Polski wkład w badania nad gwiezdną energią przyszłości

Realizowany na południu Francji projekt budowy reaktora ITER ma być podstawą dla przyszłych elektrowni termojądrowych.

Reaktor ITER ma konstrukcję tokamaka - urządzenia, które pozwala na przeprowadzenie kontrolowanej reakcji termojądrowej. Takie reakcje zachodzą w naturze - są one (obok energii grawitacyjnej) głównym źródłem energii gwiazd. Według ekspertów budowa reaktora, w którym można będzie przeprowadzać podobne reakcje, pomoże rozwiązać problem produkcji czystej energii elektrycznej. W praktyce oznacza to, że w przyszłości przy pomocy tokamaków można będzie wytwarzać energię elektryczną bez obciążania środowiska.

ITER - największy zbudowany do tej pory tokamak - pozwoli po raz pierwszy w historii na uzyskanie dodatniego bilansu energetycznego. To znaczy, że wyprodukuje on więcej energii, niż zostanie do niego dostarczone – mówi PAP dr hab. inż. Dariusz Makowski z Katedry Mikroelektroniki i Technik Informatycznych (KMiTI) PŁ.

W przypadku ITER w wyniku dostarczenia 50 MW planuje się uzyskać ok. 500 MW energii. Natomiast w przyszłości ta sprawność będzie mogła być znacznie podniesiona. Myślę, że synteza termojądrowa pozwoli uzyskiwać tyle samo - albo więcej energii, niż w obecnych elektrowniach jądrowych.

ITER nie będzie pełnił funkcji elektrowni; jest projektem demonstracyjnym i typowo naukowym. Ma posłużyć do zbadania możliwości związanych z produkowaniem energii z użyciem kontrolowanej fuzji jądrowej na wielką skalę.

"Główną zasadą jego działania jest odwzorowanie procesów, które zachodzą na Słońcu i produkują energię w potężnych ilościach. Paliwem wejściowym do tokamaka ITER będzie deuter i tryt, z których w reakcji termojądrowej powstaną cięższe pierwiastki, tj. hel - oraz ogromne ilości energii, którą będzie można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej. Finalnie dążymy do tego, aby nie produkować odpadów radioaktywnych, jak to jest w przypadku elektrowni jądrowych" - opowiada dr Makowski.

Zdaniem kierownika KMiTI prof. Andrzeja Napieralskiego korzystanie z takich rozwiązań przypomina sytuację, w której energię Słońca przenieślibyśmy na Ziemię. "Dążymy do tego, żeby nie były potrzebne już żadne źródła węgla i ropy naftowej, ale żeby energię, jaka jest na Słońcu, otrzymać także na Ziemi" - dodał.

Do otrzymania kontrolowanej fuzji jądrowej niezbędny jest właśnie tokamak (urządzenie z cewkami toroidalnymi), w którym - dzięki silnemu polu magnetycznemu – utrzymywany jest pierścień gorącej plazmy. "Plazma o temperaturze 200 mln stopni Celsjusza krąży w polu magnetycznym i dzięki temu możliwa jest synteza termojądrowa. Naszą rolą jest monitorowanie tego procesu tak, żeby plazma nie dotknęła ścianek komory" – dodał prof. Napieralski.

Naukowcy podkreślają, że w budowę ITER zaangażowane są UE, Stany Zjednoczone, Japonia, Korea Płd., Chiny, Rosja i Indie.

Naukowcy z Politechniki Łódzkiej uczestniczą w projekcie od 2010 r. Opracowują podsystemy oprzyrządowania i sterowania IC (Instrumentation and Control), zapewniające stabilne sterowanie tokamakiem, gwarantujące bezpieczeństwo pracy, diagnostykę plazmy oraz pozwalające na przeprowadzanie badań fizycznych.

Do poważniejszych wyzwań badacze zaliczają opracowanie metodyki projektowania systemów diagnostycznych i dostarczenie kompletnych systemów elektronicznych i oprogramowania.

"Po naszej stronie jest opracowanie wymagań dla tych systemów diagnostycznych, przygotowanie dokumentacji projektowej, wykonanie projektu, implementacja, opracowanie oprogramowania nisko- i wysokopoziomowego, a skończywszy na przypadkach testowych, testach oraz instrukcji obsługi, którą musimy dostarczyć do ITER-u" - wyjaśnił koordynator projektu z ramienia PŁ.

Najważniejszą częścią systemu oprzyrządowania i sterowania jest system akwizycji danych, zbierający sygnały z kilkudziesięciu tysięcy czujników, cyfrowych i analogowych. W przypadku ITER mierzonych będzie ok. 100 tys. analogowych wartości, takich jak: temperatura, prędkość przepływu, czy gęstość elektronowa plazmy.

Zbudowanie tak różnorodnych systemów pomiarowych stanowi wyzwanie i wymaga użycia najnowszych technologii przetwarzania danych w czasie rzeczywistym, tj. układy FPGA (Field Programmable Gate Array), procesory GPU (Graphics Processing Unit) i CPU (Central Processing Unit) oraz odpowiednio elastycznej platformy sprzętowej, pozwalającej na integrację układów diagnostyki i przetwarzania danych.

"Naszym zadaniem jest opracowanie metodyki projektowania takich systemów, począwszy od systemów elektronicznych, projektów obwodów drukowanych, interfejsów, oprogramowania układów FPGA, które pozwalają na rejestrowanie obrazów i sygnałów analogowych, np. temperatur mierzonych we wnętrzu tokamaka - oraz finalnie, sterowanie samą plazmą i utrzymanie jej w stabilnych warunkach" - opowiada naukowiec.

Diagnostyka plazmy wymaga również użycia systemów wizyjnych, które wykorzystują kamery oraz detektory pracujące w szerokim zakresie - od promieniowania widzialnego, podczerwonego do promieniowania gamma.

Systemy wizyjne obserwują plazmę przy pomocy ultraszybkich kamer, mogących wykonywać nawet 200 tys. klatek na sekundę. W tym przypadku także istnieje szereg wyzwań ze względu na ogromne ilości dostarczanych danych. Z jednej takiej kamery pochodzi ok. 8 GB danych na sekundę, a takich kamer w projekcie ITER będzie ok. 200, więc są to potężne ilości danych, które trzeba przetworzyć w czasie rzeczywistym.

Systemy diagnostyczne tokamaka będą dostarczone przez różne kraje biorące udział w projekcie. Dlatego – zdaniem naukowców – dla zapewnienia ich kompatybilności ważne jest posługiwanie się ujednoliconą metodyką budowy systemów sterujących, akwizycji i przetwarzania danych.

W ocenie naukowca fuzja jądrowa to przyszłość energetyczna na Ziemi, która jednak nieprędko zostanie zrealizowana. W przypadku ITER pierwszy zapłon plazmy zaplanowano na 2025 r., a dopiero w 2035 roku tokamak powinien pracować z docelowymi parametrami.

"Pierwsze elektrownie termojądrowe planowane są na lata 2040-2050. Mamy nadzieję, że uda się wtedy zastąpić wysłużone już elektrownie jądrowe nowymi elektrowniami, bazującymi na fuzji termojądrowej" - podsumował dr hab. inż Dariusz Makowski z PŁ.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl