Konkurs „Uczniowskie pasje”

Śmiałe pomysły sięgające gwiazd

Sylwia Gołąb, Anna Urbańczyk, Zespół Szkół Nr 1 im. G. Morcinka w Tychach

Co to jest

FUZJA TERMOJĄDROWA

?

Fuzja termojądrowa

Fuzja lub

s

ynteza termojądrowa polega na łączeniu lekkich jąder w jedno jądro cięższe. Aby do tego doszło lekkie jądra muszą pokonać barierę elektrostatycznego odpychania i zbliżyć się na odległość równą zasięgowi sił jądrowych, które mogą je połączyć. Do takiego zbliżenia może dojść w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem.

Fuzja termojądrowa jest źródłem energii Słońca i innych gwiazd

W 1920 roku angielski astronom A. Eddington przewidział, że źródłem energii słonecznej jest synteza czterech jąder wodoru w jedno jądro helu . W tym samym roku F.W. Aston zauważył, że cztery jądra wodoru ważą więcej niż jądro helu. Tę różnicę mas nazywamy deficytem masy.

W reakcji syntezy termojądrowej deficyt masy zamienia się w energię zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina odkrytym w 1905 roku:

E = mc

2 Przewidywania Einsteina znalazły potwierdzenie w Kosmosie

Synteza jądrowa w Słońcu zachodzi w temperaturze ok. 15 milionów stopni i pod ciśnieniem ok. 400 miliardów atmosfer. Tak duże ciśnienie jest tam możliwe dzięki olbrzymiej sile grawitacyjnej ściskającej materię słoneczną.

W Słońcu synteza jednego jądra helu z czterech jąder wodoru zachodzi w cyklu reakcji jądrowych nazywanym cyklem „protonowo - protonowym”.

Cykl „protonowo-protonowy” w Słońcu:

1

H

 1

H

 2

D



e

    1 , 44

MeV

2

D

 1

H

 3

He

   5 , 49

MeV

3

He



He

3  4

He

 2 1

H

 12 , 85

MeV

Całkowita energia wyzwolona w tym cyklu wynosi 26,74 MeV . Jest to energia promieniowania elektromagnetycznego oraz energia kinetyczna jąder i cząstek biorących udział w reakcji.

Synteza jądrowa dostarcza dużo więcej energii niż rozszczepienie ciężkich jąder w elektrowniach jądrowych

Czy synteza jądrowa może być źródłem bezpiecznej, wszędzie dostępnej i czystej energii na Ziemi?

SYNTEZA JĄDROWA NA ZIEMI

Tak w niebie, jak i na Ziemi

Naukowcy i inżynierowie na maleńkiej planecie pragną zbudować elektrownię, w której energia elektryczna będzie powstawała z energii wyzwalanej w takich samych procesach jak w Słońcu!

Reakcje syntezy jądrowej na Ziemi mogą być przeprowadzone pod znacznie niższym ciśnieniem niż panuje w Słońcu pod warunkiem, że zamiast jąder wodoru wykorzystamy Słońcu. deuter i tryt , ale wówczas temperatura musi być dużo wyższa niż w

W wysokiej temperaturze koniecznej do przeprowadzenia fuzji materia może występować tylko w stanie plazmy. Plazma składa się z naładowanych elektrycznie cząstek, które powstają na skutek wysokoenergetycznych zderzeń między atomami. Są nimi dodatnio naładowane jądra atomowe i swobodne elektrony.

Tryt i deuter to izotopy wodoru, których mamy na Ziemi pod dostatkiem

. Deuter znajduje się w wodzie, a tryt można uzyskać z litu, który występuje w dużych ilościach w skorupie ziemskiej.

Surowce potrzebne do fuzji nie są radioaktywne!!!

Porównanie syntezy jądrowej

W SŁOŃCU NA ZIEMII

•

„Paliwo” - wodór

•

Ciśnienie – 400 mld. atmosfer

• •

„Paliwo” - deuter i tryt Ciśnienie - 1,5 atmosfery

•

Temperatura – 15 mln. stopni

•

Temperatura mln. stopni – 150

Z czego zbudować zbiornik na plazmę o temperaturze 150 milionów stopni?

Żaden materialny ośrodek nie jest w stanie spełnić tego warunku!

Dzięki temu, że plazma zbudowana jest z naładowanych cząstek, na które w polu magnetycznym działa siła Lorentza, ściany takiego zbiornika można stworzyć z pola magnetycznego.

W polu magnetycznym elektrony i jony wirują wokół linii pola magnetycznego

Zbiornik na plazmę w postaci obwarzanka nazywa się Tokamakiem (Toroidalnaja Kamiera i Magnitnyje Katuszki – komora toroidalna plus cewki magnetyczne). W Słońcu

plazma

TOKAMAK

utrzymywana jest w całości

siłami grawitacji

, które ściskają materię słoneczną.

W TOKAMAKU

plazma utrzymywana jest w pewnej odległości od jego ścian siłami

pola magnetycznego

Największy tokamak, jaki pracuje od 1978 roku, to należący do państw UE tokamak JET, który znajduje się w Culham w Wielkiej Brytanii.

JET dostarcza cennych informacji jak utrzymać plazmę w komorze i jak zapobiec niestabilności plazmy.

Miernikiem wydajności reaktora fuzji jądrowej jest stosunek energii uwolnionej w procesie syntezy jądrowej do energii zużytej na ogrzanie plazmy – Q.

W tokamaku JET plazma jest ogrzewana prądem elektrycznym utworzonym przez naładowane cząstki plazmy oraz poprzez wstrzykiwanie wiązek mikrofal.

Plazma osiąga stan, w którym synteza jest podtrzymywana samoistnie, gdy energia z reakcji syntezy równoważy straty energii do otoczenia.

Tokamat JET uzyskuje moc wyjściową równą około 16 MW osiągając Q = 0,65.

Ceremonia otwarcia JET-a

Program badań JET jest opracowywany i koordynowany przez międzynarodową organizację EFDA – European Fusion Development Agrement. Dzięki dotychczasowym badaniom wiadomo, że elektrownie oparte na syntezie jądrowej są realne, lecz potrzebne są dalsze badania w większych tokamakach. Kolejnym krokiem przybliżającym nas do takiej elektrowni będzie tokamak ITER dwa razy większy od JET. Jego moc ma być równa 500 MW. Będzie ona 10 razy większa od mocy potrzebnej do ogrzania plazmy (Q = 10).

Ceremonia podpisania porozumienia ITER Paryż, Pałac Elizejski, 21 listopada 2006

Państwa uczestniczące w ITER:

Kraje Unii Europejskiej, Japonia, USA, Chiny, Korea Południowa, Rosja, Indie

Reaktor ITER budowany w miejscowości Cadarache we

Francji

będzie kosztował 10 miliardów Euro.

Pierwszy zapłon w reaktorze ITER spodziewany jest w 2016 roku

ITER

powinien generować 0.5 –1.5GW mocy z fuzji w impulsach o długości 1000 sek. Do tego potrzebne są cewki nadprzewodnikowe.

Cały system pola magnetycznego umieszczony będzie w kriostacie zapewniającym temperaturę ciekłego helu.

Elektrownie plazmowe

, które powstaną na bazie tego prototypu będą pracować dopiero za kilkadziesiąt lat.

Już dziś trzeba zatroszczyć się o przygotowanie specjalistów w tej nowej gałęzi energetyki.

Dzięki projektowi ITER jesteśmy obecnie świadkami narodzin nowej technologii, umożliwiającej stworzenie praktycznie nieograniczonego i bezpiecznego źródła energii dla zaspokojenia potrzeb energetycznych ludzkości na około 100 milionów lat.



Zalety

fuzji termojądrowej jako źródła energii

• Niewyczerpalne paliwo • Produktem ubocznym nie jest CO 2 ani inne szkodliwe substancje • Bezpieczna – nie ma odpadów radioaktywnych • Nieograniczona w czasie i przestrzeni



Wady

fuzji termojądrowej jako źródła energii

• Wysokie koszty produkcji tokamaków (w przypadku ITERa jest to 4,6 miliardów euro)

Porównanie elektrowni węglowej i elektrowni syntezy wytwarzającej 7 mld kWh w ciągu roku:



Elektrownia spalająca węgiel

 3 miliony ton węgla  11 milionów ton CO 2  co najmniej jedna ofiara śmiertelna 

Elektrownia syntezy

 100 kg deuteru + 3 tony litu  zero emisji CO 2 do atmosfery  brak odpadów radioaktywnych

• • • • • • • • • • • • • • •

Bibliografia

A. Hrynkiewicz, „Energia – wyzwania XXI wieku”, Wydawnictwo UJ, Kraków 2002 M. Kaku, „Wizje, czyli jak nauka zmieni świat XXI wieku”, Prószyński i S-ka, Warszawa, 2000.

P. Gąsior, „Gwiezdna energia – czego możemy nauczyć się od Słońca”, Krajowy Punkt Konsultacyjny Euratom – IFPiLM, Warszawa, 2008.

Komisja Europejska, „Badania Fuzji Jądrowej”, materiały edukacyjne, 2006 A. Lisak, J. Zaleśny, A. Gałkowski, S.Marczyński, P. Berczyński, „Fuzja – kawałek Słońca na Ziemi”, Foton, 107, 2009.

A. Gałkowski, prezentacja „Projekt ITER – gdy wyczerpią się naturalne surowce energetyczne”, dyskusja panelowa „Problemy Ziemi w świetle współczesnej nauki”, Tychy, 2008. http://pl.wikipedia.org/ http://newenergyandfuel.com/wp-content/uploads/2008/10/iter-reactor-layout.jpg http://images.google.pl/imghp?hl=pl&tab=wi http://img51.imageshack.us/img51/8593/scan0183.jpg http://www.iter.org/default.aspx

http://ziemianarozdrozu.pl/encyklopedia/73/synteza-termojadrowa http://img706.imageshack.us/gal.php?g=scan0185.jpg http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=aktualnosci%2Fm_aktualnosci.html&for mer_url=http%3A%2F%2Fwww.fizyka.net.pl%2Faktualnosci%2Faktualnosci_zf.html

http://www.energetykatermojadrowa.pl/index.php?option=com_content&view=article&i d=68:zarys-wiedzy&catid=43:artykuly&Itemid=65

Dziękujemy za uwagę.

Praca przygotowana w filii Uniwersyteckiego Towarzystwa Naukowego, działającej w Zespole Szkół Nr 1 w Tychach w ramach programu „Partnerzy w Nauce” Styczeń 2010