Univerza v Ljubljani Pedagoška fakulteta. Tokamak - ITER. Kristina Kleč. Seminarska naloga pri predmetu Didaktika tehnike s seminarjem I

Transcription

1 Univerza v Ljubljani Pedagoška fakulteta Tokamak - ITER Kristina Kleč Seminarska naloga pri predmetu Didaktika tehnike s seminarjem I Mentor: dr. Janez Jamšek, doc. Ljubljana, 2009

2 Povzetek Seminarska naloga je namenjena učiteljem tehnike, da se seznanijo z najnovejšimi načini pridobivanja energije, in sicer s poskusom pridobivanja energije s fuzijo. Nova spoznanja lahko uporabijo pri obravnavi učne snovi o pridobivanju električne energije v sedmem razredu osnovne šole. Pridobivanje energije v današnjem času temelji na neobnovljivih virih, zato se je pojavila potreba po iskanju novih virov energije. Ena izmed rešitev bi bila posnemanje sonca, torej pridobivanje energije s fuzijo. V ta namen se je oblikoval projekt ITER, ki gradi fuzijski reaktor tipa tokamak. Reaktor bo omogočal proizvodnjo energije v velikem obsegu, hkrati pa bo tudi okolju prijazen, saj fuzija v okolje ne sprosti ogljikovega dioksida in drugih toplogrednih plinov.

3 Kazalo 1 Uvod Navezava na učni načrt Pregled obstoječega gradiva Fuzija energija prihodnosti Energijski viri Prva spoznanja o fuziji Človek in fuzija Nadzorovanje fuzije Stelarator Lasersko proženje fuzije goriva Tokamak ITER Tokamak Poskusni fuzijski reaktor ITER Sklep Viri Priloge... 11

4 1 Uvod Večino energije, brez katere si življenje danes težko predstavljamo, pridobivamo iz neobnovljivih virov. Prav to je bil razlog, da so znanstveniki začeli iskati novo pot do energije. Idejna zasnova se je oblikovala že v začetku 20. stoletja, ko je znanost ugotovila vir energije, ki ogreva Sonce. Energijo naj bi tako pridobivali s fuzijo, in sicer z zlivanjem dveh vodikovih izotopov, kar je popolno nasprotje jedrskim reaktorjem, ki pridobivajo energijo s fisijo oz. razpadom jeder. Oblikovali so projekt ITER, največji svetovni poskus fuzijskega reaktorja tipa tokamak oblikovan tako, da dokaže znanstvene in tehnološke prednosti pridobivanja energije z fuzijo. Prototip reaktorja so začeli graditi leta 2005 v Franciji, zgrajen pa naj bi bil do leta Poskusni reaktor ITER še ne bo proizvajal električne energije. 2 Navezava na učni načrt Seminarska naloga se navezuje na področje elektrike, ki je v učnem načrtu predvidena za sedmi razred osnovne šole. Učenci se seznanijo z alternativnimi načini pridobivanja električne energije. Njihova naloga je, da poiščejo podatke o obremenjevanju okolja z različnimi načini pridobivanja električne energije [1]. Pridobivanje električne energije z alternativnimi viri (sončna, vetrna elektrarna, elektrarna na bibavico ) pa prinaša vrsto vprašanj, predvsem okoljevarstvenih. Prav tu pa lahko učence seznanimo tudi z najnovejšimi idejami, kako pridobiti energijo s fuzijo. Predstavimo jim projekt International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), gradnjo poskusnega fuzijskega reaktorja, ki je osnovan s spoštovanjem do okolja in s ciljem izdelave okolju prijaznih oblik energije. 3 Pregled obstoječega gradiva V današnjem času je glavni pokazatelj razvitosti poraba energije na prebivalca, ki zadnje desetletje raste z letno stopnjo, ki presega 1 %. Ker pa energijo pridobivamo predvsem iz neobnovljivih virov (nafta in zemeljski plin), se zavedamo, da bo le teh zmanjkalo. Zato potrebujemo nov, zanesljivejši energijski vir. Rešitev naj bi bila vir energije, ki ga izrablja tudi sonce, to je jedrska fuzija. Učitelj si lahko pomaga z Učnim načrtom Tehnika in tehnologija [1], s člankom Fuzija energija prihodnosti iz revije Življenje in tehnika [2], s spletno stranjo projekta ITER [3], pa tudi s člankom v katerem je opisana fuzija in mednarodni projekt izgradnje poskusnega fuzijskega reaktorja [4]. Pomaga si lahko tudi npr. s spletno stranjo Culham Centre for Fusion Energy (CCFE) [5], kjer lahko dobi še nekaj podatkov o fuziji, pa tudi o predhodnih poskusnih projektih JET in MAST. 4 Fuzija energija prihodnosti Na hitrost in smer razvoja današnje civilizacije močno vpliva preskrba z energijo. Po dolgih letih predpriprav se je nedavno tega začel eden največjih projektov, ki se ga je kdajkoli lotilo človeštvo. Cilj projekta, imenovanega ITER, je omogočiti uporabo novega, čistega in neizčrpnega vira energije, ki ga izrablja tudi sonce, to je jedrske fuzije [2]. 4.1 Energijski viri Vzpon naše tehnološke civilizacije je omogočila industrijska proizvodnja izdelkov, ki sloni predvsem na povečani porabi energije pridobljene iz zunanjih virov. Ta energija je za današnji način življenja nujno potrebna. Nekaj stoletij nazaj je bilo pridobivanje le-te odvisno od lesa in premoga, danes pa je odvisno predvsem od nafte in zemeljskega plina, slika 4.1. Zanimivo je, da je kljub nedvomnemu povečanju izkoristka naprav, varčnejšim postopkom izdelave in recikliranju surovin glavni pokazatelj razvitosti prav poraba energije na prebivalca. V grobem smo leta 2005 porabili 1,5 t nafte na Zemljana, vendar se poraba v razvitem svetu kljub nizkemu prirastku prebivalstva še povečuje. Energijske razmere v globalnem smislu se bodo še vrsto let zaostrovale, saj poraba zadnje desetletje raste z letno stopnjo, ki presega 1 %. Neobnovljivi viri danes pokrivajo 87 % energijskih potreb [2].

