dnes je sobota 15. prosince 2018, svátek má Radana / Radan  8:44  
    Encyklopedie Energie  -> Výklad
        
     Rozšířené hledání
     Menu
  Encyklopedie Energie
    Výklad
    Slovník
    Pokusy
    O encyklopedii
    RAO
    Schémata Elektráren
  Bheliom
  Objednávka

TERMONUKLEÁRNÍ REAKTORY

Věda zatím zvolila dvě základní cesty, kudy se nyní ubírá výzkum termonukleární syntézy. Základní rozdíl mezi nimi je ve způsobu, jakým se do "paliva" přivádí potřebná energie pro získání žhavého plazmatu. První cesta využívá nyní již klasických elektrických pulzů do zředěné směsi "paliva" v magnetických " nádobách" různého tvaru, druhá v užívá světelných pulzů vysokovýkonných laserů, soustřeďujících své paprsky do spalovací komory.

Reaktor s výbojovou trubicí prstencového tvaru - Toroid.

Cesta první:

Hlavní částí současného fúzního reaktoru je prstencová kruhová nádoba, uvnitř naplněná plazmou zahřívanou silnými elektrickými výboji na vysoké teploty. Potřebnou vzdálenost plazmy od stěn zajišťují silná magnetická pole.
Touto úpravou se tepelné zatížení stěn sníží na 1 000 až 1 300 °C. Vnitřní nádoba je obklopena pláštěm z tekutého lithia.
Lithium zde plní několik úkolů. Jednak ochlazuje stěny vnitřní nádoby, jednak působením unikajících neutronů z procesu jaderné syntézy se zde rodí tritium. Současně plní i poslání energetického média. Odvádí vyrobené teplo k výměníkům elektrárny, kde ohřívá vodu ke klasické výrobě elektrické energie v turbínou poháněném generátoru.
Další vrstvu obalu tvoří grafitový plášť nebo voda nasycená bórem. Zde se zachycují anebo zpomalují neutrony, které by jinak pronikaly mimo reaktor.

27 km dlouhý prstenec pro výzkum elektron-pozitronových interakcí.

Grafitový štít a bórová clona mají za úkol odstranit problém, který byl pojmenován jako druhotně vybuzená radioaktivita. Při jaderné syntéze totiž dochází k lavinovitému úniku neutronů. Neutrony však nemají elektrický náboj, a proto nepodléhají vlivu magnetického pole. Hrozí proto nebezpečí, že bez odstínění budou vnikat do jader atomů prvků materiálu, ze kterého je reaktor zkonstruován. Mnohá z nich pak přemění na uměle radioaktivní jádra jejich izotopů. Odpad (nebo také výstup) jaderné syntézy sám o sobě radioaktivní není. Vzniká helium. Není-li však proces probíhající v reaktoru dokonale stíněn a izolován, stane se radioaktivním sám materiál, z něhož je reaktor postaven.
Dále je zde tepelná izolační vrstva a soustava supravodivých cívek, vytvářejících magnetické pole uvnitř reaktoru. Chladicím prostředkem supravodivé části bývá tekuté helium, snižující teplotu na -269 °C. Reaktor je tedy velmi složité technické dílo, kde v těsném sousedství leží zóny teplé miliony stupňů Celsia a části zmrazené k blízkosti absolutní nuly. Předpokládá se, že elektrický výkon reaktorů tohoto typu by byl 2 000 až 3 000 MW.
Reprezentantem takového termonukleárního reaktoru je známý TOKAMAK, zkonstruovaný v bývalém SSSR. Je to mezinárodně přijatý souhrnný název pro reaktory s výbojovou trubicí prstencového tvaru, nazývanou toroid, uloženou v silném magnetickém poli. K zapálení výboje v takové trubici není třeba umísťovat elektrody. Stačí situovat trubici tak, aby tvořila sekundární vinutí transformátoru, a do primáru transformátoru pak zavést impulz elektrického proudu. Tím vznikne uvnitř výbojové trubice elektrické napětí; které ionizuje deuterium. Obdobně jako v trubici s elektrodami nastane uzavřený prstencový výboj, který se po jeho zúžení vlivem silného magnetického pole soustředí v ose trubice a stěn se vůbec nedotkne.

Závislost Lawsonova kritéria na dosažených teplotách plazmy u různých typů toroidních komor.

Aby termonukleární reakce vznikla a udržela se, je v reaktoru zapotřebí zahřát určité množství "paliva" na vysokou teplotu a udržet ji po určitou dobu v konzistentním stavu. Vzájemné vztahy mezi druhem "paliva", jeho množstvím, minimální výškou potřebné teploty a dobou nutnou k proběhnutí reakce jsou mezi sebou vázány a popsány tzv. Lawsonovým kritériem. To znamená, že je možno určit při změně jedné z výše uvedených hodnot hodnoty ostatní, neboť ty se závisle mění. Věda tak získala užitečného pomocníka s velice užitečnými důsledky.
Jako příklad můžeme uvést hodnoty plynoucí z Lawsonova kritéria pro fúzi deuteria a tritia. Pro zdárný průběh této reakce je potřeba, aby reagovalo 1.1014 jader za sekundu v 1 cm3 plazmy při teplotě 5.107. Pro samotné deuterium by tato tepelná hodnota dosáhla hodnoty 5.109 K. Kelviny jsou odvozeny od absolutní teploty. Pro přepočet Kelvinů na °Celsia platí rovnice:
   T (K) = 273,16 + t (°C)
Termonukleární fúze by se tedy měla kontrolovaně rozhořet při teplotě 50 milionů kelvínů v plazmě o hustotě 100 bilionů jader v jednom krychlovém centimetru po dobu minimálně jedné sekundy. Zatím se to však nepodařilo. Úspěšné dokončení díla je úkolem dalšího, nijak levného výzkumu.

Celkové energetické schéma termonukleárního fúzního reaktoru. 1-toroidní fúzní reaktor, 2-plazma o teplotě 200 mil K, 3-toroidní nádoba fúzního reaktoru, 4-chladící plášť reaktoru s tekutým lithiem, 5-ochranný plášť z grafitu nebo vody, 6-tepelná izolace, 7-stínění elektromagnetů, 9-chlazení elektromagnetů tekutým lithiem, 10-vakuová mezistěna, 11-přívod elektrické energie potřebné ke startu reaktoru, 12-napájení elektromagnetů elektrickým proudem, 13-biologické stínění reaktoru, 14-chladící zařízení (-269° C), 15-čerpadlo lithia, 17-odlučovač tritia (T), 18-zásobník nového tritia vyrobeného v reaktoru, 19-zásobník deuteria (D), 20-příprava zásob D-T pro reaktor, 21-vstřikovací zařízení D-T do reaktoru, 22-vakuové čerpadlo, 23-odlučovač plynu, 24-zásobník helia, 25 a 26-parogenerátory, 27-kondenzátor, 28-čerpadlo kondenzátu, 29 a 30-turbosoustrojí.

 

Základní energetické schéma termonukleárního laserového reaktoru. 1-laser, 2-soustava odrazových zrcadel, 3-děliče paprsků, 4-kaskáda násobičů laserových paprsků (zesilovače), 5-směrovací zrcadla, 6-soustava odrazových zrcadel, 7-reaktor

Cesta druhá:

Jiným myšlenkovým proudem v řešení termonukleární reakce je taková konstrukce reaktoru, kde energie zvyšující teplotu deuteria není dodávána elektrickými pulzy, ale světlem laserových paprsků.
Termonukleární syntéza proběhne působením svazků laserových paprsků na kapsle obsahující směs deuteria a tritia. K tomuto účelu se používají plynové lasery. Paprsky se mnohonásobně zesilují.
Jeden světelný pulz laserové soustavy je pak schopen během 100.10-12 sekundy předat ozářené kapsli světelnou energii až 50 kJ, což odpovídá špičkové vstupní energii až 100.106 MW.
Kapalné kapsle o průměru maximálně 1 mm jsou zaváděny labyrintem do aparatury a v jeho středu padají do spalovací komory, která má průměr 3 mm. Ve spalovací komoře jsou ozařovány soustředěnými svazky laserových paprsků. Rychlost rozpadu kapsle se blíží 8500 m/s. Vzniklé žhavé plazma je schopno termonukleární reakce.
Uvolněná tepelná energie se v tomto typu reaktoru bude odvádět prostřednictvím tekutého lithia do tepelných výměníků. Elektrický proud se pak bude vyrábět zcela konvenčním způsobem v parogenerátorech. Elektrický výkon reaktorů tohoto typu se uvažuje do 1000 MW.
Předpokládá se, že v případě úspěšného zvýšení účinnosti laserů ze současných 10 % na 30 % a použití směsi izotopu bóru a vodíku by bylo možné očekávat zvýšení výkonu reaktorů tohoto typu až na 3 000 MW.
Očekává se také, že reaktory prvního typu by byly značně rozměrné a výběr lokalit pro jejich umístění obtížnější než u reaktorů druhého typu. Laserové reaktory by se mohly konstruovat i pro podstatně menší výkony (od 50 do 200 MW). Mohly by se stavět i v menších městech, v průmyslových podnicích anebo i jako pojízdné (mobilní) jednotky.
Mezi největší a nejznámější světová zařízení tohoto typu patří ruská dvacetiprvková FLORA a americká SHIVA o výkonu 200 TW v jednom pulzu.

Schéma jiné varianty termonukleárního laserového reaktoru. 1-vakuová komora reaktoru, 2-vstup pelet D-T, 3-vstup laserových impulzů dvanácti trubicemi, 4-lithiová ochranná stěna, 5-porézní stěna, 6-vnitřní stěna reaktoru, 7-hlavní tlaková nádoba, 8-hlavní čerpadlo, 9-recirkulační čerpadlo, 10-supersonický kondenzátor, 11-sekundární okruh páry, 12-parní generátor, 13-čerpadlo kondenzáru, 14-pelety D-T.

Termonukleární elektrárny

Snahou a veškerým úsilím výzkumu je v konečné fázi zkonstruovat a postavit skutečnou funkční termonukleární elektrárnu. Prvním předpokladem je tedy dosáhnout takového stavu syntézy, aby energie do procesu dodávaná byla převýšena energií z procesu odebíranou. Energetický zisk je plně závislý na výšce teploty dosažené ve "spalovacím prostoru" zařízení.
Přes všechny dosavadní úspěchy, kdy se krůček za krůčkem stupeň dosažené teploty zvyšuje, je cesta k plnému využívání termonukleární energie značně vzdálená.
Dnes lze jen těžko předpovědět, jak bude zařízení i celá elektrárna vyhlížet i jaký typ reaktoru bude použit. Volba bude záležet na mnoha dosud ještě ani ne dobře známých okolnostech.
Bude-li uvažována účinnost 40 %, pak pro elektrický výkon 1000 MW bude nutné dosáhnout výkon reaktoru 2 500 MW.
Dá se tedy pouze předpokládat, že materiál, který bychom volili dnes, bude použit i v budoucnosti. Dnes bychom jistě pro prstenec komory kvůli vysokým teplotám volili molybdenové slitiny. Uzavřen by měl být v plášti naplněném roztavenými solemi fluoridů berylia a lithia. Kolem této vrstvy bude další ochranný plášť na ochranu proti neutronům.
Vinutí magnetů bude provedeno ze supravodivého materiálu. Povaha provozu bude potřebovat ještě dodatečný zdroj tritia vyráběného z lithia ostřelováním neutrony.
V případě využití laserových reaktorů není vyloučeno, že bude použito hvězdicovité uspořádání laserových systémů.
V USA pracuje zařízení HELIOS. Je vybaveno osmi laserovými paprsky a uprostřed je válcová nádoba s terčíkem stlačeného paliva.
HELIOS může vyvinout energii 10 kJ. Vstupní okna terčové komory mají průměr 350 mm. Pulzy trvají 0.5 až 1 ns (1 ns (nanosekunda) = 10-9sec) a mají hladinu výkonu 20 TW. Lasery CO2 mohou opakovat pulzy 750 krát za sekundu.

Princip termonukleárního reaktoru laserové fúze typu HELIOS firmy LASL (USA). 1-terčová komora reaktoru HELIOS s HArtmannovým mechanismem dávkování paliva (D-T), 2-otočná a fokusová zrcadla, 3-palivový terčík, 4-dvojitá pulzní laserová děla.

V roce 1984 bylo uvedeno do provozu zařízení ANTARES. Je desetinásobně výkonnější než HELIOS. K zařízení je připojeno 6 laserových zdrojů.
Výroba palivových terčíků je velmi složitá a nákladná. Náplň D-T (deuterium-tritium) je uzavřena pod vysokým tlakem při nízkých teplotách do kapslí a je pokryta kovovými, plastovými anebo kombinovanými skořápkami. Ideální a velmi výhodné bude vynechat tritium a fúzní reakci provozovat pouze na základě deuteria. Příprava materiálů by se tím podstatně zjednodušila a zlevnila. To bude ovšem vyžadovat ještě další mnohaletou přípravu, protože tímto krokem by se opět zvýšila nutná teplota v reakčním poli.
Výhled na spuštění první funkční termonukleární elektrárny s parogenerátorovým mezistupněm se odhaduje na první polovinu 21. století.




simopt@simopt.cz
    Zajímavé odkazy Reklama na energyWebu    
    Počítadlo přístupů
   
14339004

Creative Commons License
energyWeb is licensed under a Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0 Unported License.
Based on a work at http://www.energyweb.cz. Permissions beyond the scope of this license may be available at www.energyweb.cz.