NOWY PORTAL - wersja BETA
mamy już
515redaktorów
o co chodzi w portalu
Kliknij tutaj, aby szukać po branży
dodaj artykuł
ZLECENIA OGŁOSZENIA ZAMÓW REDAKTORA ZAMÓW TEKST KUP ARTYKUŁ
POLECAMY:   Nie dopuść do wypalenia! AIDS pokonany?
 
 
Jesteś tutaj:Strona główna>Lista artykułów>Prezentacja artykułu

FUZJA TERMOJĄDROWA - PRZYSZŁOŚĆ ŚWIATOWEJ ENERGETYKI

Dodano: 31.12.2014, autor: @wispawel12
kategoria: Ogród i przyroda,  ocena: 4,  rodzaj: Ogólnodostępny
Świat jest pełen nierozwiązanych zagadek. Do nas należy spostrzeżenie i odgadnięcie tych wielkich problemów. Nauka rozpoczyna się pytaniami a ciekawość powinna stać się pasją. Wtedy widoczne staną się granice poznania.

Ks. Prof. Michał Heller


Prace nad zapewnieniem energii dla nas i naszych następców jest niezwykle ważnym wyzwaniem dla całego świata. Jako żyjące społeczeństwa zdajemy sobie sprawę z dwóch faktów. Po pierwsze, jesteśmy uzależnieni od istniejących źródeł energii. Po drugie, chyba ważniejsza świadomość, że nasze obecne główne źródła energii, takie jak ropa naftowa i gaz ulegają stopniowo wyczerpaniu. Taka sytuacja wpływa bezpośrednio na wzrost ich cen ale również nie można zapominać o emisji gazów do atmosfery powodujących efekt cieplarniany.
Według wyliczeń naukowców w najbliższym półwieczu ceny energii mogą wzrosnąć nawet dwukrotnie. Potrzeba nowych źródeł bezpiecznych energii jest nad wyraz konieczna. Energie odnawialne nie są w stanie sprostać nawet obecnym potrzebom. Także gaz łupkowy czy energia z hydratów metanu oczekują na nowoczesne i ekonomiczne technologie, które spowodują, że ich eksploatacja będzie bezpieczna dla środowiska naturalnego. Wyliczenia odnośnie zasobów złóż hydratów metanu są bardzo optymistyczne, ponieważ twierdzą, że zasoby gazu tam się znajdującego starczą dla całej ludzkości na około 50 do 100 lat. Jednak nawet taka optymistyczna wiadomość nie zwalnia odpowiedzialne ośrodki od prac nad dalszymi, nowymi i bezpiecznymi źródłami energii.

A jednak natura

Myśl naukowa zawsze była, jest i będzie największym dobrem ludzkości. Właśnie dzięki niej doprowadzono do bardzo intensywnych prac nad reakcją jądrową o nazwie fuzja jądrowa. Wzorem są reakcje zachodzące na słońcu. Dzięki tej energii istnieją przecież wszystkie formy życia na Ziemi. Należy wyraźnie pokreślić, że projekt ten prowadzi do uzyskania energii w wyniku syntezy lekkich atomów, takich jak wodór, które łącząc się ze sobą, tworzą atom helu, w przeciwieństwie do reakcji rozszczepienia jądra atomowego, w której energia powstaje w wyniku podziału ciężkich atomów.

To bardzo czysta i bezpieczna energia

Pochodzenie energii słonecznej bierze się w 99% z reakcji zamiany (fuzji) wodoru w hel. Proces ten zachodzi w jądrze słonecznym, gdzie jest dostatecznie wysoka temperatura – 150 mln stopni Celsjusza oraz potężne ciśnienie grawitacyjne. W każdej sekundzie 600 milionów ton wodoru ulega syntezie i przekształca się w hel.
Odbywa się to według reakcji podanej poniżej

3 He + 3He => 4 He + 1H + 1H + foton gamma

Należy przy tym pamiętać, że zgodnie z teorią względności masa a także energia są równoważne

E = mc2

W przedstawionych reakcjach cztery jądra wodoru zamieniają się w hel, natomiast suma mas wejściowych jest większa od masy helu. Ta różnica mas jest zastąpiona energią fotonów w 98% oraz neutrin w drugiej części. Reakcja opiera się na połączeniu lekkich atomów w jądra cięższe o większej liczbie atomowej. W związku z tym, że energia wiązania jaka przypada na jeden nukleon (energia jądrowa) rośnie wraz z liczbą atomową. Reakcji towarzyszy wydalenie energii, która jest równa przyrostowi całkowitej energii wiązania.
Dla porównania w bombie atomowej energia powstaje w wyniku rozszczepienia ciężkich jąder atomowych (np. uranu lub plutonu) na lżejsze pod wpływem bombardowania neutronami. Rozpadające się jądra emitują kolejne neutrony, które bombardują inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową. Zasada działania bomby atomowej polega na wytworzeniu z równoczesnym przekroczeniem w jak najkrótszym czasie masy krytycznej ładunku
jądrowego. Przekroczenie masy krytycznej uzyskuje się poprzez połączenia kilku porcji materiału rozszczepialnego (tzw. metoda działa) lub zapadnięcie materiału uformowanego w powłokę (tzw. metoda implozyjna). Reakcja łańcuchowa wydziela ogromną ilość energii.
Wysoka temperatura i energia produktów rozpadu powodują błyskawiczne rozproszenie materiału rozszczepialnego i przerwanie reakcji łańcuchowej. Jako ładunku nuklearnego przy metodzie działa używa się uranu 235, natomiast przy metodzie implozyjnej – plutonu 239. Z jednego kilograma U-235 można uzyskać do 82 TJ (teradżuli) energii. Typowy czas trwania reakcji łańcuchowej to 1 μs, więc moc wynosi 82 EW/kg.
Według założeń tego projektu fuzja jądrowa jest w stanie zapewnić trwale potrzeby energetyczne całego świata. Zalety projektu są znakomite. Paliwem, które będzie używane w reaktorach fuzji na Ziemi będą dwie odmiany (izotopy) wodoru , a mianowicie deuter i tryt. W każdym litrze wody jest około 33 miligramy deuteru. Gdyby cały deuter zawarty w litrze wody połączyć z trytem, to uzyskana energia byłaby taka sama jak energia otrzymana z 340 litrów benzyny. Trytu na Ziemi praktycznie nie ma, dlatego w reakcjach fuzyjnych będzie on wytwarzany z litu, lekkiego metalu występującego w przyrodzie w dużych ilościach.
Są dalsze pozytywne efekty proponowanych rozwiązań. Nie ma potrzeby dostarczania żadnych materiałów radioaktywnych do reaktorów wykorzystujących reakcje fuzji jądrowych, a jednocześnie zasoby paliwa niezbędnego do spalania w reaktorach, są praktycznie niewyczerpalne. Elektrownia tych procesów będzie bezpieczna w samej swojej istocie – wykluczony jest także niekontrolowany rozwój procesu oraz stopnienie rdzenia reaktora. Procesy te również nie będą prowadziły do powstawania gazów cieplarnianych i odpadów radioaktywnych o długim okresie rozpadu. Procesy te są w stanie zapewnić trwałe dostawy nawet dużych ilości energii.
Ażeby zainicjować reakcję fuzji jądrowej deuter i tryt należy pogrzać do temperatury rzędu 150 milionów stopni Celsjusza. W takich temperaturach każda materia jest w stanie plazmy, tzn. gazu przewodzącego prąd elektryczny. Ażeby uwalnianie energii procesu fuzji zachodziło w sposób ciągły plazma musi być stale podgrzewana oraz ograniczana za pomocą silnych pól magnetycznych i szczegółowo kontrolowana.
Głównym urządzeniem do otrzymywania niezbędnych temperatur jest tokamak. Urządzenie to ma kształt torusa. Pierwsze takie urządzenie powstało w Moskwie w latach sześćdziesiątych a zostało zaprojektowane po to, aby utrzymywać gorącą plazmę w skomplikowanej pułapce magnetycznej.
Od szeregu lat liderem w badaniach nad procesami fuzji jądrowej jest Europa. Wszystkie prace nad rozwiązaniem problemów energetyki koordynuje Komisja Europejska. Środki finansowe na te badania pochodzą z funduszy Programu Ramowego Wspólnoty Euratom a także z narodowych funduszy państw należących do Unii Europejskiej ( również Szwajcaria).
O wadze spraw związanych z energetyką niech świadczy fakt, że w tym ogromnym przedsięwzięciu obecnie, oprócz Krajów Wspólnoty Europejskiej, udział także biorą Chiny, Japonia, Republika Korei Federacja Rosyjska i Stany Zjednoczone.
Polska jest reprezentowana Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy. Instytut uczestniczy w trzech programach objętych projektem tzw. Work Packages). Są nimi program analizy warunków dla zainicjowania fuzji termojądrowej (The Requirements Analysis for Fusion Programme), program doświadczalnych badań nad fuzją inercyjną (The Fusion
Experimental Programme) oraz program badań podstawowych (The Fundamental Science Programme). Zadaniem polskiego Instytutu jest określenie właściwych parametrów wiązek laserowych oraz optymalnej geometrii tarczy dla schematów zapłonu alternatywnych w
stosunku do zapłonu za pośrednictwem wiązek elektronów generowanych laserem. Badania te stanowią obszar badawczo-technologiczny obejmujący przede wszystkim wykorzystanie kontrolowanej fuzji jądrowej dla produkcji energii bezpiecznej dla ludzkości i środowiska.
Stanowią one w Unii Europejskiej dziedzinę o strategicznym znaczeniu dla rozwoju cywilizacyjnego a także ekonomicznego wspólnoty państw europejskich. Realizowane są
tutaj również badania podstawowe i prace aplikacyjne w zakresie fizyki plazmy wytwarzanej impulsowo laserami i w układach z magnetycznym utrzymaniem plazmy, fuzji jądrowej i impulsowych technologii wielkich mocy.
Takie skoordynowane podejście pozwoliło krajom europejskim na udział i wniesienie swojego wkładu do największego obecnie programu w zakresie badań nad fuzją jądrową. Urządzenie tokamak JET (Joint European Torus) było podstawą do opracowania projektu reaktora ITER.
Tokamak, nazwany również super laserem, jest to urządzenie do badań nad wytwarzaniem energii drogą kontrolowanej reakcji termojądrowej, służące do uzyskiwania i utrzymywania temperatury plazmy deuterowo-trytowej na poziomie kilkudziesięciu milionów °K, co odpowiada energii cząstek plazmy na poziomie kilkunastu keV.

Procesy zachodzące w tokamaku podczas kontrolowanej reakcji termojądrowej.

Zasadniczym elementem tokamaka jest układ magnesów wytwarzających toroidalne (torus) pole magnetyczne, które utrzymuje w komorze czynnej (również toroidalnej) plazmę, zapewniając jej należytą izolację termiczną. Wysoka temperatura plazmy uzyskiwana jest dzięki przepływowi prądu elektrycznego (płynącego wzdłuż torusu) indukowanego w niej przez centralnie umieszczony transformator.
Parametrem charakteryzującym warunki pracy tokamaka jest iloczyn energii cząstek, liczby cząstek w próbnej objętości plazmy i czasu utrzymania wysokiej temperatury – wielkość ta dla samoutrzymującej się reakcji syntezy powinna mieć wartość 2x10²³ eVxs/m3. W najdoskonalszych obecnie konstrukcjach tego typu uzyskuje się ok. 2x10¹9 eVxs/m3.
Zasadę działania tokamaka opracowali rosyjscy naukowcy w połowie lat sześćdziesiątych. Tam także powstał prototyp tego urządzenia. Obecnie w tym Kraju powstaje największy na
świecie laser, a dokładniej mówiąc, reaktor termojądrowy. Urządzenie będzie miało długość 360 metrów, a wysokość ponad 30 metrów. Jego lokalizację wyznaczono w okolicach miasta Sarow, w obwodzie niżegorodzkim. Oddanie całości obiektu do pełnej eksploatacji przewidziano na rok 2020. Naukowcy liczą na uzyskanie za pomocą tego urządzenia substancji znajdującej się w takim samym stanie, jak na Słońcu. Jest to niezbędne do prowadzenia badań procesów zapalania oraz spalania paliwa termojądrowego.
Pozwoli to niewątpliwie, na lepsze przystosowanie reaktora laserowego do pełnienia roli przyszłego źródła energii, pracującego na zwykłej wodzie. Naukowcy są przekonani, że lasery pozwolą na prowadzenie badań w dziedzinie fizyki wysokiej gęstości i energii. W związku z tym postanowiono zbudować taki reaktor. Zasada jego działania jest następująca. W jego centralnym miejscu umieszczony zostanie cel, którym będzie kulka z berylu. Będzie ona zawierała mieszankę deuteru i trytu – są to izotopy wodoru. Do niej ma być wystrzelonych 192 promieni laserowych jednocześnie. Kula rozgrzeje się, deuter i tryt rozpoczną wspólną reakcję ze sobą aż dojdzie do termojądrowego mikro wybuchu. W wyniku tego procesu będzie wydzielać się więcej ciepła, niż zużyto do nagrzewania. Mikro wybuchy muszą ponadto powtarzać się co najmniej 10 razy na sekundę. Drugie istniejące już takie urządzenie zlokalizowane jest w Stanach Zjednoczonych.
Naukowcy wyraźnie podkreślają, że w trakcie trwania syntezy termojądrowej każda dodana moc stwarza nowe możliwości. Perspektywy są więc wręcz nieograniczone, ale jak twierdzą ludzie w to bezpośrednio zaangażowani nie udało się jeszcze nigdy wprowadzić reaktora w ruch na pełną skalę.
Jednak pomimo tych niepowodzeń, naukowcy oraz rządy wielu krajów ( w tym najpotężniejszych) w dalszym ciągu uważa ten projekt za przyszłość światowej energii. Jest to nadal najlepsze z możliwych źródeł energii., bezpiecznej o niewyczerpalnych zasobach. Dlatego postanowiono zbudować następne takie urządzenie. Zlokalizowane zostało w miejscowości Cadarache, na południu Francji. Cadarache jest to ośrodek naukowy, który pracuje dla Francuskiej Komisji ds. energii atomowej. Obiekt, w którym będzie wybudowane urządzenie zajmuje powierzchnię 40 hektarów. Najważniejsze wymagania dla tego typu reaktora to wydajność chłodzenia około 450 MW oraz pobór energii elektrycznej o mocy do 120 MW. Przewidywany termin zapalenia plazmy wyznaczono na rok 2016.
Przygotowania do budowy, na podstawie tych samych planów co we Francji, rozpoczęto także w Rosji. Rozpoczęcie pracy w rosyjskim reaktorze przewiduje się na rok 2012.
Innymi, poza wymienionymi już zaletami produkowania energii poprzez fuzję jądrową są zupełny brak emisji szkodliwych substancji do atmosfery, nie ma również odpadów promieniotwórczych pochodzących ze zużytych produktów rozszczepienia uranu jak w klasycznych reaktorach jądrowych a także, ponieważ paliwem reaktora jest deuter pochodzący z wody morskiej, nie ma konfliktu w jego pozyskiwaniu z uwarunkowaniami ekologicznymi. Będzie to po prostu, ekologicznie czysta energia, której możliwości produkcji będą nieograniczone. A więc czyżby to nadchodzący Eden energetyczny?
Zauważalne jest w całym projekcie stanowisko, do którego dąży Unia Europejska. Coraz więcej krajów europejskich wyraża chęć uczestnictwa w tym procesie. Ostatnio także Czechy wyraziły swoje zainteresowanie tym źródłem energii. Ma być takich krajów coraz więcej. Europa zdecydowania dominuje. Nasuwa się myśl, która kieruje takim postępowaniem. Chęć uniezależnienia się energetycznego od dotychczasowych „prominentów” tej, tak ważnej gałęzi przemysłu każdego Kraju.
Jest zadziwiającym faktem, że w obliczu tak zaawansowanych prac nad źródłem praktycznie czystej energii, w Polsce mówi się o budowie tradycyjnej elektrowni atomowej, a właściwie o tym, że data budowy została znowu przesunięta. Chyba, że ludzie, którzy o tym mówią, mają
na myśli właśnie elektrownie wykorzystujące fuzję jądrową. Bo przecież polska instytucja współpracuje w tym projekcie, mając do rozwiązania bardzo istotne części całej technologii. Ale dlaczego nikt nie mówi o tym głośno? Przecież jest się czym chwalić?
Każdy człowiek korzystający z dóbr natury powinien, a właściwie musi bezwzględnie stosować się do zasady:


Bóg wybacza zawsze, człowiek czasem, natura nigdy
Jeżeli tego nie będzie się stosowało w praktyce, to katastrofy ekologiczne są zapewnione.

OCENA ARTYKUŁU

Pomóż nam budować ranking artykułów, oceń powyższy.
oceń artykuł
średnia ocen
4
Wykonawca: PERSABIO
Wszelkie prawa zastrzeżone

zamknij
zamknij

Czytaj artykuły z wybranej kategorii

kliknij w nazwę kategorii aby przejść do listy artykułów
zamknij

Znajdź specjalistę z wybranej branży

kliknij w nazwę branży aby przejść do listy specjalistów publikujących w niej artykuły