SYNTEZA JĄDROWA DLA POTRZEB ENERGETYKI. STAN BADAŃ ŚWIATOWYCH

Transkrypt

1 PL SYNTEZA JĄDROWA DLA POTRZEB ENERGETYKI. STAN BADAŃ ŚWIATOWYCH Zygmunt Składanowski Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, Warszawa 1. WSTĘP Jest kilka istotnych powodów, dla których uzyskiwanie energii z syntezy jąder ma przewagę nad uzyskiwaniem energii z rozszczepienia jąder. Z samej istoty procesów fizycznych zachodzących podczas syntezy nie ma żadnej możliwości by reaktor termojądrowy zachował się jak reaktor w Czarnobylu, nawet zakładając maksymalne niekompetencje obsługi czy - idąc dalej - atak terrorystów. Również trapiący energetykę jądrową problem składowania odpadów promieniotwórczych jest w przypadku energetyki termojądrowej" przynajmniej o dwa rzędy wielkości mniej kłopotliwy. Produkty reakcji to jądra stabilne, używany jako paliwo tryt ma stosunkowo krótki półokres rozpadu i pozostaje jedynie do rozwiązania problem napromieniowanych neutronami elementów reaktora. Największą jednak zaletą tego rodzaju produkcji energii jest ilość i łatwość dostępu do paliwa oraz wielkość uzyskiwanej energii z tego paliwa. W wodach oceanów znajduje się ilość deuteru wystarczająca do zaspokojenia potrzeb energetycznych ludzkości na wiele tysięcy lat a energia jaką można otrzymać z deuteru zawartego w filiżance wody morskiej jest równoważna energii otrzymanej przy spaleniu 50 kg węgla. Wobec tak wspaniałych perspektyw dlaczego spalamy rozrzutnie paliwa płynne w silnikach samochodów, zanieczyszczamy atmosferę i zmieniamy na niekorzyść klimat spalając węgiel, głowimy się co zrobić z wypalonym paliwem uranowym i protestami społecznymi przeciw elektrowniom jądrowym? Przyczyny są dwie: fizyka i ekonomia czyli jak to zrobić i za jakie pieniądze? 2. REAKCJE SYNTEZY I REAKTORY TERMOJĄDROWE CZYLI FIZYKA Podstawowy problem fizyczny to bardzo mała wielkość przekroju czynnego dla reakcji egzoenergetycznych typu syntezy, np. dla reakcji D + T maksimum jest poniżej 10 barów przy energii 100 kev. Mamy tu do czynienia z pewnym paradoksem męczą się fizycy już pięćdziesiąt lat jak zmusić w sposób kontrolowany izotopy wodoru do łączenia się mimo tak niskiego przekroju czynnego ale gdyby ten przekrój czynny był o kilka procent większy to szybkość wypalania gwiazd znacznie by wzrosła i prawdopodobnie fizycy nie mieliby problemów z syntezą z powodu braku takowych (czyli fizyków). Z dwojga złego lepiej już borykać się z problemami kontrolowanej syntezy (metody niekontrolowane uczeni już - niestety - opanowali). Tabela 1 przedstawia najważniejsze możliwe reakcje syntezy. 73

2 Tabela 1. Główne reakcje syntezy termojądrowej. D+D D+T D+He3 T+T He3+T p+li6 p+li7 D+Li6 p+bll n+li6 -»» -» T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) (50%) He3 (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) (50%) He4 (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) He4 (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) He4 + 2n+11.3MeV He4 + p + n MeV (51%) He4 (4.8) + D (9.5) (43%) He4 (0.5) + n (1.9) + p (11.9) (6%) He4(1.7) + He3 (2.3) 2 He MeV (20%) Be7 + n-1.6mev(80%) 2He MeV 3 He MeV He4(2.1) + T(2.7) Jak wobec tego zmusić jądra powyższych pierwiastków do łączenia się i wydatkowania energii. Trzeba je dostatecznie długo trzymać razem w odpowiednio wysokiej (miliony stopni) temperaturze. Znamy dwie metody utrzymania tak gorącej materii: utrzymanie magnetyczne i utrzymanie inercyjne. W gwiazdach plazma jest utrzymywana siłami grawitacyjnymi, ale w warunkach ziemskich jest to metoda oczywiście niemożliwa do realizacji Reaktory z utrzymaniem magnetycznym Wykorzystana tu jest zasada fizyczna ruchu cząstek naładowanych (z takich cząstek składa się plazma) wzdłuż linii sił pola magnetycznego. Wystarczy zbudować odpowiednią konfigurację pola by cząstki plazmy utworzyły zamknięty obwarzanek", trzymany siłami magnetycznymi z dala od ścianek urządzenia. Krążąc dostatecznie długo jony reagują ze sobą wydatkując energię podgrzewającą układ i ułatwiającą zachodzenie kolejnych reakcji syntezy. To bardzo skrótowa zasada działania TOKAMAKA, urządzenia zaproponowanego jeszcze w latach sześćdziesiątych przez grupę rosyjskich fizyków pracujących pod kierunkiem Lwa Arcymowicza. Zdaniem wielu tokamak jest podstawowym kandydatem do zostania pierwszym reaktorem energetycznym, opartym na syntezie. Tokamaki pracują w wielu laboratoriach na całym świecie, głównie jako urządzenia badawczo - dydaktyczne. Do tokamaków pracujących przede wszystkim pod kątem badań na potrzeby przyszłego reaktora przemysłowego należy zaliczyć: JET - Joint European Torus (rys. 1) wspólne przedsięwzięcie Unii Europejskiej, umiejscowiony w Abington (W. Brytania) i wsławiony otrzymaniem ponad 16 MW z syntezy D-T i uzyskaniem 60% energii z reakcji termojądrowych w stosunku do energii włożonej, JT-60U - zbudowany w Naka tokamak japoński o największych parametrach fizycznych i możliwościach technologicznych spośród kilku działających w tym kraju, DIII-D - tokamak firmy General Atomics (San Diego. USA) o bardzo zaawansowanym programie badań technologicznych na potrzeby przyszłego reaktora energetycznego. 74

3 Rys. 1. Wnętrze tokamaka JET. Właśnie na tych tokamakacłi prowadzone są najważniejsze obecnie prace eksperymentalne mające dać odpowiedź na nie do końca rozwiązane problemy fizyczne i technologiczne: stabilność i dogrzewanie sznura plazmowego, efektywne wyprowadzanie energii z tokamaka, nowe materiały i rozwiązania konstrukcyjne itp. Charakterystyczny - i optymistyczny dla zwolenników tokamaka jako reaktora energetycznego -jest stały wzrost mocy uzyskiwanej w działających tokamakach eksperymentalnych. Mówiąc o tokamakach należy jednak przede wszystkim powiedzieć o projekcie ITER - International Thermonuclear Energetic Reactor - wspólnym przedsięwzięciu naukowotechnologicznym USA, Euratomu, Japonii i Rosji, utworzonym w grudniu 1990 i mającym za zadanie budowę i uruchomienie prototypu reaktora energetycznego. W 1992 roku do projektu dołączyła Kanada (stowarzyszona z Euratomem) i Kazachstan (jako partner Rosji). W roku 1999 z finansowania projektu wystąpiły Stany Zjednoczone, które zamknęły o siebie programy tokamakowe (wspomniany DIII-D jest przedsięwzięciem prywatnym, jedynie częściowo finansowanym przez Departament Energii). Ten krok i znane problemy finansowe Rosji poważnie zachwiały budżetem projektu. Musiano ograniczyć tempo prac i zredukować niektóre parametry reaktora. Aktualny projekt przewiduje uzyskanie parametrów przedstawionych w tabeli 2. Tabela 2. Główne parametry plazmy i wymiary reaktora ITER. Całkowita moc syntezy Q - moc syntezy / mocy grzania Średni strumień neutronów na ścianki Czas zapłonu plazmy Prąd plazmy Główny promień plazmy (promień torusa) Mały promień plazmy (promień wnętrza torusa) Objętość plazmy Przewidywany czas pracy 500 MV >10 0,57 MM/m 2 >300S 15MA 6,5 m 2,0 m. 837 m 3 20 lat 75

4 Jest to jednak w dalszym ciągu przedsięwzięcie niezwykle kosztowne i skomplikowane i lepiej nie podawać kolejnej daty uruchomienia ITER-a, tym bardziej, że jeszcze nie zakończono sporu gdzie ma zostać posadowiony w Kanadzie czy w Japonii (wyższe koszty budowy ale to Japonia wnosi największy wkład w badania ). Być może Kongres miał rację, że tego się nie da zbudować i szkoda pieniędzy. A jeśli nie tokamaki i im pokrewne to co? Reaktory z utrzymaniem inercyjnym Sprawa jest prosta. Wykorzystujemy starą jak mechanika zasadę zachowania pędu - jak część ciała leci w jednym kierunku to pozostała masa musi lecieć w przeciwnym. Schematycznie sytuacja jest pokazana na rys.2. "* Energia lasera Ablacja Koncepcja Syntezy Inercyjnej «* Energia transportowana do środka 4 Formowanie Kompresja paliwa do Zapłon Spalanie warstwy ablacyjnej środka paliwa termojądrowe palwa Rys. 2. Koncepcja syntezy inercyjnej. Pod koniec lat sześćdziesiątych, gdy powstała powyższa koncepcja, sprawa wydawała się bardzo prosta obliczenia wykazywały, że potrzebny jest postęp w technice laserowej zwiększenia o rząd wielkości energii ówczesnych laserów i problem kontrolowanej syntezy będzie rozwiązany. Natura jednak, nie po raz pierwszy, nie poddała się chciejstwu człowieka. Pojawiły się bardzo istotne bariery fizyczne; nierównomierność rozkładu energii w wiązce laserowej, rzutująca na symetrię ściskania paliwa, kłopoty z absorpcją energii lasera, niestabilności na granicy warstwa ablująca - warstwa ściskana. Z tymi problemami fizycy zajmujący się kontrolowaną syntezą inercyjną walczą już ponad trzydzieści lat z coraz lepszym skutkiem, ale jeszcze bez efektu końcowego. Wymyślono wielowarstwowe tarcze (a są to kulki lub baloniki o średnicy zaledwie do kilkuset mikronów), wprowadzono metodę niebezpośredniego nagrzewania tarczy - promieniowanie lasera zostaje w specjalnie skonstruowanej tarczy zamienione na promieniowanie rentgenowskie i to dopiero grzeje tarczę z paliwem, wykorzystując znaczny postęp w technice laserowej laserem fenitosekundowym o mocy rzędu PW boruje się" tarczę z paliwem by bezpośrednio dostarczyć energię do obszaru zapłonu. Można w dniu dzisiejszym powiedzieć, że osiągnięcie 76

5 sukcesu nie leży już w fizyce ale w kosztach jakie trzeba za ten sukces zapłacić. Przodują zdecydowanie dwa kraje - Japonia i Stany Zjednoczone. W Institute of Laser Engineering w Osace rozpoczęto budowę nowej rodziny laserów na ciele stałym, pompowanych diodami (co znacznie zmniejsza koszty) HALNA jako przyszłego układu napędzającego reaktor z utrzymaniem inercyjnym o nazwie KOYO. Wiele zagadnień konstrukcyjnych tego reaktora zostało rozwiązanych i fizycy japońscy planują uruchomienie KOYO około roku W ośrodku tym prowadzone są również prace nad wspomnianą metodą borowania" czyli szybkiego zapłonu wnętrza targetu. W roku 2001 mają być wykonane istotne eksperymenty z laserem PW wyjaśniające pewne wątpliwości. Zdaniem niektórych ekspertów metoda ta może pozwolić na uruchomienie reaktora doświadczalnego już po roku Stany Zjednoczone, po wycofaniu się z programu tokamakowego, skoncentrowały swoje wysiłki właśnie na syntezie inercyjnej. Stworzono narodowy program badawczy (National Ignition Facility - NIF), na którego czele postawiono dwa najbardziej znane narodowe laboratoria jądrowe - Los Alamos i Lawrence Livermore Laboratory. W tym ostatnim budowany jest na potrzeby NIF specjalny kompleks budynków. Koszt pierwszego etapu do roku 2008 zamyka się kwotą 1.2 miliarda dolarów. Wyniki tego etapu pozwolą ostatecznie rozstrzygnąć pewne kwestie natury fizycznej i technicznej przy realnych energiach, potrzebnych w reaktorze; czy stosować grzanie pośrednie czy bezpośrednie, jaki rodzaj nośnika energii użyć do zapłonu (oprócz lasera pod uwagę są brane wiązki elektronowe i jonowe), jaka powinna być ostateczna konstrukcja targetów. Rok 2025 to uruchomienie doświadczalnego reaktora opartego na syntezie. 3. EKONOMIA Badania nad kontrolowaną syntezą nabrały przyśpieszenia w latach 70-tych podczas kryzysu naftowego stając się przedmiotem strategicznego zainteresowania mocarstw gospodarczych. Gdy kryzys się skończył, a fizycy nie stworzyli w cudowny sposób reaktora opartego na syntezie, sytuacja wróciła do normy czyli nakłady na syntezę znacznie spadły, może z wyjątkiem Japonii, nie mającej praktycznie żadnych naturalnych źródeł energii. Obecnie obserwuje się systematyczny wzrost nakładów na syntezę w budżetach państw przodujących gospodarczo i technologicznie. Przyczyn jest kilka: - wisząca nad światem groźba kryzysu energetycznego i dyktatu ekonomiczno politycznego państw naftowych, - postęp w badaniach fizycznych, dzięki czemu łatwiej przekonać decydentów o potrzebie wydatkowania niemałych środków finansowych, - postęp technologiczny w takich dziedzinach jak pompowanie laserów czy nadprzewodzące magnesy co znacznie redukuje przewidywany koszt produkcji 1 kwh w przemysłowych reaktorach syntezy. Całkowity koszt budowy projektowanych obecnie energetycznych urządzeń termojądrowych zmierza do granicy 1 USD/ Wat, akceptowalnej ekonomicznie, - opór społeczny przeciw energetyce opartej na rozszczepieniu, rosnące koszty składowania odpadów promieniotwórczych. Czy rzeczywiście około roku 2020 doczeka się ludzkość reaktora energetycznego opartego na syntezie i produkującego przynajmniej dziesięciokrotną wartość energii włożonej i czy będzie się to odbywało jedną z dwóch metod opisanych powyżej? Odpowiedź na pierwsze pytanie wydaje się być twierdząca. Co do drugiego pytania przypomnę znaną anegdotę z dziedziny futurologii. Po przebiciu przez barona Haussemana wspaniałych bulwarów paryskich specjaliści od komunikacji uderzyli na alarm - natężenie mchu tak wzrośnie, że w roku 1920 Paryż utonie pod końskimi odchodami. I na ile to okazało się prawdą? 77