5 Slika 4.1: Viri energije. Prav zato se je pojavila potreba po novem, zanesljivem energijskem viru, ki bi omogočal stabilnost in prihodnost celotne civilizacije. Rešitev so najprej videli v uporabi alternativnih trajnih virov (sončne celice, veter, plima, valovanje, biomasa), a je ta odprla vrsto novih vprašanj, predvsem okoljevarstvenih. Med alternativne vire pa ne prištevamo vodika, ki bi poganjal gorivne celice ali motorje z notranjim zgorevanjem. Vodik je lahko le začasna oblika uskladiščene kemijske energije, saj ga moramo ob precejšnjih izgubah pridobiti iz primarnega vira [2]. 4.2 Prva spoznanja o fuziji Prva spoznanja o fuziji segajo v začetek 20. stoletja, ko je znanost ugotovila vir energije, ki ogreva Sonce. Ugotovili so, da če bi bil notranji vir kemijska reakcija, bi Sonce lahko svetilo le na tisoče let, kar pa se seveda ni ujemalo z geološkimi opažanji, ki so nakazovala starost Zemlje vsaj 2 milijardi let. Nova spoznanja na področju fizike in astronomije so jim omogočila razlago zgradbe atoma in zgradbe jedra. Po letu 1920 je postajalo vse bolj jasno, da je notranji vir energije Sonca vodik. Ugotovili so, da je za začetno zgoščanje kozmičnega prahu v meglice odgovorna zgolj gravitacija, ki privede snov do vse večje gostote in temperature. V nekem trenutku v sredici mlade zvezde energija delcev lahko premaga odbojne električne sile in začne se proces zlivanja lahkih jeder. V reakciji nastane težje in stabilno jedro, zaradi ohranitve simetrije pa iz reakcije odletijo lahki osnovni delci. Nastala energija proces segrevanja še pospeši in zvezda začne stabilno sevati na račun silne zaloge energije. Stanje snovi v ioniziranem stanju imenujemo plazma. Ta je lahko močno razredčena z majhnim deležem ionov, npr. v fluorescenčnih svetilih in ploščatih TV zaslonih, slika 4.2, lahko pa je tudi zelo vroča in gosta. Sonce večino energije izseva v vesolje v obliki elektromagnetnega sevanja, ki ima vrh pri 5500 C [2]. (a) (b) Slika 4.2: Primer uporabe plazme (a) v ploščatih TV zaslonih in (b) v fluorescenčnih svetilih.

