Conceptual analysis of a thermonuclear power station with the tokamak type reactor

• Autorzy: Pajączek Krzysztof

Warianty tytułu

PL

Koncepcyjna analiza pracy elektrowni termojądrowej z reaktorem typu tokamak

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper concerns a technology of nuclear fusion reactors with magnetic containment of plasma in a tokamak and about using it in production of electricity. The reaction of the thermonuclear fusion is occurring in very high temperatures of the order of hundreds of millions degrees Kelvin. Such reactions are occurring in stars and produce the considerable quantities of energy. The closest natural fusion reactor is the sun in our Solar System. A power station based on a fusion reactor seems to be within reach of current technologies, however requires considerable efforts and the cooperation of many nations. Elements from which the thermonuclear power station will be built will have to be of high quality and of the precise execution. Thermonuclear reactor will consist of many parts which must be made appropriately and have a significant resistance to thermal fluxes and the neutron radiation. The analysis presented in this work regards production of electricity with applying the thermonuclear fusion. Most important system and elements that make up the tokamak type thermonuclear reactor are characterized. A few blends of fuel are considered for "burning" in the reactor, and most probable for the application is a blend of deuterium and tritium. A subject of the production of the tritium in cooling jackets with liquid lithium is brought up. Power station under consideration has a turbine cycle with steam as the working fluid. High-temperature plasma is the source of heat driving the power plant and the heat is being collected from the blanket of the reactor which surrounds plasma. Calculations were performed for the conceptual power station in three technological variants (different parameters of fresh and reheated steam). Matter of using the product after the thermonuclear reaction is raised. A review of a state-of-the-art technologies allows to conclude that the ITER is an important first step in thermonuclear fusion. Technology is available, clean, environment friendly and it would be very effective. Building fusion power plants requires outstanding technical capabilities, commitment and vision.

PL

W pracy zebrano informacje na temat technologii reaktorów fuzyjnych z magnetycznym utrzymaniem plazmy (typu tokamak) oraz o ich wykorzystaniu w produkcji energii elektrycznej. Reakcja fuzji jądrowej zachodzi w bardzo wysokich temperaturach rzędu setek milionów kelwinów, stąd też częste określenie fuzja termojądrowa. Reakcje takie zachodzą w gwiazdach i produkują znaczne ilości energii, najbliższy naturalny reaktor fuzyjny to Słońce znajdujące się w naszym układzie słonecznym. Elektrownia bazująca na reaktorze fuzyjnym jest w zasięgu aktualnych technologii, jednakże wymaga sporych starań oraz współpracy wielu narodów. Elementy, z których zostanie zbudowana elektrownia termojądrowa będą musiały być bardzo wysokiej jakości oraz bardzo precyzyjnie wykonane. Sam reaktor fuzji termojądrowej będzie składał się z wielu części, które muszą być odpowiednio wykonane oraz posiadać znaczną odporność na obciążenia cieplne czy promieniowanie neutronowe. Niniejsza praca dotyczy produkcji energii elektrycznej z zastosowaniem fuzji termojądrowej. Przedstawiono opis ważniejszych części wspomnianej elektrowni. Rozpatrywanych było kilka mieszanek paliwa do „spalenia” w reaktorze, przy czym najbardziej prawdopodobnym do zastosowania paliwem będzie mieszanka deuteru i trytu. Poruszony został również temat produkcji trytu w płaszczach chłodzonych płynnym litem. Rozważana elektrownia termojadrowa posiada obieg turbinowy z parą wodną jako czynnikiem roboczym. Źródłem ciepła jest wysokotemperaturowa plazma, a ciepło odbierane jest z płaszcza reaktora otaczającego tą plazmę. Wykonane zostały obliczenia dla koncepcyjnej elektrowni w trzech wariantach technologicznych (różne parametry pary świeżej i wtórnie przegrzanej) oraz poruszono sprawę wykorzystania produktu po reakcji termojądrowej. Przeprowadzona analiza studialno-obliczeniowa pozwala wnioskować miedzy innymi, że projekt ITER jest istotnym pierwszym krokiem na drodze ku fuzji termojądrowej. Technologia termojądrowa wydaje się być osiągalna, czysta i przyjazna dla środowiska, a co więcej bardzo efektywna. Budowa elektrowni opartej na fuzji jądrowej wymaga jednak wybitnych zdolności technicznych, obowiązkowości oraz nieco wizjonerskiego podejścia.

