Stosunek dostarczanej energii do zużywanej jest często nazywany „Qu0022
.
Możemy zrobić dwie rzeczy, by zwiększyć Q:
- Zużywać mniej energii
- Produkować więcej energii
Okazuje się, że te dwie rzeczy są ze sobą ściśle powiązane. W miarę jak zachodzi coraz więcej reakcji fuzji jądrowej (tj. produkujemy więcej energii), plazma podgrzewa się coraz bardziej. Oznacza to, że nie musimy już inwestować tyle energii w jej podgrzewanie. W pewnym momencie może ona nawet funkcjonować bez żadnego zewnętrznego dopływu ciepła!
Przez ostatnie 60 lat naukowcy pracowali nad wieloma różnymi metodami, aby to osiągnąć. Niestety prawie wszystkie z tych projektów utknęły na wartościach Q pomiędzy 0,0001 a 0,000001. Jednak jeden typ (nazywany „tokamakiemu0022), osiągnął Q=0,65.
Zobaczmy, jak to działa!
„Tokamaku0022 - fuzyjny pączek
Przypomnij sobie nasze trzy problemy:
- Podgrzanie plazmy do około 100 000 000°C.
- Gęstość.
- Zamknięcie plazmy na sekundy do minut.
Tokamak spełnia jednocześnie wymagania zamknięcia i gęstości, wykorzystując silne pola magnetyczne. Te pola magnetyczne zmuszają ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane jądra do poruszania się w kółko po ścieżce wewnątrz kształtu pączka z dziurką. Ponieważ magnesy otaczają plazmę, wytwarzają wysokie ciśnienie, które zwiększa gęstość plazmy.
Oddychaj głęboko. Usiądź, upewnij się, że rozumiesz do tej pory. Ponieważ teraz poruszymy niektóre z problemów, nad którymi obecnie pracują naukowcy zajmujący się fuzją jądrową.
Skąd pochodzą deuter i tryt?
Deuter jest łatwy do znalezienia i powszechny - znajduje się w wodzie oceanicznej. Jednak natura wytwarza tylko kilka kilogramów trytu rocznie i nie istnieje coś takiego jak „fabryka trytuu0022. Dzisiejsze eksperymenty fuzji jądrowej często pozyskują go z elektrowni atomowych, gdzie tryt jest produkowany jako odpad promieniotwórczy. Ale skąd go weźmiemy, jeśli przestaniemy używać reaktorów rozszczepieniowych?
Na szczęście istnieje sposób, aby reaktory termojądrowe generowały swój własny tryt. Teoretycznie moglibyśmy wykorzystać ten dodatkowy neutron do wytworzenia większej ilości trytu z deuteru! Pełna reakcja wykorzystuje deuter (1p1n) i Lit-6 (3p6n) jako materiał wejściowy do produkcji helu:
Używanie Litu-6 do produkcji trytu właściwie wprowadza więcej energii do systemu. Wykonanie tego w praktyce jest bardzo trudne i jest jednym z aktywnych obszarów badań i niepewności w energetyce termojądrowej.
Jak możemy wydobyć energię z tokamaka?!
Jak na razie jest dobrze. Mamy deuter i tryt, możemy je podgrzać i doprowadzić do fuzji. Ale jak wydobyć energię?
Pamiętaj, że neutrony nie mają ładunku. Pola magnetyczne oddziałują tylko z cząsteczkami naładowanymi elektrycznie. Oznacza to, że pole magnetyczne, tak silne jak tylko może być, nie może zatrzymać neutronów prędkich pochodzących z reakcji fuzji.
Te neutrony prędkie są zarówno najcenniejszym, jak i najbardziej irytującym aspektem fuzji. Cennym, ponieważ to właśnie z ich prędkości czerpiemy energię, a irytującym, ponieważ uszkadzają ściany reaktora. Jak możemy to rozwiązać?
