O przystąpienie Polski do przełomowego projektu energetycznego - Compact Fusion Reactor (CFR)

Dzięki opracowaniu przez zespół z Massachusetts Institute of Technology (MIT) magnesów nadprzewodzących nowego typu (o podwojonej mocy),
nastąpi 10-krotne zmniejszenie rozmiarów i masy reaktora. Magnesy nadprzewodzące utrzymują w reaktorze plazmę w pułapce magnetycznej (plazma to zjonizowana materia w której znaczna część cząstek jest naładowana elektrycznie).

W USA i w Wlk. Brytanii pracuje nad mini reaktorami fuzyjnymi (CFR) ponad 10 zespołów, najbardziej zaawansowany jest chyba koncern Lockheed Martin, mający także inwestycję lotniczą w Polsce. Lockheed Martin zapowiada pierwszy komercyjny reaktor fuzyjny za 7 lat.

Dwie firmy (Tri Alpha Energy i LPP Fusion) budują najbardziej perspektywiczne mini reaktory fuzyjne, wykorzystujące jako paliwo mieszankę proton-boron, która nie wytwarza neutronów.

Koncern Google opracowuje komputerowy algorytm Optometrist, który ma zmniejszyć o połowę straty energii w reaktorze firmy Tri Alpha Energy.

A co na to nasze Ministerstwo Energii?

Ministerstwo planuje budowę elektrowni jądrowych typu SMR (fission) o mocy 4,5 GW za 80 mld zł (pierwsze instalacje "już" w roku 2029). Będą to zmarnowane pieniądze (podobnie jak zmarnowano miliardy zł na zaniechaną budowę elektrowni jądrowej w Żarnowcu).

Moja propozycja jest bezpieczna i tania: należy zatrzymać na kilkanaście lat finansowanie projektów budowy elektrowni jądrowych typu fission i
przeznaczyć środki planowane na te projekty na "doklejenie się" do koncernu Lockheed Martin (a może do firm Tri Alpha Energy czy LPP Fusion) w ramach kooperacji w projekcie CFR. Oczywiście należy zaproponować także udział w tym projekcie jak największej liczby polskich fizyków jądrowych.
Lukę energetyczną w najbliższych latach można wypełnić importem węgla australijskiego, tańszego od polskiego, a z różnicy cen wypłacać górnikom wcześniejsze emerytury.

Na czym polega energetyka jądrowa?

Energia jądrowa to energia wydzielana podczas przemian jądrowych. Reakcje jądrowe w przeliczeniu na jednostkę masy są ponad milion razy bardziej efektywne od reakcji chemicznych. Reakcja rozszczepienia ciężkich jąder (fission) może być kontrolowana i jest wykorzystywana w energetyce w elektrowniach jądrowych. Najczęściej stosowanym surowcem jest uran (izotop 235U). Wytwarzana w ten sposób energia jest wykorzystywana do napędzania
turbin generatorów energii elektrycznej.

W roku 2013 ok. 4,5% energii zużywanej przez ludzkość, w tym prawie 11,5% energii elektrycznej było produkowanej z energii jąder atomowych. W roku 2014 w Stanach Zjednoczonych ok. 19%, a we Francji ok. 75% energii elektrycznej pochodziło z elektrowni jądrowych.

Rozszczepienie jądrowe (fission).

• Ciężkie jądro rozpada się, tworząc dwa lub więcej lżejszych jąder.
• Jest to reakcja łańcuchowa, która może prowadzić do niebezpiecznych eksplozji.
• Ciężkie jądro bombardowane jest neutronami.
• Istnieje ustabilizowana od dziesięcioleci technika pozwalająca na kontrolowanie rozszczepienia.
• Odpady jądrowe, produkt uboczny rozszczepienia, stanowią wyzwanie środowiskowe.
• Surowiec dla reaktora, taki jak uran lub pluton, jest rzadki i kosztowny.

Do rozszczepienia jądrowego używa się ciężkich izotopów, na przykład uranu (235U). Rozszczepienie zostało odkryte w roku 1938 przez niemieckich naukowców (Otto Hahn, Lise Meitner i Fritz Strassmann), którzy bombardowali próbkę uranu neutronami w celu stworzenia nowych elementów.

