technika
dodano: 2016-09-02
Słońce na Ziemi

Fot. Wikipedia

Proces spalania kopalin jest podstawowym sposobem pozyskiwania energii, a przecież ich zapasy nie są wieczne. Dlatego naukowcy poszukują innych metod na miarę XXI w. Najwięcej nadziei wiążą z fuzją jądrową, wykorzystywaną do tej pory wyłącznie w celach militarnych.

 

Wiesław B. Pietrzak

 

Pierwsze elektrownie jądrowe pojawiły się w latach 50. ub.w., a ich reaktory działały dzięki reakcji rozszczepiania jąder pierwiastków ciężkich, głównie uranu. Ta wykorzystywana do dzisiaj technologia stwarza wiele zagrożeń związanych z przechowywaniem odpadów radioaktywnych, niebezpieczeństwem rozprzestrzeniania broni jądrowej i terroryzmu. Także same reaktory ulegają awariom. Rozwój energetyki jądrowej został prawie wstrzymany po katastrofie w Czarnobylu w kwietniu 1986 r., kiedy nad Europą przepływała chmura radioaktywna. Awaria w japońskiej elektrowni jądrowej w Fukushimie w marcu 2011 r. spowodowała spowolnienie tempa rozwoju energetyki jądrowej na całym świecie, a niektóre państwa postanowiły zamknąć istniejące zakłady i zrezygnować z tej metody pozyskiwania energii.

Eksperci przewidują, że do roku 2050 zapotrzebowanie na energię się podwoi. Obecne metody jej wytwarzania nie są w stanie sprostać tym potrzebom. Jednym z rozwiązań może się stać kontrolowana synteza termojądrowa. Zajmujący się tym zagadnieniem naukowcy dowodzą, że jest ona w stanie zapewnić praktycznie nieskończone ilości energii, przy tym będzie źródłem bezpiecznym dla środowiska.

 

Plazma

 

Fuzja jądrowa to odwrotność rozszczepiania jąder pierwiastków ciężkich i w procesie tym energia wyzwalana jest podczas fuzji (łączenia) jąder atomów pierwiastków lekkich. Proces ten zachodzi we wnętrzu gwiazd, a więc i w naszym Słońcu, w temperaturze kilkunastu milionów stopni Celsjusza i pod niewyobrażalnie wysokim ciśnieniem grawitacyjnym. W wyniku zachodzących reakcji atomowych z lżejszych pierwiastków powstają cięższe. We wnętrzu Słońca podstawową reakcją jest tworzenie się jąder helu z łączenia się jąder wodoru. Uwalnia się wtedy niewiarygodnie dużo energii cieplnej. Ale w jądrze Słońca panuje temperatura rzędu 15 mln °C, a ciśnienie wynosi około 400 mld atmosfer.

Do tej pory fuzję tego typu w warunkach ziemskich udało się przeprowadzić podczas wybuchu bomby wodorowej. Okazuje się jednak, że taka kontrolowana reakcja jest możliwa do przeprowadzenia także na naszej planecie – po „nieznacznej” modyfikacji. Wystarczy zwiększyć temperaturę procesu do 150– 200 mln °C, by doszło do fuzji już przy ciśnieniu 1–2 atmosfer. Warunki takie wystarczą do połączenia się jąder cięższych izotopów wodoru, czyli deuteru i trytu. W temperaturze powyżej 10 mln °C mieszanina ta przechodzi w czwarty stan skupienia – plazmę, w której znajdują się swobodne naładowane cząstki i która jest całkowicie zjonizowana. Podczas fuzji dwóch atomów wodoru powstaje atom helu, jeden wolny neutron i uwalniana jest duża ilość energii cieplnej – 17,59 MeV (megaelektronowoltów). Ilość protonów i neutronów nie zmienia się w trakcie syntezy, a powstająca energia bierze się z różnicy mas pomiędzy substratami i produktami reakcji.

Synteza termojądrowa jest najwydajniejszym źródłem energii. Co ważne, elektrownia termojądrowa nie zanieczyszcza środowiska, gdyż proces syntezy nie generuje odpadów. Reakcja fuzji mieszaniny deuter–tryt jest mniej więcej trzykrotnie efektywniejsza niż rozszczepienie izotopu uranu 235U. Do zaspokojenia przez rok potrzeb elektrowni plazmowej o mocy 1  GW potrzeba zaledwie 100 kg deuteru i kilku ton litu. Do działania przez rok elektrowni węglowej o takiej samej mocy potrzeba 2 mln ton węgla.

Skąd pozyskać deuter i tryt? Obie odmiany wodoru dosłownie nas otaczają: każdy metr sześcienny wody zawiera mniej więcej 30 g deuteru i przy obecnym światowym zużyciu energii wystarczy go na 100 mln lat. Natomiast tryt łatwo pozyskać z licznych związków chemicznych litu, które występują w skorupie ziemskiej oraz w słonej wodzie. Zasoby lądowe tego pierwiastka szacowane są na 39 mln t, a morza i oceany zawierają aż 230 mld t litu.

Jądra atomowe obu izotopów wodoru mają dodatni ładunek elektryczny, więc się odpychają. By doszło do fuzji, jądra atomów deuteru i trytu muszą się zbliżyć na odległość rzędu 10‒15 m, ale wtedy na przeszkodzie stają siły elektrostatyczne. Dopiero niewyobrażalnie wysoka temperatura panująca w plazmie pozwala pokonać siły odpychania. W teorii opracowano kilka metod, które mogą pozwolić wykorzystać syntezę jądrową jako źródło energii. Najbardziej obiecujące i naj­ intensywniej badane są dwa podejścia: magnetyczne oraz inercyjne uwięzienie plazmy.

 

Magnetyczne uwięzienie plazmy

 

W 1950 r. Igor Tamm i Andriej Sacharow opracowali ideę urządzenia do przeprowadzania kontrolowanej syntezy termojądrowej za pomocą magnetycznego uwięzienia plazmy. Urządzenie to tzw. tokamak. Nazwa jest skrótem z języka rosyjskiego od słów „toroidalna komora z cewką magnetyczną”. Pierwsze urządzenie tego typu powstało w 1956 r. w Instytucie Energii Atomowej w Moskwie.

Zasadniczą część tokamaka stanowi komora próżniowa w kształcie torusa, obejmująca rdzeń transformatora, wypełniona zjonizowanym gazem deuterowym lub deuterowo-trytowym. Podgrzewanie plazmy odbywa się w kilku etapach. Zmienne pole magnetyczne pochodzące z transformatora indukuje w gazie prąd elektryczny o wielkim natężeniu, co powoduje w nim wyładowania. Dzięki temu następuje dalszy wzrost temperatury gazu do 10 mln stopni i stopnia jego jonizacji. W efekcie tworzy się gorąca plazma. Dzięki emitowaniu silnego pola magnetycznego przez wewnętrzne elektromagnesy przybiera ona kształt pierścienia. Pole magnetyczne wspomagane jest znacznie słabszym polem poloidalnym, wytwarzanym przez prąd elektryczny płynący w plazmie.

Tak podgrzaną wstępnie plazmę bombarduje się wiązkami neutralnych cząsteczek o wysokiej prędkości. Podczas zderzania się z jonami deuteru i trytu przekazują one im swoją energię. Nagłe zwiększenie mocy pola magnetycznego umożliwia kompresję obłoku plazmy, co jeszcze bardziej podnosi jej temperaturę. Na koniec podgrzewa się plazmę promieniowaniem mikrofalowym. Po tych etapach podgrzewania temperatura plazmy przekracza 150 mln °C.

Jak zamienić uzyskaną energię cieplną na energię elektryczną? Jądra helu powstające podczas fuzji niosą w formie energii kinetycznej około 20% energii wyzwolonej w czasie reakcji. Energia ta przekazywana jest plazmie, w wyniku czego następuje jej samopodgrzewanie się. Aż 80% otrzymanej energii niosą neutrony produkowane podczas trwania fuzji. Ponieważ nie mają ładunku elektrycznego, nie poddają się działaniu pola magnetycznego i nie oddziałują z plazmą. Swobodnie opuszczają obszar reakcji i bombardują wyłożenie ścian reaktora, gdzie są wychwytywane i oddają swoją energię w postaci ciepła. Energia ta jest pobierana przez chłodziwo, które przepływa przez obudowę urządzenia i przekazuje ją do wytwornicy pary wodnej, napędzającej turbiny generatorów prądu.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 09/2016 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
02/2017
01/2017
Kalendarium
Marzec
23
W 1779 r. Edward Pigott po raz pierwszy opisał galaktykę M64.
Warto przeczytać
Mechanika kwantowa jest piękną, precyzyjną i logiczną konstrukcją matematyczną, doskonale opisująca Naturę. Z tym że właściwie nikt nie wie, jak należy ją rozumieć.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

dodano: 2016-09-02
Słońce na Ziemi

Fot. Wikipedia

Proces spalania kopalin jest podstawowym sposobem pozyskiwania energii, a przecież ich zapasy nie są wieczne. Dlatego naukowcy poszukują innych metod na miarę XXI w. Najwięcej nadziei wiążą z fuzją jądrową, wykorzystywaną do tej pory wyłącznie w celach militarnych.

