Greisfwald - przeszłość i przyszłość energetyki jądrowej

Rybi · 4 Lutego 2017

Małe niemieckie miasteczko Greisfwald (56 tys. mieszkańców) i jego okolice są ważnym miejscem dla energetyki jądrowej. Tutaj znajduje zamknięta elektrownia jądrowa (Lubmin) oraz największa na świecie "butelka magnetyczna" do trzymania plazmy (30 m3) typu stellarator. Oba obiekty są dostępne dla zorganizowanych grup zwiedzających.

Wybraliśmy się tam rankiem 9 stycznia 2017 roku grupą 40-osobową w ramach wycieczki oddziałowej PTMA-Szczecin (Greisfwald znajduje się około 2 godziny jazdy samochodem od Szczecina). Najpierw niedaleko Greisfwaldu zwiedziliśmy kartę z przeszłości - zamkniętą elektrownię jądrową w Lubminie na Zatoką Pomorską. Elektrownia w Lubminie działała od lat 70-tych XX wieku (wtedy jeszcze było NRD ...) i została zamknięta po zjednoczeniu Niemiec i nadal trwa jej stopnniowy demontaż. Elektrownia miała docelowo miała liczyć 8 bloków zawierających każdy rektor jądrowy typu WWER 440/213. Skrót WWER pochodzi z j. rosyjskiego Wodno Wodianoj Energeticzeskij Reaktor. Są one bezpieczniejsze niż czernobylskie RBMK-1000, ale Niemcy zdecydowali się na ich zamknięcie. Reaktory tego typu są chłodzone wodą o temperaturze 270-300 stopni C pod ciśnieniem 125 atmosfer (w tych warunkach fizycznych jeszcze woda nie wrze). Moderatorem (substancja spowalniająca neutrony) jest również woda.

UWAGA! Tekst bogato ilustrowałem zdjęciami własnymi (RB_...) oraz Qbanosa (JR_...) i Admirala (MPA_...).

Zwiedzanie tej zamkniętej elektrowni zabrało nam około 2 godz. w dwóch grupach <=20 osób. Przed zwiedzaniem wysłuchaliśmy ok. 0,5-godzinną prezentację w (łamanym) j. angielskim jednego z inżynierów, który pracował w tej elektrowni za czasów NRD, a teraz oprowadza wycieczki. Również obejrzeliśmy wystawę poświęconą tej elektrowni.

W elektrowni w Lubminie prąd wytwarzały 4 bloki (...reaktory). Blok 5 przez krótki okres był napełniony paliwem uranowym, ale ostatecznie również został wyłączony. Natomiast pozostałe bloki (6,7,8) były w trakcie budowy, którą zatrzymano po zjednoczeniu Niemiec i nie były napełniane materiałami radioaktywnymi.
Zwiedziliśmy blok nr 6, do którego są przygotowane obrazkowe materiały w j. angielskim. Pozwoliłem sobie z nich "wyciąć" ogólny schemat pomieszczeń reaktora. W bloku nr 6 jest kilka „pięter” (tzw. poziomów względem wejścia: -4,5m; -0,6m; 0m; +5,4m; +9,9m; +12,5m; 16,5m; 50,4m).

Duże wrażenie na mnie zrobił pokój sensorów (A - sensor room), w którym rozmieszczone 214 urządzeń mierzących ciśnienie, 1000 zaworów.

Nieco niżej (poziom -0,6m) znajduje się basen napełniony wodą (C- cooling pond heat exchanger), w którym były przechowywane pręty uranowe przez 3 lat przed zamontowaniem do reaktora. Woda w tym basenie nagrzewała się do kilkudziesięciu stopni C. W tym reaktorze co roku była wymieniana 1/3 prętów paliwowych.

Wejście do pomieszczenia z basenem do przechowywania prętów uranowych.

Na poziomie -0,6 m zwiedziliśmy również okrągłe pomieszczenie do pomiaru strumienia neutronów generowanych przez reaktor (B - neutron flux). W tym pokoju znajdują się 24 kanały, w których umieszczono ruchome komory jonizacyjne

W pomieszczeniu "B-neutron flux" znajduje się też symboliczne centrum sterowania reaktorem (tylko 2 "biurka", normalnie to byłaby cała hala).

A tak powinna wyglądać oryginalna sterownia tego reaktora.

