Czas uwięzienia plazmy w reaktorach Reakcje termojądrowe - B.Kamys 1

Transkrypt

1 Czas uwięzienia plazmy w reaktorach Reakcje termojądrowe - B.Kamys 1

2 Broader approach In February 2007 the EU and the Japanese government signed the "Broader Approach" agreement. The cooperation aims to complement the ITER Project and to accelerate the realisation of fusion energy by carrying out R&D and developing some advanced technologies for future demonstration fusion power reactors (DEMO). Within the Broader Approach three main projects will be implemented Reakcje termojądrowe - B.Kamys 2

3 Broader approach 1st project The first project will complete the detailed and fully integrated engineering design of the International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF). Fusion as a major energy source will require materials which maintain their essential physical properties and which do not remain highly radioactive for extended periods of time after exposure to the harsh thermal and irradiation conditions inside a fusion reactor. IFMIF will allow testing and qualification of advanced materials in an environment similar to that of a future fusion power plant. VULCAN Reakcje termojądrowe - B.Kamys 3

4 Broader approach 2nd project The second project is the Japan-EU Satellite Tokamak Programme. During ITER construction, major experimental facilities will be required to develop operating scenarios and address key physics issues for an efficient start up of ITER experimentation and for research towards DEMO. The JT-60U tokamak in Japan has been identified as a device which could fulfil these objectives. It will therefore be upgraded to an advanced superconducting tokamak and used by Europe and Japan as a satellite facility to ITER Reakcje termojądrowe - B.Kamys 4

5 Broader approach 3rd project The third project is the International Fusion Energy Research Centre. The missions of the centre include the co-ordination of DEMO Design and R&D activities, large scale simulation activities of fusion plasmas by supercomputer and remote experimentation activities to facilitate a broad participation of scientists into ITER experiments. The resources for the implementation of the broader approach will mainly consist of contributions in kind and financial contributions from the parties to the Agreement. The European contributions will be largely provided on a voluntary basis by EU Member States (and possibly associated states), and channelled through 'Fusion for Energy' Reakcje termojądrowe - B.Kamys 5

6 DEMO= DEMOnstration power plant Na podstawie doświadczeń wykonanych przy pomocy ITER ma powstać pierwszy fuzyjny reaktor o mocy ok. 2 GW wytwarzający energię elektryczną w sposób ciągły DEMO ma pracować 20 lat i ma być pierwszym komercyjnym reaktorem termojądrowym (od 2033 r.?) Na jego podstawie mają być budowane następne reaktory o mocy 3 4 GW Zakłada się ciągłe podtrzymywanie reakcji fuzji. Dotychczasowy rekord uzyskał tokamak TORE SUPRA Cadarache: 4,5 minuty przy mocy 3 MW. Wynik otrzymano w 2002 r. przy chłodzeniu wodą reaktora i stosowaniu nadprzewodzących magnesów Reakcje termojądrowe - B.Kamys 6

7 Droga do DEMO Reakcje termojądrowe - B.Kamys 7

8 DEMO= DEMOnstration power plant Schemat działania DEMO Reakcje termojądrowe - B.Kamys 8

9 Przewidywane koszty elektryczności Cena elektryczności z fuzji jądrowej Reakcje termojądrowe - B.Kamys 9

10 Koszty bezpośrednie Cena inwestycji, obsługi, remontu Wymiany części Cena paliwa Reakcje termojądrowe - B.Kamys 10

11 Koszty pośrednie ( ExternE studies ) Emisja szkodliwych substancji do środowiska Zanieczyszczenie środowiska Wpływ na stan zdrowia ludności Reakcje termojądrowe - B.Kamys 11

12 Ilość paliwa i odpady Około 150 kg deuteru i kg litu potrzebne na roczną produkcję elektryczności dla 1 miliona odbiorców indywidualnych Odpady po 100 latach (tony) łącznie z materiałami konstrukcyjnymi Reakcje termojądrowe - B.Kamys 12

13 Czy ton to dużo objętościowo? Gęstość betonu = kg/m 3 Gęstość stali = kg/m 3 Gęstość wolframu = kg/m ton betonu m ton stali m ton wolframu 1571 m 3 Dla betonu mniej niż 17 x 10m x 10m x 10m (17 sześcianów o krawędzi 10 m) Dla stali lub wolframu to odpowiednio mniej Reakcje termojądrowe - B.Kamys 13

14 Szybkość zanikania radioaktywności Elementy reaktora termojądrowego stają się po pewnym czasie pracy radioaktywne głównie w wyniku oddziaływania z neutronami. Po wyłączeniu reaktora radioaktywność SZYBKO spada Reakcje termojądrowe - B.Kamys 14

15 Bezpieczeństwo podczas pracy reaktora Podstawowym paliwem jest deuter i lit oba nietoksyczne i nieradioaktywne substancje 1 dzień pracy reaktora o mocy 1000 MW wymaga <1 kg deuteru i < 100 kg litu transport i zaopatrzenie nie stanowi problemu Chwilowa ilość paliwa w plazmie reaktora jest niewielka a dodatkowo Utrata kontroli nad plazmą powoduje natychmiastowe ochłodzenie plazmy i przerwanie reakcji fuzji nie może spowodować poważnych uszkodzeń reaktora Reakcje termojądrowe - B.Kamys 15

16 Bezpieczeństwo podczas pracy reaktora c.d. Jedyną niebezpieczną substancją, której wydostanie się z reaktora należy zdecydowanie zapobiegać jest tryt (radioaktywny) Stosuje się potrójne bariery zapobiegające ulotnieniu się trytu: Pojemnik próżniowy ( vacuum vessel ) Szczelny kriostat Budynek reaktora Nie planuje się gromadzenia dużych ilości trytu lecz wytwarzanie trytu na bieżąco z reakcji neutronów z litem Nigdy nie zajdzie potrzeba ewakuacji okolicznych mieszkańców nawet w przypadku trzęsienia ziemi lub innej przyczyny uszkodzenia reaktora Reakcje termojądrowe - B.Kamys 16

17 Zagrożenie aktami terroru Wyżej wymienione cechy działania reaktora termojądrowego uniemożliwiają traktowanie go jako celu ataku terrorystycznego, który mógłby sprowadzić niebezpieczeństwo na dużą liczbę mieszkańców Jedyna możliwość wykorzystania reaktora w podobnym celu to używanie go jako źródła neutronów o energii kilkunastu MeV ale nie jest to atrakcyjne źródło (inne są znacznie bardziej efektywne) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 17

18 Zaawansowane rodzaje paliwa Pierwsza generacja d+t, d+d MeV Druga generacja d+ 3 He Trzecia generacja p+ 11 B, 3 He+ 3 He Reakcje termojądrowe - B.Kamys 18

19 Zaawansowane rodzaje paliwa c.d. 1 generacja 2 generacja Reakcje termojądrowe - B.Kamys 19

20 Zaawansowane rodzaje paliwa Zaletą paliwa drugiej i trzeciej generacji jest brak neutronów jako produktów reakcji materiały reaktora nie są aktywowane Wady paliwa drugiej i trzeciej generacji to mała abundancja 3 He na Ziemi (tylko % He na Ziemi to 3 He) Zauważono jednak, że skały na Księżycu zawierają stosunkowo dużo 3 He opłacalne byłoby sprowadzanie 3 He z Księżyca Reakcje termojądrowe - B.Kamys 20