6 4.3 Človek in fuzija Prva uporaba fuzije v 50. letih 20. stoletja je bila v vojne namene, in sicer v obliki jedrske bombe, slika 4.3. Ko klasične jedrske bombe niso več zadoščale, so politiki zahtevali še močnejše. Takrat so teoretični fiziki predložili izračune, ki so kazali, da bi nenadzorovano fuzijo lahko sprožila klasična jedrska bomba, uporabljena kot vžigalnik, okoli katerega bi bilo nameščeno fuzijsko gorivo, zaradi proženja z jedrsko bombo pa bi razpršila v okolje velike količine radioaktivnih ostankov. Poimenovali so jo vodikova ali H-bomba, katere gorivo je izbrana mešanica devterija in tritija ali devterija in litija [2]. Slika 4.3: Uporaba fuzije v obliki jedrske bombe. 4.4 Nadzorovanje fuzije Izum jedrske bombe je nakazal izjemen energijski potencial, ki bi se odprl, če bi fuzijo znali obvladovati. V naravi najdemo devterij oz. težki vodik v znatnem deležu, okoli 35 g v kubičnem metru vode. Potrebujemo še tritij, ki je radioaktiven z razpadno dobo 12,4 leta, proizvedemo pa ga lahko tik pred samo reakcijo. Prav neomejenost in cenenost vira pa prikrivata vrsto resnih tehničnih težav. Največja težava njene izvedbe na Zemlji je, da moremo ustvariti velike gostote plazme, ki jo v Sončevi sredici ustvari gravitacija. Ena izmed rešitev, ki jo idejno in materialno nadgrajujejo še danes je tokamak. Poleg tokamaka pa sta aktualna tudi stelarator in lasersko proženje fuzije goriva [2] Stelarator Stelarator, slika 4.4, je ime za napravo, ki jo je leta 1951 predlagal astrofizik Lyman Spitzer. Plazmo vzbudijo v evakuirani cevi, ki je zgrajena v obliki osmice ali zavite nesimetrične krivulje. Magnetno polje znotraj nje ustvarijo z zapletenim nizom tuljav nepravilnih oblik, razmeščenih vzdolž cevi. Tok plazme na sredini preseka posode je s poljem nadzorovan tako, da ostane ločena od sten. Prvo prototipno napravo so v Princetonu v ZDA začeli graditi v laboratoriju L. Spitzerja leta 1953 [2]. Slika 4.4: Stelarator.

7 4.4.2 Lasersko proženje fuzije goriva Močni pulzni laserji omogočajo, da se v gorišču, kamor je usmerjen žarek, snov izjemno intenzivno segreje. Ustvarjena plazma naj bi tako v primerno pripravljeni mikrokapsuli s plinastim gorivom povečala tlak, nakar bi se pospešena jedra v sredini zlila in oddala energijo okolici. Kapsule so danes zaradi varnejšega dela napolnjene z devterijem. Sam koncept je izjemno privlačen, saj je količina goriva v kapsuli omejena, moč fuzijske elektrarne pa bi bilo mogoče nadzorovati s pogostostjo dodajanja kapsul in pulzov. Prvotni namen te vrste raziskav ni bil nadzorovana fuzija, temveč izdelava majhne H-bombe, kjer bi laser nadomestil klasično proženje s klasično jedrsko bombo [2]. 5 Tokamak ITER Fuzija ima pomembno vlogo pri odkrivanju novih energetskih virov za naš planet, saj omogoča proizvodnjo energije v velikem obsegu, pri tem pa v okolje ne sprosti ogljikovega dioksida in drugih toplogrednih plinov. Projekt ITER je pomemben korak na poti do fuzijske elektrarne, saj je osnovan z spoštovanjem do okolja in s ciljem izdelave okolju prijaznih oblik energije [3]. 5.1 Tokamak Slika 5.1: Tokamak. Beseda za reaktor tokamak, slika 5.1, se je prvič pojavila na začetku 50. let prejšnjega stoletja. Ime pomeni rusko okrajšavo za toroidno posodo, obdano z magnetnim poljem. Gre za napravo, ki naj bi omogočila izvajanje poskusov z vročo vodikovo plazmo, ki jo od sten nadzorovano ločujejo z močnim magnetnim poljem, ki ga ustvarjajo toroidne tuljave, nameščene okoli posode, slika 5.2. Poleg toroidne tuljave so tudi dodatne, poloidne tuljave, ki zagotavljajo stabilnost plazme [2]. Slika 5.2: Trije tipi tuljav v tokamaku poloidne za vžig in vzdrževanje razelektritve (rdeče), toroidne za zadrževanje plazme na sredini posode (zelene), poloidne za popravljanje nestabilnosti plazme (modre).

8 Tokamaki nevtralno mešanico goriva najprej z elektromagnetnim pulzom, ki ga ustvarjajo na sredini nameščene tuljave, ionizirajo. Nato z dodajanjem energije v primernih pulzih ali z dodatnimi antenami, nameščenimi zunaj posode, le-to segrevajo naprej. Magnetno polje ionom ne omogoča pobega, energija ob trkih se veča in ob kritični temperaturi in gostoti naj bi se začelo zlivanje. Sproščena energija v tem trenutku močno preseže izgube zaradi sevanja plazme in vrne vloženo energijo stenam [2]. Temeljni problem plazemskih reaktorjev je iskanje optimalnega načina segrevanja plazme, saj je velikanska količina energije shranjena v plazmi, še preden le-ta doseže razmere za zlivanje. Zaradi nepredvidljive nestabilnosti se lahko njena energija prenese na stene, to pa povzroči njihovo taljenje in poškodbe hladilnega sistema. Ena večjih neznank reaktorjev tipa tokamak je, kako odvesti v fuziji sproščeno energijo. To v največji meri odnesejo nevroni, na katere magnetno polje ne deluje, ustavljajo pa se že v od sevanja plazme vročih stenah, kjer lahko povzročajo tvorbo stabilnih ali radioaktivnih izotopov. Sproščena energija segreje hlajeni ščit reaktorja, od koder energijo s hladilno tekočino prenesejo v toplotni izmenjevalnik [2]. Na svetu je bilo od polovice 20. stoletja naprej zgrajenih več kot 20 reaktorjev tipa tokamak, načrtovalci pa so še v 60. letih prejšnjega stoletja pogosto obljubljali skorajšnje doseganje izkoristka blizu 1 %. Za mnoge težave so vedeli, mnoge so se razkrile z razočaranji, šele zadnje desetletje pa se realno nakazuje možnost povečanja izkoristka reaktorja nad 1 %. Doslej so le v dveh tokamakih opravili preizkuse s tritijem. Eden od teh je JET (angl. Joint European Torus - Združeni evropski tokamak), v katerem so s fuzijo za trenutek dosegli doslej največji izkoristek 0,64 % [2]. 5.2 Poskusni fuzijski reaktor ITER ITER je bila sprva kratica za International Thermonuclear Experimental Reactor, danes pa predstavlja ''pot'' do novega vira energije (lat. iter - pot). Gre za mednarodni projekt gradnje fuzijskga reaktorja, katerega pobudnik je bil Mihael Gorbačov, ki je z Ronaldom Reaganom leta 1985 podpisal namero o sodelovanju. Projekt sestavlja skupina šestih partnerjev, ki predstavljajo polovico vsega človeštva, in sicer skupnost evropskih držav članic EU (25 držav), Kitajska, Japonska, Južna Koreja, Ruska federacija in ZDA. Potekal bo vrsto let na različnih ravneh sodelovanja in bo povezal tako znanstvene kot industrijske potenciale držav podpisnic. Njihov prvi cilj je izdelava prototipnega reaktorja z dokazano sposobnostjo ustvarjanja stabilnih pogojev plazme, ki se bo po vžigu zaradi zlivanja jeder ogrevala sama in vrnila vloženo energijo [2]. V letu 2005 so začeli graditi prototip reaktorja v mestu Cadarache v Provansi na jugu Francije, slika 5.3. Tam je že zgrajen eden od največjih in najsodobnejših reaktorjev Tore Supra, kar pomeni, da kraj že ima logistično infrastrukturo in del kadrov [2]. Za izgradnjo reaktorja bodo potrebovali več deset tisoč ton jekla in betona, berilij, niobij, titan, volfram, tekoči dušik in helij, zgrajen pa naj bi bil do leta Združil bo dva izotopa vodika, devterij in tritij, pri tem pa se bo sprostilo veliko energije. Rezultat naj bi bila čista električna energija, brez primesij ogljika in z veliko manj radioaktivnih odpadkov od današnjih jedrskih reaktorjev. Sam koncept jedrske fuzije je zelo preprost, a izvedba le-tega je zelo zahtevna. Obe jedri izotopa imata pozitivni električni naboj, zato odbijata drug drugega. Združiti ju je mogoče samo pri zelo visokih temperaturah, ki pa jih celo najbolj odporni gradbeni materiali ne prenesejo [4]. Slika 5.3: Cadarache, Francija.

9 ITER, slika 5.4, je izjemno zahteven projekt, predvsem s stališča zahtevnosti in usklajevanja med podpisnicami. Za prvih 10 let, ko bosta potekali gradnja in zagon prvega reaktorja, je predvidenih 4,57 milijarde, v naslednjih 20 letih še 4,8 milijarde, za zapiranje pa je predvidenih 530 milijonov. Po tehnični zahtevnosti bo ITER največji reaktor tipa tokamak, ki bo omogočal zlivanje devterija in tritija. Prizadevajo si, da bi za vsaj 400 s dosegli moč 500 MW ob vložku 50 MW, torej reaktor naj bi dosegel desetkratno povečanje moči. Reaktor ITER še ne bo proizvajal električne energije, a že pri naslednjem reaktorju, imenovanem DEMO, naj bi sproščeno toploto odvedli iz reaktorja s hladilno tekočino, ki odda toploto izmenjevalniku. Paro lahko uporabijo za pogon parnih turbin kot pri termo ali jedrskih elektrarnah [2]. Slika 5.4: Prerez reaktorja ITER; figura človeka na dnu risbe omogoča boljšo predstavo o dejanski velikosti. Uporabili bodo mnoge tehnične rešitve, ki so rezultat desetletij dela na manjših tokamakih v državah podpisnicah, nekaj pa je tudi novih, prilagojenih velikosti in potrebam projekta ITER. Med preizkušenimi tehnologijami je uvajanje tritija in njegovo ločevanje iz mešanice po ugasnitvi plazme. V reaktorju ITER bodo s tuljavami na temperaturi tekočega helija dosegli jakost magnetnega polja 5,4 T. Vakuumska posoda bo imela prostornino 840 m 3, premer toroida pa bo 12,4 m. Bistveno večja velikost vakuumske posode in večja jakost polja pomenita prednost, ki pri enaki temperaturi plazme omogoča bistveno manjšo segrevanje sten z nevtroni kot pri manjših napravah in s tem lažje odvajanje toplote. Z ekonomskega vidika se zastavlja vprašanje, ali se bo naložba izplačala oziroma ali bo fuzija postala trajni vir energije. Odgovor danes še ni znan, saj vsi ključni problemi še niso rešeni. Med glavne sodi izbira materiala za ščite, ki so toplotno najbolj obremenjeni deli reaktorja, saj skoznje teče hladilna tekočina, na površini pa morajo vzdržati visoko temperaturo ter velik tok nevtronov in ionov. Med najprimernejše materiale za njihovo izdelavo danes uvrščajo volframove zlitine in kompozitne materiale na podlagi ogljika [2]. Po prvem vžigu plazme s tritijem človek ne bo smel več vstopiti v reaktor ITER. Problem vsakega fuzijskega reaktorja je tudi z nevtroni inducirana radioaktivnost, ki jo poskušajo znižati z izbiro najprimernejših materialov. Zelo pomemben je nadzor parametrov plazme, saj lahko nenadzorovana nestabilnost v trenutku močno poškoduje stene reaktorja. Danes se z računalniškim modeliranjem ukvarjajo vodilne skupine znanstvenikov, ki bodo poskušali na podlagi teoretičnih izračunov zagotoviti zanesljivo krmiljenje magnetov in drugih komponent tudi med samim delovanjem [2].

10 6 Sklep Ali bo varna uporaba fuzije, kot novega vira energije pripomogla k razvoju človeštva še ne vemo, saj nam bo to pokazal šele čas. Vsekakor bo projekt ITER prispeval dragocena znanja z neraziskanih področij znanosti in tehnike. Sodelujoče države se bodo tudi kasneje lahko potegovale za sodelovanje v velikih projektih, ki mu bodo najbrž sledili. ITER je odprl vrsto priložnosti za mednarodno izmenjavo znanstvenikov pa tudi obetavno kariero mladih nadarjenih znanstvenikov in inženirjev. 7 Viri [1] A. Praprotnik in ostali, Učni načrt Tehnika in tehnologija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo znanost in šport, Zavod RS za šolstvo, 2002). [2] Nemanič, Vincenc: Fuzija - energija prihodnosti, Življenje in tehnika 4, str (2007). [3] Spletna stran projekta ITER [ [4] Stephen Battersby, Building a second sun: Take $10 billion, add coconuts (oktober 2009) [ [5] Spletna stran Culham Centre for Fusion Energy (CCFE) [

11 8 Priloge 8.1 Učni list: Tokamak - ITER 1.) Na hitrost in smer razvoja današnje civilizacije močno vpliva preskrba z energijo. Kaj je bil glavni razlog za iskanje novega vira energije? 2.) Kako naj bi reaktor ITER pridobival energijo? a) s fuzijo oz. zlivanjem jeder b) s fisijo oz. razpadom jeder c) s fuzijo oz. razpadom jeder d) s fisijo oz. zlivanjem jeder 3.) Zlivanje katerih dveh izotopov vodika naj bi reaktor omogočal? a) devterija in tritija b) vodika in devterija c) vodika in tritija 4.) Zakaj ju je mogoče združiti samo pri zelo visokih temperaturah? 5.) Zakaj po prvem vžigu plazme s tritijem človek ne bo smel več vstopiti v reaktor ITER? 6.) Ali bo reaktor ITER prijazen do okolja in zakaj?

12 8.2 Rešen učni list: Tokamak ITER 1.) Na hitrost in smer razvoja današnje civilizacije močno vpliva preskrba z energijo. Kaj je bil glavni razlog za iskanje novega vira energije? Pridobivanje energije predvsem iz neobnovljivih virov. 2.) Kako naj bi reaktor ITER pridobival energijo? a) s fuzijo oz. zlivanjem jeder b) s fisijo oz. razpadom jeder c) s fuzijo oz. razpadom jeder d) s fisijo oz. zlivanjem jeder 3.) Zlivanje katerih dveh izotopov vodika naj bi reaktor omogoča? a) devterija in tritija b) vodika in devterija c) vodika in tritija 4.) Zakaj ju je mogoče združiti samo pri zelo visokih temperaturah? Ker jedri obeh izotopov vsebujeta pozitivni električni naboj in se zato med sabo odbijata. 5.) Zakaj po prvem vžigu plazme s tritijem človek ne bo smel več vstopiti v reaktor ITER? Zaradi radioaktivnega sevanja. 6.) Ali bo reaktor ITER prijazen do okolja in zakaj? Da, saj fuzija omogoča proizvodnjo energije v velikem obsegu, pri tem pa v okolje ne sprosti ogljikovega dioksida in drugih toplogrednih plinov.