntezy jądrowej może mieć duży udział w trwałym zaspokojeniu przyszłych potrzeb energetycznych. Naukowcy i inżynierowie na całym świecie prowadzą badania mające na celu zbudowanie elektrowni wykorzystującej ten rodzaj energii już w drugiej połowie tego wieku. Wraz z rozpoczęciem międzynarodowego projektu ITER — który ma zademonstrować techniczne i naukowe możliwości wykorzystania energii syntezy jądrowej — zainicjowano decydującą fazę realizacji tego zadania. Energia T n Reakcja syntezy jądrowej Sto milionów stopni Celsjusza W bardzo wysokich temperaturach atomy tracą swoje elektrony tworząc „gaz” naładowanych cząstek nazywany plazmą. Tracąc swoje elektrony jądra atomowe w plaźmie uzyskują ładunek dodatni, dlatego też odpychają się wzajemnie. Aby doprowadzić do syntezy jąder atomów trzeba im więc nadać dużą energię kinetyczną (prędkość), aby pokonać elektrostatyczne siły ich wzajemnego odpychania się i umożliwić im zderzenia. Wymaganą energię kinetyczną dostarcza się atomom poprzez nagrzewanie ich do bardzo wysokich temperatur. Uzyskanie syntezy deuteru i trytu wymaga zastosowania temperatur w zakresie 100-150 milionów stopni Celsjusza. Plazma nie może stykać się ze ścianami komory w której się znajduje, ponieważ powierzchnia jej ścian natychmiast odparowałaby zanieczyszczając i ochładzając plazmę, przez co straciłaby ona parametry niezbędne dla zaistnienia reakcji syntezy. A special thank to those who voluntarily provided the translation of this brochure into the other languages. 29.08.2006 19:39:13 Uhr