21 Zalety energetyki termojądrowej Praktycznie nieograniczone zapasy paliwa (d,li). Mogą wystarczyć na miliardy lat. Nie są wytwarzane gazy cieplarniane. Reakcje fuzji wydzielają dużo energii łatwo zbudować elektrownie dużej mocy. Radioaktywne odpady mają stosunkowo niedużą objętość i szybko tracą radioaktywny charakter (po ok. 100 latach metalowe części mogą być znowu używane) nie ma potrzeby budowania składowisk na wieczne przechowywanie. Nie ma niebezpieczeństwa związanego z transportem paliwa (jedyne radioaktywne paliwo tryt wytwarzane na bieżąco) a sama ilość paliwa jest niewielka (kilka kg deuteru i kilkaset kg litu dziennie dla średniej mocy elektrowni). Nie ma niebezpieczeństwa związanego z możliwością wymknięcia się reakcji fuzji spod kontroli samoczynnie zatrzymują się a ilość reagujących substancji mała ( rzędu gramów), więc nie może spowodować istotnych szkód Reakcje termojądrowe - B.Kamys 21

22 Wady energetyki termojądrowej Reakcje fuzji wymagają bardzo zaawansowanej techologii materiałów, budowy i eksploatacji. To jest główną przyczyną, że ciągle nie są używane w sposób przemysłowy. Przy stosowaniu paliwa pierwszej generacji (d+t lub d+d) wydziela się wiele neutronów o energii kilkunastu MeV, które aktywują materiał reaktora i stanowią zagrożenie dla obsługi. Jak wszystkie elektrownie wydzielają dużo ciepła co może nie być obojętne dla środowiska Reakcje termojądrowe - B.Kamys 22

23 ZIMNA FUZJA ( Cold fusion ) Poszukiwano reakcji fuzji w procesach gdzie nie występuje tak wysoka temperatura jak ta osiągana w plazmie: W 1989 roku Stanley Pons z University of Utah i Martin Fleischmann z University of Southampton ogłosili, że zaobserwowali zimną fuzję atomów deuteru w elektrolizie ciężkiej wody D 2 O z użyciem porowatej katody palladowej. Elektrolizę wykonywano w kalorymetrze. Zaobserwowano, że w pewnych sytuacjach temperatura elektrolitu wzrastała od 30 do 50 stopni (bez zmiany zasilania) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 23

24 ZIMNA FUZJA ( Cold fusion ) c.d. Dokładne testy przeprowadzone w kilkudziesięciu ośrodkach naukowych na świecie zaprzeczyły tezie, że w takich warunkach istotnie dochodzi do zimnej fuzji. Doniesienie uznano za mistyfikację, choć część badaczy twierdzi, że Pons i Fleischmann przypadkiem wpadli na trop nowego zjawiska fizycznego, ale nikt potem nie potrafił odtworzyć warunków, w jakich przeprowadzono pierwsze eksperymenty Reakcje termojądrowe - B.Kamys 24

25 ZIMNA FUZJA ( Cold fusion ) c.d. Metoda piroelektryczna: Nature 434, (28 April 2005) Here we report that gently heating (-34 o C, +7 o C) a pyroelectric crystal in a deuterated atmosphere can generate fusion under desktop conditions. The electrostatic field of the crystal is used to generate and accelerate a deuteron beam (> 100 kev and >4 na), which, upon striking a deuterated target, produces a neutron flux over 400 times the background level. The presence of neutrons from the reaction D + D 3He (820 kev) + n (2.45 MeV) within the target is confirmed by pulse shape analysis and proton recoil spectroscopy. Although the reported fusion is not useful in the power-producing sense, we anticipate that the system will find application as a simple palm-sized neutron generator Reakcje termojądrowe - B.Kamys 25

26 ZIMNA FUZJA ( Cold fusion ) c.d. Researchers at Rensselaer Polytechnic Institute have developed a tabletop accelerator that produces nuclear fusion at room temperature, providing confirmation of an earlier experiment conducted at the University of California, Los Angeles (UCLA), while offering substantial improvements over the original design. An internal view of the vacuum chamber containing the fusion device, showing two pyroelectric crystals that generate a powerful electric field when heated or cooled. The device is filled with deuterium gas (<200keV) The most immediate application may come in the form of a battery-operated, portable neutron generator. Such a device could be used to detect explosives or to scan luggage at airports, and it could also be an important tool for a wide range of laboratory experiments. PRL 96, (2006) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 26