Posiedzenie Naukowe Komisji Nauk Geologicznych O/PAN w Krakowie r, AGH

Transkrypt

1 Urszula Woźnicka Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego, PAN w Krakowie Posiedzenie Naukowe Komisji Nauk Geologicznych O/PAN w Krakowie r, AGH 1/25

2 Potrzeby energetyczne rosnącej populacji świata W ciągu ostatnich 50-ciu latach ludność świata wzrosła z 3 do 7 mld, a do roku 2050 ma wzrosnąć do ~10 mld, przy czym największy przyrost ma wystąpić w krajach rozwijających się. Bezpieczne i trwałe źródła energii mają podstawowe znaczenie dla naszego standardu życia Szacuje się, że do roku 2100 zaludnienie ziemi wzrośnie do 8 12 miliardów Ludność Różne prognozy przewidują dwu- a nawet trzykrotny wzrost zapotrzebowania na energię w obecnym wieku. Wydajne i bezpieczne źródła energii odgrywają decydującą rolę przy zapewnieniu odpowiedniego standardu życia Energia Jakie źródła energii zaspokoją taki wzrost potrzeb? EFDA, FUSION EXPO 2/25

3 Dzisiejsze źródła energii 2,2 % Energia wodna 6,5 % Rozszczepienie jądrowe 0,416 % Geotermia 10,6 % Biomasa, odpady 0,051 % Wiatr 21,2 % Gaz 24,5 % Węgiel 0,039 % Słońce 34,5 % Ropa 0,0005 % naftowa Posiedzenie Przypływy Naukowe i odpływy Komisji Nauk Geologicznych O/PAN w Krakowie, AGH, r wg. Fusion Energy Cleaner Energy for the future, EFDA, /25

4 Produkcja energii elektrycznej cieplne wodne szczytowo-pompowe słoneczne wiatrowe maretermiczne geotermiczne 4/25

5 Źródło energii zasilającej elektrownie Rozszepienie ENERGIA JĄDROWA Synteza 5/25

6 Słońce emituje energię o mocy ok GW na godzinę Polska zużywa rocznie ok GWh energii elektrycznej 6/25

7 7/25

8 Cykl protonowy Bethego 2 Protony 2 Protony Cykl reakcji jądrowych, w których z czterech jąder wodoru powstaje stabilne jądro helu. Podczas przemian uwalniana jest energia jądrowa, która jest głównym źródłem energii Słońca -Fuzja 2 protonów -Bariera kulombowska -Efekt tunelowy Deuter Hel-3 Deuter Hel-3 Hel-4 8/25

9 Proton Proton Hel-4 Proton Proton Reakcja syntezy (fuzji) wytworzenia helu z 4 protonów: Bardzo trudna Wymaga konwersji protonów na neutrony Zachodzi niezwykle powoli Może zachodzić na Słońcu, które zapewnia ogromną objętość, (ilość protonów) i temperaturę 9/25

10 SŁOŃCE: p p p p n p p n Energia: 26,7 MeV ZIEMIA Neutron! p n + p n p + n n p n Deuter Tryt Hel-4 Neutron n Energia: 17,6 MeV J. Ongena, PhDia Summer School, Bezmiechowa, /25

11 Produkt wyjściowy: DEUTER + TRYT Gaz neutralny ATOMY Plazma JONY J. Ongena, PhDia Summer School, Bezmiechowa, 2015 ELEKTRONY Niska temperatura Wysoka temperatura!!! 11/25

12 Produkt wyjściowy: PLAZMA Zbiornik na plazmę o bardzo wysokiej temperaturze stopni!!!! Panie profesorze! Zrobiłem rozpuszczalnik, który wszystko rozpuści???? I w czym pan to trzyma??? 12/25

13 Produkt wyjściowy: PLAZMA Zbiornik na plazmę o bardzo wysokiej temperaturze POLE MAGNETYCZNE BEZ POLA MAGNETYCZNEGO Z POLEM MAGNEYTCZNYM J. Ongena, PhDia Summer School, Bezmiechowa, /25

14 Produkt wyjściowy: PLAZMA Zbiornik na plazmę o bardzo wysokiej temperaturze POLE MAGNETYCZNE Pole poloidalne Plazma Pole toroidalne 14/25

