Reakcje TJ4

Czas uwięzienia plazmy w reaktorach
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
1
„Broader approach”
 In February 2007 the EU and the Japanese
government signed the "Broader Approach"
agreement.
 The cooperation aims to complement the ITER
Project and to accelerate the realisation of
fusion energy by carrying out R&D and
developing some advanced technologies for
future demonstration fusion power reactors
(DEMO).
 Within the Broader Approach three main
projects will be implemented.
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
2
„Broader approach” 1st project
 The first project will complete the detailed and fully
integrated engineering design of the International
Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF).
 Fusion as a major energy source will require materials
which maintain their essential physical properties and
which do not remain highly radioactive for extended
periods of time after exposure to the harsh thermal and
irradiation conditions inside a fusion reactor.
 IFMIF will allow testing and qualification of advanced
materials in an environment similar to that of a future
fusion power plant.
 VULCAN
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
3
„Broader approach” 2nd project
 The second project is the Japan-EU “Satellite”
Tokamak Programme.
 During ITER construction, major experimental facilities
will be required to develop operating scenarios and
address key physics issues for an efficient start up of
ITER experimentation and for research towards DEMO.
 The JT-60U tokamak in Japan has been identified as a
device which could fulfil these objectives. It will
therefore be upgraded to an advanced superconducting
tokamak and used by Europe and Japan as a “satellite”
facility to ITER.
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
4
„Broader approach” 3rd project
 The third project is the International Fusion Energy
Research Centre.
 The missions of the centre include
 the co-ordination of DEMO Design and R&D activities,
 large scale simulation activities of fusion plasmas by supercomputer and
 remote experimentation activities to facilitate a broad
participation of scientists into ITER experiments.
 The resources for the implementation of the broader
approach will mainly consist of contributions in kind and
financial contributions from the parties to the
Agreement. The European contributions will be largely
provided on a voluntary basis by EU Member States
(and possibly associated states), and channelled
through 'Fusion for Energy'.
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
5
DEMO= DEMOnstration power plant
 Na podstawie doświadczeń wykonanych przy pomocy
ITER ma powstać pierwszy fuzyjny reaktor o mocy ok. 2
GW wytwarzający energię elektryczną w sposób ciągły
 DEMO ma pracować 20 lat i ma być pierwszym
komercyjnym reaktorem termojądrowym (od 2033 r. ?)
 Na jego podstawie mają być budowane następne
reaktory o mocy 3 – 4 GW
 Zakłada się ciągłe podtrzymywanie reakcji fuzji.
Dotychczasowy rekord uzyskał tokamak „TORE
SUPRA” Cadarache: 4,5 minuty przy mocy 3 MW.
 Wynik otrzymano w 2002 r. przy chłodzeniu wodą
reaktora i stosowaniu nadprzewodzących magnesów
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
6
Droga do DEMO
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
7
DEMO= DEMOnstration power plant
Schemat działania DEMO
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
8
Przewidywane koszty elektryczności
Cena elektryczności z fuzji jądrowej
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
9
Koszty bezpośrednie
 Cena inwestycji, obsługi, remontu
 Wymiany części
 Cena paliwa
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
10
Koszty pośrednie („ExternE studies”)
 Emisja szkodliwych substancji do środowiska
 Zanieczyszczenie środowiska
 Wpływ na stan zdrowia ludności
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
11
Ilość paliwa i odpady
 Około 150 kg deuteru i 2000- 3000 kg litu potrzebne na
roczną produkcję elektryczności dla 1 miliona
odbiorców indywidualnych
 Odpady po 100 latach
(tony) łącznie z
materiałami
konstrukcyjnymi
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
12
Czy 30 000 ton to dużo objętościowo ?
 Gęstość betonu =1800 - 2400 kg/m3
 Gęstość stali =7500 – 7900 kg/m3
 Gęstość wolframu =19 100 kg/m3
30 000 ton betonu  12 500 – 16 667 m3
30 000 ton stali  3797 - 4000 m3
30 000 ton wolframu 1571 m3
Dla betonu mniej niż 17 x 10m x 10m x 10m
(17 sześcianów o krawędzi 10 m)
 Dla stali lub wolframu to odpowiednio mniej




2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
13
Szybkość zanikania radioaktywności
Elementy reaktora termojądrowego stają się po pewnym czasie pracy
radioaktywne – głównie w wyniku oddziaływania z neutronami. Po
wyłączeniu reaktora radioaktywność SZYBKO spada.
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
14
Bezpieczeństwo podczas pracy reaktora
 Podstawowym paliwem jest deuter i lit – oba
nietoksyczne i nieradioaktywne substancje
 1 dzień pracy reaktora o mocy 1000 MW
wymaga <1 kg deuteru i < 100 kg litu –
transport i zaopatrzenie nie stanowi problemu
 Chwilowa ilość paliwa w plazmie reaktora jest
niewielka a dodatkowo
 Utrata kontroli nad plazmą powoduje
natychmiastowe ochłodzenie plazmy i
przerwanie reakcji fuzji  nie może
spowodować poważnych uszkodzeń reaktora
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
15
Bezpieczeństwo podczas pracy reaktora c.d.
 Jedyną niebezpieczną substancją, której wydostanie się
z reaktora należy zdecydowanie zapobiegać jest tryt
(radioaktywny)
 Stosuje się potrójne bariery zapobiegające ulotnieniu
się trytu:
 Pojemnik próżniowy („vacuum vessel”)
 Szczelny kriostat
 Budynek reaktora
 Nie planuje się gromadzenia dużych ilości trytu lecz
wytwarzanie trytu na bieżąco z reakcji neutronów z
litem
  Nigdy nie zajdzie potrzeba ewakuacji okolicznych
mieszkańców nawet w przypadku trzęsienia ziemi lub
innej przyczyny uszkodzenia reaktora
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
16
Zagrożenie aktami terroru
 Wyżej wymienione cechy działania reaktora
termojądrowego uniemożliwiają traktowanie go
jako celu ataku terrorystycznego, który mógłby
sprowadzić niebezpieczeństwo na dużą liczbę
mieszkańców
 Jedyna możliwość wykorzystania reaktora w
podobnym celu to używanie go jako źródła
neutronów o energii kilkunastu MeV ale nie jest
to atrakcyjne źródło (inne są znacznie bardziej
efektywne)
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
17
Zaawansowane rodzaje paliwa
 Pierwsza generacja d+t, d+d
+ 3.65 MeV
 Druga generacja d+3He
 Trzecia generacja p+11B, 3He+3He
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
18
Zaawansowane rodzaje paliwa c.d.
1 generacja
2 generacja
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
19
Zaawansowane rodzaje paliwa
 Zaletą paliwa drugiej i trzeciej generacji jest
brak neutronów jako produktów reakcji –
materiały reaktora nie są aktywowane
 Wady paliwa drugiej i trzeciej generacji to mała
abundancja 3He na Ziemi (tylko 0.000 137 %
He na Ziemi to 3He)
 Zauważono jednak, że skały na Księżycu
zawierają stosunkowo dużo 3He  opłacalne
byłoby sprowadzanie 3He z Księżyca
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
20
Zalety energetyki termojądrowej
 Praktycznie nieograniczone zapasy paliwa (d,Li). Mogą
wystarczyć na miliardy lat.
 Nie są wytwarzane gazy cieplarniane.
 Reakcje fuzji wydzielają dużo energii – łatwo zbudować
elektrownie dużej mocy.
 Radioaktywne odpady mają stosunkowo niedużą objętość i szybko
tracą radioaktywny charakter (po ok. 100 latach metalowe części
mogą być znowu używane) – nie ma potrzeby budowania
składowisk na „wieczne” przechowywanie.
 Nie ma niebezpieczeństwa związanego z transportem paliwa
(jedyne radioaktywne paliwo – tryt wytwarzane na bieżąco) a sama
ilość paliwa jest niewielka (kilka kg deuteru i kilkaset kg litu
dziennie dla średniej mocy elektrowni).
 Nie ma niebezpieczeństwa związanego z możliwością wymknięcia
się reakcji fuzji spod kontroli – samoczynnie zatrzymują się a ilość
reagujących substancji mała ( rzędu gramów), więc nie może
spowodować istotnych szkód
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
21
Wady energetyki termojądrowej
 Reakcje fuzji wymagają bardzo zaawansowanej
techologii materiałów, budowy i eksploatacji.
To jest główną przyczyną, że ciągle nie są
używane w sposób przemysłowy.
 Przy stosowaniu paliwa pierwszej generacji (d+t
lub d+d) wydziela się wiele neutronów o energii
kilkunastu MeV, które aktywują materiał
reaktora i stanowią zagrożenie dla obsługi.
 Jak wszystkie elektrownie wydzielają dużo
ciepła co może nie być obojętne dla
środowiska.
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
22
ZIMNA FUZJA („Cold fusion”)
 Poszukiwano reakcji fuzji w procesach gdzie nie występuje tak
wysoka temperatura jak ta osiągana w plazmie:
 W 1989 roku Stanley Pons z University of Utah i Martin
Fleischmann z University of Southampton ogłosili, że
zaobserwowali zimną fuzję atomów deuteru w elektrolizie ciężkiej
wody D2O z użyciem porowatej katody palladowej.
 Elektrolizę wykonywano w kalorymetrze.
Zaobserwowano, że w pewnych
sytuacjach temperatura elektrolitu
wzrastała od 30 do 50 stopni
(bez zmiany zasilania)
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
23
ZIMNA FUZJA („Cold fusion”) c.d.
 Dokładne testy przeprowadzone w
kilkudziesięciu ośrodkach naukowych na
świecie zaprzeczyły tezie, że w takich
warunkach istotnie dochodzi do zimnej fuzji.
 Doniesienie uznano za mistyfikację, choć część
badaczy twierdzi, że Pons i Fleischmann
przypadkiem wpadli na trop nowego zjawiska
fizycznego, ale nikt potem nie potrafił odtworzyć
warunków, w jakich przeprowadzono pierwsze
eksperymenty.
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
24
ZIMNA FUZJA („Cold fusion”) c.d.
 Metoda piroelektryczna: Nature 434, 1115-1117 (28 April 2005)
Here we report that gently heating (-34oC , +7oC) a pyroelectric
crystal in a deuterated atmosphere can generate fusion under
desktop conditions.
 The electrostatic field of the crystal is used to generate and
accelerate a deuteron beam (> 100 keV and >4 nA), which, upon
striking a deuterated target, produces a neutron flux over 400 times
the background level. The presence of neutrons from the reaction
D + D  3He (820 keV) + n (2.45 MeV) within the target is
confirmed by pulse shape analysis and proton recoil spectroscopy.
 Although the reported fusion is not useful in the power-producing
sense, we anticipate that the system will find application as a
simple palm-sized neutron generator.

2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
25
ZIMNA FUZJA („Cold fusion”) c.d.
Researchers at Rensselaer Polytechnic Institute have developed a
tabletop accelerator that produces nuclear fusion at room temperature,
providing confirmation of an earlier experiment conducted at the University
of California, Los Angeles (UCLA), while offering substantial improvements
over the original design.
 An internal view of the vacuum chamber containing the fusion device,
showing two pyroelectric crystals that generate a powerful electric field
when heated or cooled. The device is filled with deuterium gas (<200keV)
 The most immediate application may
come in the form of a battery-operated,
portable neutron generator. Such a device
could be used to detect explosives or
to scan luggage at airports, and it could
also be an important tool for a wide range

of laboratory experiments.
PRL 96, 054803 (2006)
2012-06-07
Reakcje termojądrowe - B.Kamys
26