Czas uwięzienia plazmy w reaktorach 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 1
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. 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 2
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 3
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. 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 4
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'. 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 5
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 6
Droga do DEMO 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 7
DEMO= DEMOnstration power plant Schemat działania DEMO 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 8
Przewidywane koszty elektryczności Cena elektryczności z fuzji jądrowej 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 9
Koszty bezpośrednie Cena inwestycji, obsługi, remontu Wymiany części Cena paliwa 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 10
Koszty pośrednie ( ExternE studies ) Emisja szkodliwych substancji do środowiska Zanieczyszczenie środowiska Wpływ na stan zdrowia ludności 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 11
Ilość paliwa i odpady Około 150 kg deuteru i 2000-3000 kg litu potrzebne na roczną produkcję elektryczności dla 1 miliona odbiorców indywidualnych Odpady po 100 latach (tony) łącznie z materiałami konstrukcyjnymi 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 12
Czy 30 000 ton to dużo objętościowo? Gęstość betonu =1800-2400 kg/m 3 Gęstość stali =7500 7900 kg/m 3 Gęstość wolframu =19 100 kg/m 3 30 000 ton betonu 12 500 16 667 m 3 30 000 ton stali 3797-4000 m 3 30 000 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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 13
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. 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 14
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 15
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 16
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) 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 17
Zaawansowane rodzaje paliwa Pierwsza generacja d+t, d+d + 3.65 MeV Druga generacja d+ 3 He Trzecia generacja p+ 11 B, 3 He+ 3 He 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 18
Zaawansowane rodzaje paliwa c.d. 1 generacja 2 generacja 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 19
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 0.000 137 % He na Ziemi to 3 He) Zauważono jednak, że skały na Księżycu zawierają stosunkowo dużo 3 He opłacalne byłoby sprowadzanie 3 He z Księżyca 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 20
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 21
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. 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 22
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) 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 23
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. 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 24
ZIMNA FUZJA ( Cold fusion ) c.d. Metoda piroelektryczna: Nature 434, 1115-1117 (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. 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 25
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, 054803 (2006) 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 26