Postępy elektrotechniki Zastępcze źródła energii



Pobieranie 2,38 Mb.
Strona1/8
Data03.07.2018
Rozmiar2,38 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8

Tytuł wykładu: Postępy elektrotechniki - Zastępcze źródła energii




  1. Odnawialne źródła energii - wykorzystanie energii słonecznej oraz energetyka wiatrowa

  2. Wykorzystanie nadprzewodnictwa.

  3. Energetyka jądrowa rozszczepialna i fuzja jądrowa

  4. Magazynowanie energii i ogniwa paliwowe

  5. Komputer kwantowy



Elektrotechnika podobnie jak inne dziedziny techniki przeżywa w ostatnich latach przeobrażenia związane z olbrzymim postępem technologicznym XX wieku. Z kolei kryzys energetyczny zmusza do pozyskiwania energii z tzw. odnawialnych źródeł. Stad tez celem wykładu jest zapoznanie słuchaczy z nowymi zagadnieniami dotyczącymi odnawialnych, zapasowych w stosunku do konwencjonalnych źródeł energii.

Dodatkowo przedstawiony zostanie wykład dotyczący bieżącego postępu z zakresu komputerów kwantowych, które także zaliczyć można do nowych wyzwań XXI wieku.



Projekt ITER

czyli szansa na rozwiązanie europejskich problemów energetycznych
Dotychczasowe konwencjonalne źródła energii oparte na węglowodorach coraz bardziej się wyczerpują, o czym świadczą coraz wyższe ceny ropy naftowej, gazu, węgla. Dotychczas stosowana energetyka jądrowa oparta na rozszczepieniu jąder uranu budzi nie tylko w Polsce duże sprzeciwy społeczne, szczególnie w kolejne rocznice Czarnobyla. O zasadności tych obiekcji świadczyć mogą również inne awarie, ostatnio reaktora w Tokai-mura w Japonii, wywołana przedawkowaniem wsadu uranowego oraz pęknięciem skorodowanych przewodów ze skażoną wodą. Chociaż nie spowodowała ona zbyt wielkich ofiar, to wymagała częściowej ewakuacji osiedla położonego 100 km od Tokio. Należy dodać, że społeczeństwo japońskie również nie wyraziło zgody na budowę nowych reaktorów jądrowych, co w konsekwencji powoduje przedłużenia żywotności dotychczas działających, co czasem przynosi właśnie takie negatywne efekty.

Zdając sobie sprawę z trudności w pozyskaniu nowych źródeł energii coraz bardziej przekonywującą staje się konieczność rozwiązania problemów energetycznych poprzez budowę reaktora kontrolowanej syntezy termojądrowej.

I to właśnie jest przedmiotem międzynarodowego projektu ITER – International Thermonuclear Energy Reactor. Ze względu na jego skalę projekt ten ma być realizowany przez wspólnotę międzynarodową pod auspicjami Międzynarodowej Agencji Energii Atomowe. Realizatorami projektu mają być takie państwa jak Japonia, USA, Rosja, Indie, Chiny, Korea, Szwajcaria oraz Unia Europejska w tym Polska.

ITER ma być reaktorem doświadczalnym o skali co prawda większej od reaktorów stosowanych w fizyce jądrowej, ale jednak mniejszej od przewidywanych elektrowni opartych na reakcji syntezy jądrowej. Będzie on miał moc 500 MW wytwarzaną przez paliwo, którym jest plazma wodorowa o temperaturze 100 milionów stopni Celsjusza . Jest to więc dopiero droga do przemysłowego wykorzystania reakcji termojądrowej, co zgodne jest z nazwą tego urządzenia iter – po łacinie oznaczającą właśnie drogę.



ITER zbudowany zostanie w Europie we francuskiej miejscowości Cadarache w Prowancji i przewiduje się oddać go do użytku w 2016 r.

Rys. 1 Przekrój reaktora termojądrowego ITER


Jego konstrukcja przedstawiona na rysunku 1 odpowiada reaktorom typu tokamak. W cylindrycznej komorze próżniowej cyrkuluje przyspieszana plazma utrzymywana polem magnetycznym wytwarzanym przez elektromagnesy nadprzewodnikowe. Zastosowanie elektromagnesów nadprzewodnikowych umożliwia uzyskanie silniejszego pola magnetycznego w porównaniu do klasycznych elektromagnesów, przy jednocześnie zmniejszonych gabarytach. Zjonizowana wyładowaniami elektrycznymi z centralnego wysokonapięciowego generatora pola elektrycznego plazma jest przyspieszana w toroidalnej komorze tokamaka i w wyniku zderzeń jonów zachodzić powinna reakcja syntezy termojądrowej. Gabaryty projektowanego urządzenia ITER pokazanego na rysunku są opisane następującymi parametrami. Zewnętrzny promień toru plazmy wynosi 6.2 m, wewnętrzny 2.0 m, objętość plazmy wynosi 840 m3, prąd 15 MA, toroidalna indukcja magnetyczna wzdłuż osi 5,3 T, moc potrzebna do zapłonu 500 MW, czas zapłonu > 400s, wzmocnienie uzyskanej mocy > 10. O rozmiarach tego urządzenia świadczy wysokość uzwojeń nadprzewodnikowych rzędu 7 m. Elektromagnesy nadprzewodnikowe w tokamakach typu ITER stanowią podstawę konstrukcji wytwarzającej silne pole magnetyczne utrzymujące i ukierunkowujące ruch plazmy oraz występują w uzwojeniach korekcyjnych zapewniających taki ruch strumienia plazmy, żeby nie stykał on się ze ściankami komory, co ze względu na temperaturę plazmy prowadziłoby do przepalenia ścian. Żaden materiał nie oprze się takiej temperaturze. Warunkiem przeprowadzenia reakcji w zjonizowanej plazmie jest bowiem uzyskanie temperatury zapłonu rzędu 108 stopni Celsjusza. Są to więc reakcje zachodzące przy bardzo wysokiej temperaturze. Dotychczas powstały trzy duże doświadczalne urządzenia tego typu: JT-60 w Japonii, JET w Zachodniej Europie oraz TFTR w USA, natomiast samą ideę tej konstrukcji zaproponowali w 1950 r. dwaj rosyjscy laureaci nagród noblowskich I. Tamm oraz A. Sacharow, stąd rosyjska nazwa tokamak pochodząca od skrótu "тороидальная камера в магнитных катушках" – toroidalna komora w magnetycznych uzwojeniach. Urządzenia te zaczęły pracować w połowie lat 80-tych i są bliskie uzyskania odpowiednich granic umożliwiających samoczynne podtrzymanie reakcji syntezy termojądrowej. Otrzymano już zjonizowaną wysokotemperaturową plazmę o gęstości bliskiej do wymaganej do wystąpienia zapłonu, jak również odnotowano wstępne sukcesy przy prowadzeniu reakcji typu D-T w urządzeniu JET i TFTR.

Rys. 2. Wykorzystanie źródeł energii w 2001 r. w USA z przeznaczeniem na elektryczność i inne (np. ciepło)
Rysunek 2 przedstawia procentowe wykorzystane energii elektrycznej z zasobów pochodzących z różnych żródeł. Generalnie przyjąć można, że energia elektryczna stanowi 40 % produkowanej energii i stale wzrasta, wręcz proporcjonalnie do rozwoju ekonomicznego danego państwa. Największe zużycie energii elektrycznej na głowę mieszkańca ma miejsce w krajach wysoko-uprzemysłowionych takich jak Kanada i USA.

Szczególnie istotne jest pytanie o bezpieczeństwo reaktorów termojądrowych w porównaniu z rozszczepialnymi, w których zachodzi reakcja łańcuchowa. Ponieważ plazma jest ściskana w tak zwanej butelce lejdejskiej siłami magnetycznymi, więc brak jest ściśle określonych granic obszaru, w którym zachodzi reakcja fuzji, co jest cechą tokamaków, która powoduje, że uszkodzenie konstrukcji nie będzie prowadzić do katastrofy – po prostu plazma ulegnie wygaszeniu na zewnątrz reaktora. Również nie ma wielkiego niebezpieczeństwa wystąpienia dużego wypływu plazmy, gdyż jest ona w gruncie rzeczy na granicy minimalnego ciśnienia niezbędnego dla zachodzenia reakcji. Podstawowym elementem wpływającym na bezpieczeństwo procesu syntezy termojądrowej jest fakt, że w rezultacie tego procesu powstaje cząstka He4, która jest stabilnym nie promieniotwórczym pierwiastkiem w porównaniu do promieniotwórczych jąder uranu powstających w reakcjach łańcuchowych reaktorów rozszczepialnych, natomiast neutrony są pochłaniane przez otoczenie.


