Kategorie
Kosmologia

Energia z Księżyca

Wszystkie jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i się odpychają. Aby przezwyciężyć to odpychanie i spowodować połączenie jąder, trzeba je rozpędzić do znacznych prędkości i utrzymać w ograniczonej przestrzeni tak, by miały szansę się zderzyć. Podgrzanie paliwa jądrowego do temperatury około 100 milionów stopni Celsjusza rozpędza jądra do olbrzymich prędkości. Temperatura jest o wiele za duża, by można było utrzymać paliwo w jakimkolwiek pojemniku czy pomieszczeniu o ścianach zbudowanych ze zwykłej materii – każda znana nam substancja natychmiast wyparowałaby, wystawiona na taki żar. Ale przy temperaturze powyżej 100 tysięcy stopni Celsjusza gazy przechodzą w czwarty stan skupienia, zwany plazmą, w którym elektrony oraz jądra poruszają się oddzielnie. (W szkole tłumaczono nam, że są trzy stany skupienia: stały, płynny i gazowy. Dominują one na Ziemi, podczas gdy plazma występuje tylko i wyłącznie w formie przejściowej wewnątrz płomieni i błyskawic. Jednakże większość materii we Wszechświecie występuje właśnie pod postacią plazmy, która stanowi budulec Słońca i innych gwiazd). Ponieważ cząsteczki plazmy mają ładunek elektryczny, na ich ruch można wpływać, wykorzystując pole magnetyczne. Opracowano różne rodzaje pułapek magnetycznych (tokamaki, stellatory, zwierciadła magnetyczne itp.), w których plazma może być przechowywana bez ryzyka dotknięcia ścian zbiornika.

A w każdym razie tak to powinno działać w teorii. W praktyce wszystkie pułapki magnetyczne nie są do końca szczelne i plazma powoli ulatnia się z nich w wyniku dyfuzji. Gdy cząsteczki plazmy wydostają się z pułapki, natychmiast uderzają w jej ściany i oziębiają się do niskich, jak na syntezę jądrową, temperatur, powodując straty energetyczne. Jeżeli jednak energia produkowana przez plazmę w wyniku reakcji termojądrowych jest większa niż straty powodowane przez jej ulatnianie się, pozostaje dostatecznie gorąca i utrzyma się w pożądanym stanie, dopóki do układu będziemy dostarczać paliwo. Im gęstsza i gorętsza jest plazma, tym szybciej następują reakcje termojądrowe, a im dłużej cząsteczki plazmy pozostają w obrębie pułapki magnetycznej, tym mniejsze będą wycieki. Tak więc najważniejszy parametr w każdym systemie fuzji jest pochodną współczynnika gęstości plazmy (wyrażanej liczbą cząsteczek na metr sześcienny), średniego czasu uwięzienia cząsteczek w pułapce magnetycznej (wyrażanego w sekundach) oraz temperatury mierzonej w kiloelektronowoltach (keV). Postępy, jakie osiągnęliśmy w podwyższaniu tego parametru, znanego jako parametr Lawsona, zostały przedstawione na rysunku 5.1. Aby produkować energię w tempie pozwalającym uzyskać jej tyle, ile dostarczyliśmy z zewnątrz (wyjść na zero), należy dostatecznie podgrzać plazmę (mikrofalami lub za pomocą innych środków). By to osiągnąć, reaktor fuzyjny na deuter i tryt musi charakteryzować się parametrem Lawsona wynoszącym co najmniej 1 x 1021 keV-cząsteczko-sekund/m³ (lub keVs/m³ w skrócie). Takie warunki nazywamy punktem zerowym bilansu energetycznego i zostały osiągnięte w europejskim tokamaku JET w 1997 roku. Plazma deuterowo-trytowa charakteryzująca się parametrem Lawsona o wartości 4x 1021 keVs/m³ powinna dostarczać energię dostatecznie szybko, by żadne zewnętrzne źródło ciepła nie było potrzebne. Po zapoczątkowaniu reakcji plazma sama podgrzewałaby się do wystarczającej temperatury. Takie warunki określamy mianem zapłonu i są one następnym, ostatnim kamieniem milowym, który musimy osiągnąć, zanim będziemy w stanie budować reaktory fuzyjne produkujące energię.

Postępy w utrzymywaniu gorącej plazmy w pułapce magnetycznej

Jak widać na rysunku, światowy program badań fuzji zrobił wielkie postępy w ciągu ostatnich 30 lat, zwiększając parametr Lawsona ponad 10 tysięcy razy, aż do osiągnięcia punktu zerowego bilansu energetycznego. Kolejne trzykrotne podwyższenie tego parametru, co niewątpliwie jest wykonalne, jeżeli tylko dotacje na ten cel będą dostatecznie wysokie, doprowadzi nas do osiągnięcia punktu zapłonu.

Proces fuzji z całą pewnością może zostać opanowany, a gdy to się stanie, wyeliminuje on widmo niedostatecznych dostaw energii na najbliższe kilka tysięcy lat. Jednakże nie wszystkie reaktory termojądrowe są sobie równe.

Obecnie światowe programy badań nad fuzją skupiają się na najprostszej reakcji pomiędzy deuterem (izotop wodoru, w którego jądrze znajduje się jeden proton i jeden neutron) i trytu (izotop wodoru, którego jądro zawiera jeden proton ł dwa neutrony). Deuter nie jest radioaktywny i występuje na Ziemi w stężeniu 1 atom na 6000 atomów zwykłego wodoru. Jest dość kosztowny (około 10 tysięcy dolarów za kilogram), lecz nie stanowi to problemu, gdyż spalając się, wytwarza olbrzymie ilości energii (wartej około 5 milionów dolarów z kilograma, po obecnych cenach). Tryt jest lekko radioaktywny, a jego okres połowicznego rozpadu wynosi 12,33 roku, tak więc musi być wytwarzany sztucznie. W reaktorze fuzyjnym na deuter i tryt (D-T) zachodzi następująca reakcja:

Reakcja dostarcza 17,6 miliona elektronowoltów (MeV) energii, mniej więcej 10 milionów razy więcej niż przeciętna reakcja chemiczna. Z całkowitej ilości energii 14,1 MeV przypada na emitowany neutron (oznaczony literą „n”), a 3,5 MeV na jądro helu. Jądro helu jest cząsteczką mającą ładunek elektryczny, więc podlega wpływowi pułapki magnetycznej i, zderzając się z cząsteczkami deuteru i trytu, podgrzewa plazmę. Neutron jednak nie ma ładunku elektrycznego. Nie podlega więc wpływowi pola magnetycznego i wystrzeli z komory, by po chwili uderzyć w pierwszą ścianę reaktora. Uszkodzi nieco metalową strukturę ściany, przebije się trochę w głąb, aż wreszcie zostanie zatrzymany przez materiał składający się na osłonę reaktora. Osłona przejmuje większość energii neutronu i podgrzewa się do kilkuset stopni Celsjusza. Może wtedy służyć jako źródło ciepła dla systemu rur doprowadzających parę wodną do turbiny i w ten sposób produkować energię. Osłona zawiera lit, który dobrze wchłania neutrony, produkując w tym procesie jądro helu oraz jedno lub dwa jądra trytu. Wytworzony tryt można następnie odzyskać z osłony i ponownie skierować do reaktora. Tak więc reaktor D-T w pewnym sensie sam produkuje swoje paliwo.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *