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