Universitatea Tehnica din Cluj-NapocaFacultatea de Ingineria Materialelor i a MediuluiSpecializarea: Ingineria si Protectia Mediului in Industrie

PROIECT DE SEMESTRUSURSE REGENERABILE DE ENERGIE

FUZIUNEA TERMONUCLEAR O OPIUNE ENERGETIC DE VIITOR

ndrumtor: Student: Prof.Dr.Ing. BIRI IOAN Toldea Nicolae Mirel Anul: 4 IPMI

1. INTRODUCERE

Economia Uniunii Europeane (UE) depinde de asigurarea unei surse de energie sigure i inepuizabile. Astzi aceasta cerere este satisfcut n principal de combustibilii fosili (petrol, crbuni i gaze naturale) care reprezint 80 % din consumul total de energie. Aproape 67 % din combustibilii fosili utilizai sunt importai. n prezent, combustibilii fosili importai furnizeaz aproximativ 50 % din necesarul de energie al UE, i se prevede ca pn n 2030 acesta va crete la 70 %, n special din petrol.Reacia nuclear este un proces fizic care const n ciocnirea nucleilor atomici ntre ei, sau cu o particul elementar rezultnd astfel o reacie de fuziune sau fisiune nuclear prin formarea unor atomi noi cu proprieti diferite de atomii iniiali. Prin aceast reacie de dezintegrare i transformare atomic, vor fi eliberate particule elementare, energie luminoas, caloric i sub form de radiaii.Surse de energie sigure sunt necesare pentru a menine standardul nostru de via. Cercettorii europeni lucreaz pentru a dezvolta o serie de tehnologii de producere n siguran a energiei n condiii acceptabile pentru mediul nconjurtor. Fuziunea termonuclear este una dintre ele.Pe termen lung, fuziunea termonuclear va furniza o opiune pentru o sursa de energie la scara larg care are un impact mic asupra mediului i rezerve de combustibil sigure i distribuite. Centralele electrice de fuziune termonuclear vor fi convenabile, n particular, generrii energiei pentru nevoile zonelor dens populate i zonelor industriale. De asemenea ele pot produce hidrogen pentru industria bazat pe hidrogen.Fuziunea nuclear este procesul prin care dou nuclee atomice reacioneaz pentru a forma un nou nucleu, mai greu dect nucleele iniiale. Ca urmare a fuziunii se produc i alte particule subatomice, ca de exemplu neutroni sau raze alfa (nuclee de heliu) sau beta (electroni sau pozitroni). Din cauz c nucleele participante n fuziune sunt ncrcate electric, reacia de fuziune nuclear poate avea loc numai atunci cnd cele dou nuclee au energie cinetic suficient pentru a nvinge potenialul electric (forele de respingere electric) i prin urmare se apropie suficient pentru ca forele nucleare (care au raz de aciune limitat) s poat rearanja nucleonii. Aceast condiie presupune temperaturi extrem de ridicate dac reacia are loc ntr-o plasm, sau accelerarea nucleelor n acceleratoare de particule. Fuziunea nuclear este sursa principal de energie n stelele active.Fuziunea este procesul care alimenteaz cu energie Soarele i alte stele. Nucleele atomilor cu mas mic fuzioneaz i elibereaz energie. n centrul Soarelui, presiunea gravitaional imens permite desfurarea acestui proces la temperaturi n jurul a 10 milioane de grade Celsius.Gazul nclzit la aceste temperaturi devine o plasm unde electronii sunt complet separai de nucleele atomice (ioni). Plasma este a patra stare de agregare a materiei cu proprietile ei specifice. Studiul acestor proprieti este scopul cercetrii n domeniul fizicii plasmei. Dei starea de plasm este stare rar ntlnit pe Pmnt, mai mult de 99% din materia universului se afla sub forma de plasmp. La o presiune mult mai mica (de 10 miliarde de ori mai mic dect n Soare) care se poate realiza pe Pmnt, ar fi necesare temperaturi de 100 de milioane de grade Celsius pentru a obine energie pe baza reaciilor de fuziune termonuclear. Pentru a atinge aceste temperaturi este necesar nclzirea puternic a plasmei i minimalizarea pierderilor prin inerea plasmei fierbini departe de pereii incintei ce o conine. Acest lucru se poate realiza prin plasarea plasmei ntr-o cuc toroidal generat de cmpuri magnetice puternice, care previne evadarea particulelor ncrcate electric din plasm. Aceasta este cea mai avansat tehnologie i formeaz baza programului de fuziune european.

