Słońce na... Ziemi Autor: prof. zw. dr hab. inŝ. Włodzimierz Kotowski ( Energia Gigawat lipiec 2007) Źródłem wytwarzania gigantycznych ilości ciepła z kaŝdej gwiazdy wszechświata są przebiegające w niej reakcje fuzyjno - jądrowe, wśród których dominuje przemiana wodoru w hel. W Słońcu, jak w kaŝdej innej gwieździe, ten proces przebiega w plazmie pod ogromnym ciśnieniem. Aby uzmysłowić sobie ogrom uzyskiwanego na tej drodze ciepła wystarczy przytoczyć fakt, Ŝe kaŝdej przemianie jednego kilograma wodoru w hel towarzyszy efekt energetyczny, równowaŝny spaleniu 10 000 ton węgla. Tyle to właśnie węgla zuŝywa dobowo typowa elektrownia. Słońce jest po prostu największą ciepłownią termojądrową naszego Układu Słonecznego, której moc wynosi 4 10 20 MW. Co sekundę 587 mln ton wodoru przemienia się w 583 mln ton helu. RóŜnicę 4 mln ton masy między surowcem, a produktem stanowi równowaŝnik masowy energii wysyłanej w przestrzeń kosmiczną, wg równania Einsteina E = mc 2 (gdzie: E energia, m 0,7% -wy ubytek masy w trakcie przemiany wodoru w hel, a c szybkość światła). Jeśli zatem uda nam się przeniesienie procesu fuzyjno-jądrowego ze Słońca na naszą Ziemię, to problem pozyskiwania energii dla ludzkości zostanie rozwiązany do końca jej istnienia. Aktualny stan techniki i technologii W warunkach ziemskich tego typu proces fuzyjno-jądrowy jąder atomów wodoru nie przebiega z taką łatwością jak w gwiazdach, gdyŝ nie potrafimy na skalę przemysłową wytworzyć panującego w nich ogromnego ciśnienia. Podstawowym warunkiem pozyskiwania energii z syntezy termojądrowej jest wytworzenie niezwykle gorącej plazmy. Na naszej planecie, niezbędna jest temperatura plazmy około 100 1
mln Kelwinów, którą moŝna uzyskać wg kilku technologii, wśród których najkorzystniejszą jest metoda silnych pól magnetycznych. Ona przekształca doprowadzony gaz w silnie zjonizowaną plazmę i dopiero wówczas w temperaturze 100 mln K przebiega fuzja jąder wodoru w hel. Jako surowca nie stosuje się tu znanego nam powszechnie dostępnego wodoru, a jedynie mieszaninę jego izotopów deuteru oraz trytu. Tymczasem znany nam wodór składa się przede wszystkim z atomów, których jądra stanowią tylko pojedyncze protony. Tymczasem deuter to izotop wodoru, zawierający obok protonu jeden neutron, a tryt jest atomem, którego jądro składa się z protonu oraz dwóch neutronów. Ich mieszanina w warunkach ziemskich daje się przetworzyć w plazmie o temperaturze 100 mln K w hel wg reakcji: 3 4 1 H + H He + n 17, 6 MeV 2 1 1 2 0 + Na Ziemi konieczna jest tak wysoka temperatura tego procesu fuzyjno-jądrowego w porównaniu z wnętrzem Słońca, gdyŝ w nim istnieje ogromna gęstość surowca, dzięki gigantycznemu ciśnieniu. Pierwszy tego typu badawczy reaktor fuzyjno-jądrowy pod nazwą STELLARATOR (z łacińskiego stella gwiazda, generator wytwornica) zbudowano w 1951 roku w USA. Spośród kilku kolejnych, wybudowanych w innych krajach na tej samej zasadzie tj. plazmy w silnym polu magnetycznym, na uwagę zasługuje dziś największy stellarator spośród pracujących o nazwie LHD (Large Helical Device) w Japonii. Wysokorozwinięte kraje naszego kontynentu, zrzeszone w organizacji EURATOM, eksploatowały tego typu generator o nazwie START (Small Tight Ratio Tokamak) w latach 1991-1998 w miejscowości Culhan w Anglii. Obecnie pracuje bardziej efektywny, nazywany tokamak MAST (Mega Amp Spherical Tokamak). 2