15 SYNTEZA (FUZJA) TERMOJĄDROWA J. Ongena, PhDia Summer School, Bezmiechowa, ,5 MeV 10 kev n T t 14,1 MeV Dla plazmy deuterowo trytowej: E > Kryterium Lawsona Triple product GĘSTOŚĆ x TEMPERATURA x CZAS Warunek, po przekroczeniu którego w plazmie jest utrzymywana reakcja syntezy. ok. ponad min. 1-2 mg/m C 2 3 sekundy Deuteron o energii 10 kev porusza się z prędkością 100 km/s. 1 kev = C kev s m -3 15/25

16 URZĄDZENIE: TOKAMAK TOROIDALNAYA KAMERA S MAGNITNAMI KATUSHKAMI Twórcy: Laureaci nagrody Nobla Andrei Sacharov Igor Tamm Inst. Kurczatowa Moskwa, /25

17 SYNTEZA (FUZJA) TERMOJĄDROWA SŁOŃCE T ~ K R ~ m Moc ~ 60 MW/m2 ZIEMIA T ~ K R~6m Moc ~ 10 MW/m2 17/25

18 JET Joint European Torus w Wielkiej Brytanii Największy działający obecnie tokamak Budowę JET prowadziły wspólnie kraje europejskie rozpoczęła się w 1978 r., a pierwsze eksperymenty przeprowadzono w 1983 r. Biorą w nich udział także polscy naukowcy. Tokamak JET jest przystosowany do reakcji syntezy termojądrowej z wykorzystaniem deuteru i trytu. JET osiągnął rekordową moc syntezy termojądrowej,16 MW. Foto: EFDA-JET, 18/25

19 JET Joint European Torus w Wielkiej Brytanii Foto: EFDA-JET, Po lewej: wnętrze tokamaka JET. Po prawej: obraz plazmy uzyskany za pośrednictwem kamery wideo przez okno kwarcowe. 19/25

20 Projekt ITER, aktualnie budowany (tokamak) w Cadarache, Francja ITER International Thermonuclear Experimental Reactor Doświadczalny (badawczy) reaktor termojądrowy (synteza deuter-tryt) o mocy 500 MW Budowany we współpracy międzynarodowej : Unia Europejska, Japonia, Stany Zjednoczone, Chiny, Rosja, Korea, Indie 20/25

21 Zbiornik próżniowy Tryt D T He Hel Blankiet litowy Plazma Wymiennik ciepła Generator pary Turbina Generator prądu Deuter Lit Do wyprodukowania energii elektrycznej 1GWrok z reakcji rozszczepienia jądrowego potrzebujemy około 35 ton UO 2, natomiast otrzymanie jej z reakcji syntezy wymaga posiadania około 100 kg deuteru oraz 150 kg trytu. 21/25

22 Zbiornik próżniowy Tryt D T He Hel Blankiet litowy Plazma Wymiennik ciepła Generator pary Turbina Generator prądu Deuter Lit Deuter znajduje się w wodzie 1 m 3 wody zawiera około 30 g deuteru. Tryt występuje na ziemi tylko w niewielkich ilościach, lecz może być wytwarzany z litu lekkiego metalicznego pierwiastka występującego w skorupie ziemskiej i wodzie morskiej. 6 2 D+ Li + 3 T n 4 4 He + n MeV He MeV 3 T + 22/25

23 Następca tokamaka ITER - Projekt DEMO DEMO DEMOnstration Power Plant Zadaniem reaktora termojądrowego DEMO jest demonstracja technologii generacji energii elektrycznej w elektrowni o mocy MW. DEMO będzie wytwarzał strumienie neutronów o niespotykanych dotychczas wielkościach, co powoduje konieczność wcześniejszego przeprowadzenia badań materiałowych na dedykowanych źródłach neutronów, które dopiero trzeba zbudować. Docelowym urządzeniem do takich badań ma być IFMIF. 23/25

24 Projekt ITER, aktualnie budowany reaktor (tokamak) w Cadarache, Francja ITER ma wyprodukować pierwszą plazmę ITER International Thermonuclear Experimental Reactor w 2025 roku Doświadczalny reaktor termojądrowy (synteza deuter-tryt) o mocy 500 MW Budowany we współpracy międzynarodowej : Unia Europejska, Japonia, Stany Zjednoczone, Chiny, Rosja, Korea, Indie 9 June 2015 : First plasma at ITER Wstęp: ITER 24

25 Zamiast podsumowania On 18 April 1967, outstanding Russian physicist, Lev Andreevich Artsimovich said to UK minister of Technology: 10 years ago we said it would take us 20 years to make fusion work and we still say that it will take 20 years, So we haven t altered our view in any way 25/25