Największa atrakcja na poziomie +9,9 (M-reactor) - możliwość zajrzenia do wnętrza reaktora jądrowego typu WWER 440/213. Na szczęście nie było tam 42 ton uranu
Do zobaczenia wnętrza reaktora ustawiła się spora kolejka

W bryle bloku nr o wysokości ponad 50m znajduje się dużo pustej przestrzeni o objętości ~60 tys. m3 na pasywny system bezpieczeństwa (12 pomieszczeń kondensacyjnych, 4 pułapki gazowe), którego celem jest niedopuszczenie do wydostania się na zewnątrz skażonej promieniotwórczo wody w sytuacji, gdyby zawiódł główny obwód chłodzący reaktora. Jedną z pułapek gazowych planuje się adaptować na halę do tenisa.

Inne ciekawe widoki wewnątrz bloku nr 6 ...

c.d.n.

Edytowane 4 Lutego 2017 przez Rybi

Behlur_Olderys · 4 Lutego 2017

Byłem w lipcu w Czarnobylu, widzę, że kilka widoków jest dość podobnych Super relacja!

Ura · 4 Lutego 2017

Bardzo ciekawa relacja, z niecierpliwością czekam na ciąg dalszy relacji

Rybi · 4 Lutego 2017

A teraz c.d. o przyszłości energetyki jądrowej, czyli elektrowniach termojądrowych ...

Krąży dowcip, że komercyjne elektrownie termojądrowe zostaną uruchomione w perspektywie 20-30 lat (... i zawsze tak będzie!). Jednak po tym co zobaczyłem i dowiedziałem się w Greifswaldzie (i nie tylko tam ...) sądzę, że realne jest uruchomienie komercyjnych elektrowni termojądrowych do roku 2050. Jest to "tylko" kwestia determinacji i pieniędzy Właściwości plazmy, w której zachodzi samo-podtrzymująca się synteza deuteru i trytu są znane.
Poza tym plazma traci energię proporcjonalnie do jej pola powierzchni, ale ją generuje (reakcje syntezy termojądrowej) proporcjonalnie do objętości plazmy. Szacuje się, że przy objętości plazmy rzędu 800-900 m3 powinien już być znaczny zysk energetyczny (=stosunek ilość energii uzyskanej do włożonej). Zysk energetyczny rzędu 10 powinno się uzyskać w budowanym we Francji tokamaku ITER. Komercyjne elektrownie termojądrowe poiwnny mieć zysk energetyczny rzędu 20-50. Ale sposób więzienia plazmy za pomocą pól magnetycznych w elektrowniach termojądrowych pozostaje narazie sprawą otwarta (tokamak, stallarator, tokamak lub stellarator?).

Można policzyć, że alternatywą dla elektrowni węglowej o mocy 1000MW, która spala 3 mln ton węgla rocznie (+ 11 mln CO2 i innych zanieczyszczeń) jest elektrownia termojądrowa, która potrzebuje ok 250 kg mieszaniny deuteru i trytu (+ praktycznie zero promieniotwórczości i zanieczyszczeń). Tryt wytwarza się w cyklu zamkniętym z bombardowania szybkimi neutronami atomów litu (lit jest zawarty w obudowie wewnętrznej komory plazmowej, tzw. blanket).

W Greisfwaldzie znajduje się Instytut Fizyki Plazmy (Max Planck Institute for Plasma Physics - w skrócie IPP). Drugi kompleks budynków IPP znajduje się w Garching pod Monachium. Tutaj prowadzi się badania na sposobem wytworzenia plazmy zdolnej do syntezy termojądrowej deuteru i trytu w eksperymentalnym stellaratorze Wendelstein 7-X.
Kompleks IPP w Greisfwaldzie zwiedziliśmy po południu 9 stycznia 2016r.

UWAGA! Tekst ilustrowałem zdjęciami własnymi (RB_...) oraz Qbanosa (JR_...) i Admirala (MPA_...).

Wysłuchaliśmy bardzo ciekawy wykład dr Marcina Jakubowskiego pt. „Wendelstein 7-X. Synteza termojądrowa źródłem energii na Ziemi”

Zabraliśmy materiały o IPP

Kaski włóż i rozpoczyna sie zwiedzanie ...

Przy wejściu głównym IPP stoi jako eksponat jeden z historycznych stellaratorów o średnicy około 2-metrów.