Budowa największego eksperymentalnego reaktora fuzyjno-jądrowego z 800 m 3 plazmy W ubiegłym roku, w okolicach miejscowości Cadarache, na południu Francji, rozpoczęły się roboty ziemne na powierzchni 90 ha, związane z budową największego z dotychczasowych reaktorów fuzyjno-jądrowych o nazwie ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Jest to wspólne przedsięwzięcie Unii Europejskiej, USA, Japonii, Rosji, Indii oraz Południowej Korei, realizowane nakładem 10 mld (wraz z kosztami rozruchu). Moc tego reaktora termojądrowego którego uruchomienie ma nastąpić w 2016 roku wyniesie 1500 MW t. Reaktor ITER charakteryzują następujące parametry: prąd plazmy 24 MA, a jej promień 30 m. Jego niezwykle imponujący przekrój ilustruje rys. 1. Dla uzyskania w elektromagnesach jak największej mocy, trzeba ich uzwojenie doprowadzić do nadprzewodnictwa. Zapewnia to kriostat z ciekłym helem o temperaturze -269 st. C. Skoro proces syntezy jądrowej biegnie w tak ogromnie wysokiej temperaturze, to stabilne utrzymywanie parametrów eksploatacyjnych reaktora ITER będzie decydowało o jego stopniu niezawodności ruchu. Gdyby przykładowo plazma weszła w kontakt ze ścianą pierścieniowej komory, to uległaby od razu zanieczyszczeniu, co spowodowałoby natychmiastowe przerwanie biegnącej syntezy jądrowej. Ścianka przestrzeni plazmy, wykonana z takich materiałów, jak grafit, niob oraz beryl oddziela powyŝszą od otaczającej pierścieniowej komory chłodniczej, przez którą płyną opary litu o temperaturze 1000 ±50 st. C. Lit znajduje się w gęstym, silnym strumieniu neutronów, będących produktem omawianej reakcji fuzyjno-jądrowej deuteru i trytu. W tych warunkach przebiega druga waŝna reakcja fuzyjno-jądrowa: 6 1 4 3 Li + 0n 2He + 3 1 H zapewniająca dostawy trytu dla reaktora syntezy jądrowej. Lit jest dość powszechnym pierwiastkiem w przyrodzie i relatywnie łatwym do pozyskania w stanie wysokiej czystości. W reaktorze fuzyjno-jądrowym powstają niewielkie ilości radioaktywnych odpadów, lecz ich szkodliwe oddziaływanie na ludzi oraz zwierzęta trwa zaledwie 100 lat i nie stwarza takich problemów, jak w elektrowniach atomowych uranu, czy toru. 3
Źródło: M.Dworschak; Spiegel Special Rys. 1. Przekrój reaktora dwóch syntez jądrowych ITER o wysokości 20 metrów
Gdy omawiany reaktor syntez jądrowych osiągnie wymagany poziom niezawodności ruchu, wówczas zostanie sprzęŝony z elektrownią, co ilustruje rys. 2. Dla reaktora fuzyjno-jądrowego, deuter otrzymuje się w skali przemysłowej na drodze dwustopniowej elektrolizy zwykłej wody. Ta technologia została po raz pierwszy zastosowana w Norwegii w okresie międzywojennym ubiegłego stulecia. Tryt natomiast wytwarza się z litu i neutronów wprost w reaktorze fuzyjno-jądrowym i to obok strefy plazmy, w której przebiega synteza jąder deuteru z trytem. Jak widać z rys. 2, lit przejmuje ciepło powyŝej reakcji fuzyjno-jądrowej, nagrzewając się z 920 st. C do 1070 st. C i juŝ w mieszaninie z wytworzonym trytem płynie poprzez jego separację do kotła wymiennik ciepła, w którym ogrzewa cyrkulujące opary potasu. Te napędzają turbinę gazową, sprzęŝoną z elektrogeneratorem. Następnie opary potasu dogrzewają obieg wodno-parowy ze swoim układem turbiny i elektrogeneratora. Z zasobników deuteru oraz trytu zasilana jest w ciągłym systemie komora plazmy, w której przebiega synteza jąder atomów surowca. Równocześnie wyprowadza się część reagentów dla separacji wytwarzanego helu, który jest wartościowym produktem. Elektrownia fuzyjno-jądrowa o mocy 5000 MW t zuŝywa dobowo jedynie 14 kg deuteru i 21 kg trytu. Dotychczasowy, wielce obiecujący wielowariantowy przebieg badań nad syntezą jąder atomów deuteru oraz trytu, jak i obecnie budowany wielki reaktor fuzyjno-jądrowy o nazwie ITER składają się na wysoki stopień prawdopodobieństwa, Ŝe pod koniec XXI wieku ludzkość uzyska nieograniczone źródło energii elektrycznej i to w pełnej harmonii ze środowiskiem. 4
Rys. 2. Schemat procesowy elektrowni z reaktorem fuzyjno-jądrowym deuteru z trytem