aldebaran.pravda.sme

Pred časom prebehli správy o tom, že sa podarilo udržať plazmu na čínskom tokamaku EAST ktorá mala 170 miliónov °C až po dobu až 1018 s a tomamak JET produkoval výkon plazmy 56 MW za dobu 5 s. Čo je vlastne tokamak sa pokúsim opísať v tomto blogu. Každý vie, že existujú atómové, jadrové reaktory a vodíkové termojadrové bomby. Z jadrového reaktora odoberáme energiu chladením moderátora. Moderátor tlmí kinetickú energiu uvoľnených neutrónov pri štiepnej reakcii, čím sa. zohrieva. Tieto elektrárne momentálne sú na špici svojho výkonu a tiež nie sú najčistejšie. Vyriešenie energetickej sebestatnosti na dlhé roky by mala byť riadená termojadrová reakcia. Podobná termoreakcia prebieha v strede Slnka. Zatiaľ vieme vyrobiť iba neriadenú termojadrovú reakciu, ktorá je nám nanič. Riadená termojadrová reakcia je plánovaná už asi 60 rokov. Princíp termojadrovej reakcie spočíva v tom, že sa k sebe priblížia dve jadrá nejakého prvku tak, aby sa prekonali elektrostatické ktoré sú veľmi silné a začnú pôsobiť silné jadrové sily ktoré jadra sa spoja, tým sa vytvorí jadro ťažšieho prvku. Pri tejto reakcii sa uvoľní neutrón, ktorý má veľkú kinetickú energiu. Dole je obrázok kde je znázornená termojadrová reakciu deutéria s tríciom. Deutérium je izotóp vodíka s jedným neutrónom a trícium je izotóp s dvoma neutrónmi. Fúziou týchto jadier vzniká jadro hélia s neutrónom. Jadrá hélia a neutróny majú vysokú kinetickú energiu. Energia žiarenia je prevážne v rontgenovom spektre.

Gama žiarenie nevzniká, pretože to vzniká pri štiepení jadier a tu je proces opačný. Prvá pokusná jadrová elektráreň vzniká vo Francúzsku asi už 50 rokov až teraz sa to pohlo. Vyvinuli sa nové materiály a technológie supravodivosti. Princíp termojadrovej reakcie v tokamakoch spočíva v tom, že zriedený plyn zohriatím privedieme do plazmy. Plazma je 4. skupenstvo hmoty. V plazme sú elektróny oddelené od jadier atómov. Vo Francúzsku sa stavia veľký termojadrový reaktor má názov ITER ten má pracovať na princípe tokamaku. Predpokladá sa, že počas 300 s. cykloch bude produkovať až 500 MW čistého výkonu.

Keď sa plazma zapáli, už nie je potrebné ju zohrievať, ale potrebujeme určitý výkon na to aby sa plazma udržala. V podstate sa zohrieva iba stláčaním. Plazma pritom vyprodukuje určitý čistý výkon. Pomer vyprodukovaného výkonu k výkonu ktorý je potrebný na udržiavanie plazmy sa nazýva faktor zisku plazmy, označuje sa Q. Význam má iba vtedy keď Q je vyššie ako 1.  Nenašiel som aké Q bolo pri vyprodukovaní 56 MW na tokamaku JET, iba že bol väčší ako 1. Ale problém bol, že na svoj chod musel odoberať zo siete asi 500 MW elektrického výkonu. Najviac energie spotreboval na vytvorenie magnetického poľa. Aby nebolo potrebné dodávať taký výkon na toroidné cievky, tak sú navrhnuté cievky zo supravodivým vinutím. Pri supravodivej cievke stačí naindukovať impulzom prúd a ten už tečie stále pretože nestráca sa energia na činnom odpore. Ale pri tom je potrebné veľmi výkonné chladenie, ktoré tiež spotrebuje dosť veľa energie. Výkon ktorý by mala produkovať plazma na ITERi by mal byť 10x väčší ako výkon na udržanie plazmy tzn. že Q=10. Na chod ITERu je potrebný výkon asi 300 MW, ktorý môžeme odoberať z výkonu plazmy. Z toho vychádza, že na udržanie plazmy bude potrebovať 50 MW výkonu. Pri dnešných tokamakoch, síce vieme vytvoriť plazmu ale problém je v tom, že na udržiavanie plazmy potrebujeme dodať veľký výkon, ktorý je potrebný na vytvorenie magnetického poľa. Oveľa viac energie by tokamaky spotrebovali ako vyrobili. V tokamaku JET nemohli plazmu dlhšie udržiavať ako 5 s. pretože cievky by sa roztopili. Vodné chladenie cievok nestačilo dostatočne ochladzovať cievky.

Ako je možné, že teplote plazmy, ktorá má 150000000°C sa tokmak neodparil. Teplota je naviazaná na kinetické energie častíc hmoty. Ako som písal vyššie, pri plazme sú jadrá atómov oddelené od elektrónov. Pretože plazma je tvorená z elektricky nabitých častíc tak môže tiecť ňou elektrický prúd a zároveň pôsobí na ňu aj magnetické pole. Na obrázku dole je princím magnetického poľa tokamaku

Stredná cievka je vlastne primárne vinutie, ktoré indukuje impulzmi prúd do plazmy. Prúd v plazme je tvorený odtrhnutými elektrónmi a tvori závit nakrátko v sekundárnom vinutí. Vonkajšie poloidálne cievky stláčajú plazmu. Toroidné cievky vytvárajú magnetické pole, ktore zabezpečuje aby sa plazma sa nedotýkala stien vákuovej nádoby. Keby plazma náhodou narazila do steny tak zhasne, pretože sa ochladí. Dole obrázok magnetického obvodu

Plazma sa nachádza vo vákuovej komore. V plášti vákuovej komory je lítium, ktoré chladí steny vákuovej komory a pri tom sa roztopí a zachytáva neutróny ktoré sa uvoľňujú pri fúzii. Atóm lítia ktorý zachytí neutrón sa rozpadne na jadro helia + jadro trícia. Hélium a trícium sa odseparuje. Trícium sa znovu použije vo fúzii, hélium sa odvedie a  preto sa musí lítium dodávať. Deutéria je v oceánoch dosť, trícium je vzácne ale vieme ho vyrobiť v reaktore aj lítia sú dosť veľké zásoby. Takže mali by sme o palivo postarané. Môžeme mať výkon ktorý je stabilný nie ako v obnoviteľných zdrojoch. Dokonca ho môžeme výkon aj mierne regulovať.  Dole je princíp termojadrovej elektrárne.

Reakcia sa naštaruje tak, že najpv sa odsajú nečistoty a vstrekne sa zmes deutéria a tricia. Impulzy v primárnej cievke indukujú do vodivých plátov prúdy ktoré ich zohrejú. Tie pláty teplotou zohrejú plynnú zmes na plazmu. Toroidné cievky musia už mať vytvorené magnetické pole. Vonkajšie polodné cievky stláčajú plazmu. Samotná plazma má určitý elektrický odpor a tým sa zohreje asi na 3000000°C. Na zohriatie plazmy potrebujeme oveľa vyššiu teplotu. Plazmu v podstate zahrievame aj jej stláčaním. Na ďalší ohrev sa používa zahusťovanie plazmy vodíkovými atómami a elektrónové ožarovanie plazmy ktoré pôsosobí ako mikrovlnka. Dole je kompletný náčrt ako by mala vyzerať termojadrová elektráreň

Zmes D +T sa dodáva cez sústavu ventilov. V separátore sa oddelí hélium od trícia a prebytočného deutéria. Deutérium a trícium sa následne vracia cez ventily do vákuovej komory. V lítiu je výmeník tepla. Zariadenie označené „Genération courant et chautage“ sú pomocné ohrievače plazmy. Menší štvorček je generátor pulzov elektrónov, ktorý odstreľuje magnetické pole plazmy. Tým pádom magnetické pole generuje elektromagetické pole, ktoré rezonuje s plazmou. Pracuje v podstate ako mikrovlnka. Mikrovlnka rozochvieva vodivé časti v materiále. Plazma je tiež vodivá a preto začne rezonovať. Väčší štvorček je generátor atómov vodíka. Atómy nemajú elektrický náboj, preto môžu prenikať cez magnetické pole a zahusťujú plazmu, dole je obrázok ako vyzerá zariasenie na výrobu rýchlych atómov vodíka

Žltá trubica má kladný náboj je to v podstate koniec urýchľovača protónov ktorý vháňa zväzky protónov do neutralizátora. V urýchľovači sa z horiaceho vodíka odsajú elektróny cez zdroj napätia. Za urýchľovačom je neutralizátor. Je to zúžená trubica s niekoľkými mriežkami ktorá je odizolovaná od trubice urýchľovača a zapojená na záporný pól zdroja. Do mriežok narážajú protóny a vytrhujú elektróny, tým pádom sa protóny spomalia. Elektróny začnú rezonovať, niektoré sa naviažu na protóny a vytvoria sa atómy vodíka. Vytvorené atómy vodíka majú veľku kinetickú energiu. Magnety vychýlia protóny ktoré sa nestihli neutralizovať tie sa následne zničia.