Historyczny kamień milowy ITER w rozwoju energii termojądrowej

Energia syntezy jądrowej może być kluczowym, zrównoważonym źródłem energii, uzupełniającym odnawialne źródła energii. We Francji powstaje największy na świecie eksperyment termojądrowy ITER. Źródło: Organizacja ITER

Kamień milowy w europejskim i japońskim wkładzie w projekt energii termojądrowej ITER.

Projekt dotyczący energii termojądrowej ITER stanowi kamień milowy w postaci ukończenia 19 cewek pola toroidalnego, kluczowych dla magnetycznego zamknięcia energii termojądrowej. Opracowywane przez ponad dwie dekady dzięki międzynarodowym wysiłkom komponenty te stanowią krok naprzód w wytwarzaniu czystego, obfitego źródła energii. Projekt ten demonstruje wyjątkową współpracę międzynarodową i innowacje technologiczne, w których uczestniczy ponad 30 krajów i liczne firmy z branży zaawansowanych technologii.

Po dwóch dekadach projektowania, produkcji, wytwarzania i montażu na trzech kontynentach historyczny, międzynarodowy projekt dotyczący energii termojądrowej ITER świętuje ukończenie i dostawę masywnych cewek toroidalnych z Japonii i Europy.

Masahito Moriyama, japoński minister edukacji, kultury, sportu, nauki i technologii oraz Gilberto Pichetto Fratin, włoski minister środowiska i bezpieczeństwa energetycznego, wezmą udział w ceremonii wraz z urzędnikami z innych członków ITER.

Jak cewki pola toroidalnego pasują do zbiornika próżniowego tokamaka (w tym w skali ludzkiej). Źródło: ITER

Jak działa fuzja?

• Niewielką ilość gazowego deuteru i trytu (wodoru) wtryskuje się do dużej komory próżniowej w kształcie pączka, zwanej tokamakiem.
• Wodór jest podgrzewany, aż stanie się zjonizowany osoczektóry wygląda jak chmura.
• Gigantyczne magnesy nadprzewodzące, zintegrowane z tokamakiem, ograniczają i kształtują zjonizowaną plazmę, utrzymując ją z dala od metalowych ścian.
• Kiedy plazma wodorowa osiągnie 150 milionów stopni CelsjuszNastępuje fuzja – dziesięć razy gorętsza od jądra Słońca.
• W reakcji termojądrowej niewielka ilość masy zamieniana jest w ogromną ilość energii (E=mc²).
• Neutrony o ultrawysokiej energii powstałe w wyniku syntezy jądrowej uciekają z pola magnetycznego i uderzają w metalowe ściany komory tokamaka, przekazując swoją energię ścianom w postaci ciepła.
• Niektóre neutrony reagują z litem znajdującym się w metalowych ściankach, tworząc więcej paliwa trytowego do syntezy.
• Woda krążąca w ścianach tokamaku odbiera ciepło i zamienia się w parę. W reaktorze komercyjnym para ta będzie napędzać turbiny wytwarzające energię elektryczną.
• Zbudowano setki tokamaków, ale ITER jest pierwszym zaprojektowanym w celu uzyskania „płonącej” lub w dużej mierze samonagrzewającej się plazmy.

Globalna współpraca w zakresie energii termojądrowej

Do południowej Francji dostarczono dziewiętnaście gigantycznych cewek pola toroidalnego. Będą kluczowymi elementami ITER, eksperymentalnego megaprojektu syntezy jądrowej, w którym zamknięcie magnetyczne będzie wykorzystywane do imitowania procesu napędzającego Słońce i gwiazdy oraz zapewniającego Ziemi światło i ciepło.

Badania nad syntezą termojądrową mają na celu opracowanie bezpiecznego, obfitego i przyjaznego dla środowiska źródła energii.

ITER to efekt współpracy ponad 30 krajów partnerskich: Unii Europejskiej, Chin, Indii, Japonii, Korei, Rosji i Stanów Zjednoczonych. Większość finansowania ITER ma formę wkładów. To porozumienie skłania firmy takie jak Mitsubishi Heavy Industries, ASG Superconductors, Toshiba Energy Systems, SIMIC, CNIM i wiele innych do poszerzania swojej wiedzy specjalistycznej w zakresie najnowocześniejszych technologii potrzebnych do syntezy termojądrowej.

Cewki pola toroidalnego w kształcie litery D zostaną umieszczone wokół zbiornika próżniowego ITER, komory w kształcie pierścienia zwanej tokamakiem. Wewnątrz naczynia lekkie jądra atomowe zostaną stopione ze sobą, tworząc cięższe, uwalniając ogromną energię z reakcji syntezy.

Paliwem w tej reakcji syntezy są dwie formy wodoru, deuteru i trytu (DT). Paliwo to będzie wtryskiwane w postaci gazu do tokamaka. Przepuszczając prąd elektryczny przez gaz, staje się on zjonizowaną plazmą – czwartym stanem materii, chmurą jąder i elektronów.

Po dwóch dekadach projektowania, produkcji, wytwarzania i montażu na trzech kontynentach historyczny, międzynarodowy projekt dotyczący energii termojądrowej ITER świętuje ukończenie i dostawę masywnych cewek toroidalnych z Japonii i Europy. Źródło: Fuzja na rzecz energii

Inżynieria przyszłości energii

Plazma zostanie podgrzana do temperatury 150 milionów stopni, czyli 10 razy wyższej niż jądro Słońca. W tej temperaturze prędkość lekkich jąder atomowych jest wystarczająco duża, aby mogły się one zderzyć i stopić. Aby kształtować, ograniczać i kontrolować tę niezwykle gorącą plazmę, tokamak ITER musi wygenerować niewidzialną klatkę magnetyczną, precyzyjnie dostosowaną do kształtu metalowego naczynia próżniowego.

ITER wykorzystuje niob-cynę i niob-tytan jako materiał do swoich gigantycznych cewek. Po zasileniu energią elektryczną cewki stają się elektromagnesami. Po ochłodzeniu ciekłym helem do -269 stopni Celsjusza (4 kelwinów) stają się nadprzewodnikami.

Podstawowe elementy ITER

Aby wytworzyć wymagane precyzyjne pola magnetyczne, ITER wykorzystuje trzy różne układy magnesów. Osiemnaście toroidalnych magnesów polowych w kształcie litery D zamyka plazmę wewnątrz naczynia. Poloidalne magnesy polowe, zestaw sześciu pierścieni otaczających tokamak poziomo, kontrolują położenie i kształt plazmy.

Znajdujący się w środku tokamaka cylindryczny, centralny elektromagnes wykorzystuje impuls energii do generowania potężnego prądu w plazmie. Przy natężeniu 15 milionów amperów prąd plazmowy ITER będzie znacznie silniejszy niż wszystko, co było możliwe w obecnych lub poprzednich tokamakach.

Dziesięć cewek wyprodukowano w Europie pod auspicjami Europejskiej Agencji Krajowej ITER, Fusion for Energy (F4E). Osiem cewek plus jedna zapasowa wyprodukowano w Japonii pod nadzorem ITER Japan, będącego częścią Krajowego Instytutu Nauki i Technologii Kwantowej (QST).

Każdy ukończony zwój jest ogromny: ma 17 metrów wysokości i 9 metrów szerokości i waży około 360 ton.

Cewki pola toroidalnego będą działać razem jako pojedynczy magnes: najpotężniejszy magnes, jaki kiedykolwiek wyprodukowano.

Wygenerują całkowitą energię magnetyczną o wartości 41 gigadżuli. Pole magnetyczne ITER będzie około 250 000 razy silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi.

Wykonywanie cewek pola toroidalnego

Proces produkcyjny rozpoczął się od wytworzenia pasma niobowo-cynowego. Do wytworzenia 19 cewek toroidalnych potrzeba było ponad 87 000 kilometrów cienkiego drutu. Nić ta produkowana była w Chinach, Europie, Japonii, Korei, Rosji i Stanach Zjednoczonych.

Setki pasm niobu i cyny nawinięto wraz z pasmami miedzi w wiązkę przypominającą linę i włożono do stalowego płaszcza z centralnym kanałem, aby pomieścić wymuszony przepływ ciekłego helu.

Rezultat – „kabel w rurze” lub po prostu „przewodnik” – tworzy rdzeń cewek. Ten materiał przewodzący został wysłany do Japonii i Europy, aby rozpocząć proces produkcyjny.

Rzeczywista produkcja była jeszcze trudniejsza. Na początek około 750 metrów przewodnika zagięto ​​w kształt podwójnej spirali i poddano obróbce cieplnej w temperaturze 650 stopni Celsjusza. Następnie został on precyzyjnie dopasowany do „płyty promieniowej” w kształcie litery D – konstrukcji ze stali nierdzewnej z rowkami po obu stronach, w której osadzony jest przewodnik.

Przewodnik został owinięty i zaizolowany przy użyciu szkła i taśmy Kapton. Zamontowano płyty osłonowe i spawano laserowo. W ten sposób powstał „podwójny naleśnik”, ogromny, ale delikatny element składowy wykonany z dwóch warstw przewodnika. Następnie cały podwójny naleśnik owinięto ponownie taśmą izolacyjną i wstrzyknięto żywicę w celu zwiększenia wytrzymałości konstrukcyjnej, przy użyciu próżni w celu usunięcia wszelkich kieszeni powietrznych.

W następnym etapie ułożono siedem podwójnych naleśników, tworząc „nawijany pakiet”, tworzący rdzeń ostatecznego magnesu. Każdy podwójny naleśnik łączono z następnym, aby zapewnić ciągłość elektryczną. Cały pakiet uzwojeń został zaizolowany, poddany obróbce cieplnej i ponownie wstrzyknięty żywicą.

Na koniec pakiet uzwojenia umieszczono w masywnej, dostosowanej do określonego celu obudowie ze stali nierdzewnej, ważącej około 200 ton i wystarczająco mocnej, aby wytrzymać ogromne siły, które będą generowane podczas działania ITER.

W tworzenie cewek pola toroidalnego (TF) zaangażowanych było ponad 40 firm i ponad 000 doświadczonych techników. Do najważniejszych europejskich firm należą:

• ASG Superconductors wyprodukowało podwójne naleśniki 70 TF i 10 pakietów uzwojeń.
• CNIM wyprodukowało płyty promieniowe 35 TF.
• SIMIC wyprodukował płyty promieniowe 35 TF i skompletował cewki 10 TF,
• Iberdrola koordynowała produkcję 10 pakietów uzwojeń cewek TF.
• Elytt Energy wyprodukowała oprzyrządowanie do podwójnych naleśników 70 TF.
• BNG zakończyło test na zimno w temperaturze 80 Kelvinów 10 pakietów uzwojeń TF.

Japonia była odpowiedzialna za wyprodukowanie wszystkich 19 obudów cewek TF we współpracy pomiędzy Mitsubishi Heavy Industries, Toshiba Energy Systems i Hyundai Heavy Industries. Ponadto do kluczowych firm zajmujących się produkcją cewek TF w Japonii należą:

• Mitsubishi Electric Corporation wyprodukowało 5 pakietów uzwojeń TF.
• Wszystkie taśmy izolacyjne wyprodukowała firma Arisawa Manufacturing.
• Firma Mitsubishi Heavy Industries ukończyła 5 cewek TF.
• Firma Toshiba Energy Systems wykonała 4 cewki TF.

„Ukończenie i dostawa 19 cewek toroidalnych ITER to monumentalne osiągnięcie” – powiedział Pietro Barabaschi, dyrektor generalny ITER. „Gratulujemy rządom państw członkowskich, krajowym agencjom ITER, zaangażowanym przedsiębiorstwom i wielu osobom, które poświęciły niezliczone godziny temu niezwykłemu przedsięwzięciu”.