DEMO

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - Dacă sunteți în căutarea altor semnificații, consultați Demo (dezambiguizare) .
Fără surse!
Această intrare sau secțiune despre chimia nucleară nu menționează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți .
Puteți îmbunătăți această intrare adăugând citate din surse de încredere în conformitate cu liniile directoare privind utilizarea surselor .

DEMO (prescurtarea de la DEMOnstration Power Plant ) este un prototip de reactor de fuziune nucleară proiectat de consorțiul european Eurofusion ca succesor ideal al reactorului experimental ITER .

Este conceput ca ultimul reactor de cercetare a fuziunii nucleare înainte ca reactoarele comerciale cu drepturi depline să fie puse în funcțiune în a doua jumătate a secolului XXI . Studiile despre DEMO au început înainte de 1995 și vor continua până la proiectarea construcției reactorului, așteptat în mod real în jurul anului 2050 .

Spre deosebire de proiectul ITER , care își propune să demonstreze posibilitatea de a obține plasmă capabilă să susțină reacția de fuziune nucleară pentru o perioadă destul de lungă (1000 s), scopul principal al proiectului DEMO este de a demonstra în mod explicit posibilitatea de a genera electricitate prin fuziune nucleară reacții . Prin urmare, caracteristicile plasmei DEMO trebuie să fie mai intense decât cele ale plasmei ITER, adică astfel încât să mențină stabilitatea reacției de fuziune pe o perioadă nedeterminată.

Consumul de tritiu , mult mai mare decât cel așteptat într-o mașină cu plasmă pulsată precum ITER, necesită prezența în DEMO a unei pături capabile să o genereze la fața locului [1] , adică o parte a mașinii destinate să producă tritiu la începând de la litiu , prin captarea unui neutron . Tritiul , fiind un izotop cu un timp de înjumătățire de aproximativ 12 ani [2] , trebuie produs local.

Descriere

Reacția de fuziune din DEMO va fi obținută prin confinarea magnetică într-o mașină de tip tokamak (vezi intrarea de fuziune nucleară ). Deoarece în studiul DEMO există patru modele diferite, sunt date caracteristicile minime și maxime prevăzute pentru diferitele modele.

  • Puterea electrică a centralei: 1,33 - 1,55 GW
  • Puterea generată de reacțiile de fuziune: 2,53 - 5,00 GW
  • Raza la centrul de greutate al plasmei: 6,10 - 9,55 m
  • Raza plasmatică internă: 4,1 - 6,6 m
  • Raza plasmatică externă: 8,2 - 13,1 m
  • Înălțimea totală a plasmei: 8,6 - 12,3 m
  • Câmp magnetic toroidal pe axă: 5,6 - 7,0 T
  • Eficiența generală a instalației: 31% - 60%

Producția de energie electrică

Scopul DEMO este de a demonstra posibilitatea producerii de electricitate din reacția de fuziune nucleară, demonstrând în același timp eficiența costurilor acestei forme de producere a energiei, fiind lăsată în lanțurile de reactoare ulterioare. Cu toate acestea, aceste reactoare vor trebui să exploateze experiența operațională a DEMO pentru a atinge scopul de a produce electricitate la costuri mai mici decât energia produsă din alte surse ( cărbune , fisiune nucleară ). Densitatea puterii (raportul dintre puterea generată și volumul în care este generată această putere) a fuziunii nucleare este semnificativ mai mică decât cea a fisiunii nucleare și, de asemenea, mai mică decât cea a puterii obținute din combustibilii fosili, prin urmare fuziunea nucleară necesită structuri mai voluminoase și scump. Pentru a reduce costurile cu energia, trebuie crescută eficiența termodinamică a ciclului de generare a energiei, adică temperatura ciclului trebuie crescută (vezi ciclul Carnot ). Prin urmare, ca vector termic (adică ca fluid care transferă energie de unde este generată în locul în care este transformată în electricitate), apa nu poate fi utilizată (ca în centralele electrice cu combustibili fosili sau în reactoarele de fisiune nucleară pe bază de apă - PWR și BWR ), dar trebuie folosite metale sau gaze lichide. În DEMO este planificată utilizarea heliului sau a unui aliaj de plumb cu 17% litiu ca purtător de căldură.

Aliajul de plumb cu 17% atomi de litiu (Pb-17Li) reprezintă un eutectoid , adică un aliaj care se topește la temperaturi relativ scăzute (vezi eutectic ), temperatura de topire a Pb-17Li este de 235 ° C, deci limita inferioară de temperatură pentru utilizarea acestui aliaj ca vector termic este de 250 ° C, în timp ce limita superioară, dată practic de rezistența mecanică a materialelor structurale, este mai mare de 600 ° C în cazul structurilor din oțel. Pb-17Li, fiind un conductor electric, atunci când se deplasează într-un câmp magnetic, cum ar fi cel generat într-un reactor de fuziune, este supus, pe lângă fenomenele normale de dinamică a fluidelor , și fenomenelor magnetohidrodinamice , care pot crește semnificativ rezistența la mișcare în aceste condiții, reducând astfel viteza cu care se poate mișca în tokamak .

Heliul , fiind gazos, are caracteristici de schimb de căldură foarte scăzute, deci poate fi utilizat doar cu viteză și presiune ridicate, presiunea menționată în studiile DEMO este de 8 MPa. Această presiune ridicată a gazului limitează temperatura maximă de funcționare la aproximativ 500 ° C în structurile din oțel rezistente, în timp ce poate fi crescută utilizând metale refractare (în special tungsten ) ca materiale structurale.

Purtătorul termic, după ce a fost încălzit de reacția de fuziune, este scos din vasul de vid (VV) și, în cazul Pb-17Li, transferă căldura către un gaz care este utilizat într-o turbină, care prin deplasarea unui alternator , generează energie electrică. Pasul intermediar al schimbului de căldură cu un gaz pentru a-l utiliza în turbină este în mod natural absent în cazul heliului .

Componentele principale

Unele componente, care sunt de fapt fundamentale pentru reactorul de fuziune, nu sunt încă studiate în detaliu pentru DEMO (vas de izolare în vid, magneți) și, în studiile curente, caracteristicile lor sunt extrapolate de cele ale componentelor corespunzătoare ale ITER. Cele mai semnificative componente ale DEMO care reprezintă evoluțiile originale sunt prezentate mai jos.

Primul perete

Energia este produsă în mașina DEMO prin reacția de fuziune:

adică fiecare reacție determină formarea unei particule α (α) (nucleu de heliu) și a unui neutron . În timp ce neutronii au o cale liberă relativ mare în materie, particulele α sunt oprite cu o grosime de câțiva centimetri de oțel. Aceasta înseamnă că aproximativ 19% din energia produsă de reacție (adică tot ceea ce este îndepărtat din plasmă de particulele α) încălzește primii centimetri de material solid care se află în fața plasmei în sine. Această zonă, unde densitatea puterii este foarte mare, este indicată ca primul perete . În DEMO primul perete are o grosime de 25 mm și este refrigerat cu heliu sau cu Pb-17Li.

În cazul refrigerării folosind He, materialul structural de referință este un oțel cu un conținut ridicat de crom , întărit cu dispersie de oxid în partea cea mai apropiată de plasmă. Primul perete este traversat de canale orizontale, în care curge heliu cu o temperatură de intrare de 300 ° C și o temperatură de ieșire de 500 ° C. Acest heliu este apoi trimis la turbină împreună cu heliul care a refrigerat pătura și divertorul.

În schimb, în ​​cazul utilizării Pb-17Li, se preconizează utilizarea structurilor de materiale compozite din fibre de carbură de siliciu (SiC) într-o matrice din același material sub formă ceramică. Acesta este din două motive: primul este că, din moment ce SiC este un izolator electric, folosind acest material rezistența la mișcarea Pb-17Li pentru fenomenele magnetohidrodinamice este foarte limitată, al doilea este că, în acest mod, este posibil să se exploateze capacitatea Pb17Li de a elimina căldura la temperaturi peste 700 ° C, fără degradarea excesivă a caracteristicilor materialului structural. Sunt studiate probleme legate de construcția de structuri compozite masive bazate pe SiC.

Palton

Mantaua unui reactor de fuziune are două funcții fundamentale, care sunt similare cu cele ale mantei stelare :

  1. Transferarea energiei îndepărtate din plasmă de către neutroni într-un fluid (agent frigorific)
  2. În cazul particular al exploatării reacției cu tritiu (considerat acum un standard datorită temperaturii mai scăzute necesare), mantaua trebuie să fie proiectată și pentru a genera tritiu. De exemplu, în cazul fuziunii fără neutroni , de exemplu heliu-3, nu ar fi nevoie ca manta să fie îngrășământ pentru tritiu: din păcate, această tehnologie necesită plasmă la temperaturi de până la trei ori.

Pentru a efectua fertilizarea, o funcție suplimentară pentru mantaua foarte dificilă, este necesară prezența unui material fertil , în special litiu sau unul dintre compușii săi: unele tehnologii candidate pentru prototipurile ITER și DEMO utilizează ortosilicat de litiu , care este o ceramică compus de tip sau aliajul eutectic de litiu cu plumb , în care acesta din urmă este introdus pentru a se proteja spre exterior. Plumbul poate ajuta, de asemenea, la fertilizarea cu litiu ( multiplicator ). Litiul-6, atunci când este supus unui flux de neutroni, absoarbe un neutron și generează o particulă alfa pe lângă un nucleu de tritiu.

Distracţie

În plasmă, pe lângă atomii de izotopi de hidrogen (deuteriu și tritiu) există și nuclee mai grele, provenite din materiale structurale sau din scurgeri de aer sau alte gaze din vid. Aceste nuclee, dacă ar fi lăsate în plasmă, l-ar otrăvi, făcându-l să se stingă în timpuri extrem de scurte. Acesta este motivul pentru care masa lor, mai mare decât cea a izotopilor de hidrogen, este exploatată pentru a le aduce într-o zonă bine definită a plasmei, unde interacționează cu o structură realizată special pentru a le extrage din plasmă ( divertor ). Divergentul este supus debitelor termice localizate extrem de ridicate, în ITER vârful este de așteptat să fie de aproximativ 15 MW / m², această putere este eliminată cu apă la temperatură scăzută (150 ° C).

Divergentul furnizat pentru DEMO are aceeași geometrie ca și divergentul ITER, cu toate acestea, deoarece puterea care este îndepărtată cu divergentul variază de la 17% la 24% din energia totală produsă în reacția de fuziune, o soluție ca cea a ITER ( fluid la temperatură scăzută) nu este fezabil, prin urmare, pentru răcirea divertorului, He sau Pb-17Li se utilizează la temperaturi suficient de ridicate pentru ca fluidul să poată fi utilizat pentru a produce energie în turbină, totuși în DEMO este de așteptat ca vârfurile de putere poate fi redus la aproximativ 10 MW / m². Chiar și în cele mai favorabile condiții prevăzute pentru DEMO, este necesar să se protejeze structura divertorului cu un material care este îndepărtat din plasmă înainte ca aceasta să interacționeze direct cu structura (scut de sacrificiu), care, în cazul DEMO este tungsten (W )

Utilizarea He implică, pentru a putea elimina o putere de suprafață precum cea prevăzută, că debitele se deplasează la viteze extrem de mari (mai mult de 100 m / s) și că există structuri care favorizează turbulența mișcării , pentru a avea coeficienți de schimb de căldură suficient de mari. Cu toate acestea, chiar și în aceste condiții, temperaturile locale ale materialului structural pot crește chiar și peste 700 ° C, astfel încât unele studii au ca scop înlocuirea oțelului cu tungsten sau aliajele sale din divertizor.

Problema refrigerării cu Pb-17Li este întotdeauna legată de fenomene magnetohidrodinamice, prin urmare materialul structural prevăzut pentru divertor (în cazul în care agentul frigorific este Pb-17Li) este SiC, sub formă de fibre compozite într-o matrice a aceluiași material. Problemele, menționate deja, de a construi structuri complexe cu acest material rămân.

Situația studiilor pe DEMO

  • Ianuarie 2006: Studiile DEMO sunt coordonate de EFDA (European Fusion Development Agreement), un organism al Uniunii Europene , și sunt realizate în diferite țări europene. În plus față de studiile tehnice referitoare la pătură / primul perete (se așteaptă ca aceste două componente să fie integrate într-o singură structură) și pe detergent, sunt în curs studii economice cu privire la cea mai bună utilizare a energiei de reacție și la cea mai bună dimensiune a sistemului . În cele din urmă, sunt în curs de desfășurare studii socio-economice pentru a aborda problema înființării fabricii fără a trezi opoziția populației locale față de această nouă tehnologie. Este planificată testarea modelelor de pături frigorifice He în ITER, în timp ce există mari dificultăți de testare în divertorul ITER și primul perete din cauza problemelor de siguranță asociate prezenței gazului la temperatură ridicată.
  • Iunie 2007: Uniunea Europeană și Japonia semnează acordul pentru așa-numita abordare mai largă a fuziunii nucleare. Născut în cadrul proiectului ITER și cu o durată de cel puțin 10 ani, Abordarea mai largă prevede că cei doi parteneri contribuie financiar în părți egale la o serie de proiecte accesorii utile pentru studiul plasmelor prevăzute în ITER și, în viitor, și în DEMO . Proiectele finanțate de abordarea mai largă sunt: ​​modernizarea tokamakului experimental japonez JT-60 la versiunea JT-60SA (care urmează să fie finalizată până în 2020), construcția Facilității internaționale de iradiere a materialelor de fuziune (IFMIF) pentru testarea materialelor supus energiilor tipice de plasmă ITER / DEMO și, în cele din urmă, construcției Centrului internațional de cercetare a energiei prin fuziune (IFERC) care include un centru de proiectare pentru DEMO, un centru de calcul pentru simulări de plasmă la scară largă și un centru de achiziție la timp date de operare reale de la ITER de la distanță. [3]
  • Noiembrie 2012: EFDA propune o foaie de parcurs pentru construcția unui reactor (DEMO) capabil să producă câteva sute de megawați de energie electrică netă, care urmează să fie construită imediat după ce ITER a demonstrat că este capabilă să genereze un surplus de energie (la scurt timp după 2030 conform previziunilor). Pentru a simplifica construcția, proiectarea și arhitectura acestui reactor vor fi foarte asemănătoare cu cele ale ITER, faza de proiectare fiind stabilită încă din 2020. Datorită acestei abordări, se așteaptă ca DEMO să devină operațional la începutul anilor. secolul XXI. [4]
  • 2014: consorțiul EUROfusion începe proiectarea conceptuală a DEMO europeană. Scopul ambițios este realizarea electricității prin fuziune până în 2050. [5]

Notă

  1. ^ Mantaua poate fi de tip simplu ecranare sau de tip fertilizant , de asemenea. Pentru ITER: G. Simbolotti și colab., Pătură pentru șofer ITER, design comunitar european, Fusion Engineering and Design 22 (1993); C. Nardi, L. Petrizzi, G. Piazza, O pătură de reproducere în ITER-FEAT, Fusion Engineering and Design 69, (2003)
  2. ^ P. Batistoni et al, Fusion energy, state of the art and new perspectives, ediții ENEA 2008
  3. ^ Activități de abordare mai largă , pe f4e.europa.eu . Adus pe 19 martie 2019 .
  4. ^ O foaie de parcurs către realizarea energiei de fuziune ( PDF ), pe euro-fusion.org . Adus pe 19 martie 2019 .
  5. ^ Realizarea electricității prin fuziune până în 2050 , pe euro-fusion.org .

Elemente conexe

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=DEMO&oldid=122076966 ”