Założenia i uwarunkowania projektów elektrowni termojądrowej

Zagadnienia związane z projektem elektrowni opartej na zjawisku fuzji termojądrowej zasadniczo podzielić można na trzy kategorie:

naukowe i inżynieryjne (fizyczne, technologiczne, operacyjne), bezpieczeństwa,

ekonomiczne i społeczne

5.1.1 Założenia naukowe i inżynieryjne

Podstawowym zadaniem operacyjnym, który mają zapewnić odpowiednie i optymalne wykorzystanie dostępnych technologii i materiałów jest osiągnięcie ustalonego stanu pracy o mocy wyjściowej rzędu 1 GW z czasem wypełnienia (tzn. stosunkiem czasu pracy reaktora do czasu całkowitego) rzędu 75 – 80% z pojedynczymi nieplanowanymi zatrzymaniami reaktora na rok. W celu spełnienia tych wymagań należy założyć osiągnięcie kilku celów naukowych i technologicznych. Zadania te określają obszar R&D działań do podjęcia w celu osiągnięcia sukcesu elektrowni termojądrowej, które można podzielić na kilka kategorii. Są one zestawione w tabeli 5.1

Poza zadaniami de facto badawczymi zestawionymi w tabeli 5.1 istotne będzie jeszcze potwierdzenie obecnych przewidywań, których ma doświadczyć realizacja programu badawczego na tokamaku ITER. Badania te przede wszystkim będą miały potwierdzić trafność tak zwanych reguł skalowania, które zostały wyprowadzone podczas pracy z mniejszymi reaktorami i które przewidują wzrost parametrów utrzymania oraz zysku energetycznego wraz z wymiarami liniowymi reaktora. To właśnie na podstawie reguł skalowania przewiduje się, że dla urządzeniach o wymiarach ITER osiągnięte zostaną warunki zysku energetycznego.

Ponadto w celu osiągnięcia odpowiednich parametrów pracy komercyjnego reaktora termojądrowego jakim ma być przewidywany przez modele PPCS reaktor DEMO należy poprawić obecnie uzyskiwane parametry operacyjne. Zakłada się, że wydajność utrzymania w trybie pracy H-mod powinna zostać podniesiona o około 20%, gęstość plazmy w tokamaku powinna być wyższa od tzw. Greenwald limit o około połowę (w zaawansowanych wariantach), a divertorze powinno być wypromieniowane około 75 % energii. Obecnie pracujące urządzenia dostarczają przesłanek, że założenia te są możliwe do spełnienia, a w rzeczywistości niektóre z nich już udało się osiągnąć, jednak dopiero doświadczenia na ITERze będą mogły dostarczyć potwierdzenia, że można je uzyskać jednocześnie.

5.1.2 Założenia związane z bezpieczeństwem i ochroną środowiska

Ze względu na zastosowanie radioaktywnego trytu oraz obecnością będących produktem reakcji deuter – tryt neutronów, elektrownia termojądrowa będzie obiektem nuklearnym i będzie musiała spełniać wymogi bezpieczeństwa dla tej kategorii obiektów. Kolejnym zagadnieniem związanym z bezpieczeństwem jest zastosowanie na elementy wewnętrzne komory berylu, który jest pierwiastkiem szkodliwym dla zdrowia, a co więcej, dla osób nań uczulonych już nawet najmniejsze jego ilości mogą stanowić śmiertelne zagrożenie. Z tych względów zagadnienia związane z bezpieczeństwem zostały w projektach PPCS opracowane ze szczególną starannością.

W celu minimalizacji zagrożeń związanych z eksploatacją reaktora termojądrowego przyjęta

w przypadku utraty kontroli oraz wszystkich systemów chłodzenia aktywnego awaria nie powinna prowadzić do incydentu zmuszającego do ewakuacji pobliskiej okolicy – cel spełniony bez konieczności zastosowania dodatkowych systemów,

maksymalny poziom radioaktywności w przypadku najpoważniejszego scenariusza awaryjnego nie przekroczy 18 mSv, czyli znacznie poniżej poziomu zalecanego przez większość regulacji w tym International Commission on Radiological Protection jako próg dla konieczności ewakuacji okolicznej ludności – 50 mSv,

elektrownia będzie w stanie przetrwać trzęsienie ziemi,

w przypadku pożaru do atmosfery mogą uwolnić się tylko pojedyncze gramy trytu, jeżeli zastosowany zostanie beryl (do 560 ton w jednym z modeli), konieczne może okazać się zastosowanie odpowiedniego recyklingu określonego przez normy.

W przypadku aktywacji materiałów i powstawania izotopów radioaktywnych o długim czasie rozpadu należy zastosować odpowiednie procedury,

Żadne z przewidzianych materiałów nie podlegają ograniczeniom wynikającym z traktatów o nierozprzestrzenianiu broni atomowej.

Tabela 5.1 Zadania R&D zdefiniowane przez program PPCS.

Utrzymanie plazmy

Zaplanowanie odpowiedniego trybu pracy z ELMami o znośnej wielkości,

Doskonalenie uzupełniania paliwa i badanie wpływu rotacji na utrzymanie plazmy, zgromadzenie odpowiednich danych dla scenariusza z dużą frakcją prądu nieindukcyjnego,

modelowanie transportu mające na celu potwierdzenie parametrów użytych przez PROCESS

MHD i utrzymanie równowagi plazmy

Zbadanie fizyki i konsekwencji niestabilności spowodowanych istnieniem energetycznych cząsteczek w plazmie termojądrowej,

rozwijanie mechanizmów kontroli niestabilności, poszukiwania stabilnych profili plazmy

techniki kontroli cząsteczek alfa.

