Energia termojądrowa
Autor:
Ludwik Dobrzyński,
współpraca:
Oleg Utyuzh,
Ewa Droste,
Wojciech Trojanowski
1 meV = 10 -3 eV
1 keV = 10 3 eV
1 MeV = 10 6 eV
1 GeV = 10 9 eV
Wywołanie reakcji syntezy na Ziemi nie jest łatwe. By je zainicjować w wysokiej temperaturze należy mieć na uwadze, że należy dysponować niezwykle wysoką temperaturą, rzędu kilkuset milionów stopni, a gdy się już otrzyma taką gorącą plazmę, należy umieć ją utrzymać.
*) Ocena tych mas powstała w oparciu o przyjęcie średniej energii reakcji 27,7 MeV.
Możliwymi do praktycznego wykorzystania są następujące reakcje syntezy lekkich jąder:
| D + D | → | T + H + 4,04 MeV |
| D + D | → | 3 He + n + 3,27 MeV |
| D + T | → | 4 He + n + 17,58 MeV |
| D + 3 He | → | 4 He + p + 18,37 MeV |
| T + T | → | 4 He + 2n + 11,31 MeV |
| H + 6 Li | → | 4 He + 3 He + 3,9 MeV |
| H + 11 B | → | 3(4He) + 8,68 MeV |
| D + 6 Li | → | 2(4He) + 22,3 MeV |
Zasadniczym problemem jest wytworzenie ekstremalnie wysokiej temperatury i ciśnienia w zjonizowanym gazie - plazmie oraz utrzymanie jej w tych warunkach wystarczająco długo, aby zainicjować emisję energii. Gdy się taki cel osiągnie i zajdzie wystarczająca liczba reakcji syntezy, dostawa świeżego paliwa powinna zapewnić tworzenie energii w sposób ciągły.
Warunkiem koniecznym dla produkowania energii w reaktorze termojądrowym przy plazmie deuterowo-trytowej (w stosunku 1:1) jest spełnienie tzw. kryterium Lawsona, które głosi, że iloczyn gęstości jąder w plazmie i czasu utrzymania plazmy w temperaturze zapłonu plazmy powinien przewyższać wartość progową 1020-1021 s/m3.
Konieczność utrzymania wysokiej temperatury oznacza, że plazma nie może znaleźć się w kontakcie ze ścianami jakiegokolwiek naczynia. Dlatego też należy wypracować specyficzne techniki utrzymywania plazmy.
Istnieją trzy metody utrzymania plazmy w zamknięciu: grawitacyjna, magnetyczna i bezwładnościowa. Utrzymanie plazmy w gwiazdach jest wynikiem siły ciężkości, która prowadzi do powstania dostatecznie wysokiego ciśnienia. Ten typ pułapkowania grawitacyjnego nie jest jednak możliwy w warunkach ziemskich. W metodzie utrzymywania magnetycznego korzystamy z pułapki wytwarzanej przez silne pola magnetyczne, w bezwładnościowego zaś - pastylki zawierające wodór ściska się przy użyciu silnej wiązki promieniowania laserowego lub korpuskularnego.
W wypadku metody magnetycznej, gdzie gęstość cząstek przewyższa około 1020/m3 , czas utrzymywania plazmy, zgodnie z kryterium Lawsona, powinien przewyższać 1 s. Przy pułapkowaniu bezwładnościowym gęstość cząstek jest mniejsza od około 1031/m3, a czas utrzymywania plazmy dłuższy od 10-11 s.
Ruchem cząstek naładowanych w plazmie można sterować przy użyciu pola magnetycznego. W układach tworzących zamknięte pułapki magnetyczne, w reaktorach zwanych Tokamakami, grzeje się i gromadzi plazmę (na przykład deuterowo-trytową) o gęstości około 1021 lub mniej cząstek na metr sześcienny. W przeciwnym wypadku plazma natychmiast się schładza i zachodzenie reakcji syntezy staje się niemożliwe. Dla atmosferycznej gęstości cząstek (około 1027 na metr sześcienny) i ich energii termicznej wynoszącej 10 keV, ciśnienie magnetyczne musi przewyższać 108 hPa. Tak wielkiego ciśnienia nie mogą wytrzymać ani cewki pola magnetycznego, ani związana z nimi mechaniczna konstrukcja! Aby zmniejszyć ciśnienie należy obniżyć gęstość cząstek. Ponieważ jednak reakcja syntezy zachodzi, gdy cząstki zderzają się ze sobą, gorącą plazmę trzeba utrzymać przez dość długi okres. Z tego względu, aby zaszła konkretna reakcja syntezy, należy spełnić wspomniane już kryterium Lawsona, podające wartość krytyczną iloczynu gęstości cząstek i czasu ich zgromadzenia w temperaturze zapłonu plazmy.
Więcej o:
Idea pułapki inercyjnej sprowadza się do przygotowania pastylki, którą ogrzewa się raptownie do bardzo wysokiej temperatury, w której powstaje plazma, a następnie spowodowania znacznej kompresji plazmy przez bombardowanie jej silnymi, dobrze zogniskowanymi impulsami światła laserowego. Powierzchnia pastylki w tych warunkach odparowywuje i tworzy koronę plazmową. Rozszerzająca się plazma tworzy front ciśnieniowy biegnący w kierunku pastylki, co skutkuje implozją pastylki i krótkotrwałym zajściem reakcji syntezy. Najbardziej zaawansowanym układem, w którym wykorzystuje się ten typ pułapki plazmowej jest NOVA w Lawrence Livermore Laboratory w USA. Pokazano tam, że podczas ściskania plazmy można otrzymać gęstości 600 razy większe niż gęstość cieczy D-T (deuterowo-trytowej) i 20 razy większe niż gęstość ołowiu.
7. Czy kontrolowana synteza termojądrowa jest w czymkolwiek lepsza od reakcji rozszczepienia?
8. Czy energia pochodząca z reakcji syntezy będzie bezpieczniejsza od energii z reakcji rozszczepienia?
Jak dotąd, wszystkie obietnice i nadzieje na wytwarzanie energii z reakcji termojądrowej okazały się przedwczesne - jedynie stosunkowo niedawno wyprodukowana przez chwilę energia zrównała się z energią dostarczoną do układu (wpierw w amerykańskim reaktorze TFTR i japońskim JT60, ostatnio w europejskim JET - od ang. Joint European Torus). Nie wydaje się, aby można było oczekiwać powstania wydajnych źródeł energii tego typu przed końcem XXI wieku. Zasadniczą trudnością jest zapewnienie utrzymania i stabilności plazmy.
Niestety, energia termojądrowa (podobnie jak i inne postacie energii) została już wykorzystana do celów militarnych w tzw. bombie wodorowej.
Program JET (od ang. Joint European Torus) został rozpoczęty przez Unię Europejską w roku 1978. Jego głównym zadaniem było wykonanie testu reakcji syntezy, prowadzenie badań fizyki plazmy oraz warunków stabilności plazmy. Jako miejsce dla takiej instalacji wybrano Culham w Anglii. Układ, w istocie rzeczy największy spośród wyprodukowanych dotąd tokamaków, był gotów do testów w roku 1983, a pierwsza kontrolowana energia z reakcji syntezy została otrzymana w listopadzie 1991 r. W roku 1997 otrzymano przez 1 s rekordową moc 16 MW przy użyciu paliwa będącego mieszanką deutero-trytową.
Spojrzenie w głąb torusa JET
Doświadczenia JET pokazały, że zdalne sterowanie reakcją syntezy jest możliwe. Następcą JET jest obecnie ITER (od ang. International Tokamak Experimental Reactor). Reaktor ten miał powstać jako wspólne dzieło Europy, Japonii i USA. Ostatecznie USA wycofały się z projektu. Obecnie (rok 2004) rozważa się dwa miejsca jego lokalizacji: Cadarache we Francji oraz Rokashomura w Japonii.
Rysunek instalacji ITER [Centre de Recherches en Physique des Plasmas, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Szwajcaria;
http:\\crppwww.epfl.ch\crppfusion]
Uzupełnienie 1: Tokamaki, Stellaratory i urządzenia typu "pinch" z odwróconym polem magnetycznym (RFP - Reversed Field Pinch)
W Tokamaku (patrz rysunek niżej) wokół reaktora w kształcie torusa znajduje się szereg cewek pola magnetycznego. Rdzeń transformatora przechodzi przez środek Tokamaka, prąd w plazmie tworzy zaś uzwojenie wtórne. Prostopadłe pole magnetyczne (tzw. poloidalne, patrz rysunek u dołu) wytwarzane jest bezpośrednio przez prąd płynący przez plazmę. Prąd ten także ogrzewa plazmę do wymaganej temperatury około 10 milionów K. Pomysł Tokamaka pochodzi od fizyków rosyjskich: Andrieja Sacharowa i Igora Tamma. Największą wadą tych urządzeń jest fakt, iż zakres możliwych parametrów ich pracy jest silnie ograniczony. Największym zbudowanym dotąd Tokamakiem był Joint European Torus (JET).
