Czy magnesy umożliwią komercjalizację energii z syntezy jądrowej?

Niedawno brytyjska firma Tokamak Energy opublikowała zdjęcia plazmy we wnętrzu jej tokamaka ST40. Urządzenie osiągnęło temperaturę wyższą niż panująca we wnętrzu Słońca (14 mln °C) już w roku 2018. Obecnie tokamak jest na drodze do osiągnięcia temperatur rzędu 100 milionów stopni, a więc siedmiokrotnie wyższych, dzięki magnesom nadprzewodnikowym nowej generacji. Będzie to stanowiło krok milowy do wykorzystania reakcji termojądrowej do produkcji energii na skalę komercyjną.

plazma we wnętrzu reaktora.
Plazma jest zamknięta wewnątrz reaktora za pomocą silnych pól magnetycznych. Źródło: Tokamak Energy

Tokamak to urządzenie, które wykorzystuje silne pole magnetyczne do ograniczenia plazmy. Obecnie jest wiodącym kandydatem na praktyczny reaktor termojądrowy.

 

Fuzja jądrowa w ziemskich warunkach

Aby reakcja termojądrowa mogła mieć miejsce, biorące w niej udział izotopy wodoru muszą uzyskać temperaturę setek milionów stopni. To powoduje na tyle duży wzrost ich energii, że następuje jonizacja, to znaczy oderwanie elektronów od jąder atomowych. W przypadku reakcji termojądrowej wywoływanej na ziemi największym wyzwaniem jest utrzymanie plazmy (zjonizowanej materii) w ograniczonej przestrzeni. W tym celu wykorzystywane jest pole magnetyczne. Wytwarzające je elektromagnesy muszą być na tyle silne, aby sprostać zadaniu utrzymania materii w pożądanym miejscu, natomiast nie mogą zużywać zbyt wiele energii elektrycznej – to uczyniłoby wykorzystanie tokamaka nieopłacalnym. Tokamak Energy wykorzystuje do tego celu połączenie technologii sferycznego tokamaka oraz wysokotemperaturowych magnesów nadprzewodzących (HTS) o wysokiej wytrzymałości pola.

Render tokomaka z zewnątrz i przekroju wewnętrznego – reaktor syntezy jądrowej
Ta solidna konstrukcja jest wykonana ze stali nierdzewnej o grubości 30 mm i mieści wewnętrzną komorę próżniową, magnesy i inne kluczowe elementy. Źródło: Tokamak Energy

Innowacyjne magnesy

W tym roku w amerykańskim Commonwealth Fusion Systems planowane są testy nowego magnesu, który ma umożliwić komercyjne zastosowanie tokamaków. Przeprowadzi je doktor Bob Mumgaard, współzałożyciel CFS wraz z zespołem. 

Rewolucyjny magnes składa się z 300 km taśmy nadprzewodnikowej zwiniętej w kształt przypominający literę D i waży 10 ton.

Taśma powstała poprzez nałożenie cienkich warstw tlenków metali ziem rzadkich na metalowy rdzeń. Po odpowiednim ochłodzeniu magnes jest w stanie przewodzić prąd o natężeniu 40 000 amperów.

Temperaturą działania magnesu jest -253°C. W świecie materiałów nadprzewodzących, które działają w większości w temperaturze bliskiej zeru bezwzględnemu wynoszącemu -273,15°C, temperatura wyższa o 20 stopni może być już uznana za dosyć wysoką. Jak mówi dr Mumgaard „Oznacza to, że użyte urządzenie chłodzące jest jak lodówka, która mogłaby zmieścić się w kuchni. Wykorzystanie technologii poprzedniej generacji wymagałoby zastosowania lodówki wielkości domu”.  CFS planuje budowę reaktora wykorzystującego 18 takich magnesów w Massachusetts.

Magnes CFS
Magnes CFS. Źródło: CFS

Dr Greg Brittles z Tokamak Energy spędził ostatnie 5 lat na rozwijaniu technologii magnesów nadprzewodnikowych. Obecnie bierze udział w tworzeniu demonstracyjnego urządzenia, które pokaże, w jaki sposób będzie działało połączenie wielu silnych magnesów. Do tej pory w tokamakach osiągano indukcję magnetyczną wysokości 0,3-0,5 tesli. Ostatnie usprawnienia mają pozwolić na osiągnięcie 1 T, natomiast w celu uzyskania wysokiej wydajności syntezy jądrowej potrzebne będą wartości pomiędzy 3 a 5 T. Według twórcy siły generowane w tokamaku ST40 przy pełnej mocy będą dwukrotnie przewyższały te, jakie występują na dnie najgłębszego rowu oceanicznego na Ziemi.

Opłacalność przede wszystkim

Głównym celem Tokamak Energy jest komercyjne wytwarzanie energii. To zaś jest uwarunkowane efektywnością działania reaktora. Według dr Davida Kinghama, wiceprezesa firmy, ma ją zapewnić sferyczny kształt tokamaka. Wyniki badań sugerują, że urządzenie tego typu wygeneruje więcej energii na wykorzystaną jednostkę mocy niż stosowane do tej pory tokamaki o kształcie toroidalnym (przypominającym pierścień o okrągłym przekroju).

wnętrze reaktora tokomak do syntezy jądrowej.
Wnętrze tokamaka The Bessemer Society

Czysta energia

Energia generowana w reakcji termojądrowej może mieć niebagatelne znaczenie dla brytyjskiego „Dziesięciopunktowego planu zielonej rewolucji”. Są to działania obejmujące przyspieszenie dążenia kraju do osiągnięcia zerowej emisji, wśród nich rozwój nowoczesnej energetyki nuklearnej. Reaktor tworzony przez Tokamak Energy ma szansę stać się zeroemisyjnym źródłem energii o wysokiej mocy. Jeżeli przedsięwzięcie się powiedzie, to może to być początek rewolucji w wykorzystaniu energii jądrowej.

Źródła:

https://www.bbc.com/news/business-56843149

https://www.tokamakenergy.co.uk/st40/

https://www.tokamakenergy.co.uk/tokamak-energy-on-track-to-be-the-first-private-company-to-achieve-100-million-degree-plasma-temperature-paving-the-way-to-commercial-fusion-energy/

https://www.gov.uk/government/publications/the-ten-point-plan-for-a-green-industrial-revolution

https://www.researchgate.net/publication/315349402

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj

Najnowsze

wywiady

PARTNER STRATEGICZNY PORTALU

wydarzenia

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE