Tokamak je naprava, ki uporablja močno magnetno polje za omejitev vroče plazme v obliki torusa. To je ena od več vrst naprav za magnetno delovanje, ki se razvijajo za proizvodnjo nadzorovane termonuklearne fuzijske energije. Od leta 2016 je vodilni kandidat za praktični fuzijski reaktor.
Prvi tokamak, T-1, je začel delovati leta 1958. Sredi 60. let prejšnjega stoletja so se načrti tokamaka začeli močno izboljševati. Začetni rezultati so bili objavljeni leta 1965. Drugi niz rezultatov je bil objavljen leta 1968, tokrat pa je zahteval uspešnost daleč pred katero koli drugo napravo in je bil prav tako ocenjen kot nezanesljiv. To je privedlo do povabila delegacije iz Združenega kraljestva, da izvede lastne meritve. Ti so potrdili sovjetske rezultate, njihova publikacija iz leta 1969 pa je povzročila stampedo konstrukcije tokamaka.
Do sredine sedemdesetih let se je po vsem svetu uporabljalo na ducate tokamakov. Do poznih sedemdesetih let so ti stroji dosegli vse pogoje, potrebne za praktično fuzijo, čeprav ne istočasno niti v enem samem reaktorju. Zdaj je bil na vidnem mestu, da bo cilj pokrit, z novo serijo strojev, ki bi delovala na fuzijskem gorivu devterija in tritija. Ti stroji, zlasti skupni evropski torus (JET), tokamak fuzijski testni reaktor (TFTR) in JT-60, so imeli izrecni cilj, da dosežejo prag.
Namesto tega so ti stroji pokazali nove težave, ki so omejevale njihovo zmogljivost. Reševanje teh težav zahteva veliko večji in dražji stroj, ki presega zmožnosti ene države. Po začetnem dogovoru med Ronaldom Reaganom in Mihailom Gorbačovom novembra 1985 je nastal napor Mednarodnega termonuklearnega poskusnega reaktorja (ITER), ki ostaja primarno mednarodno prizadevanje za razvoj praktične fuzijske energije. Veliko manjših modelov in odsekov, kot je sferični tokamak, se še naprej uporabljajo za raziskovanje parametrov učinkovitosti in drugih vprašanj.
S tokamak reaktorji izkoriščajo moč sonca
V zadnjih nekaj desetletjih smo bili večkrat opomnjeni, da lahko naša konvencionalna sredstva za proizvodnjo energije povzročijo skrajne posledice. Dokler so vpleteni napačni ljudje, je tveganje vedno prisotno. Tako mnogi veliki umi delajo na razvoju tehnologij, ki lahko preprečijo, da bi takšne napake postale katastrofalne.
Ena od teh tehnologij, imenovana reaktor Tokamak, je magnetna zadrževalna naprava, ki je ena izmed najbolj raziskanih metod za nadzorovano termonuklearno fuzijsko moč, govor je o napravi, ki lahko izkoristi energijo z istim mehanizmom, ki napaja sonce v manjšem obsegu. Začetno zasnovo je prvič teoretiziral ruski fizik Oleg Lavrentiev v petdesetih letih prejšnjega stoletja, toda šele nekaj let pozneje sta dva ruska fizika - Igor Tamm in Andrei Saharov - izumila, kar zdaj poznamo kot tokamak (čeprav njihova naprava še vedno temelji na Olegovi začetni zamisli).
Kako deluje naprava Tokamaks
Današnji tokamak uporablja elektromagnetizem za zadrževanje plazme v reaktorju, tako da se dejansko ne dotika sten reaktorja. Ne samo, da je torusna oblika Tokamaka ključna pri doseganju pravega plazemskega ravnovesja, ampak omogoča tudi manipulacijo linij magnetnega polja v torusu v spiralni obliki, ta oblika pa nastane s kombiniranjem toroidalnega in poloidnega magnetnega polja.
Elektromagneti, ki obdajajo torus, ustvarjajo toroidalno polje (preprosto rečeno, toroidno polje je magnetno polje, ki potuje v krogih okoli torusa). Podobno se elektromagneti v notranjosti torusa uporabljajo za induciranje poloidnega polja (generira ga električni tok plazme). To poloidno polje potuje v krogih, pravokotno na toroidnim poljem, kar ima za posledico zahtevano spiralno obliko.
Čeprav je tehnologija že nekaj časa prisotna in se je izkazala za učinkovito, ne deluje brez omejitev. Zaradi omejenega napredka v tehnologiji je največja težava v tokamskem reaktorju ogrevanje plazme. Da bi plazma dosegla svojo delovno temperaturo, jo je treba segreti na 10 keV, kar ustreza približno 100 milijonom stopinj Celzija. Uporabljajo se različne metode za segrevanje plazme, ki segajo od uporabe magnetnega stiskanja do bombardiranja plazme z visokofrekvenčnimi mikrovalovi.
Pretvarjanje energije iz toplote v napravi Tokamak
ITER bo največji tokamak na svetu in dvakrat večji od največjega stroja, ki je trenutno v obratovanju, z desetkratno prostornino plazemske komore.
Tokamak ustvarja energijo tako, da absorbira velike količine visoko energijskih nevtronov. Ti nevtroni nastanejo zaradi segrevanja plazme okoli reaktorja. Ker so ti nevtroni nevtralno nabiti, jih magnetna polja ne zadržujejo več v plazemskem toku in se nadaljujejo zunaj, dokler jih ne ustavijo notranje stene reaktorja. Toplota teh nevtronov se nato pretvori v energijo, zaradi hlajenja pa se je veliko izgubi.
Nevtroni prinašajo toliko energije, da bi dejansko lahko stopili stene reaktorja, kar očitno ni dobro. Da bi to preprečili in uničili sistem, je potreben kriogeni hladilni sistem. Tak sistem uporablja mešanico tekočega helija in tekočega vodika. V kombinaciji s keramičnimi ploščami ščitijo superprevodne magnete in stene reaktorja. Trenutno je okoli 30 znanih reaktorjev Tokamak, ki so delovali po vsem svetu, večina pa jih je bila razpršena po Evropi, Rusiji in na Kitajskem.
Kako izboljšati prihodnost
Trenutno se največji reaktor Tokamak, ITER, ki je kratica za mednarodni termonuklearni poskusni reaktor, gradi v Cadaracheu v Franciji. Kot že ime pove, je to mednarodni skupni program med Evropsko unijo, Indijo, Japonsko, Kitajsko, Rusijo, Južno Korejo in Združenimi državami. Evropska unija prispeva 45 % od 16 milijard EUR stroškov, ostalih šest udeležencev je prispevalo po 9 %.
ITER je zasnovan za proizvodnjo 500 MW energije, za katero fiziki menijo, da je približno desetkratna količina energije, potrebne za segrevanje plazme na želeno temperaturo, da se ohranja fuzija. Z ozirom, da je to prvi reaktor te vrste, še vedno ni načrtov za uporabo presežne električne energije.
Predlagana naloga ITER je prikazati izvedljivost fuzijskega reaktorja in da lahko deluje brez negativnih vplivov na okolje ali okoliške ekosisteme. Pričakuje se, da bo projekt ITER trajal 30 let, z 10 leti za gradnjo in 20 let za eksperimentiranje. Leta 2008 so bila na gradbišču razbita tla in v letu 2015 so začeli graditi sam reaktor. Načrtovano je bilo, da naj bi leta 2020 dosegli prvo plazmo. In do leta 2027 upajo, da bodo začeli z odgovori devterija in tritija.
Naprava za proizvodnjo električne energije
Fuzija je vir energije Sonca in zvezd. V ogromni vročini in težnosti v središču teh zvezdnih teles, se vodikova jedra trčijo, spajajo se v težje helijeve atome in v procesu sproščajo ogromne količine energije. Znanost o fuziji dvajsetega stoletja je ugotovila, da je najučinkovitejša fuzijska reakcija v laboratorijskem okolju reakcija med dvema izotopoma vodika, devterijem (D) in tritijem (T). DT fuzijska reakcija proizvaja največji energetski dobiček pri "najnižjih" temperaturah.
Za dosego fuzije v laboratoriju morajo biti izpolnjeni trije pogoji, in sicer: zelo visoka temperatura (okoli 150.000.000 °C), zadostna gostota delcev v plazmi (za povečanje verjetnosti, da pride do trkov), in dovolj časa za zaprtje (za zadrževanje plazme, ki ima nagnjenost k širjenju, v določenem obsegu). Pri zelo visokih temperaturah so elektroni ločeni od jeder in plini postanejo plazma, ki se pogosto imenuje četrto stanje snovi. Fuzijska plazma zagotavlja okolje, v katerem se lahki elementi spajajo in dajejo energijo.
Kaj je Tokamak
V napravi tokamak se za omejevanje in nadzor plazme uporabljajo močna magnetna polja. Elektrarne danes temeljijo na fosilnih gorivih, jedrski fuziji ali obnovljivih virih, kot sta veter ali voda. Ne glede na vir energije naprave proizvajajo električno energijo s pretvorbo mehanske moči, kot je vrtenje turbine, v električno energijo. Na parni postaji, ki deluje na premog, se pri izgorevanju premoga voda pretvori v paro, pare pa poganjajo turbinske generatorje za proizvodnjo električne energije.
Tokamak je poskusni stroj, namenjen izkoriščanju energije zlitja. Znotraj tokamaka se energija, proizvedena s fuzijo atomov, se toplota absorbira v stena posode. Tako kot konvencionalna elektrarna bo fuzijska elektrarna to toploto uporabila za proizvodnjo pare in nato električne energije s pomočjo turbin in generatorjev. Srce tokamaka je v vakuumski komori v obliki krofa.
V notranjosti, pod vplivom zelo visoke toplote in tlaka, plinasti vodik postane plazma, okolje, v katerem se vodikovi atomi spajajo in dajejo energijo. Zaračunani delci plazme se lahko oblikujejo in nadzirajo z masivnimi magnetnimi tuljavami, nameščenimi okoli posode. Fiziki uporabljajo to pomembno lastnost za zadrževanje vroče plazme od sten posode. Izraz "tokamak" prihaja iz ruske kratice, ki pomeni "toroidalna komora z magnetnimi tuljavami".
Tokamak je bil razvit v sovjetskih raziskavah v poznih šestdesetih letih. Po vsem svetu pa je bil sprejet kot najbolj obetavna konfiguracija naprave za magnetno fuzijo. ITER bo največji tokamak na svetu, ki bo dvakrat večji od največjega stroja, ki je trenutno v obratovanju, z desetkratno prostornino plazemske komore.
Poleg očitnih znanstvenih dosežkov je ITER drugi cilj znanstvenikov, da pokažejo, da so fuzijski reaktorji čistejša in varnejša alternativa za pridobivanje električne energije kot naši tradicionalni fuzijski reaktorji. Na voljo je veliko primerov cepitvenih reaktorjev, ki se topijo do različnih razsežnosti (otok Three Mile, Černobil in Fukušima).
Plazma zahteva precej specifično temperaturo za vzdrževanje fuzije v reaktorju, in če nekaj povzroči, da ne bo ravnotežja, se proces fuzije ustavi v nekaj sekundah in se takoj preneha proces reakcije. Zlom je fizično nemogoč. Zamenjava fuzijskih reaktorjev s fuzijskimi reaktorji bi bil način človeštva, da bi naredil prvi korak od civilizacije tipa 0 do civilizacije tipa 1 na Kardashevovi lestvici.
Razlika med fisija in fuzija
Znotraj sonca pride do fuzijskih odgovorov pri zelo visokih temperaturah in ogromnih gravitacijskih tlakih.
Tako fisija kot fuzija sta jedrski reakciji, ki proizvajata energijo, vendar namenski programi niso enaki. Cepitev je cepitev težkega, nestabilnega jedra na dve lažji jedri, fuzija pa je proces, v katerem se dve lahki jedri združita in sprostita veliko količino energije.
Cepitev se uporablja v jedrskih reaktorjih, kjer jo je mogoče nadzorovati, fuzija pa se ne uporablja za proizvodnjo energije, kjer reakcije ni lahko nadzorovati in je draga. Da se ustvarijo potrebni pogoji za fuzijske reakcije, se raziskave nadaljujejo na načine, kako bolje izkoristiti mogoče fuzije. Toda raziskave so še vedno v poskusnih fazah. Čeprav sta procesa različna, imata oba pomembno vlogo že iz preteklosti, sedanjosti in prihodnosti za ustvarjanja energije.
Temelj jedrske energije je izkoriščanje moči atomov. Tako fisija kot fuzija sta jedrska procesa, s katerima se atomi spreminjajo in ustvarjajo energijo, toda kakšna je razlika med njima? Preprosto povedano, fisija je delitev enega atoma na dva in fuzija je kombinacija dveh lažjih atomov v večji. So nasprotni procesi in so zato zelo različni.
V jedrski fiziki in jedrski kemiji je jedrska fisija jedrska reakcija ali radioaktivni proces razkroja, pri katerem se jedro atoma razdeli na manjša, lažja jedra. Proces cepitve pogosto proizvaja brezplačne nevtrone in gama fotone ter sprosti zelo veliko količino energije tudi z energetskimi standardi radioaktivnega razpada.
Jedrsko fisijo težkih elementov je 17. decembra 1938 odkril nemški Otto Hahn. Kasneje v letu 1939 je bil postopek poimenovan po analogiji z biološko cepitvijo živih celic. Pri težkih nuklidih gre za eksotermno reakcijo, ki lahko sprosti velike količine energije kot elektromagnetno sevanje in kot kinetično energijo drobcev (segrevanje večinskega materiala, kjer poteka fisija). Da bi cepitev ustvarila energijo, mora biti celotna vezna energija nastalih elementov bolj negativna (večja vezna energija) kot energija začetnega elementa.
Nepredvidljiva sestava produktov (ki se spreminjajo s široko verjetnostno in nekoliko kaotično) se razlikujejo cepitve od čisto kvantno tunelskih procesov, kot sta emisija protonov, alfa razpad in razpad grozdov, ki vsakič dajejo iste produkte. Jedrska fisija proizvaja energijo za jedrsko energijo in poganja eksplozijo jedrskega orožja. Obe uporabi sta možni, ker nekatere snovi, imenovane jedrska goriva, trpijo zaradi fisijskih nevtronov in nato izločajo nevtrone, ko se razpadejo. Zaradi tega je možna samo-vzdržljiva jedrska verižna reakcija, ki sprosti energijo pod nadzorovano hitrostjo v jedrskem reaktorju ali zelo hitro in nenadzorovano v jedrskem orožju.
Količina proste energije v jedrskem gorivu je milijon krat večja od proste energije, ki jo vsebuje podobna masa kemičnega goriva, kot je bencin, zaradi česar je jedrska fisija zelo gost energetski vir. Izdelki jedrske cepitve pa so v povprečju veliko bolj radioaktivni od težkih elementov, ki se običajno razgradijo kot gorivo, in tako ostanejo v znatnih količinah časa, kar povzroča težavo jedrskih odpadkov. Zaskrbljenost zaradi kopičenja jedrskih odpadkov in uničujočega potenciala jedrskega orožja je protiutež mirni želji po uporabi fisije kot vira energije.
Prednosti
Ker je goriva relativno malo, se velike nesreče sploh ne morejo pripetiti (kot pri fisijskih reaktorjih). Simulacije so pokazale, da niti v najslabšem primeru ne bi bila potrebna evakuacija ljudi.
Ogromno pozitivnih lastnosti kaže, da fuzijski reaktorji obetajo, predvsem z okoljevarstvenega vidika. Fuzijski reaktorji praktično skoraj ne bodo imeli radioaktivnih odpadkov. S temi reaktorji bi lahko proizvajali energijo brez izpusta toplogrednih plinov. Tako bi lahko nadomestili prihodnje dodatne potrebe po energiji ter nadomestili trenutne elektrarne.
Projekt ITER je tudi en od zadnjih korakov k serijski proizvodnji fuzijskih elektrarn. Seveda pa bo potrebnega še precej truda in trdega dela.
- Peter Stott, Tokamaks, 1987
- iter.org
- scribd.com, Fisija in Fuzija
- https://nuclear.duke-energy.com
I.K.
