Řízení tepla z fúze – přeměna plazmatu o teplotě 150 milionů °C na využitelnou elektřinu
Zavedení
Kdykoli se díváme na hvězdnou oblohu, světlo a teplo, které vidíme, jsou v podstatě výsledkem nepřetržitých jaderných fúzních reakcí uvnitř hvězd. Simulace tohoto procesu s cílem poskytnout lidstvu čistou a neomezenou energii je úkolem vědecké komunity po celá desetiletí. Na Zemi zahrnuje „znovuvytvoření Slunce“ technické výzvy, které dalece přesahují zapálení plamene fúze – bezpečná, nepřetržitá a efektivní správa obrovského tepla generovaného reakcí je jednou z největších překážek.
Přehled jaderné fúze
Jaderná fúze je proces, při kterém se dvě lehká atomová jádra spojí a vytvoří těžší jádro, čímž se uvolní obrovská energie. Energie Slunce a všech hvězd pochází z tohoto procesu. V jádru Slunce umožňuje gravitační omezení trvalou fúzi při teplotě přibližně 15 milionů stupňů Celsia za extrémního tlaku.
Na Zemi se nemůžeme spoléhat na gravitaci slunečního rozsahu. Pro dosažení řízené fúze se používají jiné metody k vytvoření a udržení reakčních podmínek. Hlavními technickými cestami jsou magnetické uvěznění (například tokamak) a inerciální uvěznění (například laserová fúze).
Bez ohledu na zvolený přístup vyžaduje dosažení efektivního čistého energetického zisku, aby fúzní plazma splňovalo Lawsonovo kritérium – součin teploty, hustoty a doby udržení energie musí dosáhnout kritické hodnoty. Když energie uvolněná fúzí, zejména energie nesená nabitými částicemi, dostatečně zahřeje samotnou plazmu, může být reakce samoudržitelná.
Podstata a distribuce výroby tepla
Při fúzní reakci deuteria a tritia (DT), která je nejslibnější pro krátkodobou komercializaci, se při každé reakci uvolní přibližně 17,6 MeV energie. Tato energie se neuvolňuje rovnoměrně, ale je přenášena primárně dvěma produkty: neutrony (přibližně 14,1 MeV) a alfa částicemi (přibližně 3,5 MeV).
Neutrony, které nejsou nabité, sotva interagují s magnetickými poli a vylétají přímo z plazmatu, kde pronikají okolní strukturou plodícího média. Tam se neutrony zpomalují jadernými reakcemi s materiály plodícího média (lithiem, olovem, beryliem atd.) a uvolňují svou kinetickou energii, přičemž většinu z ní přeměňují na tepelnou energii. Tato část představuje asi 80 % celkové uvolněné energie fúze a tvoří hlavní výstup využitelné energie fúze.
Nabité alfa částice jsou vázány magnetickým polem a většinu své energie ukládají uvnitř plazmatu pro vlastní ohřev, čímž se snižuje potřeba vnější topné energie. Plazma navíc ztrácí část energie zářením, které přímo dopadá na první vnitřní stěnu.
Efektivní využití energie fúze tedy závisí na spolehlivém a účinném přenosu tepla uvolňovaného neutrony v plotě a tepla z záření/částic na první stěně na elektřinu prostřednictvím robustního systému přenosu a přeměny tepla.
Klíčové články v přenosu tepla
Vysokoteplotní chladivo nese teplo, které musí být přeneseno do následného systému přeměny energie, což vyžaduje výměníky tepla k překlenutí této mezery.
Role výměníku tepla
V systémech pro přeměnu energie z fúze přenášejí tepelné výměníky teplo z vysokoteplotního chladiva do pracovní kapaliny (obvykle vody nebo jiné vhodné kapaliny). Pracovní kapalina absorbuje teplo a prochází fázovou změnou, kdy se mění z kapaliny na vysokoteplotní páru o vysokém tlaku.
Podobně jako u tlakovodních reaktorů ve štěpných elektrárnách si vysokoteplotní chladivo primárního okruhu vyměňuje teplo s vodou sekundárního okruhu, kterou odpařuje za vzniku páry pro následnou výrobu energie.
Pokročilé cykly: Braytonův cyklus s nadkritickým CO₂
V posledních letech se jako atraktivní možnost ukázal Braytonův cyklus s nadkritickým oxidem uhličitým (sCO₂). Při vysokých teplotách dosahuje CO₂ vyšší účinnosti tepelného cyklu než tradiční parní cykly – potenciálně přesahující 40 % – s kompaktnějším zařízením.
Cíle a výzvy v oblasti řízení tepla z fúze
Cílem řízení tepla z fúze je bezpečně a efektivně přeměňovat neutronovou a radiačně uvolňovanou tepelnou energii na využitelnou elektřinu a teplo. Dosažení tohoto cíle závisí na průlomech v oblasti vysokoteplotních, radiačně odolných materiálů, účinných a spolehlivých chladicích řešeních, integraci pokročilých tepelných cyklů a komplexním zlepšení bezpečnosti a údržby systému.
Současné mezinárodní snahy, jako je Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor (ITER) a národní testovací reaktory pro fúzní inženýrství (např. čínský CFETR), provádějí rozsáhlé experimenty a validace v těchto směrech.
O Shenshi
Společnost Hangzhou Shenshi Energy Conservation Technology Co., Ltd. (SHENSHI), založená v roce 2005, je high-tech podnik specializující se na energeticky úsporné technologie přenosu tepla a mikroreakční technologie. Jako průkopník v oblasti nízkouhlíkového tepelného managementu navrhuje a vyrábí Shenshi vysoce výkonné výměníky tepla a mikroreaktory, které slouží odvětvím, jako je energetika, námořní a pobřežní inženýrství, vodík, farmaceutický průmysl a pokročilá výroba.
S řešeními nasazenými ve více než 40 zemích se společnost Shenshi zavázala poskytovat spolehlivé, efektivní a udržitelné tepelné technologie pro náročné průmyslové aplikace.