Najmniejszy w Świecie Tokamak "Novillo"
[dzięki uprzejmości Wikipedia
http://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak ]
Toroidalne i poloidalne pola magnetyczne, pokazano też helikoidalne linie pola magnetycznego
W instalacjach zwanych stellaratorami odpowiednie warunki utrzymania plazmy są tworzone dzięki prądom biegnącym wokół plazmy.
W Stellaratorach, spiralne linie pola magnetycznego wytwarzane są przez szereg cewek, które same mają kształt helikoidalny. Największy ze Stellaratorów, tzw. Large Helical Device (LHD), rozpoczął swą pracę w roku 1998 w Japońskim Instytucie Badań Syntezy (National Institute of Fusion Research). Ponieważ w Stellaratorach nie wzbudza się prądu w plazmie, jej grzanie trzeba osiągnąć w inny sposób, na przykład przez dostarczenie do plazmy pola elektromagnetycznego. Technikę tego rodzaju zamierza się przetestować w Greiswald, Niemcy.
Stellaratory są podobne do Tokamaków jeśli chodzi o istnienie w nich pól magnetycznych - toroidalnego i poloidalnego. Tu jednak natężenia prądów są znacznie większe, a ponadto kierunek pola toroidalnego w plazmie jest odwracany na krawędziach plazmy. Układ taki działa m.in. w Padwie, Włochy.
Rysunek Large Helical Device (LHD) – największego tego typu stellaratora, pokazujący dwie skręcone cewki pola magnetycznego
[dzięki uprzejmości Fusion Research Laboratory Uniwersytetu w Auburn]
Odwrócony "pincz" (skurcz) pola jest alternatywnym schematem magnetycznego utrzymywania plazmy. Cewka wytwarza tu niskie pole magnetyczne, jednak gęstość mocy powstałej w wyniku reakcji syntezy jest duża. Linie pola magnetycznego skierowane są na zewnątrz od środka torusa. W pobliżu krawędzi plazmy toroidalne pole magnetyczne odwraca swój kierunek, linie pola magnetycznego skręcają się także w kierunku przeciwnym. Właśnie ta sytuacja kreuje wysoką gęstość mocy wewnątrz układu.
MIKE: test bomby wodorowej na atolu Eniwetok na Pacyfiku Południowym (1951)
[dzięki uprzejmości http://www.atomicarchive.com/]
Myśl, iż energia emitowana przez Słońce może być związana z oddziaływaniem cząstek subatomowych została wyrażona po raz pierwszy przez angielskiego astronoma A.S.Eddingtona około roku 1920. To on pierwszy obliczył, że potrzebne temperatury i gęstości dla reakcji jądrowych, w których wyzwala się energia słoneczna, są nieporównanie wyższe niż znane na Ziemi. Z kolei odkrycie w 1929 r. przez amerykańskiego astronoma H.N.Russela, że wodór nie stanowi, jak wówczas uważano, 80% objętości materii słonecznej, ale należy przyjąć, że zajmuje on tylko 60% tej materii, oznaczało, że jeśli energia bierze się z reakcji jądrowych, to wodór musi w nich uczestniczyć i to w znacznym stopniu. Rozpracowanie właściwego przebiegu reakcji syntezy i wyjaśnienie historii Słońca zajęło jednak kolejne 10 lat. Obecnie wierzymy, że w każdej sekundzie 6,5 ×108 ton wodoru ulega syntezie do helu, a przemianie tej towarzyszy utrata masy wynosząca 4,6 ×106 tony.
Na Słońcu zachodzą następujące reakcje:
1H + 1H → 2H
2H + n → 3H
2H + 3H → 4He + n
2H + 2H → 4He
4He + 4He + 4He → 12C
2H + 2H → 3H + 1H
Ludwik Dobrzyński jest profesorem fizyki, specjalistą z zakresu fizyki ciała stałego badanej metodami jądrowymi. Kieruje Zakładem Fizyki Ciała Stałego w Instytucie Fizyki Doświadczalnej na Uniwersytecie w Białymstoku, gdzie jest zatrudniony na stanowisku profesora zwyczajnego. W Instytucie Problemów Jądrowych im. A.Sołtana w Świerku kieruje Działem Szkolenia i Doradztwa.
Oleg Utyuzh jest doktorem fizyki, specjalistą z zakresu fizyki wysokich energii, zatrudnionym w Instytucie Problemów Jądrowych im. A.Sołtana w Warszawie.