Ogrzewanie i wzbudzanie prądu

Opracowanie zaawansowanych scenariuszy z wysokim beta i dużym prądem bootstrap

konstrukcja wydajnych źródeł wiązek neutralnych

zbadanie NBI w szerokim zakresie gęstości i temperatur w celu zbadania wydajności wzbudzania prądu,

opracowanie anten do ogrzewania rezonansowego i hybrydowego kompatybilnych z trybem pracy w warunkach ELMowych

Divertor i odpompowanie

retencja trytu, potwierdzenie możliwości zastosowania wolframu na PFC, lecz również poszukiwania alternatywnych materiałów,

Opracowanie rozwiniętego zintegrowanego kodu uwzględniającego zależności między transportem zanieczyszczeń zerodowanych i wstrzykniętych, stratami promieniowania, utrzymaniem, rozpuszczalnością paliwa, itd.

spójne modelowanie erozji i redepozycji w celu przewidzenia trwałości elementów znalezienie odpowiedniej kombinacji materiałów i wstrzykiwanych zanieczyszczeń przez eksperymenty i modelowanie

Projekty PPCS zakładają, że eksploatacja reaktora termojądrowego nie będzie prowadzić do wytwarzania materiałów radioaktywnych, które nie będą podlegać recyklingowi i będą musiały być składowane (klasyfikacja PDW – Permanent Disposal Waste). Według modelu B, tylko niewielka część materiałów odpadowych (10%, co stanowi nieco ponad 7500 ton) będzie musiała być poddawana procedurze skomplikowanego recyclingu (klasyfikacja CRM – Complex Recycle Materials). Pozostałe materiały, które będą podlegać recyklingowi po zakończeniu działania reaktora to materiały podlegające łatwemu recyklingowi (SRM - Simple Recycle Material) – ok. 30 tysięcy ton i materiały nie aktywujące się (NAV – Non Active Waste).

Należy nadmienić, że ryzyko awarii i skażenia wiąże się również z możliwością retencji w powierzchni ściany radioaktywnego trytu. W związku z tym wyznaczone zostały granice retencji, powyżej których reaktor nie byłby dopuszczony do dalszej pracy. W celu zapewnienia, że nie dojdzie do takiej sytuacji opracowywane są diagnostyki retencji paliwa w ścianie urządzenia oraz techniki czyszczenia ściany, np. za pomocą laserów.

Kolejnym istotnym problemem, który należy również zaliczyć do zagadnień związanych z bezpieczeństwem jest generacja pyłów, które nie tylko mogą zwiększać retencję paliwa lecz również prowadzić do zagrożenia eksplozją. Na ilości pyłu w urządzeniu na podstawie dotychczasowych doświadczeń i analiz teoretycznych opracowane zostały odpowiednie normy oraz przewidziane zostały diagnostyki mające dostarczać w czasie rzeczywistym informacje o występowaniu pyłu.

W celu oszacowania potencjalnego ryzyka wystąpienia skażenia przeprowadzono analizy ryzyka związanego z różnymi katastrofalnymi wydarzeniami takimi jak trzęsienie ziemi czy atak bombowy. Analizy te wykazały, że nawet w przypadku najgorszych scenariuszy nie wystąpi ryzyko stopienia kluczowych elementów konstrukcyjnych, a co za tym idzie poważnego skażenia, które mogłoby prowadzić do ewakuacji okolicznej ludności.

Na rys. 5.2 przedstawione są wyliczone metodą elementów skończonych ewolucje temperatury dla scenariuszy całkowitego uszkodzenia układu chłodzenia dla modeli A, B, C i D.

Rys. 5.2 Ewolucja czasowa zmian temperatury po uszkodzeniu układów chłodzenia dla różnych modeli elektrowni termojądrowej (A, B, C, D). – raport PPCS, EFDA.

5.1.3 Założenia ekonomiczne i społeczne

Punktem wyjścia do analizy ekonomicznej i społecznej w PPCS były następujące założenia:

akceptacja społeczna może się okazać kluczowa

ceny kWh uzyskiwanej z elektrowni termojądrowej powinny być porównywalne do innych akceptowanych źródeł

należy przestrzegać uregulowań prawnych (zaostrzonych na skutek przepisów związanych z rozszczepieniem)

czas budowy elektrowni nie powinien przekraczać 5 lat

Oczywiście potencjalne ceny kilowatogodziny uzyskiwanej z reaktora silnie zależą od zaawansowania przyjętego modelu. Dla modeli bardziej zaawansowanych technologicznie można zauważyć nieznaczny wzrost kosztów wybudowania obiektu, który jednak jest rekompensowany malejącymi kosztami obsługi, które wiążą się z poprawą efektywności zachodzenia reakcji termojądrowej jak również usprawnianiem odbioru i konwersji ciepła.

Kluczowymi parametrami są tutaj konstrukcje krytycznych dla tych zjawisk elementów divertora i blanketu urządzenia.

Analizy wykazały, że koszty energii uzyskiwanej z elektrowni termojądrowej mogą być konkurencyjne względem innych dostępnych źródeł energii i to nawet już w przypadku mniej technologicznie zaawansowanych wariantów. Na rys. 5.3 przedstawione jest porównanie potencjalnych kosztów (dolny i górny próg dla różnych rodzajów elektrowni).

Rys. 5.3Porównanie kosztów kilowatogodziny w centach dla różnych wariantów wytwarzania energii – CCGT (Combined Cycle Gas Turbine) – elektrownia gazowo-parowa, Fission – elektrownia atomowa, Wind –

elektrownia wiatrowa i Fusion – elektrownia fuzyjna – raport PPCS, EFDA

5.2 Porównanie modeli A, B, C, D