 

Wiesław B. Pietrzak

 

Pierwsze elektrownie jądrowe pojawiły się w latach 50. ub.w., a ich reaktory działały dzięki reakcji rozszczepiania jąder pierwiastków ciężkich, głównie uranu. Ta wykorzystywana do dzisiaj technologia stwarza wiele zagrożeń związanych z przechowywaniem odpadów radioaktywnych, niebezpieczeństwem rozprzestrzeniania broni jądrowej i terroryzmu. Także same reaktory ulegają awariom. Rozwój energetyki jądrowej został prawie wstrzymany po katastrofie w Czarnobylu w kwietniu 1986 r., kiedy nad Europą przepływała chmura radioaktywna. Awaria w japońskiej elektrowni jądrowej w Fukushimie w marcu 2011 r. spowodowała spowolnienie tempa rozwoju energetyki jądrowej na całym świecie, a niektóre państwa postanowiły zamknąć istniejące zakłady i zrezygnować z tej metody pozyskiwania energii.

Eksperci przewidują, że do roku 2050 zapotrzebowanie na energię się podwoi. Obecne metody jej wytwarzania nie są w stanie sprostać tym potrzebom. Jednym z rozwiązań może się stać kontrolowana synteza termojądrowa. Zajmujący się tym zagadnieniem naukowcy dowodzą, że jest ona w stanie zapewnić praktycznie nieskończone ilości energii, przy tym będzie źródłem bezpiecznym dla środowiska.

 

Plazma

 

Fuzja jądrowa to odwrotność rozszczepiania jąder pierwiastków ciężkich i w procesie tym energia wyzwalana jest podczas fuzji (łączenia) jąder atomów pierwiastków lekkich. Proces ten zachodzi we wnętrzu gwiazd, a więc i w naszym Słońcu, w temperaturze kilkunastu milionów stopni Celsjusza i pod niewyobrażalnie wysokim ciśnieniem grawitacyjnym. W wyniku zachodzących reakcji atomowych z lżejszych pierwiastków powstają cięższe. We wnętrzu Słońca podstawową reakcją jest tworzenie się jąder helu z łączenia się jąder wodoru. Uwalnia się wtedy niewiarygodnie dużo energii cieplnej. Ale w jądrze Słońca panuje temperatura rzędu 15 mln °C, a ciśnienie wynosi około 400 mld atmosfer.

Do tej pory fuzję tego typu w warunkach ziemskich udało się przeprowadzić podczas wybuchu bomby wodorowej. Okazuje się jednak, że taka kontrolowana reakcja jest możliwa do przeprowadzenia także na naszej planecie – po „nieznacznej” modyfikacji. Wystarczy zwiększyć temperaturę procesu do 150– 200 mln °C, by doszło do fuzji już przy ciśnieniu 1–2 atmosfer. Warunki takie wystarczą do połączenia się jąder cięższych izotopów wodoru, czyli deuteru i trytu. W temperaturze powyżej 10 mln °C mieszanina ta przechodzi w czwarty stan skupienia – plazmę, w której znajdują się swobodne naładowane cząstki i która jest całkowicie zjonizowana. Podczas fuzji dwóch atomów wodoru powstaje atom helu, jeden wolny neutron i uwalniana jest duża ilość energii cieplnej – 17,59 MeV (megaelektronowoltów). Ilość protonów i neutronów nie zmienia się w trakcie syntezy, a powstająca energia bierze się z różnicy mas pomiędzy substratami i produktami reakcji.