W IPP w Greifswaldzie bardzo eksponowane są profilowane w 3-D cewki, które generują skręcone pole magnetyczne (jest ich 50 w W 7-X). Nie bez przyczyny ...
Komputery policzyły takie kształt cewek, aby zapewnić optymalne kształt pola magnetycznego. Jednak przez problemy z wykonaniem tych cewek projekt W 7-X opóźnił się o kilka lat, a włoska firma, która jako pierwsza je robiła - splajtowała.
Każda z tych skręconych cewek ma wysokość ~3,5 m zawiera ~1 km nawiniętego kabla nadprzewodzącego i waży około 6 ton). Są tak dopasowane, aby po schłodzeniu do temperatury 3-4°K posiadały oczekiwany kształt z dokładnością do 2mm. Oczekiwana topologia pola magnetycznego jest zachowana z dokładnością 1/100000 (więcej o tym np. http://www.nature.com/articles/ncomms13493).
Cewki muszą być solidnie przykręcone ponieważ podczas normalnej pracy działają na siebie siłami rzędu 70 ton.

Np. taki wybrakowany egzemplarz skręconej cewki stellaratora W 7-X stoi przed wejściem do IPP w Greifswaldzie. Na poniższej fotce najlepiej widać to "skręcenie":

W kablu nadprzewodzącym schłodzonym do temperatury 3-4K podczas ostatnich eksperymentów W 7-X płynie prąd o natężeniu 12-13 tysięcy amperów, który wytwarza pole magnetyczne o natężeniu ok. 2,5 Tesli. Bardzo interesująca jest konstrukcja kabla nadprzewodzącego, który składa się z wiązek drutu niobowo-tytanowego (nadprzewodnik w temperaturze ciekłego helu) oraz druku miedzianego. Ten ostatni jest po to, gdyby nagle kabel stracił właściwości nadprzewodzące to cały prąd płynie przez kabel miedziany i tylko przepala potężne bezpieczniki. No poniższym zdjęciach oprócz fragmentu stellaratora widać rozpleciony kabel nadprzewodzący.

Plazma jest bardzo precyzyjnie nagrzewana mikrofalami o częstotliwości 140 GHz za pomocą ECRH (ang. Electron Cyclotron Resonance Heating). Jest to częstotliwość rezonansowa, która odpowiada częstotliwości cyklotronowej elektronów poruszających się wzdłuż linii pola magnetycznego o natężeniu 2,5 Tesli.
Mikrofale o mocy 1 MW są generowane w girotronie, z którego wychodzą przez aperturę 88mm, wykonaną z syntetycznego diamentu (dobrze, że to syntetyk, bo naturalny diament to by pewnie kosztował pokaźny % W 7-X?) - szczegóły poniżej.

Strumień mikrofal o mocy 1MW jest odbijany (2x?) od "zwierciadełek" takich jak poniżej zanim trafi do komory plazmowej i podgrzeje elektrony.
"Zwierciadełko" jest specjalnie robione pod częstotliwość mikrofal i chłodzone wodą

Zdjęcie wycieczki z wartym 370 mln euro stellaratorem Wendelstein 7-X (... kto tyle da? ) )

I trochę zdjęć z wnętrza W 7-X ...

Ach te komputerowe lampki ...

Stellarator jest zamknięty hali ze ścianami o grubości ok. 1,8m. Ściany są wykonane z betonu z dodatkiem boru, aby spełnić normy dotyczące promieniotwórczości - muszą pochłaniać szybkie neutrony o energiach ok. 13 MeV i promieniowanie gamma.

Nawet drzwi, które są zamykane na czas eksperymentów posiadają grubość 1,8m ...

Na drzwiach o grubości 1,8m są przymocowano logo firm, które go budowały.

Gdy już opuszczaliśmy IPP to zmierzchało.

Przed wyjazdem przez godzinę pospacerowaliśmy się po pięknej starówce w Greifswaldzie, niezniszczonej podczas II Wojny Światowej.

TOKAMAK vs STELLARATOR
Wygląda na to, że w przyszłych elektrowniach termojądrowych pole magnetyczne o natężeniu kilku Tesli generowane w reaktorach typu tokamak lub/i stellarator będzie więziło plazmę deuterowo-trytowa o parametrach odpowiednich do reakcji termojądrowych.

