Nuklearne napędy kosmiczne cz. 1

0

W dniach 30 września – 2 października 2011 roku w Orlando na Florydzie odbyło się sympozjum “100 year spaceship” organizowane przez DARPA. Jednym z poruszanych tematów była kwestia napędów, które można by wykorzystać w trakcie podróży poza Układ Słoneczny. Jak na razie najlepszym pomysłem wydaje się być wykorzystanie napędu opartego na reakcjach termojądrowych.

{jathumbnail off}Reakcja termojądrowa, zwana również syntezą termojądrową czy fuzją termojądrową, polega na tym, że dwa lub więcej jąder atomowych lżejszych pierwiastków (np. wodoru lub jego izotopów) łączą się tworząc cięższy pierwiastek (np. hel). Problemem jest tutaj fakt, że jądra atomowe, mając ten sam ładunek elektryczny (dodatni), odpychają się wzajemnie. Aby więc możliwe było ich połączenie, muszą się one zbliżyć do siebie wystarczająco, aby siły oddziaływań jądrowych pokonały odpychanie elektrostatyczne.

Najlepszym przykładem syntezy termojądrowej zachodzącej naturalnie we Wszechświecie są reakcje termojądrowe we wnętrzach gwiazd. Pozwalają na to warunki panujące we wnętrzu gwiazdy, tj. ekstremalna temperatura (w jądrze Słońca temperatura osiąga 14 milionów stopni Celsjusza) i ekstremalne ciśnienie. W warunkach takich cząsteczki gazu mają tak wysoką energię kinetyczną, że podczas zderzeń są w stanie przezwyciężyć odpychanie elektrostatyczne i zbliżyć się na tyle, by pod wpływem sił jądrowych lżejsze jądra mogły połączyć się w jedno cięższe.

Jedną z prób wykorzystania syntezy jądrowej jako źródła energii jest JET (Joint European Torus), największy na świecie działający tokamak zlokalizowany w pobliżu Culham w Wielkiej Brytanii. Tokamak (toroidalna komora magnetyczna) jest to urządzenie pozwalające na przeprowadzanie kontrolowanej reakcji termojądrowej poprzez magnetyczne uwięzienie plazmy. Główna komora, w kształcie torusa, wypełniana jest gazem (deuterem lub deuterem i trytem). Podczas ogrzewania następuje jonizacja gazu, tj. poszczególne atomy tracą elektrony otaczające ich jądra atomowe. Powstaje w ten sposób mieszanina dodatnio naładowanych jąder i ujemnie naładowanych elektronów, zwana plazmą.

Ze względu na temperaturę, do której podgrzewany jest gaz, konwencjonalne zbiorniki nie mają tutaj zastosowania. Gdyby gorący gaz zetknął się ze ścianami zbiornika, uszkodziłby je, samemu się schładzając, a więc przerywając reakcję. Dlatego plazma ograniczana jest za pomocą pola magnetycznego. Jest to możliwe ze względu na to, że nie jest ona elektrycznie obojętna. Wynikowe pole magnetyczne wykorzystywane do ograniczania plazmy składa się ze składowej toroidalnej i składowej poloidalnej. Składowa toroidalna powstaje dzięki rozmieszczeniu magnesów wokół torusa komory (zaznaczone na niebiesko na poniższym rysunku). Składowa poloidalna jest dodawana, aby skompensować zjawisko dryfu (które powoduje, że wiele cząstek jest traconych). Jest ona generowana przez wzbudzany w plazmie przepływ prądu (drugi schemat na poniższym rysunku). Na ostatnim schemacie poniżej pokazane są poglądowe linie wynikowego pola magnetycznego, wykorzystywanego do ograniczania plazmy (wzdłuż których wędrują cząsteczki plazmy).

Rozkład pola magnetycznego ograniczającego plazmę / Credits: Wikipedia

Za podgrzewanie plazmy odpowiedzialny jest przepływający przez nią prąd. Niestety, wraz ze wzrostem temperatury plazmy, jej opór magnetyczny spada, co ogranicza wykorzystanie tej metody jedynie do temperatur rzędu 10 milionów stopni (zakłada się, że do uzyskania efektywnej fuzji termojądrowej w warunkach ziemskich, potrzebna jest temperatura około 100 milionów stopni). Istotnym parametrem, jeśli chodzi o ogrzewanie plazmy jest współczynnik wzmocnienia Q. Jest to stosunek mocy wytworzonej wskutek reakcji termojądrowych do całkowitej mocy dostarczanej z zewnątrz do ogrzania plazmy. Dwie wartości tego parametru są szczególnie istotne: 1 i nieskończoność. Q=1 to próg użyteczności reaktora. Dla tej wartości występuje stan zrównoważenia (break even) – moc dostarczana równa się mocy produkowanej. W reaktorze JET jak na razie nie udało się osiągnąć Q większego od 1. W testach uzyskano 16 MW mocy przy dostarczeniu 25 MW. Test trwał zaledwie 2 sekundy, a do jego przeprowadzenia niezbędna była zgoda krajowej sieci energetycznej. Q równe nieskończoności jest warunkiem zapłonu plazmy. O zapłonie plazmy można mówić w sytuacji, w której po wyłączeniu zewnętrznych systemów grzania, ciepło pochodzące od reakcji termojądrowych wystarcza do podtrzymywania tych reakcji. Aby mogło dojść do zapłonu plazmy musi być spełniony warunek Lawsona (odpowiednia wartość iloczynu gęstości i temperatury jonów w plazmie oraz czasu uwięzienia plazmy). Wielu naukowców jest zdania, że pytaniem nie jest, czy ten warunek da się spełnić, ale kiedy. Stworzenie reaktora z samopodtrzymującą się reakcją termojądrową, byłoby przełomem jakiego jeszcze nie było w energetyce.

Jak wspomniano powyżej, testy reaktora JET nie pozwoliły na osiągnięcie współczynnika wzmocnienia Q większego od 1. Próbą znalezienia rozwiązania dla tego problemu (tj. uzyskania wydajnego reaktora termojądrowego) jest wart 10 miliardów euro międzynarodowy projekt ITER. Celem projektu ITER jest udowodnienie, że możliwe jest komercyjne wykorzystanie fuzji termojądrowej. Projekt zakłada osiągnięcie Q równego co najmniej 10, tj. produkcję 10-krotnie tej ilości energii, jaka będzie dostarczana do urządzenia. Obecnie budowana jest placówka dla projektu ITER (w pobliżu Marsylii). Prace konstrukcyjne rozpoczęły się w 2010 roku i mają potrwać do 2017. Po uruchomieniu reaktor ma działać przez 20 lat.

Projekt ITER również opierać się będzie na tokamaku. Paliwem wykorzystywanym w reakcjach termojądrowych będzie mieszanka deuter-tryt. Będzie ona podgrzewana do temperatury rzędu 150 mln stopni Celsjusza za pomocą przepływającego przez nią prądu i mikrofal. Plazma otoczona będzie próżnią, aby nie marnować energii na podgrzewanie otoczenia. Więziona będzie w sposób typowy dla tokamaków, tj. poprzez magnetyczne uwięzienie plazmy. Specjalne konstrukcje zabezpieczać będą otoczenie przed promieniowaniem neutronowym (neutrony, jako że są pozbawione ładunku, uciekają z pułapki magnetycznej). Kwestia promieniowania neutronowego jest o tyle ciekawa, że można ją wykorzystać w dwóch ważnych celach: do produkcji trytu oraz do produkcji dodatkowej energii, gdy neutrony są spowalniane na osłonie, a ich energia kinetyczna jest zamieniana na energię cieplną i przekazywana chłodziwu. Zwłaszcza pozyskiwanie trytu jest tutaj bardzo istotne, jako że jego zasoby na Ziemii są bardzo małe (szacowane na 20 kilogramów). Deuter może być pozyskiwany w niemalże nieograniczonych ilościach z morskiej wody. Tryt natomiast można na szczęście wyprodukować, gdy lit bombardowany jest neutronami. W pierwszej fazie projektu ITER żadna z tych strategii nie będzie wykorzystywana.

Przekrój tokamaka ITER / Credits: ITER

Przekrój tokamaka ITER / Credits: ITER

Tokamaki wydają się więc być przyszłościowym rozwiązaniem pozwalającym na wykorzystanie reakcji termojądrowych do produkcji energii. Jest bardzo duże prawdopodobieństwo, ze spełnią one swoje zadanie na Ziemii i za kilkadziesiąt lat będą podstawowym źródłem zielonej energii. Ich wykorzystanie jako napędów dla statków kosmicznych może być jednak mniej wykonalne. Problemem jest tutaj masa urządzenia. Szacuje się, że statek kosmiczny, zdolny do podróży międzygwiezdnych, z napędem opartym na tokamaku, musiałby posiadać masę około 7000 ton. Dla porównania Międzynarodowa Stacja Kosmiczna posiada masę “zaledwie” 417 ton.

Istnieje jednak ciekawa alternatywa. O tym już wkrótce w części 2.

(JET, ITER)

Share.

Comments are closed.