Synteza termojądrowa jest najwydajniejszym źródłem energii. Co ważne, elektrownia termojądrowa nie zanieczyszcza środowiska, gdyż proces syntezy nie generuje odpadów. Reakcja fuzji mieszaniny deuter–tryt jest mniej więcej trzykrotnie efektywniejsza niż rozszczepienie izotopu uranu 235U. Do zaspokojenia przez rok potrzeb elektrowni plazmowej o mocy 1  GW potrzeba zaledwie 100 kg deuteru i kilku ton litu. Do działania przez rok elektrowni węglowej o takiej samej mocy potrzeba 2 mln ton węgla.

Skąd pozyskać deuter i tryt? Obie odmiany wodoru dosłownie nas otaczają: każdy metr sześcienny wody zawiera mniej więcej 30 g deuteru i przy obecnym światowym zużyciu energii wystarczy go na 100 mln lat. Natomiast tryt łatwo pozyskać z licznych związków chemicznych litu, które występują w skorupie ziemskiej oraz w słonej wodzie. Zasoby lądowe tego pierwiastka szacowane są na 39 mln t, a morza i oceany zawierają aż 230 mld t litu.

Jądra atomowe obu izotopów wodoru mają dodatni ładunek elektryczny, więc się odpychają. By doszło do fuzji, jądra atomów deuteru i trytu muszą się zbliżyć na odległość rzędu 10‒15 m, ale wtedy na przeszkodzie stają siły elektrostatyczne. Dopiero niewyobrażalnie wysoka temperatura panująca w plazmie pozwala pokonać siły odpychania. W teorii opracowano kilka metod, które mogą pozwolić wykorzystać syntezę jądrową jako źródło energii. Najbardziej obiecujące i naj­ intensywniej badane są dwa podejścia: magnetyczne oraz inercyjne uwięzienie plazmy.

 

Magnetyczne uwięzienie plazmy

 

W 1950 r. Igor Tamm i Andriej Sacharow opracowali ideę urządzenia do przeprowadzania kontrolowanej syntezy termojądrowej za pomocą magnetycznego uwięzienia plazmy. Urządzenie to tzw. tokamak. Nazwa jest skrótem z języka rosyjskiego od słów „toroidalna komora z cewką magnetyczną”. Pierwsze urządzenie tego typu powstało w 1956 r. w Instytucie Energii Atomowej w Moskwie.

Zasadniczą część tokamaka stanowi komora próżniowa w kształcie torusa, obejmująca rdzeń transformatora, wypełniona zjonizowanym gazem deuterowym lub deuterowo-trytowym. Podgrzewanie plazmy odbywa się w kilku etapach. Zmienne pole magnetyczne pochodzące z transformatora indukuje w gazie prąd elektryczny o wielkim natężeniu, co powoduje w nim wyładowania. Dzięki temu następuje dalszy wzrost temperatury gazu do 10 mln stopni i stopnia jego jonizacji. W efekcie tworzy się gorąca plazma. Dzięki emitowaniu silnego pola magnetycznego przez wewnętrzne elektromagnesy przybiera ona kształt pierścienia. Pole magnetyczne wspomagane jest znacznie słabszym polem poloidalnym, wytwarzanym przez prąd elektryczny płynący w plazmie.

Tak podgrzaną wstępnie plazmę bombarduje się wiązkami neutralnych cząsteczek o wysokiej prędkości. Podczas zderzania się z jonami deuteru i trytu przekazują one im swoją energię. Nagłe zwiększenie mocy pola magnetycznego umożliwia kompresję obłoku plazmy, co jeszcze bardziej podnosi jej temperaturę. Na koniec podgrzewa się plazmę promieniowaniem mikrofalowym. Po tych etapach podgrzewania temperatura plazmy przekracza 150 mln °C.

Jak zamienić uzyskaną energię cieplną na energię elektryczną? Jądra helu powstające podczas fuzji niosą w formie energii kinetycznej około 20% energii wyzwolonej w czasie reakcji. Energia ta przekazywana jest plazmie, w wyniku czego następuje jej samopodgrzewanie się. Aż 80% otrzymanej energii niosą neutrony produkowane podczas trwania fuzji. Ponieważ nie mają ładunku elektrycznego, nie poddają się działaniu pola magnetycznego i nie oddziałują z plazmą. Swobodnie opuszczają obszar reakcji i bombardują wyłożenie ścian reaktora, gdzie są wychwytywane i oddają swoją energię w postaci ciepła. Energia ta jest pobierana przez chłodziwo, które przepływa przez obudowę urządzenia i przekazuje ją do wytwornicy pary wodnej, napędzającej turbiny generatorów prądu.