EURATOM

BADANIA FFUZJIBADANIA FFUZJIJĄDROWEJJĄDROWEJ

Nowe źródło eenergii ddlaNowe źródło eenergii ddlaEuropy XXXI wwiekuEuropy XXXI wwieku

INFO

RMA

CJE

OG

ÓLN

E

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 1

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 2

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 3

KOMISJA EUROPEJSKA

Dyrekcja Generalna ds. nauki, badań i rozwoju

Badania fuzji jądrowej

Wydział J6 ds. porozumień z Asocjacjami

Kontakt: Hugues Desmedt

European Commission

Office CDMA 00/66

B-1049 Brussels

Tel. (32-2) 29-98987

Faks (32-2) 29-64252

E-mail: hugues.desmedt@ec.europa.eu

Jesteś zainteresowany europejskim programem badań naukowych?Kwartalnik RTD info poinformuje Cię o głównych wydarzeniach(postępach, wynikach, projektach, itd.) w tej dziedzinie.Dostępny w języku angielskim, francuskim oraz niemieckim. Darmowąsubskrypcję, a także pojedyncze egzemplarze zapewnia:European CommissionDirectorate-General for ResearchInformation and Communication UnitB-1049 BrusselsFaks (32-2) 29-58220E-mail: research@ec.europa.euInternet: http://ec.europa.eu/comm/research/rtdinfo/index_en.html

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 4

Komisja Europejska

BADANIA FUZJIBADANIA FUZJIJJĄĄDROWEJDROWEJ

Nowe źródło energii dlaNowe źródło energii dlaEuropy XXI wiekuEuropy XXI wieku

Dyrekcja Generalna ds. nauki, badań i rozwojuBadania fuzji jądrowej 2006

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 5

6

Europe Direct jest serwisem, który udziela odpowiedzi na pytaniadotyczące Unii Europejskiej

Bezpłatna infolinia:

00 800 6 7 8 9 10 11

ZASTRZEŻENIA PRAWNE:

Zarówno Komisja Europejska jak i żadna z osób działających w jej imieniu nie ponosząodpowiedzialności za skutki wynikające z wykorzystania tej broszury.

Za wyrażone w tej publikacji poglądy odpowiedzialni są wyłącznie autorzy. Poglądy te niezawsze odzwierciedlają punkt widzenia Komisji Europejskiej.

Wiele dodatkowych informacji o Unii Europejskiej jest udostępnionych w internecie.

Informacje te są dostępne poprzez serwer Europa (http://europa.eu).

Dane katalogowe umieszczono na końcu publikacji.

Luksemburg: Biuro Oficjalnych Publikacji Wspólnot Europejskich, 2006

© Wspólnoty Europejskie, 2006

Wydrukowano w Belgii, na papierze ekologicznym.REPRODUKCJA JEST DOPUSZCZALNA POD WARUNKIEM PODANIA ŹRODŁA.

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 6

7

SPIS TREŚCISPIS TREŚCI

WPROWADZENIE DO FUZJI JĄDROWEJZapotrzebowanie na stabilne i zasobne źródło energii 9Źródło energii gwiazd 10Wytwarzanie energii z wykorzystaniem fuzji jądrowej 11Bezpieczeństwo 12Wpływ na środowisko naturalne 13Postęp w badaniach nad magnetyczną fuzją jądrową 14

EUROPEJSKI PROGRAM BADANIA FUZJI JĄDROWEJITER i europejska strategia opanowania fuzji jądrowej 16Europejska Przestrzeń Badawcza w zakresie fuzji jądrowej 18

JAK DZIAŁA SYNTEZA JĄDROWA?Fuzja jądrowa z magnetycznym utrzymaniem plazmy 20Główne elementy tokamaka 22Nagrzewanie plazmy 24Diagnostyki i modelowanie plazmy 25ITER, droga do energii z fuzji jądrowej 26Rozwój zaawansowanych technologii 28

Popularyzacja fuzji w Europie 30Eiroforum 32Działalność edukacyjna i szkoleniowa w Europie 33Zastosowania w innych obszarach zaawansowanej technologii 34

Bibliografia 35O filmie „The starmakers” 38DVD 39

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 7

8

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 8

9

Zapotrzebowanie na stabilne Zapotrzebowanie na stabilne i zasobne źródło energiii zasobne źródło energii

Gospodarka Unii Europejskiej (UE) jest uzależniona od stabilnychi zasobnych źródeł energii. Obecne zapotrzebowanie na energięzaspokajają głównie paliwa kopalne (ropa naftowa, węgiel i gazziemny), które stanowią 80% całkowitego zużycia energii. Prawie 67%zużywanych paliw kopalnych pochodzi z importu co oznacza, żeimportowane paliwa kopalne pokrywają około 50% zapotrzebowaniaenergetycznego UE. Przewiduje się, że do 2030 roku udział paliwimportowanych, głównie ropy naftowej, wzrośnie do około 70%.

Stabilne i zasobne źródła energii są niezbędne do utrzymanianaszego standardu życia. Europejskie badania naukowe mają na celurozwój technologii wytwarzania energii, które są bezpieczne, wydajnei przyjazne środowisku. Fuzja jądrowa jest właśnie jedną z nich.

W dalszej perspektywie fuzja jądrowa będzie jedną z możliwościprodukcji energii na dużą skalę, przy czym będzie to źródłobezpieczne, mające znikomy wpływ na środowisko naturalne,wykorzystujące bogate i ogólnie dostępne złoża surowcównaturalnych.

Elektrownie fuzji jądrowej będą szczególnie przydatne, jakopodstawowe źródła energii elektrycznej, na obszarach gęstozaludnionych i na terenach przemysłowych. Mogą one takżedostarczać wodór na potrzeby ‘gospodarki wodorowej’.

Ta broszura opisuje prace prowadzone przez naukowcóweuropejskich, zmierzające do opanowania fuzji jądrowej jako źródłaenergii dla dobra ludzkości.

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 9

10

Źródło energii gwiazdŹródło energii gwiazd

Fuzja jądrowa jest źródłem energii Słońca i innych gwiazd. Jądra lekkichatomów łączą się ze sobą i w efekcie uwalniają energię. Olbrzymie ciśnieniegrawitacyjne w jądrze Słońca umożliwia występowanie tego zjawiskaw temperaturze rzędu 10 milionów stopni Celsjusza.

Gaz podgrzany do takiej temperatury staje się plazmą, w której elektrony sącałkowicie oddzielone od jądra atomowego (jonu). Plazma jest czwartym stanemskupienia materii, wykazującym szczególne własności fizyczne. Badania wdziedzinie fizyki plazmy skupiają się na poznaniu tych szczególnych właściwości.Chociaż na Ziemi materia występuje wyjątkowo rzadko w stanie plazmy, tojednak ponad 99% Wszechświata jest właśnie w tym stanie.

Ponieważ na Ziemi jesteśmy w stanie wytworzyć jedynie znacznie niższeciśnienia (około 100 miliardów razy mniejsze niż te, które występują we wnętrzuSłońca), więc temperatura potrzebna do tego, aby zachodziła fuzja lekkichjąder przekracza 100 milionów stopni Celsjusza. Do osiągnięcia tak wielkiejtemperatury konieczne jest zminimalizowanie strat energii poprzez utrzymywaniegorącej plazmy z dala od ścian komory reaktora. Można to osiągnąć poprzezumieszczenie plazmy w toroidalnej „pułapce” utworzonej z silnego polamagnetycznego, które zapobiega ucieczce elektrycznie naładowanych cząstekplazmy. Jest to niezwykle zaawansowana technologia, leżąca u podstaweuropejskiego programu fuzji jądrowej.

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 10

11

Wytwarzanie energii Wytwarzanie energii z wykorzystaniem fuzji jądrowejz wykorzystaniem fuzji jądrowej

W reaktorach fuzji jądrowej pierwszej generacji łączyć się będą ze sobą dwaizotopy wodoru: deuter (D) i tryt (T). Fuzja jąder innych pierwiastków wymagajeszcze wyższych temperatur. Deuter jest nieradioaktywnym izotopem występującymw wodzie morskiej (średnio 35 g deuteru w każdym metrze sześciennym wody). Trytnie występuje w sposób naturalny na Ziemi, ale może być produkowany z litu(lekkiego, łatwo dostępnego metalu), wewnątrz reaktora fuzji jądrowej. W wynikureakcji łączenia jąder deuteru z jądrami trytu Powstają cząstki alfa (czylizjonizowany hel) i neutrony o dużej energii.

Schemat reaktora fuzji jądrowej

Magnes nadprzewodzący

D+T

Plazma

Blanket (zawierający lit)

Strukturaosłaniająca

Wymiennikciepła

Generatorpary wodnej

Hel

Tryt i hel

Tryt

Paliwodeuterowe

T+4He

Energia elektryczna

Komorapróżniowa

Turbina i generator

Neutrony swobodnie opuszczają plazmęi są spowalniane w „płaszczu”(blankecie) otaczającym komoręplazmową. Wewnątrz blanketu lit jestprzekształcany w tryt, który wraca dokomory jako paliwo. Ciepło oddaneprzez neutrony może być użyte dowytworzenia pary, która napędza turbinygenerujące prąd elektryczny.Ocenia się, że roczne potrzebymilionowego miasta będzie w staniezaspokoić elektrownia syntezy jądrowej,do której raz na rok przyjedzie małafurgonetka z zapasem paliwa.

Reakcja fuzji jądrowej

D+T 4He+n+17,6 MeV

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 11

12

Reaktor fuzji działa podobnie jak palnik gazowy– paliwo dostarczane do reaktora jest w nimspalane. W komorze, w której zachodzispalanie, jest w danej chwili niewielka ilośćpaliwa (około 1 g D-T w objętości tysiącametrów sześciennych). Jeśli zasilanie komorypaliwem zostanie wstrzymane, to reakcja trwajeszcze tylko kilka sekund. Awariaktóregokolwiek z urządzeń reaktora powodujeschłodzenie plazmy i zatrzymanie reakcji.

Surowce pierwotne potrzebne do fuzji, czylideuter i lit (a także hel produkowany w wynikureakcji) nie są substancjami radioaktywnymi.Radioaktywny tryt, występujący tu jako paliwopośrednie, rozpada się stosunkowo bardzoszybko (jego czas połowicznego zaniku wynosi12,6 lat), a w wyniku jego rozpadu powstająelektrony (promieniowanie beta) o bardzoniskiej energii. W powietrzu elektrony te mogąprzemieszczać się na odległość tylko kilkumilimetrów i nie są w stanie przeniknąć nawetprzez kartkę papieru. Niemniej jednak tryt jestsubstancją szkodliwą dla człowieka (poprzedostaniu się do wnętrza organizmu)i dlatego zaprojektowano i zastosowanow urządzeniach fuzji jądrowej specjalne metodyi narzędzia do postępowania z trytem.

Ponieważ tryt jest produkowany w samymreaktorze, nie ma więc potrzeby dostarczaniatego radioaktywnego surowca do elektrowni.

BezpieczeństwoBezpieczeństwo

Urządzenie do postępowania z trytem

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 12

13

Wpływ na środowisko naturalneWpływ na środowisko naturalne

Energia wytwarzana w procesie fuzji jądrowej będzie spożytkowanaw konwencjonalny sposób, to znaczy do wytwarzania elektrycznościi ciepła na użytek przemysłowy, lub, być może, do wytwarzaniawodoru.

Zużycie paliwa w elektrowni działającej na zasadach fuzji jądrowejbędzie niezwykle małe. Elektrownia o mocy 1 GW będziepotrzebowała około 100 kg deuteru i 3 tony naturalnego litu roczniepo to, aby wytworzyć 7 miliardów kWh energii. Tradycyjna elektrowniawęglowa potrzebuje około 1,5 miliona ton surowca, abywyprodukować tę samą ilość energii!

Reaktory fuzji jądrowej nie emitują do atmosfery gazów cieplarnianychani innych zanieczyszczeń wpływających niekorzystnie na środowiskoi powodujących zmiany klimatu.

Neutrony uwalniane podczas fuzji aktywują materiały konstrukcyjnereaktora. Staranny wybór tychmateriałów zapewni to, że pozakończeniu pracy elektrownibędą one musiały byćskładowane nie dłużej niż100 lat, po czym będą wyjętespod kontroli radiologicznej,co umożliwi ich utylizację.Odpady pochodzącez reaktora nie będą więcciężarem dla przyszłychpokoleń.

wy

e

u

o

si

dy

Europejskie laboratorium JET (Culham –Wielka Brytania)

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 13

14

Postęp w badaniach nad magnetyczną Postęp w badaniach nad magnetyczną syntezą jądrowąsyntezą jądrową

Rekordowe wyniki fuzji jądrowej

Moc

fuzj

i jąd

row

ej (M

W)

Tokamak Tore Supra(Cadarache, Francja) –bardzo dobra plazmao rekordowo długim czasie trwania

Europejski tokamak JET (JointEuropean Torus), zlokalizowanyw Culham (Wielka Brytania), jestnajwiększym na świecieurządzeniem działającym nazasadzie fuzji jądrowej i jedynym,który może pracować z mieszaninądeuteru i trytu. Do chwili obecnejJET osiągnął wszystkie postawioneprzed nim cele, a w niektórychprzypadkach uzyskał parametrylepsze niż zaplanowane. W roku1997 osiągnął rekordową moc16 MW energii uwalnianej z reakcjifuzji jądrowej.

Czas (s)

W Europie jest wiele dużych urządzeń eksperymentalnych, które służąposzerzaniu i pogłębianiu wiedzy na temat fuzji jądrowej. Jednym z ostatnichosiągnięć, służących zrozumieniu kwazistacjonarnego stanu fuzji jądrowej, byłydoświadczenia przeprowadzone na wielkim francuskim tokamaku o nazwieTORE SUPRA. W roku 2003 TORE SUPRA osiągnął rekordowy wynik – przez6 i pół minuty trwało nieprzerwanie wyładowanie elektryczne w plazmie.Całkowita energia dostarczona przez ten czas na nagrzanie i utrzymaniegorącej plazmy (energia ta musiała też być odprowadzona w postaci ciepła)przekroczyła wartość jednego gigadżula (czyli tysiąca milionów dżuli – jest toenergia wystarczająca do zagotowania 3 ton wody).

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 14

15

Postęp w światowych badaniach fuzji jądrowej

Prostym miernikiem wydajności reaktora fuzji jądrowej jest współczynnikQ – stosunek energii uwolnionej w procesie fuzji do energii zużytej nanagrzanie plazmy.Plazma osiąga stan samopodtrzymywania, gdy energia uwalnianaw wyniku reakcji fuzji dokładnie równoważy starty energii do otoczenia(wartość współczynnika Q dąży wówczas do nieskończoności).Gdy ten warunek jest spełniony, to dodatkowe zewnętrzne nagrzewanieplazmy nie jest już potrzebne do utrzymania wysokiej temperatury plazmy.Podobnie jak to jest ze zwykłym ogniem, plazma jest „spalana” dopóty,dopóki paliwo jest dostarczane do reaktora. W elektrowniachtermojądrowych nie będzie konieczne osiągnięcie stanusamopodtrzymywania – taki reaktor będzie działał jako wzmacniaczmocy.JET wygenerował 16 MW energii osiągając Q równe 0.65. Następneplanowanie urządzenie, ITER, ma za zadanie osiągnąć Q = 10,natomiast w elektrowniachsyntezy jądrowej wartośćtego współczynnika będziemusiała być równa 40,a nawet 50. Ponieważ większośćwspółczesnych urządzeńfuzji jądrowej nie używatrytu jako paliwa, ichwydajność jestscharakteryzowana przezkombinację parametrówplazmy pokazującą,w jakim stopniu osiągniętezostały warunki reaktora.Wykresy danych z dużejliczby tokamaków na całymświecie pokazująpomierzone wartościwspółczynnika Q w funkcjitemperatury plazmy.Najlepsze urządzenia jużteraz osiągają parametryplazmy takie, jakie sąwymagane w reaktorze.

Zapłon

Warunki dlareaktora

Obszarniedostępny

?

Eksperymenty z DT

Granica

prom

ieniow

ania B

remsstr

ahlun

g

TFTR

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 15

16

ITER i europejska strategia ITER i europejska strategia opanowania fuzji jądrowejopanowania fuzji jądrowej

Długofalowa polityka badań i rozwoju fuzji jądrowej państwczłonkowskich Unii Europejskiej (oraz krajów stowarzyszonychz Programem Ramowym Euratom) ma na celu „wspólnestworzenie prototypu reaktora spełniającego oczekiwaniaspołeczeństwa: bezpiecznego, nie zagrażającego środowiskuoraz ekonomicznie opłacalnego”.

Strategicznym krokiem umożliwiającym osiągnięcie tegodługofalowego celu jest zbudowanie we współpracymiędzynarodowej eksperymentalnego reaktora ITER. Ogólnym celem programowym projektu ITER jest pokazanienaukowej i technologicznej możliwości opanowania dla celówpokojowych energii pochodzącej z fuzji jądrowej. ITER osiągnieten cel poprzez zademonstrowanie kontrolowanego spalaniaplazmy deuterowo-trytowej oraz opanowanie technologii istotnychdla reaktora jako zintegrowanego systemu. Celem dalszym jestciągła praca reaktora.

ITER będzie prekursorem prototypowej elektrowni („DEMO”).Urządzenie DEMO będzie w stanie, po raz pierwszy na świecie,wytwarzać znaczące ilości energiielektrycznej i jednocześnie będziesamowystarczalne pod względemprodukcji trytu. Budowa zarówno ITERa,jak i następnego po nim reaktoraDEMO, wymagać będzie znacznegozaangażowania przemysłueuropejskiego i będzie wspierana przezbadania w zakresie fizyki i technologii,zarówno w laboratoriach syntezyjądrowej, jak i w instytucjachakademickich.

Schemat ITERa

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 16

17

Jednocześnie z pracami związanymi z ITERem podejmowane są pracebadawczo-rozwojowe dotyczące celów długofalowych związanychz reaktorem DEMO. Ważnym celem tych prac jest rozwójzaawansowanych materiałów konstrukcyjnych, w szczególności takich,które nie ulegają silnej aktywacji i które są optymalne z punktu widzeniawarunków panujących we wnętrzu reaktora.

Współpraca międzynarodowa dotycząca projektu urządzenia ITERbyła i jest nadal ważnym elementem europejskiego programubadawczego w zakresie fuzji jądrowej. Podstawą tego projektu byłoeuropejskie urządzenie JET (Joint European Torus, Culham – WielkaBrytania). Dzięki modelowaniu, wykorzystującemu obszerną bazędanych z eksperymentów europejskich i światowych, możliwa jestekstrapolacja uzyskanych dotychczas wyników do warunków tokamakaITER.

Współpraca w zakresie projektu ITER prowadzona jest pod auspicjamiMiędzynarodowej Agencji Energii Atomowej (MAEA, Wiedeń –Austria). Celem strategicznym ITERa jest pokazanie naukowej itechnicznej możliwości opanowania napotrzeby pokojowe energiipochodzącej z fuzji jąder.

Wizja artystyczna europejskiej lokalizacji ITERa w Cadarache (Francja)

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 17

18

Europejska przestrzeń badawcza Europejska przestrzeń badawcza w zakresie fuzji jądrowejw zakresie fuzji jądrowej

Kluczową cechą europejskiego programu fuzji jądrowej jest koordynacja, niespotykanadotychczas na taką skalę, prowadząca do efektywnego wykorzystania wszystkicheuropejskich zasobów badawczo-rozwojowych, mających znaczenie dla tego programu.Szczególnie ważna jest współpraca dotycząca urządzenia JET i programutechnologicznego, prowadzona w ramach Europejskiego Porozumienia na rzecz RozwojuFuzji Jądrowej (EFDA). Program technologiczny jest obecnie ukierunkowany głównie napotrzeby ITERa, ale w przyszłości będzie również obejmować prace na rzecz DEMO.

Taki jednolity, skoordynowany program, z celem wspólnym dla wszystkich laboratoriów, dużych i małych, jest przykładem Europejskiej Przestrzeni Badawczej, co stawia Europę na czele międzynarodowych badań w dziedzinie fuzji jądrowej z magnetycznym utrzymaniem plazmy. Dzięki wspólnym pracom możliwe było skonstruowanie urządzenia JET, a także postęp w rozwoju ITERa, nie do osiągnięcia przez żadne z państw członkowskich lub stowarzyszonych, działających samodzielnie.

Oprócz głównej współpracy międzynarodowej dotyczącej ITERadąży się także do podpisania dwu- i wielostronnych porozumień pomiędzy laboratoriami europejskimi i światowymi, w celu stworzenia największego na świecie potencjału naukowo-badawczego, skupionego na wybranych zagadnieniach, będących przedmiotem wspólnego zainteresowania.

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 18

19

a

mu.

wojua

Na mocy traktatu Euratom program badań i rozwoju fuzji jądrowej jest koordynowanyw Europie przez Komisję Europejską i wdrażanyza pomocą następujących mechanizmów:

• Kontrakt Asocjacyjny z instytucjami badawczymilub organizacjami krajów członkowskich UEi krajów stowarzyszonych z Programem RamowymEuratom (instytucje te i organizacje, nazywaneAsocjacjami EURATOM, zaznaczono na mapieczerwonymi punktami).• Porozumienie EFDA obejmujące trzy powiązaneze sobą obszary działania:

– Rozwój technologii fuzji jądrowej,realizowany przez organizacjeczłonkowskie i przemysł europejski,

– Wspólna eksploatacja tokamaka JET oraz– Europejski wkład do projektów

międzynarodowych takich jak ITER.• Zadaniowe kontrakty z laboratoriami, które niemają podpisanego Kontraktu Asocjacyjnego. • Porozumienie promujące wymianę personelubadawczego, a także stypendia Euratom.

W 6. Programie Ramowym (2002-2006) badaniaw dziedzinie fuzji jądrowej są priorytetowymobszarem tematycznym. Na ten cel przeznaczonow budżecie Programu 750 milionów Euro (z czegonawet 200 milionów Euro może być wydane narozpoczęcie budowy ITERa).

Sukces europejskich badań fuzji jądrowej jestmożliwy dzięki pracy 2000 fizyków i inżynierówzatrudnionych w europejskich laboratoriach i w europejskim przemyśle.

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 19

20

Fuzja jądrowa z magnetycznym Fuzja jądrowa z magnetycznym utrzymaniem plazmy utrzymaniem plazmy Magnetyczna fuzja jądrowa wykorzystuje bardzo silne polemagnetyczne, utrzymujące plazmę w komorze próżniowej, która izolujeją od otoczenia. W idealnej sytuacji naładowane elektrycznie jonyi elektrony, z których składa się plazma, nie mogą poruszać sięw poprzek linii sił pola magnetycznego, natomiast wzdłuż linii sił pola

Pole magnetyczne wytwarzane jest przez prądy elektryczne (o bardzo dużymnatężeniu), przepływające w cewkach, umieszczonych na zewnątrz komoryreaktora. Do utworzenia pułapki magnetycznej wykorzystuje się też prądyelektryczne, płynące w samej plazmie.

poruszają się swobodnie. Poprzez uformowanie liniipola na kształt pętli cząsteczki plazmy zostająpraktycznie uwięzione wewnątrz komory. Są onew ten sposób dobrze odizolowane od ścian reaktorai dzięki temu utrzymują wysoką temperaturę. Jednakw rzeczywistym toroidalnym układziemagnetycznego utrzymania plazma traci z czasemswoją energię w procesach takich jak na przykładpromieniowanie oraz poprzez wzajemne zderzeniacząstek, powodujące ich ucieczkę w poprzek liniisił pola magnetycznego.

Fuzja jądrowa z magnetycznym utrzymaniem plazmy

Plazma w polu magnetycznym

Cewka Cewka

Plazma bez pola magnetycznego

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 20

21

W urządzeniach nazywanychtokamakami plazma jest obwodemwtórnym transformatora (obwódpierwotny umieszczony jest pozakomorą, na osi centralnejtokamaka). Zmienność natężeniaprądu w obwodzie pierwotnymindukuje prąd elektryczny w plazmie.Prąd ten wytwarza polemagnetyczne pułapki, a ponadtonagrzewa plazmę dzięki jejoporności elektrycznej. Ponieważtransformator nie jest w stanieindukować prądu w sposób ciągły,więc plazma ma skończony czasżycia; ciągły przepływ prąduw plazmie musi być zapewnionyza pomocą innych środków.

W urządzeniu zwanym stelarator pułapka magnetyczna wytwarzana jest za pomocą cewek, mających bardzo skomplikowany kształt.W urządzeniu tym nie jest potrzebneindukowanie prądu elektrycznegow plazmie i dzięki temu stelaratormoże pracować w sposóbciągły. Największeurządzenie tego typu,o nazwie W 7-X, jestobecnie budowanew Greifswaldzie(Niemcy). Inne pułapkimagnetyczne, podobnedo tych, które zostałyomówione, to tokamakizwarte (sferyczne) i układyRFP (pincze z odwróconympolem).

Schemat tokamaka

Schemat stelaratora

Cewki pola poloidalnego

Prąd plazmy Plazma

Linia pola magnetycznego

Cewki pola toroidalnego

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 21

22

Centralna cewka indukcyjnaObwód pierwotnytransformatora. Obwodemwtórnym jest plazma.

Cewki toroidalnegoi poloidalnego polamagnetycznegoWytwarzają silne polemagnetyczne (o indukcji rzędu5 tesli, czyli w przybliżeniu100 000 razy większe od polamagnetycznego Ziemi), któreogranicza plazmę i izoluje ją odścian komory próżniowej.

DiwertorUsuwa zanieczyszczenia i helz komory próżniowej i jestjedynym obszarem, w którymświadomie dopuszcza się dokontaktu plazmyz powierzchniami materialnymi.

Główne elementy tokamakaGłówne elementy tokamaka

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 22

23

Komora próźniowaSłuży do tego, aby otaczającepowietrze nie dostawało się doobszaru plazmy.

KriostatOtacza cewki i komorępróżniową. Kriostat jestschłodzony do temperatury około-200 stopni Celsjusza, cozapewnia utrzymanie roboczejtemperatury ceweknadprzewodzących (–269 stopniCelsjusza).

BlanketBlanket to płaszcz otaczającykomorę, w którym umieszczonyjest lit. Neutrony reagują z litemwytwarzając tryt, który następniejest separowany i wprowadzanydo plazmy. Energia oddana przezneutrony wykorzystywana jest donagrzania wody krążącejw obiegu zamkniętym.W wymiennikach ciepławytwarzana jest para wodna,która napędza generator prąduelektrycznego.

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 23

24

Nagrzewanie plazmyNagrzewanie plazmy

Antena falradiowych w ToreSupra (CEA,Cadarache –Francja)

Prąd elektryczny przepływający przez plazmę tokamaka sprawia, żeplazma nagrzewa się. Ponieważ ze wzrostem temperatury opornośćelektryczna plazmy maleje, więc tym sposobem można ją nagrzać dotemperatury nie większej niż kilka milionów stopni, a to jest dziesięćrazy za mało, aby reakcje fuzji jądrowej zachodziły z dużąintensywnością. Dalszy wzrost temperatury musi odbywać się poprzezdostarczanie ciepła ze źródeł zewnętrznych.

Inne źródło ciepła do nagrzewania plazmy to wiązki atomów o dużejenergii wstrzykiwane do plazmy. Atomy zderzają się z cząstkamiplazmy i przekazują im swoją energię kinetyczną.

Plazmę można nagrzewać za pomocą silnych źródeł falelektromagnetycznych o dużej częstotliwości,przekazujących swoją energię do plazmy poprzezzjawiska absorpcji rezonansowej. Obecnie rozwijane są

Prąd elektryczny

Atomy zjonizowanei uwięzione w pułapce

Atomy wodoru o dużej energii

Neutralizator

NAGRZEWANIE OMOWE

Źródło jonów wodorowych

FalowódCewkaNAGRZEWANIEFALAMIRADIOWYMI

NAGRZEWANIEWIĄZKĄATOMÓW

trzy typy źródeł,wykorzystującychnastępujące zjawiskarezonansowe: jonowyrezonans cyklotronowy(w zakresie od 20 do55 MHz), elektronowyrezonans cyklotronowy(100-200 GHz, jest tozakres mikrofal) i rezonans w zakresieczęstotliwości dolnejhybrydowej (1-8 GHz).

JET – urządzenie do nagrzewaplazmy wiązką atom

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 24

25

Diagnostyki i modelowanie plazmyDiagnostyki i modelowanie plazmy

ore

Schemat diagnostyk ITERa

Poznanie procesów zachodzących w plazmie jest niezbędne do tego,aby zaprojektować reaktor fuzji jądrowej. Wymaga to stosowaniawyrafinowanych i skomplikowanych systemów pomiarowych, którenazywane są diagnostykami.

Diagnostyki są rozwijane w laboratoriach europejskich po to, abymonitorować wszystkie parametry plazmy: od temperatury we wnętrzuplazmy (co robi się za pomocą silnych laserów) do ilościzanieczyszczeń w plazmie i źródła ich pochodzenia.

Dane otrzymane z tych diagnostyk są wykorzystywane w programchkomputerowych, które mają za zadanie przewidywać działanietokamaka i zapewnić jego funkcjonowanie zgodne z oczekiwaniami.

nagrzewania ązką atomów

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 25

26

ITER, droga do energii z fuzji jądrowejITER, droga do energii z fuzji jądrowej

Stanowiskodo zdalnegomanipulowaniadiwertorem ITERa

Prototyp diwertoraITERa w skali naturalnej

Test odporności t

Gyrotron - źródło mikrofal o dużej częstości

ITER jest następnym głównym krokiem na drodze do stworzeniareaktora działającego na zasadzie fuzji jądrowej.

Projekt ITER jest możliwy dzięki owocnej współpracy międzynarodowejw zakresie projektów badawczo-rozwojowych z różnych dziedzinnauki i techniki. ITER będzie w stanie generować 400 MW energiiw impulsach sześciominutowych, a w dalszej perspektywie powinienpracować w sposób ciągły.

Całkowite koszty inwestycyjne urządzenia ITER szacuje się na4,6 miliardów Euro (w cenach z roku 2000). Po osiągnięciuporozumienia przez grono międzynarodowych partnerów budowaITERa zajmie od 8 do 10 lat, natomiast jego eksploatację planuje sięna okres około 20 lat.

Do budowy ITERa wykorzystane zostaną doświadczenia naukowezdobyte podczas eksploatacji wielu urządzeń eksperymentalnychrozsianych po całym świecie.

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 26

27

ogoania

m ITERa

oraturalnej

Model w skali naturalnej pionowej płyty diwertora, testowany w korporacji Framatomedporności termicznej płytek osłaniających

Stanowisko do testowania blanketu

Testowanie prototypucewki pola toroidalnego Gyrotron – źródło mikrofal

o dużej częstości i mocy 1MW

Spawanie sektorów komorypróżniowej laserem dużejmocy (11 kW)

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 27

28

Rozwój zaawansowanych technologiiRozwój zaawansowanych technologii

Oprócz prac związanych z ITERem prowadzi się ponadto istotnebadania technologiczne i prace rozwojowe na potrzeby urządzeniaDEMO. Europejskie badania dotyczące blanketu powielającego trytkoncentrują się na koncepcji płaszcza chłodzonego helem, z mediumpowielającym w postaci mieszaniny litu i ołowiu lub w postaciceramicznych kulek ze związków litu. Badania te są niezbędne dozaprojektowania cyklu obiegu trytu w reaktorze fuzji jądrowej.

Europejskie badania materiałów strukturalnych koncentrują się nastalach ferrytowych i martenzytowych typu EUROFER, cechujących sięobniżoną aktywacją promieniotwórczą; w dalszej perspektywierozważane jest zastosowanie kompozytów węglowo-krzemowych.

Analizowane są także problemy bezpieczeństwa reaktorów fuzjijądrowej i ich wpływu na środowisko naturalne. Prace te, koncentrującesię głównie na koncepcjach zaawansowanych oraz na kwestiizminimalizowania ilości materiałów aktywowanych, prowadzą doistotnego wniosku stwierdzającego, że reaktor syntezy jądrowej możebyć tak zaprojektowany, iż żaden wypadek wewnątrz elektrowni nie

będzie wymagał ewakuacji miejscowejludności. Badania socjoekonomiczneanalizują aspekty ekonomiczneenergetyki fuzyjnej i długofalowe strategie jej rozwoju.

Daw

ka w

dych

ana

(jedn

ostk

i wzg

lędn

e)

Popiół węglowy

Odpady z elektrowni fuzyjnej

Czas składowania (lata)

Podsystemy helu

He Pb-17Li

Kolektor

Pol.Rad.

Tor.

Pierwsza ściana i siatkaze stali EUROFER

Wzmocnione warstwynaniesione na pierwsząścianę

Projekt modułu blanketu reaktora

Obliczony zanik radiotoksy-czności dla różnych modelielektrowni fuzji jądrowej w porównaniu z radiotoksycznością popiołu węglowego

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 28

29

Dystrybutor trytu

Kulki berylowe

Reaktor doświadczalny w KFKI – Węgry

Testowanie korozji metali ciekłych

Próbki stali EUROFER

Właściwości stali EUROFER

Profil wiązki promieniowaniaw urządzeniu IFMIF

Li

Kolektor chłodzący

Osłona zimna

He

Wkładki kanałowez kompozytów krzemowo-węglowych

ana i siatkaOFER

Osłona gorąca

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 29

30

Popularyzacja fuzji w EuropiePopularyzacja fuzji w Europie

Wystawa Fusion Expo w Santander – Hiszpania (grudzień 2003)

Objazdowa wystawa Fusion Expo została stworzona, a następniepokazana w wielu miastach europejskich, z zamiarem poinformowaniaspołeczeństwa, w szczególności młodzieży uczącej się, o pracach napolu fuzji jądrowej w Europie.

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 30

31

Objazdowy pokaz fuzji jądrowej

Dobrym przykładem działań edukacyjnych podejmowanych przezspołeczność naukowców fuzyjnych są objazdowe pokazy opracowanew holenderskiej Asocjacji Euratom-FOM. W bardzo ciekawyi zrozumiały sposób przedstawiają one serię prostych eksperymentówwyjaśniających podstawowe zasady fuzji jądrowej.

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 31

32

EiroforumEiroforum

Europejski program syntezy jądrowej jest także członkiem(reprezentowanym przez konsorcjum EFDA) grupy EIROforumskupiającej siedem europejskich międzyrządowych organizacjinaukowych odpowiedzialnych za infrastrukturę i laboratoria badawcze.Celem zasadniczym EIROforum jest odgrywanie aktywnej i konstruktywnej roli w promowaniu osiągnięć i znaczenia badańeuropejskich. W szczególności zadaniem EIROforum jest koordynacjadziałań wspomagających, w tym transferu technologii i edukacjispołecznej.

Siedmiu członków EIROforum to:• CERN Europejska Organizacja Badań Jądrowych (Szwajcaria),• EFDA Europejskie Porozumienie na rzecz Rozwoju Syntezy Jądrowej

(Wielka Brytania, Niemcy), • EMBL Europejskie Laboratorium Biologii Molekularnej (Niemcy),• ESA Europejska Agencja Kosmiczna (Unia Europejska),• ESO Europejskie Obserwatorium Południowe (Niemcy, Chile),• ESRF Europejskie Centrum Promieniowania Synchrotronowego (Francja),• ILL Instytut im. Laue–Langevina (Francja).

Fizyka na stanowisku 3. – nauczyciele w czasie pokazu

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 32

33

Edukacja i szkolenie młodych naukowców są ważną częścią programuprac w Asocjacjach Euratomu. Wielu pracowników naukowychwykłada w instytucjach akademickich, głównie na uniwersytetach,a 200 – 250 doktorantów prowadzi swoje badania w laboratoriachAsocjacji. Niektóre z Asocjacji organizują dla studentów i młodychnaukowców zaawansowane kursy oraz szkoły letnie w zakresie fuzjijądrowej i fizyki plazmy.

Działalność edukacyjna Działalność edukacyjna i szkoleniowa w Europiei szkoleniowa w Europie

Oto przykłady szkół letnich organizowanych przez Asocjacje:

- Szkoła Letnia im. Karola Wielkiego – grupa Asocjacji TEC(Belgia, Niemcy, Holandia),

- Szkoła Letnia w Culham – Asocjacja Euratom-UKAEA(Wielka Brytania),

- Szkoła Letnia w Volos – Asocjacja Euratom-Greece(Grecja),

- Szkoła Letnia w Pradze – Asocjacja Euratom-IPP.CR(Czechy),

- Szkoła Letnia w Kudowie Zdroju – Asocjacja Euratom-IFPiLM (Polska).

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 33

34

Zastosowania w innych obszarach Zastosowania w innych obszarach zaawansowanej technologiizaawansowanej technologii

Silnik jonowy do napędu w kosmosie

Przemysł, który odgrywa znaczącą rolę w budowaniuurządzeń oraz rozwijaniu technologii potrzebnychw badaniach i rozwoju fuzji jądrowej, osiąga równieżdodatkowe korzyści dzięki doskonaleniu swoich kompetencjii produktów handlowych, oferowanych na rynkach pozaobszarem fuzji. Te poboczne zastosowania obejmująinżynierię plazmową, obróbkę powierzchni, zaawansowanetechniki oświetleniowe, wyświetlacze plazmowe, technologiepróżniowe, elektronikę dużych mocy i metalurgię.

Transfer wiedzy odbywa się takżedzięki badaczom, którzy przenosząsię ze środowiska fuzyjnego doinnych obszarów technologii i tamwykorzystują swoje umiejętnościnabyte w obszarze fuzji.Tego rodzaju wzajemna wymianawiedzy i interdyscyplinarność sąjednymi z najważniejszychczynników stymulujących europejskipostęp naukowy i technologiczny.

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 34

35

BibliografiaBibliografia

Lektura podstawowa:Towards a European Strategy for the Security of Energy Supply, GreenPaper, European Commission, COM (2000)769http://ec.europa.eu/comm/energy_transport/en/lpi_lv_en1.html

Strony internetowe:http://ec.europa.eu/research/energy/fu/article_1122_en.htmhttp://www.efda.orghttp://www.jet.efda.orghttp://www.iter.orghttp://www.fusion-eur.orghttp://www.eiroforum.org

Dodatkowych informacji mogą udzielić:R. AntidormiKomisja EuropejskaDyrekcja Generalna ds. nauki, badań i rozwojuWydział J6 ds. porozumień z Asocjacjami Rue de la loi 200B-1049 Brukselatel: +32 229 98899faks: +32 229 64252email: rosa.antidormi@ec.europa.euhttp://ec.europa.eu/comm/research/energy/fu/fu_en.html

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 35

SPRZEDA I PRENUMERATA

Odpłatne publikacje, wydane przez Urz d Oficjalnych Publikacji, dost pne s w naszych biurach sprzeda y w ró nych cz ciach wiata.

Jaka jest procedura nabycia dowolnej publikacji?

Po otrzymaniu listy biur sprzeda y nale y wybra odpowiednie biuro i skontaktowa si z nim w celu zło enia zamówienia.

Jak dotrze do listy biur sprzeda y?

• Mo na j przejrze na stronie internetowej Urz du http://publications.europa.eu/ • B d wysła faksem zamówienie pod numer (352) 2929-42758,

aby otrzyma jej wersj papierow .

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 36

37

Komisja Europejska

Badania fuzji jądrowej — Nowe źródło energii dla Europy XXI wieku

Luksemburg: Biuro Oficjalnych Publikacji Wspólnot Europejskich

2006 — 40pp. — format A5, 14,8 x 21,0 cm

Price (excluding VAT) in Luxembourg: EUR 25

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 37

Ośmiominutowy film „Starmakers” przedstawia ITER – wielkie urządzenieeksperymentalne, które zostanie zbudowane w szerokiej współpracymiędzynarodowej jako następny krok na drodze do opanowania fuzji jądrowejna potrzeby energetyki. Wirtualna rzeczywistość filmu dostarcza odbiorcywizualnego wyobrażenia o tym olbrzymim projekcie. Na wystawie Fusion Expo filmten można oglądać przez okulary polaryzacyjne i dzięki temu seans staje sięspektakularną wycieczką w trójwymiarowej przestrzeni wirtualnej. Wersja, którajest dołączona do tej broszury, jest wersją dwuwymiarową i do jej oglądania nie sąwymagane specjalne okulary.

Film został zaprojektowany przez Centrum Badań Fizyki Plazmy w SzwajcarskiejPolitechnice Federalnej w Lozannie, przy wsparciu finansowym ze strony DyrekcjiGeneralnej ds. nauki, badań i rozwoju Komisji Europejskiej. Firma Digital StudiosS.A. (Paryż, Francja) stworzyła ten film za pomocą techniki cyfrowej, na podstawiekomputerowego projektu urządzenia ITER.

38

O filmie “The starmakers”O filmie “The starmakers”

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 38

39

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 39

15K

I-60-04-256-PL-C

W swojej decyzji dotyczącej uruchomienia Programu RamowegoEuratom Rada Unii Europejskiej wyraziła przekonanie, że:„W drugiej połowie stulecia fuzja jądrowa może mieć znaczącyudział w produkcji energii elektrycznej wytwarzanej w sposóbprzyjazny dla środowiska naturalnego. Postęp osiągnięty w tejdziedzinie badań uzasadnia podjęcie dalszych zdecydowanychkroków w kierunku osiągnięcia długofalowego celu, jakim jestzbudowanie elektrowni wytwarzającej energię na drodze fuzjijądrowej”

Ta broszura opisuje badania nad uzyskaniem energii z fuzjijądrowej oraz to, w jaki sposób te badania są koordynowanei zarządzane w Europie. Projekt ITER, eksperyment następnejgeneracji, wskaże drogę do osiągnięcia w drugiej połowieXXI wieku znaczącego udziału fuzji jądrowej w światowej produkcjienergii.

Informacje zawarte w tej broszurze zostały opracowane napodstawie prac badawczych i rozwojowych prowadzonychw europejskim programie fuzji jądrowej.

DA_409440-CEE_BAT 16/11/06 12:56 Page 40