Perspektywy wykorzystania reaktorów fuzyjnych w energetyce zawodowej

Transkrypt

1 Michał Kurzynka Perspektywy wykorzystania reaktorów fuzyjnych w energetyce zawodowej Koło Naukowe Energetyków Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska Konferencja: Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015 Opiekun naukowy: dr inż. Nikołaj Uzunow Abstrakt Wiele osób mówi, że głównym bodźcem rozwoju nauki jest chęć uproszczenia sobie życia. Odkrycie prądu elektrycznego- najwygodniejszego nośnika energii pchnęło naszą cywilizację naprzód. Podobnie przełomowym wynalazkiem są reaktory fuzyjne. Póki co nie znalazły one jeszcze zastosowania w energetyce zawodowej, gdyż ich bilans jest wciąż ujemny. Pomimo tego, pomysł jest dalej rozwijany, a w same raktory wkłada się coraz więcej pieniędzy- dowodem jest ITER, wielki projekt, którego budowa już ruszyła a pierwsza fuzja jest przewidywana na rok ITER jest drugą największą inwestycją ludzkości w historii (zaraz po Międzynarodowej Stacji Kosmicznej). Koszt budowy reaktora szacuje się na 13 miliardów Euro. Pieniądze na projekt łożą wszystkie znaczące państwa na świecie. Najważniejszym celem postawionym przed reaktorem jest dodatni bilans energetyczny 10; oraz utrzymanie reakcji przez około 1000 sekund. Reaktor ma wytwarzać MW mocy cieplnej. Jeżeli nam się uda osiągnąć te założenia i stworzyć kolejne reaktory fuzyjnetym razem już na potrzeby energetyki, a nie nauki, jest wysoce prawdopodobne, że za kilkadziesiąt lat będziemy wytwarzali w pełni przyjazną dla środowiska i niezawodną energię.

2 1. WPROWADZENIE W dzisiejszych czasach nikt nie jest w stanie wyobrazić sobie życia bez prądu. Jest to najwygodniejszy nośnik energii znany ludzkości. Służy zarówno do napędzania maszyn zapewniającym nam komfort i rozrywkę, środków transportu, urządzeń pomagającym w codziennym życiu, jak i tych, które nasze życie ratują. Coraz częściej słychać jednak głosy, że płacimy zbyt dużą cenę za te wszystkie udogodnienia- każda kwh wytworzona w konwencjonalnej elektrowni wiąże się z uwolnieniem do atmosfery szkodliwych substancji: dwutlenku węgla, tlenków siarki i tlenków azotu. Chociaż wprowadzane są coraz skuteczniejsze filtry, żaden z nich nie jest w stanie zatrzymać wszystkich szkodliwych związków uwalnianych przy spalaniu paliw kopalnych. Co do dwutlenku węgla- powstają instalacje, których zadaniem jest wyłapywać ten związek i go przechowywać (CCS) lub utylizować (CCU), lecz technologie te są jeszcze w powijakach i nie wiadomo, czy uda się je zastosować na masową skalę. Ponadto paliwa kopalne kiedyś się skończą i, aby utrzymać stały rozwój technologiczny i gospodarczy, należy zapewnić nowe źródło energii- przyjazne dla środowiska i mogące wytwarzać ogromną moc, której potrzebuje współczesne społeczeństwo. Wykres 1. Struktura energetyczna na przestrzeni lat Na pierwszy rzut oka rozwiązaniem może wydawać się system oparty na elektrowniach atomowych i konwencjonalnych jako podstawie oraz OZE, wraz z elektrowniami szczytowopompowymi, jako moc mająca sprostać szczytowi energetycznemu. Elektrownie jądrowe potrzebują jednak najczęściej wzbogaconego uranu, który też jest paliwem kopalnym, a także produkują radioaktywne odpady i po awariach w Czarnobylu i Fukushimie spotykają się z dużymi protestami społecznymi. 2

3 Samo OZE też ma swoje wady- wielkie elektrownie wodne budowane w tamach, które są w stanie sprostać zapotrzebowaniu świata na energię elektryczną, są wielkim obciążeniem dla środowiska naturalnego, czego najlepszym przykładem jest największa konstrukcja tego typu Tama Trzech Przełomów. Pomimo zaawansowanych rozwiązań technologicznych, powstaje problem z brakiem namulania obszarów rolnych. Specjalne kanały, które mają przepuszczać muł, nie są w stanie przepuścić go w stu procentach. Możliwe, że za parę dekad osady niesione przez rzekę zaczną zagrażać tamie a przez to mieszkańcom doliny Jangcy. Kolejna gałąź OZE, czyli fotowoltaika, produkuje prąd tylko w dni słoneczne, co sprawia, że w niektórych krajach instalacje balansują na granicy opłacalności. Ponadto ogniwa zajmują dużą powierzchnię i mają niską sprawność oscylującą w granicach 0,13-0,17. Farmy wiatrowe wprowadzają natomiast dużą niepewność do systemu elektroenergetycznego: mogą go przeciążyć. Wiele osób uważa także, że szpecą one krajobraz. Warto również wspomnieć o wytwarzanych przez turbiny wiatrowe infradźwiękach, które szkodliwe są zarówno dla ludzi, jak i zwierząt. Skoro wymienione powyżej źródła energii mają swoje mankamenty, które przeważnie są nie do przeskoczenia, nasuwa się pytanie jak będzie wyglądała przyszłość energetyki? Jedną z odpowiedzi może okazać się energia gwiazd, czyli reakcja fuzji atomowej. 2. FUZJA ATOMOWA Wzór opisujący zjawisko zachodzące w fuzji jest jednym z najpopularniejszych wzorów w całej fizyce i został zaprezentowany przez Alberta Einsteina. Jego treść to: E = mc 2 Mówi on, że zmiana energii jest równa iloczynowi deficytu masy i kwadratu prędkości światła w próżni. Reakcją mającą największe prawdopodobieństwo zajścia jest fuzja izotopów wodoru deuteru i trytu. 2 1 H + 3 1H 4 2He + n 3

4 Grafika 1 Jak widać na grafice w procesie fuzji powstaje 17,6 MeV ciepła. Produktami reakcji są cząsteczka alfa (jądro helu) i neutron, który zabiera ze sobą 80 % ciepła. Gdy odniesiemy tę wartość do skali makro, przekonamy się o potędze tej reakcji fuzja jednego grama paliwa D-T (deuter-tryt) jest równoważna spaleniu jedenastu ton węgla kamiennego, nie wydzielając przy tym ani grama dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych. Jednak reakcja ta zachodzi jedynie, gdy cząsteczki deuteru i trytu są na tyle blisko siebie, aby wejść w zasięg oddziaływań atomowych, z czego wynika, że muszą przełamać oddziaływania międzycząsteczkowe, do czego potrzebują ogromnej energii. Tak jak spalanie węgla, reakcja fuzji musi mieć zapewnione odpowiednia warunki, aby zaszła. Następuje wtedy samoczynna fuzja, a warunki, które musi spełnić mieszanina, to odpowiednia gęstość cząsteczek i czas utrzymania ich w wystarczającej temperaturze, od której silnie zależy prawdopodobieństwo zajścia reakcji. Zależność tę można przedstawić wzorem : n τ T > [kev s] m 3 4

5 3. FUZJA W REAKTORACH Fuzja zachodzi w środku słońca, w temperaturze 15 milionów kelwinów. Na Ziemi ta temperatura jest jeszcze wyższa, np. reaktor ITER będzie nagrzewał plazmę do 150 milionów kelwinów. Żaden znany nam materiał nie przetrwałby kontaktu z substancją o tak wysokiej temperaturze. Rozwiązano ten problem za pomocą uwięzienia mieszaniny w silnym polu magnetycznym. Skorzystano z faktu, że plazma to zjonizowany gaz, który jest nieobojętny elektrostatycznie. Powstało kilka sposobów więzienia plazmy, z czego przedstawię dwa najpopularniejsze. Tokamak Został wprowadzony przez rosyjskiego naukowca- Basova. Na wypadkowe pole utrzymujące plazmę składa się działanie trzech pól magnetycznych. Grafika 2 Pierwsze pole wytwarzane jest przez toroidalne elektromagnesy i prowadzi ono plazmę wokół cewki transformatora. Drugie pole tworzy sama plazma - odpowiada ono za ruch obrotowy strumienia. 5

6 Trzecie pole wytwarzane jest przez cewkę transformatora i elektromagnesy w kształcie pierścieni ułożone horyzontalnie. Jest ono odpowiedzialne za przeciwstawienie się sile grawitacji. Wszystkie trzy pola tworzą wektor zaznaczony na ilustracji. Tokamak jest obecnie najlepiej rozwiniętym sposobem uwięzienia plazmy i wymaga relatywnie małego rozwoju aby osiągnąć w nim punkt zapłonu plazmy. Stellarator Urządzenie zostało wymyślone przez amerykańskiego naukowca Spitzera. W stellaratorze pole magnetyczne jest więzione przez tylko jeden układ cewek magnetycznych. Dzięki takiej konfiguracji reaktor ma szansę na dłuższe podtrzymanie reakcji. Ponadto brak transformatora w centrum konstrukcji pozwala na efektywniejsze osłanianie przed promieniowaniem. Niektórzy naukowcy uważają, że stellaratory są przyszłością energetyki fuzyjnej gdyż nie stawiają tak wielkich wyzwań technicznych jak tokamaki. Jest to jednak technologia o wiele mniej rozwinięta i wymagająca ogromnego nakładu finansowego na badania. Grafika 3 Jak widać na grafice cewki elektromagnetyczne w stellaratorze mają bardzo skomplikowany kształt, sama plazma tworzy pierścień na kształt wielokrotnie skręconej wstęgi. 6

7 4. PODSTAWOWE SYSTEMY REAKTORÓW I ZASADY ICH DZIAŁANIA Elektromagnesy Aby utrzymać plazmę w założonym kształcie potrzebne są cewki o ogromnej indukcji magnetycznej. Wiąże się to z koniecznością przepuszczania przez nie ogromnego natężenia prądu. Współczesne reaktory badawcze ani przyszłe elektrownie termojądrowe nie mogą sobie pozwolić jednak na ogromne straty, które wydzielałyby się na tradycyjnych przewodach. Postanowiono zbudować elektromagnesy z niobu cyny lub niobu tytanu, które w ekstremalnie niskich temperaturach (4,5 K) wykazują właściwości nadprzewodnikowe. Do chłodzenia elektromagnesów używa się strumienia ciekłego helu, dzięki czemu pole magnetyczne może osiągnąć wartość od 3 do 6 Tesli. Ponadto są one wzmocnione włóknem szklanym, przez co mogą się oprzeć ogromnym siłom wytwarzanym przez wypadkowe pole magnetyczne, które mogą wynosić nawet 30 MN. Zdjęcie 1. Produkcja elektromagnesu do reaktora ITER. 7

8 Płyty odbierające energię neutronom 80% energii fuzji przekazują neutrony, dlatego ważne jest, aby zamienić ich energię kinetyczną na ciepło, które jest oddawane dla chłodziwa. Jest to kwestia szczególnie ważna dla bezpieczeństwa całego reaktora, gdyż chronią one ludzi przed prędkimi neutronami i będą pełniły rolę wymiennika ciepła w przyszłych elektrowniach fuzyjnych. Płyty wymienne reaktorze ITER mają grubość 12 cm składają się one kolejno od środka tokamaka z 1 cm berylu, 1 cm miedzi oraz 10 cm stali. Za nimi znajduje się stała konstrukcja, która będzie odbierać ciepło od płyt, mająca 30 cm grubości i składająca się z rur wypełnionych wodą i stali. Pierwsza powłoka jest wymienna ze względu na możliwe uszkodzenia i napromieniowanie po pewnym czasie. W Międzynarodowym Eksperymentalnym Reaktorze Termonuklearnym będzie znajdować się 421 takich płyt- każda będzie ważyła 4,5 t i będzie miała powierzchnię 1,5 m 2. Grafika 4. Płyta odbierająca energię neutronom. ITER. 8

9 Komora próżniowa Plazma wytwarzana w reaktorze musi być utrzymywana w próżni lub w bardzo małym ciśnieniu. Wynika to z konieczności izolacji paliwa od jakichkolwiek zanieczyszczeń a także jego ucieczki. W komorze panuje ciśnienie mniejsze niż atmosfery. Komora w zależności od reaktora przyjmuje różne kształty- w tokamaku np. jest to urządzenie w kształcie zbliżonym do pierścienia, natomiast w stellaratorach kształt komory jest o wiele bardziej skomplikowany (Grafika 2 i 3). Zdjęcie 2. Komora próżniowa reaktora termojądrowego JET. System dostarczania paliwa i usuwania pyłu Paliwo jest dostarczane różnymi drogami: wtryskiwanie gazu z bocznej ściany komory próżniowej, wstrzeliwanie cząstki paliwa o wysokiej energii i neutralnym ładunku oraz pelletu z paliwa w stanie stałym o średnicy paru milimetrów. Pellet jest rozpędzany w karabinkach gazowych lub w wirówkach. System usuwania zanieczyszczeń i helu, będącego produktem reakcji, nazywany jest dywertorem i jest zasilany poprzez pompy. Zdjęcie 3. Moduły dywertora w reaktorze termojądrowym JET. 9

10 Nagrzewanie plazmy Plazma jest rozgrzewana na różne sposoby. Dobór metody grzania zależy od aktualnej temperatury paliwa. Dla najniższych temperatur stosuje się grzanie omowe, dla wyższych istnieją dwa sposoby grzania: mikrofale i wstrzeliwanie neutralnej cząstki. Grzanie poprzez mikrofale opiera się na doborze odpowiednich częstotliwości, które oscylują w zależności od rodzaju cząstki od kilkunastu megaherców do kilkuset gigaherców. Grzanie poprzez wstrzeliwanie cząstki o neutralnym ładunku opiera się na przekazywaniu energii poprzez zderzenia. Jony paliwa są rozpędzane poprzez pole elektrostatyczne i po przejściu przez neutralizator trafiają do plazmy. Grafika 5. Różne rodzaje grzania plazmy. Grafika 6. Grzanie plazmy poprzez neutralną cząstkę. 10

11 5. NAJWIĘKSZE REAKTORY TERMOJĄDROWE Grafika 7. Kolejne reaktory fuzyjne jako kolejne kroki milowe w energetyce fuzyjnej. JET Joint European Torus Jest to, na chwilę obecną, najbardziej zaawansowany reaktor termojądrowy. Iloczyn czynników n τ T jest tylko pięć razy mniejszy od wartości, przy której dochodzi do samoczynnej fuzji jądrowej. Prace nad JET rozpoczęto w 1974 roku. W roku 1975 zakończono projektowanie tokamaka, zaś w październiku 1977 roku podjęto decyzję w sprawie jego lokalizacji Culham. W 1978 roku rozpoczęto jego budowę, a pierwsze próby zostały przeprowadzone w 1983 roku. Reaktor zasilany jest paliwem DT. Osiągnięto w nim rekordową moc reakcji kontrolowanej fuzji 16 MW. W tej chwili przeprowadzane są w nim eksperymenty służące do projektowania i budowy jego starszego brata reaktora ITER. Zdjęcie 4. Reaktor termojądrowy JET. 11

12 ITER- International Thermonuclear Experimental Reactor ITER jest wielkim międzynarodowym projektem, który ma być przełomem w dziedzinie reaktorów fuzyjnych. Będzie to największy i najdroższy obiekt tego typu koszt budowy szacowany jest na 13 miliardów euro. Wiąże się z nim wielkie nadzieje. Pierwsza z nich to sprawność energetyczna równa 10, co oznacza, że reaktor będzie produkował dziesięć razy więcej energii niż będzie potrzebował do działania. Druga, wynikająca z pierwszej reaktor będzie w stanie przeprowadzić proces samoczynnej fuzji. Będzie potem również pełnił rolę taką, jak w tej chwili JET będzie poligonem treningowym dla naukowców konstruujących pierwszy reaktor fuzyjny, produkujący energię elektryczną DEMO. Grafika 8. Przekrój przez tokamak wraz z komorą kriogeniczną. ITER. 12

13 Grafika 9. Wykres przedstawiający postęp w fuzji atomowej. ITER znajduje się we Francji, w Cadarache. W 2006 roku podpisano zgodę na konstrukcję reaktora. W roku 2011 zaczęto budowę, która ma zostać ukończona do roku Reaktor ma działać 20 lat i osiągać moc 500 MW. Będzie działać w temperaturze 150 milionów stopni Celsjusza. Jednocześnie magnesy będą utrzymywane w temperaturze 4,5 K, aby doszło do nadprzewodzenia. Reaktor będzie jednocześnie najgorętszym i najzimniejszym miejscem na Ziemi. Pole magnetyczne wytworzone przez elektromagnesy toroidalne będzie miało indukcyjność 13 T. Zdjęcie 5. Plac Budowy ITER. 13

14 DEMO - DEMOnstration Power Plant Kolejnym krokiem w dziedzinie kontrolowanej fuzji ma być reaktor DEMO. Nieznane są jeszcze nawet parametry tego reaktora, jednak mówi się o mocy cieplnej 2-4 GW i sprawności energetycznej rzędu Będzie to pierwsza elektrownia produkująca prąd dzięki reakcji fuzji jądrowej. Jego projekt ma powstać do 2024 roku, zaś pierwsza fuzja ma nastąpić w roku FUZJA JAKO ŹRÓDŁO ENERGII Dostępność paliw Główną zaletą fuzji jest prawie nieograniczona ilość paliw. Wynika to z faktu, iż do wytworzenia relatywnie dużej energii potrzeba bardzo małych mas paliwa. Na przykład elektrownia, która miałaby wytwarzać 1 GW e, czyli jeden gigawat mocy elektrycznej, potrzebowałaby do działania przez cały rok jedynie 110 kg deuteru i 380 kg litu. Dlaczego litu? Wynika to z poniższej reakcji chemicznej Li + n He + H MeV Z tego równania wynika, iż z litu możemy w łatwy sposób produkować tryt. 2 Deuter można pozyskać z morskiej wody. Szacuje się, że izotop wodoru występuje raz na sześć tysięcy osiemset cząsteczek wody. Biorąc pod uwagę, że w oceanach znajduje się 1.4 * kg słonej wody można obliczyć, iż w tej wodzie znajduje się 2,08 * kg deuteru. Istnieje technologia, która daje możliwość wytwarzania tak zwanej ciężkiej wody i jest ona wykorzystywana przy pracy reaktorów jądrowych, których moderatorem jest właśnie ciężka woda. Rocznie można więc wytwarzać nawet do 50 ton deuteru. Z powyższych faktów jasno wynika, że tego izotopu mamy u siebie na planecie ogromne ilości i roczna produkcja na dzisiejszym poziomie wystarczyłaby do wytwarzania 500 Gw e rocznie. Tryt będzie pozyskiwany z litu przy użyciu strumienia neutronów. Lit możemy znaleźć w słonej wodzie jednak występuje on tam od 0,14 do 0,25 części na milion. Ponadto występuje on w małym stężeniu w solankach i różnych skałach. Największym komercjalnym źródłem litu są pegmatyty w tym spodumen i petalit. Światowe rezerwy litu szacuje się na ton i jest to surowiec stosunkowo tani- szacuje się, że kilogram litu kosztuje około 5000 dolarów za tonę (2010 rok). 1 14

15 7. BEZPIECZEŃSTWO Reaktory termojądrowe są bezpiecznymi urządzeniami. ITER przewiduje każdy możliwy scenariusz zagrażający dla samego tokamaka, jak i dla ludzi znajdujących się w jego otoczeniu. Najgorszą rzeczą jaka może się stać to uszkodzenie systemu chłodzenia reaktorawtedy do plazmy zaczną dostawać się nieczystości odrywające się od płyt pochłaniających neutrony. Reakcja fuzji zostaje wtedy wygaszona. Z obliczeń wynika, że temperatury panujące w Tokamaku powinny być dużo poniżej punktu topnienia jakiegokolwiek elementu konstrukcji. Samo promieniowanie nie powinno natomiast przekroczyć wartości 1 msv. 8. PODSUMOWANIE Póki co, energia elektryczna powstała z reakcji fuzji jest jeszcze daleko od nas, jednak widząc postępy w takich dziedzinach nauki jak inżynieria materiałowa i fizyka jądrowa możemy mieć nadzieję na to, iż energia pochodząca z reakcji zasilającej Słońce będzie w naszym zasięgu przed końcem pierwszej połowy dwudziestego pierwszego wieku. Pomimo wysokiej ceny technologii, w dzisiejszych czasach istnieją przesłanki, że wraz z postępem będzie ona spadać. Energia pochodząca z fuzji nie zanieczyszcza powietrza, elektrownie nie muszą szpecić krajobrazu, a przede wszystkim Ziemia posiada ogromne pokłady paliwa dla reaktorów termojądrowych. 15

16 LITERATURA [1] Fusion as future power source: Recent achievements and prospects. T. Hamacher, A. M. Bradshaw. [2] Commentaries on criticisms of magnetic fusion. Weston M. Stacey. [3] Summary of the ITER final design report. International Atomic Energy Agency. [4] Inercyjna Synteza Termojądrowa. Wojciech Kossakowski. ŹRÓDŁA (GRAFIKI I ZDJĘCIA): [1] Wykres 1: [2] Grafika 1: [3] Grafika 2: [4] Grafika 3: [5] Grafika 4: [6] Grafika 5: [7] Grafika 6: [8] Grafika 7: 16.JPG [9] Grafika 8: [10] Grafika 9: [11] Zdjęcie 1: december/doublepancake-tratos.jpg [12] Zdjęcie 2: becnie_najwikszego_na_wiecie_iter_bdzie_dziesi_razy_wikszy_197.jpg [13] Zdjęcie 3: [14] Zdjęcie 4: jpg [15] Zdjęcie 5: 16