Polski wkład w badania nad gwiezdną energią przyszłości

3 kwietnia 2019, 06:22
ITER
Źródło ilustracji: iter.org

Polacy pomagają okiełznać energię gwiazd na Ziemi. Naukowcy z Politechniki Łódzkiej są zaangażowani w stworzenie tokamaka ITER – eksperymentalnego reaktora termonuklearnego, który powstaje we Francji. To jedna z najdroższych inwestycji naukowych na świecie - pochłonęła już ponad 18 mld euro.

Realizowany na południu Francji projekt budowy reaktora ITER ma być podstawą dla przyszłych elektrowni termojądrowych.

Reaktor ITER ma konstrukcję tokamaka - urządzenia, które pozwala na przeprowadzenie kontrolowanej reakcji termojądrowej. Takie reakcje zachodzą w naturze - są one (obok energii grawitacyjnej) głównym źródłem energii gwiazd. Według ekspertów budowa reaktora, w którym można będzie przeprowadzać podobne reakcje, pomoże rozwiązać problem produkcji czystej energii elektrycznej. W praktyce oznacza to, że w przyszłości przy pomocy tokamaków można będzie wytwarzać energię elektryczną bez obciążania środowiska.

ITER - największy zbudowany do tej pory tokamak - pozwoli po raz pierwszy w historii na uzyskanie dodatniego bilansu energetycznego. To znaczy, że wyprodukuje on więcej energii, niż zostanie do niego dostarczone – mówi PAP dr hab. inż. Dariusz Makowski z Katedry Mikroelektroniki i Technik Informatycznych (KMiTI) PŁ.

W przypadku ITER w wyniku dostarczenia 50 MW planuje się uzyskać ok. 500 MW energii. Natomiast w przyszłości ta sprawność będzie mogła być znacznie podniesiona. Myślę, że synteza termojądrowa pozwoli uzyskiwać tyle samo - albo więcej energii, niż w obecnych elektrowniach jądrowych.

dr hab. inż. Dariusz Makowski, koordynator projektu z ramienia Politechniki Łódzkiej

ITER nie będzie pełnił funkcji elektrowni; jest projektem demonstracyjnym i typowo naukowym. Ma posłużyć do zbadania możliwości związanych z produkowaniem energii z użyciem kontrolowanej fuzji jądrowej na wielką skalę.

"Główną zasadą jego działania jest odwzorowanie procesów, które zachodzą na Słońcu i produkują energię w potężnych ilościach. Paliwem wejściowym do tokamaka ITER będzie deuter i tryt, z których w reakcji termojądrowej powstaną cięższe pierwiastki, tj. hel - oraz ogromne ilości energii, którą będzie można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej. Finalnie dążymy do tego, aby nie produkować odpadów radioaktywnych, jak to jest w przypadku elektrowni jądrowych" - opowiada dr Makowski.

Zdaniem kierownika KMiTI prof. Andrzeja Napieralskiego korzystanie z takich rozwiązań przypomina sytuację, w której energię Słońca przenieślibyśmy na Ziemię. "Dążymy do tego, żeby nie były potrzebne już żadne źródła węgla i ropy naftowej, ale żeby energię, jaka jest na Słońcu, otrzymać także na Ziemi" - dodał.

Do otrzymania kontrolowanej fuzji jądrowej niezbędny jest właśnie tokamak (urządzenie z cewkami toroidalnymi), w którym - dzięki silnemu polu magnetycznemu – utrzymywany jest pierścień gorącej plazmy. "Plazma o temperaturze 200 mln stopni Celsjusza krąży w polu magnetycznym i dzięki temu możliwa jest synteza termojądrowa. Naszą rolą jest monitorowanie tego procesu tak, żeby plazma nie dotknęła ścianek komory" – dodał prof. Napieralski.

Naukowcy podkreślają, że w budowę ITER zaangażowane są UE, Stany Zjednoczone, Japonia, Korea Płd., Chiny, Rosja i Indie.

Naukowcy z Politechniki Łódzkiej uczestniczą w projekcie od 2010 r. Opracowują podsystemy oprzyrządowania i sterowania IC (Instrumentation and Control), zapewniające stabilne sterowanie tokamakiem, gwarantujące bezpieczeństwo pracy, diagnostykę plazmy oraz pozwalające na przeprowadzanie badań fizycznych.

Do poważniejszych wyzwań badacze zaliczają opracowanie metodyki projektowania systemów diagnostycznych i dostarczenie kompletnych systemów elektronicznych i oprogramowania.

"Po naszej stronie jest opracowanie wymagań dla tych systemów diagnostycznych, przygotowanie dokumentacji projektowej, wykonanie projektu, implementacja, opracowanie oprogramowania nisko- i wysokopoziomowego, a skończywszy na przypadkach testowych, testach oraz instrukcji obsługi, którą musimy dostarczyć do ITER-u" - wyjaśnił koordynator projektu z ramienia PŁ.

Najważniejszą częścią systemu oprzyrządowania i sterowania jest system akwizycji danych, zbierający sygnały z kilkudziesięciu tysięcy czujników, cyfrowych i analogowych. W przypadku ITER mierzonych będzie ok. 100 tys. analogowych wartości, takich jak: temperatura, prędkość przepływu, czy gęstość elektronowa plazmy.

Zbudowanie tak różnorodnych systemów pomiarowych stanowi wyzwanie i wymaga użycia najnowszych technologii przetwarzania danych w czasie rzeczywistym, tj. układy FPGA (Field Programmable Gate Array), procesory GPU (Graphics Processing Unit) i CPU (Central Processing Unit) oraz odpowiednio elastycznej platformy sprzętowej, pozwalającej na integrację układów diagnostyki i przetwarzania danych.

"Naszym zadaniem jest opracowanie metodyki projektowania takich systemów, począwszy od systemów elektronicznych, projektów obwodów drukowanych, interfejsów, oprogramowania układów FPGA, które pozwalają na rejestrowanie obrazów i sygnałów analogowych, np. temperatur mierzonych we wnętrzu tokamaka - oraz finalnie, sterowanie samą plazmą i utrzymanie jej w stabilnych warunkach" - opowiada naukowiec.

Diagnostyka plazmy wymaga również użycia systemów wizyjnych, które wykorzystują kamery oraz detektory pracujące w szerokim zakresie - od promieniowania widzialnego, podczerwonego do promieniowania gamma.

Systemy wizyjne obserwują plazmę przy pomocy ultraszybkich kamer, mogących wykonywać nawet 200 tys. klatek na sekundę. W tym przypadku także istnieje szereg wyzwań ze względu na ogromne ilości dostarczanych danych. Z jednej takiej kamery pochodzi ok. 8 GB danych na sekundę, a takich kamer w projekcie ITER będzie ok. 200, więc są to potężne ilości danych, które trzeba przetworzyć w czasie rzeczywistym.

dr hab. inż. Dariusz Makowski, koordynator projektu z ramienia Politechniki Łódzkiej

Systemy diagnostyczne tokamaka będą dostarczone przez różne kraje biorące udział w projekcie. Dlatego – zdaniem naukowców – dla zapewnienia ich kompatybilności ważne jest posługiwanie się ujednoliconą metodyką budowy systemów sterujących, akwizycji i przetwarzania danych.

W ocenie naukowca fuzja jądrowa to przyszłość energetyczna na Ziemi, która jednak nieprędko zostanie zrealizowana. W przypadku ITER pierwszy zapłon plazmy zaplanowano na 2025 r., a dopiero w 2035 roku tokamak powinien pracować z docelowymi parametrami.

"Pierwsze elektrownie termojądrowe planowane są na lata 2040-2050. Mamy nadzieję, że uda się wtedy zastąpić wysłużone już elektrownie jądrowe nowymi elektrowniami, bazującymi na fuzji termojądrowej" - podsumował dr hab. inż Dariusz Makowski z PŁ.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl

Space24
Space24
KomentarzeLiczba komentarzy: 7
abcdefgh
piątek, 5 kwietnia 2019, 11:22

Jeżeli nie uda się bezpośrednio uzyskać ciągłej wysokiej temperatury na wyjściu reaktora, może trzeba będzie przy elektrowni wybudować potężne jezioro sztuczne wylane kilkoma warstwami zbrojonego betonu nasączonego szkłem wodnym oraz przedzielonym warstwami "przedziurawionej" warstwy poliuretanu lub innego dobrego izolatora cieplnego. Oczywiście ziemia i każda konstrukcja pracuję, więc trzeba będzie ten beton i izolację wylewać modułowo ( np. sześciokątne graniastosłupy "na zakładki, aby zachować przedziały dylatacyjne ). Jezioro to powinno być także nakryte z góry, aby nie traciło ciepła - coś jak w "Truman show". Dla bezpieczeństwa na szczycie tej kopuły otwory wentylacyjne ze śmigami ( wentylatorami) w środku , aby odzyskiwać energię z parującej wody i nie dopuścić do wybuchu tej kopuły , gdy na skutek dużej temperatury podniesie się ciśnienie w tym wielkim zbiorniku. Ponieważ klimat się stopniowo i będą występowały coraz większe huragany, trzeba będzie tę instalację wraz z elektrownią otoczyć pasem najpierw wysokiego lasu ( np. ok 5 km) bliżej elektrowni 50 km szerokości elektrownie wiatrowe. Będą zmniejszały silę wiatru. Jezioro "podłączone" do drugiej elektrowni bazującej na różnicy temperatury takie coś jak elektrownie OTEC, albo niskotemperaturowy obieg Kaliny. Oraz drugie jezioro z zimną wodą, bez izolowania.

Andrzej 160518120114191109
czwartek, 4 kwietnia 2019, 14:51

Przypuszczam, że pomimo dobrego "współczynnika efektywności reaktora" ( rozumianego tutaj pomocniczo jako moc elektryczna dostarczona do zasilenia tokamaku/stellaratora w stosunku do mocy cieplnej otrzymanej w wyniku fuzji atomów), moc znamionowa pierwszych elektrowni będzie niewielka. Jak to rozumieć ? Pierwsze reaktory będą się szybko "grzały", pomimo odbioru ciepła przez chłodziwo. Być może lekarstwem na tę trudność będzie wyposażenie jednej dużej elektrowni w kilkadziesiąt/kilkaset mniejszych reaktorów działających synchronicznie, tak aby zdążyły się ochłodzić i być znowu zdatne do krótkiego czasu fuzji. Zapewne dowiemy się o tym jeszcze w trakcie naszego życia.

x
środa, 3 kwietnia 2019, 17:18

i znowu Polacy robią algorytmy do skopiowania a hardware robi ktoś inny

Andrzej 160518120114191109
środa, 3 kwietnia 2019, 14:01

Dobrze, że różnym państwom pomimo politycznego zamieszania udało się stworzyć naukowy projekt, który gromadzi doświadczalne dane na temat przyszłego komercyjnego projektu. Polska nauka nie powinna jednak skupiać się jedynie na Tokamaku - przez plazmę musi zostać przeprowadzony duży prąd , żeby była ustabilizowana wewnątrz. Jest duży problem z wybuchami niekontrolowanych zawirowań plazmy. Stabilizuje się ją przez wstrzykiwanie litu w odpowiednim momencie w te turbulencyjne wybrzuszenia. Niestety to są bardzo duże przeszkody na drodze do wykorzystania tokamaku. Jakby nie było tych trudności już od kilkudziesięciu lat technologia byłaby wykorzystana. W stellaratorze plazma stabilizuje się sama. I to wydaje się, że będzie przyszłość koncepcji elektrowni termonuklearnych. Matt Landreman opracował bardzo efektywny program do obliczania odpowiedniego usytuowania elektromagnesów. Czy pieniądze zainwestowane w tokamak to pieniądze stracone? Absolutnie nie. W jednym miejscu zgromadzona jest najlepsza kadra fizyków , inżynierów, specjalistów od zarządzania projektami, itd. Opracowywane są nowe technologie nadprzewodników wysokiej temperatury. Jednakże w tokamaku i stelleratorach jest olbrzymi problem "logistyczny" - Jak przetransportować temperaturę tysięcy kelwinów , która dociera do PFC ( Plasma Facing Components), aby nie zaburzyć działania nadprzewodników tworzących pole magnetyczne? Trzeba będzie opracować nowe superodporne i efektywne materiały izolacyjne, które będą zabezpieczały te dwa antagonistyczne procesy.