Reaktory termojądrowe Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie AGH University of Science and Technology Paweł Kobielus

Co to jest reakcja termojądrowa? W syntezie termojądrowej jądra o niskiej masie atomowej na przykład jądra wodoru łączą się w jedno cięższe jądro. Obok nowych jąder atomowych mogą powstać wolne neutrony, protony, cząstki elementarne i cząstki alfa.

D + T ⇒ He + neutron MeV Spośród wielu możliwych reakcji syntezy najbardziej przydatna do wykorzystania na Ziemi jest synteza ciężkich izotopów wodoru, czyli deuteru i trytu. W jej wyniku powstaje jądro helu i neutron.

Deuter ( 2 H) to izotop wodoru występujący naturalnie. W wodzie morskiej występuje w ilości około 1 atomu na 6420 atomów protu, czyli zwykłego wodoru (około 0,02 grama w 1 litrze) Tryt ( 3 H) jest nietrwałym izotopem wodoru, którego jądro (tryton) składa się z jednego protonu i dwóch neutronów. Głównym źródłem jego pozyskiwania są reakcje jądrowe na przykład przez bombardowanie litu-6 lub litu-7 wysokoenergetycznymi neutronami. Pozyskiwanie paliwa do fuzji jądrowej

 Wysoka temperatura plazmy T Aby cząsteczki mogły pokonać dzielącą je barierę kulombowską muszą mieć dostatecznie dużą energię. Plazma więc musi mieć niezwykle wysoką temperaturę. Optimum dla reakcji DT jest mln K. Warunki potrzebne do zainicjowania fuzji

 Duża koncentracja cząstek n Koncentracja cząstek musi być wystarczająco duża aby zderzenia występowały odpowiednio często  Długi czas utrzymania Ƭ

Kryterium Lawsona Niezależnie od spełnienia tego warunku, nadal trzeba zapewnić odpowiednio wysoką temperaturę plazmy.

Zasada działania reaktora termojądrowego

Toroidalne pole magnetyczne Kierunek przepływu prądu w plazmie Pole poloidalne Prąd w cewce Podstawowe typy zamkniętej pułapki magnetycznej Tokamak i stellator – dwa podstawowe typy pułapki magnetycznej. W obu linie pola magnetycznego układają się na powierzchniach mających topologię torusa. Różnią się sposobem wytwarzania pola magnetycznego utrzymującego plazmę.

Metody nagrzewania plazmy  Przez przepływ przez plazmę prądu elektrycznego Pierwotny mechanizm nagrzewania plazmy. Jest on coraz mniej efektywny w miarę wzrostu temperatury. Tą metodą można osiągnąć temperaturę plazmy nie większą niż 50 mln K.  Nagrzewanie falami elektromagnetycznymi Nagrzewanie falami elektromagnetycznymi w zakresie radiowym i mikrofalowym  Ogrzewanie wiązkami cząsteczek neutralnych Metoda ta wykorzystuje jony dodatnie rozpędzone w akceleratorze do energii rzędu 120 keV następnie neutralizowane i wprowadzane do komory reaktora.

Reaktory termojądrowe na świecie

Tokamak JET (Joint European Torus)  Największy tokamak,  znajduje się w Wielkiej Brytanii w pobliżu miasta Culham,  Pierwsze na świecie kontrolowane pozyskanie energii z syntezy jądrowej. Reaktor jest przystosowany do reakcji syntezy termojądrowej z wykorzystaniem deuteru i trytu. JET osiągnął rekordową moc syntezy termojądrowej – 16 MW.

Wendelstein 7-X  Obecnie jest to największy, ukończony reaktor reaktor fuzyjny oparty na technologii stellaratora.  Eksperymentalny stellarator wybudowany przez Instytut Fizyki Plazmowej im. Maksa Plancka w Greifswaldzie.

ITER – reaktor termojądrowy następnej generacji

Co powoduje, że fuzja jądrowa jest technologią atrakcyjną z punktu widzenia ludzkości?  Powszechna dostępność paliwa  Bardzo małe oddziaływanie na środowisko naturalne (nie ma emisji CO 2 )  Elektrownia termojądrowa jest bezpieczna, bez możliwości rozwoju reakcji łańcuchowej i stopienia rdzenia  W wyniku bieżącej eksploatacji elektrowni powstawało będzie mało radioaktywnych odpadów

Bibliografia Gałkowski – Energetyka termojądrowa,, „Przegląd techniczny" 2012, nr 25 Gałkowski – Energetyka termojądrowa,, „Przegląd techniczny" 2012, nr 26 D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, „Podstawy fizyki”, PWN, Warszawa 2006; L. Kowalski, Spór wokół zimnej fuzji, Postępy fizyki tom 64,1,2013 fizyka.net.pl.