Polacy w projekcie ITER – jednej z najdroższych inwestycji naukowych na świecie

140

Polacy pomagają okiełznać energię gwiazd na Ziemi. Naukowcy z Politechniki Łódzkiej są zaangażowani w stworzenie tokamaka ITER – eksperymentalnego reaktora termonuklearnego, który powstaje na południu Francji To jedna z najdroższych inwestycji naukowych na świecie – pochłonęła już ponad 18 mld euro. Realizowany projekt budowy reaktora ITER ma być podstawą dla przyszłych elektrowni termojądrowych.

Reaktor ITER ma konstrukcję tokamaka – urządzenia, które pozwala na przeprowadzenie kontrolowanej reakcji termojądrowej. Takie reakcje zachodzą w naturze – są one (obok energii grawitacyjnej) głównym źródłem energii gwiazd. Według ekspertów budowa reaktora, w którym można będzie przeprowadzać podobne reakcje, pomoże rozwiązać problem produkcji czystej energii elektrycznej. W praktyce oznacza to, że w przyszłości przy pomocy tokamaków można będzie wytwarzać energię elektryczną bez obciążania środowiska.

ITER – największy zbudowany do tej pory tokamak – pozwoli po raz pierwszy w historii na uzyskanie dodatniego bilansu energetycznego. To znaczy, że wyprodukuje on więcej energii, niż zostanie do niego dostarczone – mówi PAP dr hab. inż Dariusz Makowski z Katedry Mikroelektroniki i Technik Informatycznych (KMiTI) PŁ.

„W przypadku ITER w wyniku dostarczenia 50 MW planuje się uzyskać ok. 500 MW energii. Natomiast w przyszłości ta sprawność będzie mogła być znacznie podniesiona. Myślę, że synteza termojądrowa pozwoli uzyskiwać tyle samo – albo więcej energii, niż w obecnych elektrowniach jądrowych” – dodał dr Makowski, który koordynuje projekt z ramienia PŁ.

ITER nie będzie pełnił funkcji elektrowni; jest projektem demonstracyjnym i typowo naukowym. Ma posłużyć do zbadania możliwości związanych z produkowaniem energii z użyciem kontrolowanej fuzji jądrowej na wielką skalę.

„Główną zasadą jego działania jest odwzorowanie procesów, które zachodzą na Słońcu i produkują energię w potężnych ilościach. Paliwem wejściowym do tokamaka ITER będzie deuter i tryt, z których w reakcji termojądrowej powstaną cięższe pierwiastki, tj. hel – oraz ogromne ilości energii, którą będzie można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej. Finalnie dążymy do tego, aby nie produkować odpadów radioaktywnych, jak to jest w przypadku elektrowni jądrowych” – opowiada dr Makowski.

Zdaniem kierownika KMiTI prof. Andrzeja Napieralskiego korzystanie z takich rozwiązań przypomina sytuację, w której energię Słońca przenieślibyśmy na Ziemię. „Dążymy do tego, żeby nie były potrzebne już żadne źródła węgla i ropy naftowej, ale żeby energię, jaka jest na Słońcu, otrzymać także na Ziemi” – dodał.

Do otrzymania kontrolowanej fuzji jądrowej niezbędny jest właśnie tokamak (urządzenie z cewkami toroidalnymi), w którym – dzięki silnemu polu magnetycznemu – utrzymywany jest pierścień gorącej plazmy. „Plazma o temperaturze 200 mln stopni Celsjusza krąży w polu magnetycznym i dzięki temu możliwa jest synteza termojądrowa. Naszą rolą jest monitorowanie tego procesu tak, żeby plazma nie dotknęła ścianek komory” – dodał prof. Napieralski.

Naukowcy podkreślają, że w budowę ITER zaangażowane są UE, Stany Zjednoczone, Japonia, Korea Płd., Chiny, Rosja i Indie. Uczeni z Politechniki Łódzkiej uczestniczą w projekcie od 2010 r. Opracowują podsystemy oprzyrządowania i sterowania IC (Instrumentation and Control), zapewniające stabilne sterowanie tokamakiem, gwarantujące bezpieczeństwo pracy, diagnostykę plazmy oraz pozwalające na przeprowadzanie badań fizycznych.

Do poważniejszych wyzwań badacze zaliczają opracowanie metodyki projektowania systemów diagnostycznych i dostarczenie kompletnych systemów elektronicznych i oprogramowania. „Po naszej stronie jest opracowanie wymagań dla tych systemów diagnostycznych, przygotowanie dokumentacji projektowej, wykonanie projektu, implementacja, opracowanie oprogramowania nisko- i wysokopoziomowego, a skończywszy na przypadkach testowych, testach oraz instrukcji obsługi, którą musimy dostarczyć do ITER-u” – wyjaśnił koordynator projektu z ramienia PŁ.

Najważniejszą częścią systemu oprzyrządowania i sterowania jest system akwizycji danych, zbierający sygnały z kilkudziesięciu tysięcy czujników, cyfrowych i analogowych. W przypadku ITER mierzonych będzie ok. 100 tys. analogowych wartości, takich jak: temperatura, prędkość przepływu, czy gęstość elektronowa plazmy.

Zbudowanie tak różnorodnych systemów pomiarowych stanowi wyzwanie i wymaga użycia najnowszych technologii przetwarzania danych w czasie rzeczywistym, tj. układy FPGA (Field Programmable Gate Array), procesory GPU (Graphics Processing Unit) i CPU (Central Processing Unit) oraz odpowiednio elastycznej platformy sprzętowej, pozwalającej na integrację układów diagnostyki i przetwarzania danych.

„Naszym zadaniem jest opracowanie metodyki projektowania takich systemów, począwszy od systemów elektronicznych, projektów obwodów drukowanych, interfejsów, oprogramowania układów FPGA, które pozwalają na rejestrowanie obrazów i sygnałów analogowych, np. temperatur mierzonych we wnętrzu tokamaka – oraz finalnie, sterowanie samą plazmą i utrzymanie jej w stabilnych warunkach” – opowiada naukowiec.

Diagnostyka plazmy wymaga również użycia systemów wizyjnych, które wykorzystują kamery oraz detektory pracujące w szerokim zakresie – od promieniowania widzialnego, podczerwonego do promieniowania gamma.

„Systemy wizyjne obserwują plazmę przy pomocy ultraszybkich kamer, mogących wykonywać nawet 200 tys. klatek na sekundę. W tym przypadku także istnieje szereg wyzwań ze względu na ogromne ilości dostarczanych danych. Z jednej takiej kamery pochodzi ok. 8 GB danych na sekundę, a takich kamer w projekcie ITER będzie ok. 200, więc są to potężne ilości danych, które trzeba przetworzyć w czasie rzeczywistym” – podkreślił dr Makowski.

Systemy diagnostyczne tokamaka będą dostarczone przez różne kraje biorące udział w projekcie. Dlatego – zdaniem naukowców – dla zapewnienia ich kompatybilności ważne jest posługiwanie się ujednoliconą metodyką budowy systemów sterujących, akwizycji i przetwarzania danych.

W ocenie naukowca fuzja jądrowa to przyszłość energetyczna na Ziemi, która jednak nieprędko zostanie zrealizowana. W przypadku ITER pierwszy zapłon plazmy zaplanowano na 2025 r., a dopiero w 2035 roku tokamak powinien pracować z docelowymi parametrami.

„Pierwsze elektrownie termojądrowe planowane są na lata 2040-2050. Mamy nadzieję, że uda się wtedy zastąpić wysłużone już elektrownie jądrowe nowymi elektrowniami, bazującymi na fuzji termojądrowej” – podsumował dr hab. inż Dariusz Makowski z PŁ.

PAP – Nauka w Polsce, Kamil Szubański

 

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać komentarz!
Please enter your name here