A lítium-víz interakciók és a tokamak reaktorok biztonsága
Nicola Forgione professzor vezetésével a Pisa Egyetem Nukleáris Kutatócsoportja azon dolgozik, hogy javítsa a lítium-víz interakciók megértését, ezzel növelve a tokamak reaktorok biztonságát.
A mágneses zárású fúziós reaktorok fenntartható és szinte végtelen energiaforrássá válhatnak. A fúziós reaktorok, ellentétben a hagyományos nukleáris reaktorokkal, arra törekednek, hogy megismételjék a Napban zajló folyamatokat. A hidrogén atommagok összeolvadnak héliummá, óriási mennyiségű energiát szabadítva fel.
A Breeding Blanket, a fúziós reaktorok egyik fő összetevője, a célja a további tritium üzemanyag előállítása (amely a nukleáris fúziós reakcióhoz szükséges) és a plazma által generált hőenergia gyűjtése.
Breeding Blanket jelöltek
Négy különböző koncepciót fejlesztenek a Breeding Blanket jelöltjeként, mindegyik saját előnyeivel és kihívásaival.
Víz Hűtött Ólom-Lítium (WCLL)
A WCLL rendszer vízet használ hűtőként, hasonló körülmények között működve, mint a nyomás alatt működő vízreaktorok (nyomás: 15,5 MPa, hőmérséklet: 295-328 °C). A PbLi eutektikum szolgál üzemanyagként, és a tritiumot a reaktoron kívül vonják ki.
A WCLL rendszer két fő előnyt kínál, amelyek ígéretes megoldássá teszik a mágneses zárású fúziós reaktorokban való alkalmazásra:
- Kompatibilitás a meglévő nukleáris technológiával: Ez a választás biztosítja a meglévő nukleáris technológia és infrastruktúra kompatibilitását.
- Biztonság és Tritium Kezelés: A PbLi eutektikum hatékony tritium kinyerést tesz lehetővé a reaktoron kívül, növelve ezzel a működési biztonságot.
Helium Hűtött Gyöngyágy (HCPB)
A HCPB rendszer héliumot használ hűtőként, amely inaktív gáz, és viszonylag magas hővezető képességgel rendelkezik. A Li4SiO4 vagy Li2TiO3 mint üzemanyag, a beryllium mellett, segíti a hatékony tritium előállítást és a hőátadást.
Helium Hűtött Ólom-Lítium (HCLL)
Az HCLL rendszer szintén héliumot használ hűtőként, de PbLi eutektikumot alkalmaz üzemanyagként. Ez a kombináció lehetővé teszi a hatékony hőátvitelt és tritium előállítást.
Dupla Hűtő Ólom-Lítium (DCLL)
A DCLL rendszer kettős hűtési megközelítést alkalmaz, ahol a hélium hűti az első falat, míg a PbLi egyszerre szolgál hűtőként és üzemanyagként.
A Pisa Egyetem Nukleáris Kutatócsoportja
A Pisa Egyetem Civil és Ipari Mérnöki Tanszékének Nukleáris Kutatócsoportja, Prof. Forgione vezetésével, aktívan részt vesz ennek a technológiának a fejlesztésében, különös figyelmet fordítva a WCLL koncepció biztonsági szempontjaira. A kutatás célja a hipotetikus In-Box Hűtőfolyadék Vesztések (LOCAs) elemzése, amelyek lítium-víz interakciókat érintenek.
A lítiummal és vízzel zajló kémiai reakció fontos jelenség, amely jelentősen befolyásolja az interakciók viselkedését. Ezen reakciók során gyors hőmérséklet-emelkedés és hidrogén gáz képződése történik. A kutatási tevékenységek fő célja a numerikus kódok validálásának javítása, amelyek biztonsági elemzésekhez szükségesek.
Kutatásunk során számítógépes megközelítéseket alkalmazunk a lítium-víz interakciók figyelembevételével, a rendelkezésre álló kísérleti adatok támogatásával. A Nukleáris Hőhidraulikai Szimulációs Laboratóriumban modelleztük a LOCAs-t kontrollált vízmennyiséggel, lítium-ólom környezetben.
Különösen olyan számítási modelleket fejlesztettünk, amelyek képesek előre jelezni a lítium-víz interakciók viselkedését különböző forgatókönyvekben, és ezeket az irodalomban elérhető kísérleti adatokkal validáltuk.
A DICI-UNIPI által végzett kutatás előrelépést jelent a biztonságos és hatékony mágneses fúziós reaktorok fejlesztésében. A lítium-víz interakciók kockázatainak megértésével és csökkentésével hozzájárulunk ahhoz, hogy a fúziós energia hiteles és fenntartható energiaforrássá váljon.
Érdekesség: A fúziós energia potenciálisan több mint 4 milliárd évre elegendő energiát biztosíthat a Föld számára, ha sikerül biztonságosan kiaknázni.
Források:
Del Nevo, A. et al. (2017). Fusion Engineering and Design, Vol. 124, pp. 682–686.
Hernández, F.A. et al. (2020). Fusion Engineering and Design, Vol. 157, 111614.
Aiello, G., et al. (2014). Fusion Engineering and Design, Vol. 89, pp. 1444-1450.
Rapisarda, D. et al. (2016). IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 44, pp. 1603-1612.
Galleni, F. et al. (2021). Energies, Vol. 14 (21), art. no. 6916.
Galleni F. et al. (2023). Fusion Engineering and Design, Vol.193, art. no. 113682.
Cossu, V. et al. (2024). Fusion Engineering and Design, Vol. 200, 114219.