Słowa kluczowe

EN

tokamak; thermonuclear reactor; power plant; fusion reaction

PL

tokamak; reaktor termojądrowy; elektrownia; reakcja fuzji

• Wydawca: Instytut Techniki Cieplnej, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Śląska
• Czasopismo: Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 3
• Strony: 31--52
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Pajączek Krzysztof

• Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska

Bibliografia

• [1] Robertas Alzbutas, Roman Voronov, Reliability and safety analysis for systems of fusion device, Laboratory of Nuclear Installation Safety, Lithuanian Energy Institute, 3 Breslaujos Str., LT-44403 Kaunas, Lithuaniah, 2015
• [2] Hurricane, O. A., Callahan, D. A., Casey, D. T., Celliers, P. M., Cerjan, C., Dewald, E. L., Dittrich, T. R., Döppner, T., Hinkel, D. E., Berzak Hopkins, L. F., Kline, J. L., Le Pape, S., Ma, T., MacPhee, A. G., Milovich, J. L., Pak, A., Park, H. -S., Patel, P. K., Remington, B. A., Salmonson, J. D., Springer, P. T., & Tomassini, R. (2014). “Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion.” Nature, 506, 343–348. DOI: 10.1038/nature13008.
• [3] B.N. Kolbasova, V.A. Belyakov, E.N. Bondarchuk, A.A. Borisov, I.R. Kirillov, V.M. Leonov, G.E. Shatalov, Yu.A. Sokolov, Yu.S. Strebkov, N.N. Vasiliev “Russian concept for a DEMO-S demonstration fusion power reactor” Fusion Engineering and Design 83 (2008) 870–876
• [4] D. Ladra, G. Sanguinetti, E. Stube, Fusion power plant availability study, FusionEng. Des. 58–59 (2001) 1117–1121.
• [5]Lawson, J. D. “Some Criteria for a Power producing thermonuclear reactor” (Technical report). Atomic Energy Research Establishment, Harwell, Berkshire, U. K (December 1955).
• [6] Ongena, J. (2014). How to shape our future energy supply. In Proceedings of 12th Kudowa Summer School “Towards Fusion Energy”, 9–13 June 2014, Kudowa Zdrój, Poland (p. IL-1). Warsaw: IPPLM. CD Issue.
• [7] Pinches, S. D. (2014). Physics challenges and status of ITER. In Proceedings of 12th Kudowa Summer School “Towards Fusion Energy”, 9–13 June 2014, Kudowa Zdrój, Poland. (p. IL-6). Warsaw: IPPLM. CD Issue.
• [8] P.-H. Rebut “ITER: the first experimental fusion reactor” ITER San Diego Joint Work Site, La Jolla, CA 92037, USA
• [9] Sadowski, M. J. (2005). “Nuclear fusion – energy for future.” Nukleonika, 50(Suppl. 3), S41–S52.
• [10] Sadowski M. J. “Important problems of future thermonuclear reactors” NUKLEONIKA 2015;60(2):331-338
• [11] Sadowski, M. J., & Scholz, M. (2012). „Important issues of high-current plasma experiments of the Z-pinch type”. Nukleonika, 57(1), 11–24.
• [12] A. Serikov, R.A. Forrest, Activation analysis and waste management for RF DEMO-S reactor”, presented at ISFNT5, Rome, September 1999.
• [13] L.M. Wagner, An Integrated Design for Demo-FPP to Achieve RAMI Goals, ReNeW (Research Needs Workshop) White Papers, Theme IV: Harnessing Fusion Power, Office of Fusion Energy Sciences, 2009.
• [14] https://www.iter.org/construction/Cryoplant 6 V 2017 r.
• [15] https://www.technologyreview.com/s/408558/mining-the-moon/ 6 V 2017 r.
• [16] http://www.efda.org/2013/05/jet-the-joint-europeantorus/.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).