Tokamak / stellarator : cel ten sam, ale inna koncepcja projektowa,

Główna idea stellaratora:
tak zmieniać pole magnetyczne, aby znieść wpływ sił na zjonizowane cząstki krążące w torusie. W plaźmie generowanej w stellaratorze praktycznie nie płynie prąd.

Główna idea tokamaka:
urządzenie dostarcza wymagany kształt pola magnetycznego, nie przez modyfikacje tego pola magnetycznego, ale przez sterowanie prądem indukowanym w samej plaźmie. W plaźmie płyną prądy o natężeniu milionów amperów, które w niesprzyjających okolicznościach nawet mogą zniszczyć reaktor. Tokamak jest urządzeniem impulsowym opartym na zasadzie transformatora - centralna cewka indukcyjna indukuje prąd płynący w plazmie (a następnie ten prąd generuje składową poloidalną pola magnetycznego). Gdzieś czytałem, że jednak z dodatkowym b. kosztowym wspomaganiem ITER będzie mógł podtrzymać w sesjach 1000-sekundowych plazmę zdolną do reakcji termojądrowych.

Na poniżej fotce ze ścian IPP na samym dole widać składowe pola magnetycznego (toroidalna + poloidalna) generowane przez tokamak i stellarator.

STELLARATOR WENDELSTEIN 7-X
W latach 60-tych XX wieku stellaratory budowano metodą prób i błędów. Znalezienie optymalnego kształtu pola magnetycznego było możliwe tylko z pomocą superkomputerów. Prace projektowe nad stellaratorem Wendelstein 7-X ruszyły w 1994 roku, a optymalny kształt pola magnetycznego do utrzymywania plazmy oraz kształt 50 skręconych cewek uzyskano w wyniku modelowania komputerowego. Aby zapewnić dodatkowe możliwości w stellaratorze zainstalowano 20 płaskich cewek.

Celem eksperymentalnego stellaratora Wendelstein 7-X jest pokazanie około roku 2021, że po raz pierwszy stellarator jest w stanie utrzymać plazmę o takiej jakości jak w tokamakach w sposób ciągły przez długi czas rzędu 30 minut.

Informacje ogólne na temat stellaratora Wendelstein 7-X
-) największy na świecie,
-) dotychczasowe koszty – 1 miliard euro (z infrastrukturą - sam W 7-X kosztował około 370 mln euro)- w tym 80% Niemcy, 20% EU, Polska parę mln euro (15 razy tańszy niż budowany tokamak ITER!)
-) robocizna 1 milion r/g,
-) budowany w latach 2005-2014 (projekt 1994 r.),
-) pierwsza plazma uzyskana w 10 grudnia 2015r. (1 mln K przez ok. 0,1 sek),
-) w 2016 roku - seria eksperymentów z plazmą o temp. 80 mln K utrzymywanej przez ¼ sek.
-) około roku 2021 – utrzymywanie plazmy deuterowo-trytowej zdolnej do fuzji przez ok. 30 minut.

Stellarator Wendelstein 7-X – parametry:
-) Wielkość urządzenia - średnica 16m, wysokość 5m;
-) Masa - 725t
-) Max.promień plazmy - 5,5m(średnia wartość);
-) Min.promień plazmy - 0,53m (średnia wartość);
-) Natężenie pola magnet. - 3 Tesle
-) Ciągła praca przez 30 minut przy ogrzewaniu mikrofalami

Stellarator Wendelstein 7-X - parametry plazmy
-) skład chemiczny - wodór, deuter;
-) objętość - 30 m3;
-) waga - 0,005 do 0,03 grama;
-) Ogrzewanie plazmy - 15 megawatów
-) Temperatura plazmy - do 100 milionów K
-) Gęstość plazmy - do 3 x10^^20 cząstek/m3

I na koniec trochę ciekawych materiałów filmowych na temat stellaratora Wendelstein 7-X:

-) 3 lutego 2016r. - sprawozdanie filmowe w j. angielskim z oficjlnej uroczystości, gdy kanclerz RFN dr Angela Merkel zainicjowała pierwsze wytworzenie plazmy wodorowej (polecam nagranie od ok. 40 minuty, gdy ruszyła procedura generowania plazmy).
BTW. A.Merkel zanim podbiła świat polityki światowej zdążyła zrobić doktorat z chemii kwantowej.
http://www.ipp.mpg.de/livestream_e_16

https://youtu.be/fjnILeK99oQ?t=2360