Na (powtórzonej) powyższej grafice pomiędzy plazmą a magnesami widać warstwę zwaną kocem. Neutrony prędkie są spowalniane wewnątrz koca, a ich energia kinetyczna przekazywana jest do jego ogrzania. Gorący koc jest z kolei wykorzystywany do ogrzewania wody, która następnie obraca turbinę parową (podobnie jak robią to reaktory rozszczepieniowe i elektrownie węglowe).
To działa w teorii, ale w praktyce trudno jest zbudować koc, który jest wydajny i odporny na uszkodzenia od szybko poruszających się neutronów.
Jak możemy ulepszyć tokamaki?
Pomijając kwestie związane z kocami, wciąż nie osiągnęliśmy Q>1. Istnieją dwie szczególnie ważne zmienne w reaktorze termojądrowym, które możemy kontrolować, aby wpływać na ilość energii uwalnianej w reaktorze termojądrowym:
- R: Promień tokamaka
- B: Siła pola magnetycznego
Zatem jak duże muszą być reaktory, aby osiągnąć rozsądne wartości Q? ITER jest największym w historii międzynarodowym eksperymentem naukowym, którego celem jest osiągnięcie Q=10. Jak duży jest reaktor ITER?
Widzisz tę osobę na dole? Ten reaktor jest OGROMNY.
Ze względu na swój rozmiar ITER kosztował dziesiątki miliardów dolarów, a jego budowa trwa dziesiątki lat. Pamiętasz wykres Q z poprzedniej części? Zastanawiasz się, dlaczego się zatrzymał? Teraz już wiesz! Reaktory stały się zbyt duże, co oznacza, że ich budowa trwa zbyt długo.
Liczba na osi y to tak zwany „potrójny produkt fuzjiu0022. Jest to przybliżony wskaźnik ilości energii produkowanej przez reaktor termojądrowy i jest definiowany jako iloczyn trzech kluczowych cech reaktora termojądrowego:
ITER jest eksperymentem naukowym, a nie reaktorem komercyjnym. Komercyjny reaktor musiałby być prawdopodobnie jeszcze większy. Jasne jest, że zwiększanie promienia (R) nie jest obiecujące. A co z natężeniem pola magnetycznego (B)?
Czy silniejsze magnesy mogą sprawić, że reaktory będą mniejsze i tańsze?
Wywołanie pola magnetycznego wymaga, abyśmy przepuścili prąd przez cewki pola elektromagnetycznego w tokamaku. W większości materiałów prąd zużywa energię, ponieważ część elektryczności jest tracona jako ciepło z powodu oporu. Jednak niektóre materiały - zwane nadprzewodnikami - mają zdolność przepuszczania przez siebie prądu bez strat ciepła, ponieważ nie ma oporu dla prądu.
Ostatnie prace nad rodzajem magnesu nadprzewodzącego zwanego REBCO (Rare Earth Barium Copper Oxide) pozwoliły na prawie dwukrotne zwiększenie natężenia pola magnetycznego „Bu0022! Czynnikiem ograniczającym jest teraz wytrzymałość stali i betonu, które trzymają wszystko razem - przy pełnej mocy magnesy rozerwałyby reaktor na strzępy.
Użycie magnesów REBCO jest prawdopodobnie istotnym krokiem na drodze do niedrogich reaktorów termojądrowych o Q > 1.
Co ważne, ITER nadal używa starych, słabszych nadprzewodników.
Podsumowanie
Fuzja termojądrowa zawsze była „technologią przyszłościu0022, ale my naprawdę zbliżamy się do Q=1.
Prywatne firmy i laboratoria uniwersyteckie pracują obecnie nad zintegrowaniem magnesów REBCO z reaktorami termojądrowymi typu tokamak. Ich postępy będą kluczowym wskaźnikiem potencjału fuzji, ale osiągnięcie Q większego niż 1 nie jest jedynym problemem w badaniach nad fuzją.
Istnieje wiele otwartych problemów w technologii koców, hodowli trytu i ochronie reaktora. Jest to ogromne źródło niepewności. Niemniej jednak w ciągu najbliższych dziesięcioleci prawdopodobnie dowiemy się, czy fuzja jądrowa może być czystym i powszechnym źródłem energii, na jakie liczymy.
Następny rozdział