W typowej reakcji rozszczepienia jądrowego, więcej niż jeden neutron jest uwalniany przez każde dzielące się jądro. Gdy te neutrony zderzą się, powodują rozszczepienie w innych sąsiadujących jądrach, może dojść do samowystarczalnej serii reakcji rozszczepienia jądrowego, znanej jako reakcja łańcuchowa jądrowa.

Na przykład, rozszczepienie 235U uwalnia od dwóch do trzech neutronów na jedno zdarzenie rozszczepienia. Jeśli są pochłonięte przez inne jądra 235U, te neutrony wywołują dodatkowe zdarzenia rozszczepienia, a szybkość reakcji rozszczepienia wzrasta geometrycznie. Aby utrzymać reakcję łańcuchową w łańcuchu atomowym, potrzebna jest jakaś minimalna masa izotopu rozszczepialnego; jeśli masa jest zbyt niska, zbyt wiele neutronów jest w stanie uciec bez wychwycenia i wywołania reakcji rozszczepienia. Minimalna masa zdolna do podtrzymywania trwałego rozszczepienia nazywa się masą krytyczną. Jeśli masa izotopu rozszczepialnego jest większa niż masa krytyczna, wówczas w odpowiednich warunkach uzyskana masa nadkrytyczna może uwalniać energię.
Rozszczepienie dużego atomu na dwa lub więcej mniejszych powoduje powstanie wielu bardzo radioaktywnych cząstek. Reakcja rozszczepienia nie występuje zwykle w naturze. Energia uwalniana przez rozszczepienie jest milion razy większa niż wytwarzana w reakcjach chemicznych, ale niższa niż energia uwalniana przez syntezę jądrową. Uran jest głównym paliwem stosowanym w elektrowniach jądrowych (fission).

Fuzja jądrowa (fusion).

• Dwa lub więcej lekkich jąder łączą się tworząc cięższe jądro.
• Nie ma reakcji łańcuchowej, nie ma odpadów nuklearnych.
• Lekkie jądra muszą być rozgrzane do bardzo wysokiej temperatury i utrzymywane w wielkim zagęszczeniu.
• Naukowcy i inżynierowie są bliscy uzyskania kontroli nad reaktorem fuzyjnym, który wytwarza więcej energii niż zużywa.
• Surowce są bardzo łatwo pozyskiwane z wody morskiej.
• Fuzja jądrowa wytwarza energię 3-4 razy większą niż rozszczepienie jądrowe.

Zalety fuzji jądrowej.

Czysta.

Fuzja nie wytwarza odpadów promieniotwórczych i gazów cieplarnianych, emitując tylko hel jako spaliny. Wymaga także mniej powierzchni niż
wytwarzanie energii przez techniki odnawialne.

Bezpieczna.

Energia fuzyjna jest z natury bezpieczna, bez możliwości wystąpienia
wybuchu i skażenia środowiska na tysiące lat.

Obfita.

Jest wystarczająco dużo paliwa jądrowego, aby zasilić planetę przez setki milionów lat. Elektrownia fuzyjna jest zasilana np. przez izotopy wodoru (deuter i tryt), które mogą być wydzielane z wody morskiej oraz pochodzą z litu.

Na żądanie.

Elektrownia fuzyjna może wytwarzać energię na żądanie i nie wpływa na nią pogoda. Ponieważ jest również bezpieczna i nie powoduje zanieczyszczenia,
elektrownia fuzyjna może znajdować się w pobliżu miejsca, w którym jest to wymagane.

Tylko trzy lata minęły między pierwszą eksplozją nuklearną w roku 1945, a zaświeceniem pierwszej żarówki zasilanej przez elektrownię jądrową. Natomiast mija już 65 lat od wybuchu pierwszej bomby wodorowej w roku 1952, a pracującej elektrowni fuzyjnej jeszcze nie ma.

Od lat pięćdziesiątych XX wieku trwają prace nad kontrolowanym przeprowadzaniem reakcji fuzji lekkich jąder atomowych. Mimo wielu prób, do tej pory nie udało się zbudować instalacji pozwalającej uzyskiwać użyteczną energię w sposób ciągły i stabilny na drodze fuzji jądrowej. Rozszczepienie jądrowe i fuzja jądrowa to różne rodzaje reakcji, które uwalniają energię z powodu obecności silnych wiązań atomowych między cząstkami znajdującymi się w jądrze.
W procesie rozszczepiania (fission) atom dzieli się na dwa lub więcej mniejszych, lżejszych atomów. Synteza jądrowa (fusion) występuje wtedy, gdy dwa lub więcej małych atomów łączą się razem tworząc większy, cięższy atom.

