Reaktor fuzyjny w ciągu 5-10 lat ?

Ostatnio jakoś mamy wysyp newsów na temat reaktora fuzyjnego już niedługo. O tym,że reaktor termojądrowy jest świętym graalem energetyki; sposobem na wyjątkowo czystą energię elektryczną za śmieszne pieniądze wiadomo od dawna.

O reaktorach fuzyjnych wspominałem już we wcześniejszym wpisie.Pierwsze próby prowadzono już bardzo dawno. Czy wiec zbliżamy się do przełomu ? Oto koncern Lockhead Martin jako kolejny deklaruje,że jest 5-10 lat od przełomu, na miarę co najmniej porównywalnego z dawnymi podróżami na księżyc,czy wprowadzeniem komputera osobistego. Materiał wideo który wrzuca ta firma jest fascynujący:

Naukowcy są jednak nieco krytyczni,zauważając,że w istocie niektóre konieczne badania jeszcze nie zostały zrealizowane,a niektóre rzeczy są w fazie teorii,a Lockhead nie ma jak dotąd prototypu. Musimy pamiętać,że koncepcję tokamaka stworzyli już w 1950 Rosjanie Tamm i Sacharow.I do tej pory, jeszcze się nie udało tego pomysłu zrealizować w praktyce, w formie wydajnego źródła energii.Mimo to,wiele dróg i wiele prób przybliża całą ludzkość do tego wielkiego momentu coraz bardziej. Przypomnijmy:

  • Projekt ITER jest projektem pierwszego reaktora badawczego który ma wytworzyć więcej energii niż potrzebuje. Pierwszy zapłon ma mieć miejsce jednak dopiero za 5 lat – w 2019 roku.
  • Badania nad urządzeniem Polywell są nadal kontynuowane
  • Reaktor Dynomak klasy Spheromak miał niedawno być omówiony w St.Petersburgu – reaktor ten ma być tańszy niż węgiel w eksploatacji. Do materiałów z konferencji 17.10 nie dotarłem na razie,aczkolwiek pan Derek Sutherland zamieścił na swoim koncie wordpress poster (możliwe,że stary,ale i tak dobry)

Wnioski są oczywiste.Badania prowadzone są więcej niż 1 ścieżką.I prędzej czy później, ten reaktor fuzyjny będzie – taki czy inny. Cała kwestia w jednak w utrzymaniu tej plazmy wewnątrz odpowiednim polem magnetycznym i w kontroli nad nią. Czy jednak to jest kwestia 10 lat ? Obawiam się,że wiele tu zależy od środków na badania,możliwe też,że od opracowania lepszych nadprzewodników  i nie tylko- więc ten termin może raczej nie zostać dotrzymany.Chciałbym w to wierzyć,ale skala problemu sprawia,że mam wątpliwości.Rzecz jednak w tym,że to bardzo dobrze,że zwraca się uwagę na tą wielką szansę w mediach. Badania nad fuzją nuklearną mają strategiczne znaczenie nie tylko dla państw,ale całego gatunku ludzkiego. Szczytem (nieosiągalnych niestety) marzeń byłoby,gdyby państwa przeznaczyły na te badania solidarnie choć połowę swoich dotychczasowych budżetów zbrojeniowych – co raczej nie będzie mieć miejsca. Przy odpowiednim zarządzaniu,problem zostałby wtedy dużo szybciej rozwiązany.I bylibyśmy jako cywilizacja od razu lata świetlne do przodu.
Z drugiej strony, jeśli efektywne reaktory fuzyjne rzeczywiście powstałyby w 5-10 lat,to oznaczałoby to,że cały pomysł,by w Polsce postawić reaktor na materiał rozszczepialny (pomijając już oczywiste niebezpieczeństwo, typowych w naszym kraju „oszczędności”,które sprawiają,że po roku nasze „autostrady” nadają się do remontu,ponieważ „wykonana nadzwyczaj oszczędnie” Polska jezdnia niestety pęka) może się okazać wyrzuceniem pieniędzy w błoto na przestarzałą i niebezpieczną technologię. A wtedy zdobędziemy kolejny powód,by swojsko ponarzekać na „niezwykłą bystrość” i „wyjątkowo wielką wiedzę” (zwłaszcza naukowo-techniczną) naszych polityków,z których 82  jest (jak deklarują) nauczycielami i wykładowcami akademickimi (no ale, czego się spodziewać po „humanistach” i to w kraju który nadal konsekwentnie utrzymuje wydatki na naukę na poziomie promili PKB ?).

Złącze P-N po ludzku

Pomimo obecności artykułu na Wikipedii, właściwie,dzięki gąszczom równań i nie tylko, zwykłym ludziom może być trudno pojąć sedno rozwiązań, będących podstawą współczesnej elektroniki. Więc czym jest złącze P-N , wszechobecne w elektronice, ogniwach PV itd; jak zrozumieć „na chłopski rozum” skomplikowane zjawiska,których wyjaśnienie i wykorzystanie pozwoliło później wytworzyć jeszcze bardziej złożone tranzystory bipolarne ? Jak prosty człowiek,nie będący fizykiem czy elektrykiem/elektronikiem ma to zrozumieć ? Jak ono działa ?

W definicji mowa jest o półprzewodnikach.Tak.To jest znany nam dobrze krzem.

Czysty krzem jednak,bez domieszek jest właściwie izolatorem,a całą strukturę trzeba domieszkować – jeśli czytujesz tego bloga, być może wspomniałem o tym już wcześniej. Po co domieszkować ? Dla obecności elektronu lub dziury*,czyli dwóch podstawowych nośników prądu. Wyjaśnijmy to na przykładach.Istnieje 2 rodzaje domieszkowania:

  • P (ang.Positive) – atomami o wartościowości 3 jak: Bor,Glin,Bar,Ind (B,Al,Ba,In) – głównie borem.
  • N (ang.Negative) – atomami o wartościowości 5 jak: Fosfor,Arsen,Antymon (P,As,Sb) – głównie fosforem

Skoro Krzem ma wartościowość 4, to pierwiastki o wartościowości 3 mają niedobór elektronów (a wiec względny ładunek „pozytywny”,”dziurę” – stąd „positive”) , a te o wartościowości 5 ich nadmiar (a ponieważ elektron ma ładunek ujemny: „negative”).No i dobrze.Ale teraz jeśli kojarzy się zjawisko dyfuzji, czy podstawową wiedzę o elektryczności można zapytać – dlaczego w takim razie, w naturze nie dojdzie do szybkiej dyfuzji czy przepływu elektronów.Cały dowcip jednak w tym,że to zjawisko działa na naszą korzyść tworząc pomiędzy warstwą P i N strefę zubożoną o praktycznie obojętnym,stabilnym ładunku, która w praktyce pełni rolę swego rodzaju bariery. :
strefa zubożona

W naturalnym stanie mamy zatem równowagę.Raczej taką chwiejną,ale równowagę.Wystarczy jednak przyłożyć napięcie, a równowaga ta znika. Napięcie jednak może być oczywiście przyłożone na 2 sposoby:

  • w kierunku przewodzenia, wówczas dodatni (p) biegun napięcia – do obszaru p – wtedy płynie prąd dyfuzyjny
  • w kierunku zaporowym, wówczas dodatni (p) biegun napięcia – do obszaru n – wtedy bariera rośnie.

Widać zatem,dlaczego mówimy o kierunku zaporowym – pomijając możliwe przebicie, złącze jest zatem jednokierunkowe.

Oczywiście to jest teoria elektryczna,w praktyce mamy bariery potencjału itd,ale to już szczegóły, pozwalające zrozumieć szczegóły działania.

*dziura elektronowa (electron hole) choć zachowuje się jak cząstka cząstką oczywiście nie jest;jest wytworem pasmowej teorii przewodnictwa; uproszczeniem,tzw. kwazicząstką a nie np. pozytonem.Gdy byłem młodszy, „dziury” wspomniane w podręczniku sprawiały mi w fizyce dość poważny problem,ponieważ „nie pasowały”. W istocie, jako dziecko nie mogłem pojąć,jak można mówić o poruszającej się pustce,przenoszącej na dodatek jakiś ładunek. Wydawało mi się to nonsensem. Dopiero samodzielne uzupełnianie wiedzy,oraz studiowanie inżynierii materiałowej pozwoliło mi się oswoić z tym pojęciem, i dostrzec pewną analogię (lecz jest to trochę kiepska analogia) do wakancji,poprzez zrozumienie, że to nie „pustka” się może poruszać,ale całe jej otoczenie. Jest prawdziwym problemem,że szkoła uczy nieraz tak wyrywkowo,że niektórzy nie dostrzegają już znaczenia tego, czy jonizacji.Okrojony program nauczania nie jest dobrym programem.

Magazynowanie energii – baterie i nie tylko

Cała nasza cywilizacja opiera się na przetwarzaniu energii,zwłaszcza energii elektrycznej, w użyteczną pracę. Gdyby jej nagle zabrakło,np. w wyniku rozbłysku słonecznego,czy końca zasobów, ludzkość, w najlepszym razie, cofnęła by się o kilka stuleci cywilizacyjnie.  Podczas, gdy fenomen wykorzystania energii mechanicznej wody,czy pary jest stosunkowo prostym problemem, elektryczność jest poniekąd nieuchwytna,niewidzialna – chyba,że chodzi o wyładowania atmosferyczne; pioruny,których jednak nie potrafimy wykorzystać w energetyce:

błyskawica

Podobnym przykładem są niekiedy „iskry” wynikające z nagłego wyładowania prądu z przewodów. Można ją za to odczuć. Czasem delikatnie,a czasem… śmiertelnie.Fenomen ten wynikający z przepływu elektronów – tudzież tzw. „dziur elektronowych”  w zasadzie jest częściowo wyjaśniany już w szkołach,lecz niezbyt jasno,ponieważ elektromagnetyzm,jedno z fundamentalnych 4 oddziaływań, nadal jest badany.Kwestia ładunku elektrycznego  czy elektromagnetyzmu nie jest też kwestią prostą ani intuicyjną.

Tak czy inaczej, to na wykorzystaniu elektryczności opierają się nasze urządzenia,to od jej dostaw jesteśmy uzależnieni,uzależnieni bardziej nawet,niż nasi przodkowie. Czasem jednak,stałe dostawy energii są niedostępne.Kable też stanowią problem.Niekiedy energię trzeba zmagazynować.

Jednym z rozwiązań tego problemu (inne to przesył bezprzewodowy energii czy silniki) jest bateria. Przeważnie,jako baterię rozpatrujemy ogniwo galwaniczne. Pierwszym takim ogniwem znanym współczesnej nauce było ogniwo Volty:
Ogniwo Wolty - koncepcja

W istocie jednak,wiele wskazuje na to,że prymitywne ogniwa znali już starożytni,czego prawdopodobnie dowodzi tzw. „bateria z Bagdadu” :

„[…] W latach sześćdziesiątych XX wieku archeologowie znowu znaleźli podobny przedmiot w okolicach Bagdadu, a następnie kilkadziesiąt elementów składowych owych tajemniczych urządzeń (m.in. pręty miedziane i żelazne oraz odpowiednie korki bitumiczne)[…]Dla jej [hipotezy] poparcia zrekonstruowano owe hipotetyczne ogniwa i wypełniono je roztworami kwasów znanych w Mezopotamii w tamtych czasach (octowego i cytrynowego). Baterie zaczęły działać […]” (źródło cytatu – wikipedia)

Bateria z Bagdadu
Pomińmy skomplikowaną debatę „skąd starożytni wiedzieli”,  i co właściwie wiedzieli,ważne jest to,że udowodniono,iż takie ogniwo w istocie miało prawo działać i działało.

Jak widać zatem, sama koncepcja nie jest skomplikowana. Diabeł jednak tkwi w szczegółach.Uzyskana energia zależy od potencjału związanego z reakcjami chemicznymi,powierzchni czynnej i wielu innych czynników.

Wyróżniamy bardzo dużo rodzajów baterii,np:

Istnieją też baterie jądrowe,oparte o rozpad promieniotwórczy,jednak ich zasada działania jest inna, i moim zdaniem, na dobrą sprawę, można by tu raczej mówić o prymitywnym rodzaju generatora,który w dodatku, z natury zapewnia coraz mniej energii (prawo rozpadu naturalnego to sprawia) choć może ją zapewniać przez wiele lat.

Ponadto w praktyce rozróżnienie pomiędzy baterią, a akumulatorem jest raczej dość umowne w powszechnym języku. Wynika to z faktu,że w praktyce akumulator różni się od typowej baterii tym,że przewidziane jest jego wielokrotne ładowanie,sama konstrukcja i funkcje nie są zaś aż tak różne,stąd zdarzają się pomyłki.

Wyróżniamy różne  akumulatory np.:

W praktyce jest ich jeszcze więcej, co udowadniają artykuły Anglojęzycznej Wikipedii o Bateriach i Akumulatorach

Baterie i akumulatory zrewolucjonizowały nasze życie,dzięki ich wykorzystaniu wiele urządzeń elektrycznych stało się naprawdę mobilnymi i na dobrą sprawę niezależnymi od problemów z okablowaniem, czy dostępem do sieci elektrycznej. Niestety – ich wydajność i koszt są istotnymi ograniczeniami.

Problem w tym,że pomimo mnogości rodzajów baterii i akumulatorów, magazynowanie energii nie jest proste,nie jest też do tej pory wystarczająco opłacalne ekonomicznie. W dodatku, baterie podlegają też przecież samorozładowaniu – te popularnie stosowane tracą rocznie 8-20% zmagazynowanej energii. Przesył energii elektrycznej przy pomocy sieci przesyłowej wciąż jest wielokrotnie tańszy.Oczywiście, problem lobbingu koncernów naftowych i energetycznych może być również ważnym powodem braku wystarczającej alternatywy – ale nie jedynym. Problem bowiem polega naprawdę efektywności i tylko wydaje się prosty,a pomimo rozwoju technologii – zwłaszcza w przypadku akumulatorów telefonów komórkowych – koszty wciąż są znaczne.

Oczywiście – z czasem gęstości energii rosną:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c9/Secondary_cell_energy_density.svg/395px-Secondary_cell_energy_density.svg.png

I wygląda to imponująco,ale tylko do momentu,gdy porównamy to z gęstością energii innych jej źródeł obecnych w naturze:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c6/Energy_density.svg/800px-Energy_density.svg.png

Jak widać jednak z całości artykułu na Wikipedii dotyczącego gęstości energetycznej wartości te są śmieszne w porównaniu nie tylko z prochem strzelniczym (który tylko pozornie wydaje się efektywny),ale nawet z drewnem czy cukrami.

Oczywiście,baterie są zaprojektowane do efektywnego wyzwalania energii w oczekiwany sposób,a te substancje – same z siebie póki co, nie,ale problem pozostaje.

W tym kontekście bardzo istotne wydają się badania nad „bateriami na cukier”/biobateriami i sztuczną fotosyntezą,ponieważ cukry i enzymy ulegają rozpadowi w sposób ekologiczny a przy tym są dużo wydajniejsze energetycznie. W istocie,w świetle ostatnich badań ze stycznia których wyniki opublikowano w artykule pt. „A high-energy-density sugar biobattery based on a synthetic enzymatic pathway.” w czasopiśmie „Nature Communications”, a omówiono również na stronie Extremetech, urzeczywistnienie takich rozwiązań wydaje się kwestią czasu.Czy tak będzie tak zatem faktycznie ? Zobaczymy.