Energia termojądrowa ma potencjał dostarczania bezpiecznej, czystej i niemal nieograniczonej energii. Chociaż reakcje fuzji mogą zachodzić dla lekkich jąder o masie mniejszej niż żelazo, większość pierwiastków nie ulegnie fuzji, chyba że znajdą się we wnętrzu gwiazdy. Aby wytworzyć płonącą plazmę w eksperymentalnych reaktorach termojądrowych, takich jak tokamaki i stellaratory, naukowcy poszukują paliwa, które można stosunkowo łatwo wyprodukować, przechowywać i doprowadzić do fuzji. Obecnie najlepszym rozwiązaniem dla reaktorów fuzji jądrowej jest paliwo deuterowo-trytowe. Paliwo to osiąga stan fuzji w niższych temperaturach niż inne pierwiastki i uwalnia więcej energii niż inne reakcje fuzji.
Deuter i tryt są izotopami wodoru, najobficiej występującego pierwiastka we wszechświecie. Podczas gdy wszystkie izotopy wodoru mają jeden proton, deuter ma również jeden neutron, a tryt dwa neutrony, więc ich masy jonowe są cięższe niż protu, izotopu wodoru bez neutronów. Kiedy deuter i tryt łączą się ze sobą, tworzą jądro helu, które ma dwa protony i dwa neutrony. W wyniku reakcji uwalniany jest energetyczny neutron. Elektrownie termojądrowe zamieniałyby energię uwolnioną w wyniku reakcji termojądrowych na energię elektryczną, która zasilałaby nasze domy, firmy i inne potrzeby.
Na szczęście deuter jest powszechny. Około 1 na każde 5 000 atomów wodoru w wodzie morskiej występuje w postaci deuteru. Oznacza to, że nasze oceany zawierają wiele ton deuteru. Kiedy energia termojądrowa stanie się rzeczywistością, jeden galon wody morskiej może wyprodukować tyle energii, co 300 galonów benzyny.
Tryt jest radioaktywnym izotopem, który rozpada się stosunkowo szybko (jego okres połowicznego zaniku wynosi 12 lat) i jest rzadki w przyrodzie. Na szczęście, wystawienie bardziej zasobnego pierwiastka litu na działanie energetycznych neutronów w reaktorze fuzji jądrowej może wytworzyć tryt. Działająca elektrownia termojądrowa mogłaby potencjalnie wykorzystać lit do produkcji trytu potrzebnego do zamknięcia cyklu paliwowego deuter-tryt, ponieważ lit można uzyskać ze skorupy ziemskiej poprzez wydobycie rud oraz z pustyń solnych.
DOE Office of Science: Contributions to Deuterium-Tritium Fuel
Częścią misji Biura Nauki Departamentu Energii, programu Fusion Energy Sciences (FES) jest opracowanie praktycznego źródła energii termojądrowej. FES współpracuje z programem Advanced Scientific Computing Research, używając obliczeń naukowych do rozwoju nauki o fuzji jądrowej i zrozumienia wpływu masy jonów na różne zjawiska plazmowe. W urządzeniach Office of Science, takich jak tokamak DIII-D i tokamak sferyczny NSTX-U, naukowcy badają wpływ masy jonów na utrzymywanie w plazmie, transport i turbulencje. Badane jest również utrzymywanie produktów fuzji jądrowej, takich jak jony helu, w obecności spiralnych pól magnetycznych. Program fizyki jądrowej Office of Science rozwija fundamentalną naukę jądrową leżącą u podstaw zrozumienia fuzji poprzez tworzenie baz danych reakcji jądrowych, wytwarzanie izotopów jądrowych i wyjaśnianie aspektów nukleosyntezy.
Fakty dotyczące paliwa deuterowo-trytowego
- Woda wytworzona z deuteru jest o około 10 procent cięższa od zwykłej wody. Z tego powodu jest czasami nazywana „ciężką wodą”. W rzeczywistości opadnie na dno szklanki zwykłej wody.
- Źródła trytu na Ziemi obejmują naturalną produkcję z interakcji z promieniami kosmicznymi, wytwarzające energię reaktory rozszczepienia jądrowego, takie jak ciężkowodny reaktor CANDU, oraz testy broni jądrowej.
- Aby uniknąć pewnych wyzwań związanych z R&D, w tym uszkodzeń materiałów strukturalnych spowodowanych przez energetyczne neutrony, naukowcy zajmujący się syntezą jądrową są zainteresowani również reakcjami syntezy aneutronowej (takimi jak synteza deuteru z helem-3 i proton-boron), mimo że te reakcje syntezy jądrowej zachodzą w wyższych temperaturach jonów niż w przypadku deuteru i trytu.
Źródła i terminy pokrewne
- Jak działa energia termojądrowa?
- Program U.S. DOE Office of Science Fusion Energy Sciences
- Science Up-Close: Developing a Cookbook for Efficient Fusion Energy
- Fusion Research Ignites Innovation
Podziękowania
Matthew Lanctot (U.S. DOE Office of Science)
Badania nad energią termojądrową w USA.