W roku 1954 armia USA uruchomiła pierwszą atomową łódź podwodną Nautilus, a w ZSRR zaczął pracować pierwszy na świecie reaktor nuklearny do
wytwarzania energii na dużą skalę (Obninsk). W USA uruchomiono produkcję energii jądrowej rok później (Arco, Idaho).

Pierwszym komercyjnym zakładem produkcji energii z reaktorów jądrowych był Zakład Kalder Hall w Windscale (obecnie Sellafield) w Wielkiej Brytanii.
Tam też nastąpiła pierwsza awaria jądrowa w roku 1957, kiedy wybuchł pożar z powodu wycieków promieniotwórczych.

Pierwsza w USA wielkoskalowa elektrownia jądrowa została otwarta w Shipport w Pensylwanii w 1957 r. W latach 1956-1973 uruchomiono prawie 40 reaktorów jądrowych w Stanach Zjednoczonych, a największa była Elektrownia Jądrowa Zion w stanie Illinois, o mocy 1,155 GW. We Francji uruchomiono w roku 1973 pierwszy reaktor o mocy 0,25 GW.

Reakcja fuzyjna zachodzi, gdy plazma znajduje się w polu magnetycznym i jest ogrzana do temperatury 100 milionów Kelvina lub więcej. Dla porównania, temperatura rdzenia Słońca wynosi 15 milionów stopni.

Fuzja jest bezpieczniejszym i wydajniejszym procesem produkcji energii niż rozszczepienie, co oznacza ostatecznie mniejsze koszty.

Fuzja jest połączeniem dwóch lub więcej lekkich atomów w większy. Fuzja występuje w gwiazdach, takich jak słońce. Wymagana jest duża gęstość, wysokie temperatury.Bardzo duża energia jest potrzebna, aby doprowadzić dwa lub więcej protonów na tyle blisko, że siły jądrowe wyeliminują ich odpychanie elektrostatyczne. Energia uwalniana przez syntezę jądrową jest 3-4 razy większa niż energia uwalniana przez rozszczepienie.

Bomba wodorowa wykorzystuje reakcję rozszczepienia do zainicjowania reakcji fuzji jądrowej. Izotopy wodorowe (deuter i tryt) są podstawowym paliwem stosowanym w eksperymentalnych elektrowniach fuzji jądrowej.
Potęga koncepcji firmy Tri Alpha Energy wynika częściowo z nieodłącznej trudności związanej z fuzją boru i wodoru. Ta reakcja syntezy jądrowej jest trudniejsza do osiągnięcia niż fuzja deuteru-trytu w tokamakowych konstrukcjach plazmowych, takich jak w reaktorze firmy General Fusion. Firma Tri Alpha Energy spodziewa się, że temperatura w plazmie jej reaktora wyniesie około 5 miliardów stopni, ponad trzysta razy większą niż w przypadku temperatury rdzenia słonecznego.

Reaktory fuzyjne mają niepowtarzalne korzyści dla przyszłego wytwarzania energii. Reaktory syntezy jądrowej w przeciwieństwie do konwencjonalnych reaktorów jądrowych nie mogą topić się i nie wytwarzają materiałów promieniotwórczych, które wymagają specjalnej utylizacji.
Zagrożenia związane z bezpieczeństwem i środowiskiem z reaktorami termojądrowymi są minimalne, a deuter i lit mogą być wydobywane z wody morskiej.
Elektrownia fuzyjna (fusion) może zostać zbudowana przy konkurencyjnym koszcie w stosunku do elektrowni jądrowej (fission) .

O przystąpienie Polski do przełomowego projektu energetycznego - Compact Fusion Reactor (CFR)

Zbliża się wielki przełom w dziedzinie energetyki termojądrowej (fuzyjnej - fission), który zmieni oblicze naszej cywilizacji. Energia czysta, tania, bezpieczna i w nieograniczonej ilości odmieni świat już w najbliższych dekadach.