J. Sosnowski

Komputer kwantowy – perspektywy i rzeczywistość
Wiek XX charakteryzował się gwałtownym rozwojem cywilizacyjnym i związanych z tym odkryć naukowych. Do jednego z ważniejszych wynalazków minionego stulecia zaliczyć należy konstrukcję komputerów. Postępująca szybko miniaturyzacja przyspieszyła i ułatwiła proces obliczeń numerycznych. Wraz ze zmniejszeniem odległości pomiędzy poszczególnymi elementami powoli osiągana jest granica odległości międzyatomowych, co staje się obszarem obowiązywania mechaniki kwantowej.

Proces miniaturyzacji konkuruje z problemami odprowadzania ciepła wydzielonego podczas pracy komputera. Każdy z istniejących obecnie komputerów klasycznych zasilany elektrycznie, w czasie intensywnej pracy zaczyna nagrzewać się co ogranicza, w skrajnych przypadkach, możliwości przeprowadzania prawidłowych obliczeń. Podwyższona temperatura może mieć wpływ na stan bramek logicznych w układach scalonych. Zwykle są to bramki wielowejściowe, na wyjściu natomiast wytwarzany jest pojedynczy sygnał. Nieznana jest na ogół sama procedura przetwarzania sygnału wewnątrz bramki, tylko znany jest wynik. Stąd też pojawia się pewna nieodwracalność informacji - z sygnału na wyjściu nie zawsze można odczytać sygnały wejściowe w sposób jednoznaczny. Opisuje to reguła Landauera, dotycząca układów nieodwracalnych, która mówi, że skasowanie jednej jednostki informacji (bitu) wymaga wydatkowania pewnej energii, która przekształcona zostaje w ciepło. Skasowanie informacji jest więc procesem dysypacyjnym. Natomiast o ile proces obliczeniowy jest odwracalny zgodnie z regułą Landauera nie powinna mieć miejsca dysypacja (rozpraszanie) mocy. Odwracalnymi są procesy ewolucji izolowanego układu kwantowego, opisane operacją unitarną nad wektorem stanu początkowego układu. Odwracalność macierzy unitarnych umożliwia zidentyfikowanie stanu początkowego z informacji o stanie końcowym układu kwantowego. Stąd też, na przełomie lat 70 i 80-tych ubiegłego wieku, powstała koncepcja komputera kwantowego. Pomysłodawcami tej idei byli słynni uczeni, głównie amerykańscy, jak Richard Feynman, Charles Bennett, Paul Benioff, a także Polak pracujący w Wielkiej Brytanii Artur Ekert i inni. Istota pomysłu polega na koncepcji odwracalnych, logicznych bramek kwantowych, w których nie zachodzą zjawiska dysypatywne. Jak wynika z powyższego rozumowania takie odwracalne bramki można zbudować na bazie istniejących o jednakowej ilości wejść i wyjść. Dla przykładu przedstawmy odwracalną bramkę jednowejściową typu NIE: xy , w postaci tablicy:

x

y

0

1

1

0

Tablica odwracalnej, kwantowej bramki logicznej NIE
Najbardziej uniwersalną, gdyż z jej pomocą można wykonać wszystkie funkcje logiczne, jest odwracalna, trójwejściowa, a więc i trójwyjściowa bramka Toffoliego, zwana też kontrolowane-kontrolowane–NIE (CCN). Jest ona odwracalnym odpowiednikiem klasycznej bramki NAND i opisana jest symbolicznie relacjami logicznymi: CCN: (x,y,z) (x,y,z+xy).

Jednak dopiero w ostatnich dniach, a dokładnie 13 lutego br. w prasie ukazała się wiadomość, że naukowcy z mało znanej firmy kanadyjskiej D-Wave, zlokalizowanej w Kolumbii Brytyjskiej zapraszają na pokaz zbudowanego przez siebie komputera kwantowego o nazwie Orion.

Widok układu procesora (chipu) zastosowanego w prototypie komputera kwantowego Orion (Internet)



  1   2   3   4   5   6   7   8


©operacji.org 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna