VIII-Energia fuzji termojądrowej nadzieją świata

Transkrypt

1 VIII-Energia fuzji termojądrowej nadzieją świata Jan Królikowski Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 1

2 Skąd pochodzą informacje? Nie jestem fizykiem- specjalistą zajmującym się fuzją. Moja wiedza na temat fuzji pochodzi z drugiej ręki. Wiele skorzystałem z referatu prof. Ch. Llewellyna- Smitha na sesji TNW poświęconej 50-leciu CERNu 24.IX w Pałacu Staszica. Informacje, które Państwu będę próbował przekazać są w większości przypadków dostępne publicznie np. w witrynach internetowych: oraz Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 2

3 Światła na Ziemi widziane z kosmosu Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 3

4 Kilka danych o konsumpcji energii na świecie Do 2045 konsumpcja energii podwoi się (głównie poprzez rozwój Indii i Chin). Ponad 80% obecnie zużywanej energii pochodzi ze spalania kopalnych paliw pochodzenia organicznego (ropa, gaz ziemny, węgiel). Reszta to spalanie drewna i energia jądrowa. US Geological Survey i inne podobne organizacje oceniają, że maksimum wydobycia ropy nastąpi za ok lat, następnie wydobycie zacznie spadać o ok. ~3% rocznie. USGS: ropy starczy na ok. 60 lat. Podobnie ( nieco dłużej) gazu ziemnego. Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 4

5 Kilka danych o konsumpcji energii na świecie cd. Węgla starczy na znacznie dłużej ale jest on dużo mniej wygodny. Uranu- paliwa do reaktorów termojądrowych (fission- rozszczepienie) starczy na ok lat. Paliwa organiczne powodują niekorzystne skutki uboczne: Zanieczyszczenie środowiska spalinami, Efekt cieplarniany i inne zmiany klimatyczne Odnawialne źródła energii (e. słoneczna, wiatr, przypływy morza) nie stanowią realistycznej alternatywy. Ponadto e. słoneczna nie tam gdzie trzeba. Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 5

6 Kilka danych o konsumpcji energii na świecie cd. Ważne jest prowadzanie działań zmierzających do oszczędności energii, ograniczenia emisji gazów i spalin etc. ale te działania mogą tylko opóźnić nieuchronne wyczerpanie się organicznych paliw kopalnych za lat. Rozwój elektrowni termojądrowych (lepsze technologie, większe bezpieczeństwo, spalanie odpadów radioaktywnych) jest niezbędny ale też nie prowadzi do długotrwałego rozwiązania. Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 6

7 Kilka danych o konsumpcji energii na świecie cd. Właściwie jedyną realistyczną alternatywą dla kopalnych paliw organicznych jest energia fuzji termojądrowej. Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 7

8 Kilka danych o konsumpcji energii na świecie cd. Energia fuzji jest bezpieczna, nie pozostawia długożyciowych odpadów radioaktywnych. Zapas paliwa (deuter, lit) wystarczy na miliony lat. Nie powstają spaliny i odpady. Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 8

9 Co to jest fuzja? Kontrolowana fuzja termojądrowa to stabilny proces łączenia się lekkich jąder w nieco cięższe. Proces fuzji zachodzi w gorącej plazmie tj. materii kompletnie zjonizowanej. Fuzja wymaga wysokich temperatur (typowo 10 8 K) Jest to proces, który zachodzi w gwiazdach gdzie jest kontrolowany przez silne pola grawitacyjne tych masywnych obiektów. W warunkach ziemskich kontrola musi być zapewniona inaczej, np. poprzez pole magnetyczne. Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 9

10 Plazma: 4-ty stan skupienia materii Increasing Temperature Plazma przewodzi prąd i jest bardzo reaktywna Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 10

11 Mass per nucleon Rozszczepienie i fuzja wykorzystują tą samą zasadę: E = mc 2 Rozszczepienie n n U Fuzja D n Liczba atomowa Z T He Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 11

12 Kilka podstawowych reakcji fuzji D + D, D + 3 He, D + T Najłatwiejsza = najbardziej prawdopodobna w stosunkowo niskich T. D + T D + T -> 4 He + n + DE n + 6 Li -> 4 He + T n + 7 Li -> 4 He + T + n D + Li -> 4 He x 10 6 kwh/ kg 10 8 K 100 kev 1 ev = 10 4 K Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 12

13 Ile energii jest dostępne w procesie fuzjii? Biorąc pod uwagę proces D+T gdzie T jest wytwarzany z Li: 40 l wody+ Li z jednej baterii Li= 200 KWh. Tyle samo co ze spalania 40 t węgla 80% energii fuzji ucieka w postaci neutronów= podgrzewanie pary dla turbin. Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 13

14 Uwięzienie plazmy Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 14

15 Warunek PODTRZYMANIA reakcji fuzji Moc włożona musi przewyższać straty n 2 <s (T) v> + external power Straty na promieniowanie n 2 T 1/2 Przewodnictwo i konwekcja n T / t E n (gęstość) x t E (czas uwięzienia) > Funkcja temperatury (T) Kryterium Lawsona Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 15

16 Duża obj. Czas uwięzienia t E? Temperatura Mała obj. 1/e Duża i Izolowana obj. t E Czas t E jest miarą strat ciepła (energii) plazmy) Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 16

17 Kryterium Lawsona n t E n x t E > f (T) (Moc zewn. = 0) n x t E > f (T, Q = P fus /P ext ) (Moc zewn. 0) n x t E > f (T) Czasami ten warunek piszemy w postaci: n x t E x T > (m -3 s kev) T Tu dziś jesteśmy Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 17

18 Pułapki magnetyczne Czastki poruszają się swobodnie wzdłuż linii pola magn. Jak je zatrzymać? 1) Lustro magnetyczne: linie sił zacieśniają się na końcach 2) Linie sił są zamknięte, cząstki nie mają gdzie uciec: Toroidalna konfiguracja pola. Wymagane jest dodatkowe pole wymuszające ruch po helisie Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 18

19 Joint Components EuropeanTorus: of a europejski Tokamak tokamak (Culham/ Oxfordu) 4 4.5T B Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 19

20 JET cd. Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 20

21 Oktant komory próżniowej Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 21

22 JET wewnątrz, bez i z plazmą Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 22

23 Rekord JET 16 MW Plazma D-T Moc zewn. 20 MW Moc otrzymana 16 MW t E rekord (Q = 0.8) ale jeszcze reakcja nie jest samopotrzymywalna! Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 23

24 Jak blisko reakcji samopodtrzymywalnej? Q = fusion power out ext. power in n t E T Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 24

25 Nadprzewodzący tokamak ITER Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 25

26 ITER Cadarache (Francja) Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 26

27 Artist s view Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 27

28 Rozpoczęcie prac w Cadarache styczeń 2007 Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 28

29 Wymagane rozmiary ITER 30 years AUG JET ITER Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 29

30 ITER 500MW koszt : Million Euro R (m) a (m) V P (m 3 ) I P (MA) B t (T) P aux (MW) Q (MW) b (P fus T, b /P in ) P ITER będzie produkował tyle neutronów co reaktory: 1.5 x neutronów/s 2.5%, 0.7 Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 30 d,k P a (17) ,

31 Status Negocjacje międzynarodowe n.t. statusu prawnego i organizacyjnego oraz lokalizacji (4 kandydatury) Porozumienie podpisane , ratyfikowane w 2007 Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 31

32 Przyszły Reaktor Fuzyjny Za lat Może ale nie musi być tokamakiem. Wymaga nie tylko badań nad fuzją (ITER) ale także programu badań materiałowych (International Fusion Materials Irradiation Facility IFMIF). Jan Królikowski, Energia fuzji termojadrowej.., 32