2. PRODUCEREA ENERGIEI PRIN FUZIUNE TERMONUCLEAR instalaia de tip Tokamak

Fuziunea deuteriului i tritiuluiReaciile de fuziune ntre 2 izotopi ai hidrogenului deuteriu (D) i tritiu (T) furnizeaz baza pentru dezvoltarea primei generaii de reactoare de fuziune, alte reacii de fuziune necesitnd temperaturi mai ridicate. Deuteriul este un izotop natural neradioactiv care poate fi extras din ap (n medie, cte 35 g din fiecare metru cub de ap). Nu exist tritiu n mod natural pe Pmnt, dar poate fi produs din litiu (un metal uor, abundent n natur) n interiorul reactorului de fuziune. Fiecare reacie de fuziune produce o particul alfa (adic heliu) i un neutron de energie nalt. Neutronii ies din plasm i sunt ncetinii ntr-un invelis care nconjoar plasma. n acest invelis litiul este transformat n tritiu, care este introdus n camera depresurizat (reactor) ca i combustibil. Cldura generat de neutroni poate fi utilizat la producerea aburului care acioneaz turbinele de generare a electricitii. Pentru a furniza energie unui ora cu 1 milion de locuitori pentru 1 an, o central de fuziune termonuclear va necesita o cantitate de combustibil nuclear ce ar putea fi transportat de un singur camion.

Un reactor de fuziune termonuclear este ca un arztor de gaz n care combustibilul injectat n sistem este ars. Dac la un moment dat exist foarte puin combustibil n camera de reacie (aproximativ 1 g D-T ntr-un volum de 1000 m3) aa nct furnizarea combustibilului ar fi ntrerupt, reaciile de fuziune ar mai dura doar cteva secunde. Orice funcionare defectuoas a dispozitivului ar cauza rcirea plasmei i oprirea reaciilor de fuziune.Combustibilii de baza ai fuziunii, deuteriu i litiu, precum i produsul de reacie, heliu, nu sunt radioactivi. Combustibilul intermediar radioactiv, tritiul, se descompune destul de repede (timpul de njumtire este de 12,6 ani) i descompunerea produce 1 electron (radiaie beta) de energie foarte joas. n aer, electronii pot cltori numai civa milimetri i nu pot penetra nici o foaie de hrtie. Totui, tritiul este periculos dac este asimilat n corpul uman, astfel nct, trebuie luate msuri speciale de siguran pentru a lucra cu tritiu. Deoarece tritiul este produs local pentru meninerea reaciilor de fuziune n camera reactorului, nu este necesar transportul de combustibil radioactiv la centrala de fuziune termonuclear.

Fuziunea este realizat n urmtorul fel: un magnet enorm (artat n figur), numit transformator, este ncrcat prin creterea curentului prin bobinele sale primare.

Tokamak-ul. n stnga avem conceptul ITER. n dreapta este artat miezul transformatorului, curenii diferii i cmpurile magnetice acionnd plasma i producnd confinarea.

Dup umplerea camerei incintei Tokamak-ului (aflat n prealabil n vid) cu un gaz de H, D sau T, civa atomi vor fi ionizai datorit radiaiei cosmice, iar transformatorul va fi descrcat brusc prin tierea direct a curentului prin bobine. Propria inducie va produce un imens gradient de cmp electric n jurul cmpului magnetic vertical (produs de ctre transformator), care accelereaz particulele ncrcate prealabil i producnd la rndul lor mult mai muli ioni, crend plasma din Tokamak. Succesiunea de operaii descris conduce la arderea plasmei i apariia reaciei de fuziune cu o durat de la cteva zeci de secunde pn la cteva minute. Acest regim de pulsare va fi folosit n reactoarele de fuziune.Confinarea plasmei este atins n urmtorul fel: curentul de plasm produce propriul su cmp magnetic (poloidal) care compus cu cmpul magnetic toroidal (produs de ctre bobinele toroidale) va produce linii magnetice rsucite, formnd o cuc magnetic care ine ionii mpreun confinai. Timpul de confinare reprezint perioada de timp ct energia este reinut n plasm nainte s fie pierdut din cuca magnetic. Acesta crete rapid cu dimensiunea plasmei i de aceea volumele mari rein cldura mult mai bine dect volumele mici.Oricum, pentru a susine reacia de fuziune, criteriul Lawson trebuie ndeplinit.

Acest numr nu a fost nc atins n niciun reactor. ITER are ca scop atingerea acestei valori.

Bazele reaciei de fuziune termonuclearTipuri de reacii termonucleare1) Reacia Deuteriu Deuteriu. La ciocnirea a dou nuclee de Deuteriu rezult un nucleu de heliu (particula alfa), cu o energie de 0.82 MeV, i un neutron liber, care are o energie de 2.45 MeV. Pentru ca o asemenea reacie s aib loc, conform calculelor s-a constatat c este nevoie de o temperatur de minim 100 milioane grade celsius.2) Reacia Deuteriu Tritiu. Considerndu-se principiul reaciei de mai sus,avnd la baz elementele Deuteriu i Tritiu, ambele elemente fiind izotopi mai grei ale Hidrogenului, n urma ciocnirii crora rezult de asemenea o particul alfa cu o energie de 3.5 MeV i un neutron liber cu o energie de 14.1 MeV. Pentru a avea loc, aceast reacie necesit nu mai puin de 50 milioane grade celsius. Acest tip de reacie st la baza teoriei privind reaciile termonucleare dirijate ce vor fi realizate n viitor. Condiii de bazCondiiile de realizare pentru a menine o reacie de fuziune i a realiza un reactor termonuclear sunt analoage metodelor clasice bazate pe reaciile de combustie:- Mai nti, se va nclzi combustibilul nuclear, sub form de plasm, pn la punctul de aprindere.- Se va menine aceast temperatur un timp destul de lung pentru ca reaciile de fuziune s degaje o cantitate suficient de energie.- n fine, se va extrage i se va utiliza aceast energie.Energia de fuziuneFuziunea unui nucleu de tritiu (T) cu unul de deuteriu (D) elibereaz 17,6 MeV de energie, din care 80% 14,1 MeV este transportat de neutron i poate fi utilizat s produc electricitate. Prin fuzionarea a 1 kg deuteriu cu 1,5 kg tritiu (masa T este de 1,5 ori mai mare dect masa D) s-ar elibera 14.1/(2*1.67262*10-27) = 4.2*1027 MeV, innd cont c nucleul deuteriului are un proton i un neutron, fiecare cntrind 1.6726210-27 kg.Un kilogram de D conine 31026 nuclee (un nucelu D conine un neutron i un proton, fiecare cntrind 1.610-27 kg). Fuzionnd 1 kg D (cu 1.5 kg T, pentru c masa T este de 1.5 ori mai mare dect masa D) rezult un total de 31026 reacii de fuziune nsumnd o energie eliberat de 14.1 x 31026 = 4.2 x 1027 MeV.O central electric cu fuziune, cu o eficien energetic de 40%, ar putea genera 70 GWh de electricitate (cu 1 eV = 1.6*10-19 J ori Ws) dintr-un kilogram de deutreriu, deci suficient pentru a alimenta 20 de gospodrii medii dintr-o regiune industrial.Deuteriul poate fi extras din apa de mare, unde este prezent n proporie de 35 grame la un metru cub. Tritiul nu se gsete n cantiti mari n natur, dar poate fi obinut din metale uoare precum litiul, cu ajutorul unor neutroni produi chiar n reacia de fuziune:6Li + n => 4He + 3H + energie sau ntr-o reacie similar cu 7Li. Multe dintre mineralele Pmntului conin litiu. Din 2,3 kg de litiu se obine 1 kg de tritiu. O central electric cu fuziune avnd capacitatea de 1 GW (capacitate similar unei centrale nuclearo-electrice) ar folosi ntr-un an 150 kg de tritiu i 100 kg de deuteriu.

Fuziunea termonuclear cu confinare magnetic

Fuziunea termonuclear cu confinare magnetic utilizeaz un cmp magnetic foarte puternic pentru a confina plasma ntr-o incint vidat care izoleaz plasma de mediul nconjurtor. La modul ideal, ionii ncrcai electric i electronii care alctuiesc plasma nu pot traversa liniile cmpului magnetic. Cu toate acestea particulele ncrcate electric se pot mica liber n lungul liniilor de cmp. Prin curbarea liniilor de cmp magnetic ntr-un cerc se obine practic confinarea magnetic a plasmei. Particulele i energia lor sunt inute izolate de peretele camerei plasmei, meninndu-se astfel temperatura ridicat a plasmei. Totui, ntr-un sistem de confinare magnetic toroidal exist pierderi de energie prin diferite procese, cum ar fi radiaia electromagnetic i ciocnirile particulelor care cauzeaz pierderea particulelor din cmpul magnetic.Cmpul magnetic este generat de cureni electrici foarte inteni n bobine aflate n afara camerei reactorului. Curenii generai n plasm pentru nclzirea ei contribuie de asemenea la confinarea magnetic.n instalaiile de tipul tokamak plasma joac rolul bobinei secundare a unui transformator (bobina primar se afl n exteriorul camerei reactorului) i variaia curentului n bobina primar induce curentul electric n plasm. n afar de rolul de a genera cmpul magnetic de confinare, curentul electric indus n plasm are rolul de a o nclzi ohmic. Deoarece un transformator nu poate genera un curent continuu, plasma are o durata limitat i starea staionar trebuie realizat prin alte mijloace.

Schema n seciune a tokamak-ului JET, prezentnd vasul de oel nconjurat de opt bobine mari de cupru care produc cmpul magnetic necesar reactorului. De observat persoana din stnga pentru a avea o indicaie privind mrimea instalaiei

Instalaiile de tip stellarator utilizeaz acelai principiu al confinrii magnetice, dar cu bobine exterioare de o form mult mai complex i nu se bazeaz pe principiul transformatorului pentru a genera curent electric n plasm. Ca urmare stelleratoarele au o capacitate inerent de a funciona n stare staionar. Cea mai mare instalaie recent de tip stellarator este W 7-X construit la Greifswald (D).Alte configuraii ale cmpului magnetic strns legate de configuraiile descrise mai sus sunt tokamak-ul compact (sau sferic) i instalaia cu pinch n cmp magnetic inversat.

Reprezentarea schematica a constructiei reactorului de fuziune TFR

Principalele componente ale instalaiei Tokamak

nclzirea plasmeiCurentul indus n plasma instalaiei tokamak contribuie la nclzirea ei. Odat cu creterea temperaturii plasmei nclzirea ohmica a acesteia devine mai puin eficient i aduce plasma la temperaturi de numai cteva milioane de grade, ceea ce este de 10 ori mai mic dect valoarea ce ar asigura producerea reaciilor de fuziune n numr mare. Pentru a nclzi plasma mai departe se pompeaz energie n plasm de la surse externe. nclzirea n cmpuri de nalt frecven utilizeaz absorbia rezonant a energiei unor unde electromagnetice de putere mare la frecvene diferite. Au fost dezvoltate trei astfel de sisteme: nclzirea prin absorbie la rezonan ionic ciclotronic (20-55 MHz), nclzirea prin absorbie la rezonan electronic ciclotronic (100-200 GHz, microunde) i nclzire hibrid (1-8 GHz). Fascicule de particule neutre energetice sunt injectate n plasm, o parcurg i transfer energia lor plasmei prin ciocniri cu particulele ei componente.

3. INSTALAII EXISTENTE N UE

Instalaia tokamak european JET (Joint European Torus) localizat la Culham (MB) este cea mai mare instalaie de fuziune din lume i singura capabil s lucreze cu un amestec de combustibil D-T. JET a ndeplinit toate obiectivele iniiale i le-a i depit n unele cazuri. n 1997 ea a atins un record de 16 MW n producia de putere prin reacii de fuziune termonuclear.n Europa exist un numr de faciliti experimentale importante care contribuie la formarea unei baze de date necesar dezvoltrii tehnologiei de producere a energiei prin fuziune termonuclear. Una din realizrile recente remarcabile este marea instalaie tokamak TORE SUPRA din Frana, pe care se studiaz starea cvasi staionar de funcionare a reactoarelor de fuziune termonuclear. n 2003 aceasta a produs o descrcare n plasm de nalt performan cu durata de 6 minute i 30 de secunde. Energia total injectat pentru a menine plasma n acest timp, i care de asemenea a trebuit extras sub forma de cldur, a fost de peste un Gigajoule (o mie de milioane de Joule suficient pentru a fierbe 3 tone de ap). O msur simpl a performanelor este factorul de merit, Q, care reprezint raportul dintre puterea produs prin reaciile de fuziune termonuclear i puterea folosit pentru a nclzi plasma. Plasma de fuziune termonuclear atinge starea de auto-ntreinere (Q = ) cnd energia pierdut de plasm este egal cu energia de auto-nclzire a plasmei prin reacii de fuziune termonuclear. Cnd aceast condiie este ndeplinit nu mai este necesar nclzirea din exterior pentru a menine temperatura de fuziune termonuclear. Ca i n cazul focului, plasma va arde att timp ct este alimentat cu combustibil. n reactoarele de fuziune termonuclear nu va fi necesar realizarea acestei condiii, deoarece acetia vor lucra n regim de amplificatori de putere. JET a generat o putere de 16 MW la Q = 0.65. Urmtoarea main, ITER, intete la Q = 10, n timp ce reactoarele de fuziune ale viitorului ar putea avea valori ale lui Q de peste 40 sau 50.Deoarece cele mai multe reactoare de fuziune termonuclear folosite n prezent nu utilizeaz tritiu ca i combustibil, performana acestora este determinat de o combinaie de parametrii ai plasmei care arat ct de aproape sunt aceste reactoare de condiiile necesare producerii de energie pe baza reaciilor de fuziune termonuclear.

Figura prezint graficul lui Q funcie de temperatura plasmei pentru un numr mare de instalaii tokamak rspndite pe glob. Reactorul cel mai performant a atins valori ale parametrilor plasmei care se apropie de cei necesari funcionrii unui reactor de fuziune termonuclear.

4. AVANTAJE I DEZAVANTAJE ALE FUZIUNII TERMONUCLEARE

4.1. Avantaje:Primul si cel mai important ar fi faptul ca fuziunea nucleara foloseste drept combustibil cel mai raspandit element din univers, hidrogenul, care poate fi usor si ieftin de obtinut pe Terra. Deuteriul, de exemplu, unul dintre cei doi izotopi grei ai hidrogenului si principalul candidat la rolul de combustibil de fuziune, se gaseste in apa, chiar daca intr-o concentratie mica. Extragerea sa e relativ simpla si curata si se practica de multe zeci de ani, mai ales in scopul obtinerii asa-numitei ape grele.Reactia de fuziune cea mai promitatoare, aceea dintre cei doi izotopi grei ai hidrogenului, deuteriul si tritiul, este ea insasi foarte curata, rezultatul ei fiind heliul, un element chimic foarte stabil, gaz inert etc. In comparatie cu atat de dificilele probleme legate de deseurile radioactive rezultate din reactoarele nucleare (de fisiune), cele generate de viitoarele reactoare de fuziune sunt aproape neinsemnate.Totodata, randamentul reactiei de fuziune este mai ridicat decat al celei de fisiune (n.r. fenomenul scindarii unui nucleu atomic in mai multe fragmente cu mase de valori comparabile). Din fuziunea unui kilogram de amestec deuteriu-tritiu rezulta de aproximativ 5 ori mai multa energie decat din fisiunea unui kilogram de uraniu. Altfel spus, motorul de fuziune consuma de 5 ori mai putin decat cel de fisiune.Combustibilul, mai exact tritiul, este intr-adevar radioactiv, dar are o radioactivitate slaba, nu are toxicitatea si timpul lung de viata comun multor metale grele radioactive, prin urmare nu prea are cum sa fie interesant pentru teroristi, manipularea sa pune mult mai putine probleme. In plus, exista posibilitatea ca si alte materiale s fuzioneze, nu numai izotopii hidrogenului, ci si chiar acele deseuri nalt radioactive, combustibil nuclear uzat etc.Un alt avantaj este faptul c procesul de conversie al energiei termonucleare n energie electric nu degaj gaze cu efect de ser n mediul nconjurtor.

4.2. Dezavantaje:Costurile de construire i ntreinere a centralelor sunt ridicate. Asta nseamn c, n timp ce energie nuclear ofer reduceri semnificative ale costurilor n producia de energie, poate dura ani pentru a recupera investiia iniial n instalaii. Un alt dezavantaj este faptul c dac central nuclear nu este monitorizat corespunztor se pot produce accidente nucleare care sunt devastatoare att pentru populaie, ct i pentru mediul nconjurtor.Probleme tiinifice de mare importan pentru stadiul actual al fuziunii termonucleare:Fizica plasmei: instabilitate, turbulen, transport, instabilitate MHD, bariere n transportul intern.

5. IMPACTUL ASUPRA MEDIULUI NCONJURTOR

Energia generat de reaciile de fuziune va fi utilizat n acelai fel ca i astzi, de exemplu pentru generarea de electricitate, cldur pentru uz industrial, sau pentru producerea hidrogenului. Consumul de combustibil al centralei de fuziune termonuclear va fi extrem de redus. O central de fuziune termonuclear de 1 GW va necesita aproximativ 100 kg deuteriu i 3 tone de litiu natural pentru a opera un an, genernd astfel 7 miliarde de kWh. O termocentral pe crbuni ar necesita aproximativ 1,5 milioane tone combustibil pentru a genera aceeai energie!Reactoarele de fuziune termonuclear nu produc gaze cu efect de ser i ali poluani care pot duna mediului i care pot produce schimbri climatice. Neutronii generai prin reacii de fuziune activeaz materialele din jurul plasmei. Alegerea cu grij a materialelor pentru aceste componente va permite eliberarea lor de regimul materialelor inute sub control (i posibil reciclate) la aproximativ 100 de ani dup ntreruperea operrii centralei electrice. Din aceste motive, reziduurile de la instalaiile de fuziune termonuclear nu vor fi povar pentru generaiile viitoare.

6. CONCLUZII

Obiectivul pe termen lung al cercetrii i dezvoltrii n domeniul fuziunii termonucleare n statele membre ale UE este crearea n comun a unui reactor prototip pentru centralele de energie necesare societii, reactor care s ndeplineasc condiiile de siguran n funcionare, protecia mediului i randament economic.Obiectivul global al tokamak-ului ITER este s se demonstreze fezabilitatea tiinific i tehnologic a produciei de energie de fuziune termonuclear n scopuri panice. ITER va atinge acest obiectiv prin demonstrarea posibilitii controlului arderii n plasmele de deuteriu i tritiu.

BIBLIOGRAFIE

[1] Towards a European Strategy for the Security of Energy Supply, Green Paper, European Commission, COM (2000)769[2] http://europa.eu.int/comm/energy_transport/en/lpi_lv_en1.html[3] http://europa.eu.int/comm/research/energy/fu/fu_en.html[4] http://www.efda.org[5] http://www.jet.efda.org[6] http://www.iter.org[7] http://www.fusion-eur.org

14