A fúziós atomerőművek fotonukleáris. sugárvédelmi aspektusai

A fúziós atomerőművek fotonukleáris folyamatainak sugárvédelmi aspektusai Veres Árpád

MTA Izotópkutató Intézet, H-1525 Budapest, P.O.B. 77 XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

Az előadás témakörei 1. 2. 3. 4.

Fontosabb fénylézer fejlesztések Fúziós plazmabezárási modellek Lézerrel hajtott fúziós erőművek főbb egységei Nukleáris folyamatok fúziós erőműi hatásai és sugárvédelmi aspektusaik XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

1. Fontosabb fénylézer fejlesztések 1961. Lev Rivlin: γ-lézer 1960. Theodore Mainman Fénylézer koncepció. Grézer Foton E: 1,5-3 eV Foton E: 104-106 eV

99Tc

keV

3,6 ns

181

6, 0 h

142 0

Két újítás forradalmasította a lézer alkalmazását:  1979. Lézerfény fókuszálása plazmába. Ez, a gyorsítótér gradiens nagymértékű növekedését eredményezte.  1994. Lézerimpulzus időtartamának nyújtása, összenyomása. Ez, a GWcm-2 intenzitásoknál csökkentette a drága erősítőoptika súlyos károsodását. XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

Plazmába lézerfényt fókuszálva a gyorsítóenergia óriási mértékben megnövekszik. T. Tajima, J. M. Dawson: Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979). 1018 Wcm-2 lézer 100 GeV/m gradiens gyorsítóteret kelt. (Hagyományos gyorsítók gyorsítóterének felső korlátja: 20 MV/m)

XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

CPA „Chirped Pulse Amplification”. (nyújtás-rövidítés) M. D. Perry, G. Mourou: Science 274, 917, (1994).

Femto-szekundomos impulzus-összenyomó (csörpölt)

tükrök. Szipőcs R. Ferencz K. Spielman Ch. Krausz F. Optic Letters 19, 201-203, (1994). XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

Az I > 1022 W/cm2 intenzitású lézerek két fontos gyakorlati alkalmazási lehetősége: •Fúzió az ionok direkt lézergyorsításával

Az ionok egy 1022 Wcm-2 intenzitású lézerplazma terében oszcillálva, ~ 80 keV ütközési energiát érnek el (DT fúzió csúcsa stot ~ 5 barn 100 keV). Fúziós erőmű.

•Direkt kölcsönhatás az atommaggal

Az elektromos tér oszcillációja a mag protonenergiáját 1024 Wcm-2 intenzitásnál 2,5 keV-el tolja el, ami az atommag bomlásához vezet. Nukleáris hulladékcsökkentés. XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

2. Fúziós plazmabezárási modellek A plazmafűtőanyag (nagy sűrűség és magas hőmérséklet) bezárásának elérési módszerei: Gravitációs bezárás – asztrofizikai környezet.

Mágneses bezárás (Tokamak).

A plazmában levő Lorentz-térerőn át a külső mágnes tér gátolja a forró plazma kialakulását. Kis részecskesűrűség: 1018-1022 m-3 Nagy lineáris méret: 0,1-10 m.

Inerciális bezárás (lézer).

Nincs gát. A bezárás és a részecske tehetetlenségi (inercia) ideje azonos. Részecskesűrűség: 1031-1033 m-3. Kis plazmasugár: 1-100 μm. XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

htpp://rmki.kfki.hu/~zoletnik Fúziós energia és technológia

Kapszula (hohlraum) és a DT cseppecske (UCRL-5200-01-11, December 30, 2001)

Indirekt fúzió, a kapszulát fűtik fel 2-3 millió K°-ra a gyújtáshoz Direkt fúzió: 2 mm Ø gömb; Be-Cu héj (sárga körgyűrű), 0,2 mm DTjég (zöld körgyűrű), sűrűsége: 0,25g/cm3 , belső DT-gáztér (fehér körlap), sűrűsége: 10-4 g/cm3. Néhány mikrométerre összenyomás utáni gyújtás (jobboldali kép). XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

A gyors direktfúzió animációja Belövés  kompresszió  gyújtás  robbanás (ns-ps) • Szimmetrikus kis-E lézerek lökéshullámai 1000x-ére nyomják a gömbsűrűségét. Hőmérsékletét több tízmillió fokra emelve. Egy erősebb lézer gyújtja a fúziót, s az óriási hőenergiát a hűtőközegek árammá alakítják. • A módszer világrekord szintre, emeli a fúziósenergia előállítását és tizedére csökkenti a költségeket. XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

3. Lézer-fúziós erőművek főbb egységei.

KOYO-F reaktor-modul keresztmetszeti nézete (Norimhatsu et al. FT/P5-39 )

32 összenyomó, egy gyújtólézer, és két target belövő. A TD golyócska, középen, 150× nagyítású.

XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

1 blokk: 916 MWth 300 MWe , 4 blokk: 1200 MWe. Folyékony Li, (V-4, Cr-4, Ti szerkezeti anyag),

High Power laser Energy Research facility (HiPER) 2007; 10 ps, 70 kJ, 4 PW, kisteljesítményű összenyomó lézerek. Program ind.: 2007. Konstrukciós fázis. 2011/12 év, koncepció ellenőrzése. Költség: 1/10×NIF. Erősítés: NIF 20/4 kJ, Q = 5; HiPER: 25000/270 kJ Q ~ 90.

Résztvevők, Európa 10 ország (28 int.):

UK (6); Cseh (2); Francia (3); Görög (3); Lengyel (1); Német (5); Olasz (3); Orosz (2); Portugál (2); Spanyol (1).

Amerika: USA (2); Kanada (1). Ázsia: Japán (1); Dél Korea (1); Kína.

XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

Laser Inertial Fusion Energy, LIFE program (8 laboratórium, 4 egyetem, 6 vállalat, US)*

XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

Néhány berendezés és erőmű látképe NIF, LLNL, USA

LMJ, CESTA, Bordeaux, France

KOYO-F, Japán Erőmű OMEGA-EP, LLE, Rochester US

XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

SG-III, Menyang, CAEP, Kína

ISKRA-5" laser kamra, Orosz O.

4. A nukleáris folyamatok fúziós erőműi hatásai és sugárvédelmi aspektusaik. 3H(2H,n,γ)4He

(3,5) +n (14,1) + γ (16,7) MeV

g(16,7 MeV)

3/2+ γ (16,7 MeV)

n(14,1 MeV) α(3,5 MeV) -0,9 MeV Q=17,6 MeV

4He

n

5He

3/2-

Gg/Gn= 2×10-5: 100 000 reakcióból 2 γ16,7 keletkezik XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

1000 MWth erőmű Yn , Yg , Yn,g és Yfn hozamainak becslései: Alapadatok, 1 DT: Q = 17,6 MeV = 2,73×10-12 Ws; Γγ/Γn =2×10-5; s[12C(n,g)13C]×10-4 ≈ s[13C(g,n)12C] (tükörreakció). •Yn= 109 MW/ 2,73×10-12 Ws = 3,66×1020 n/s •Yg = 2×10-5×3,66×1020 = 0,73×1016 g/s (16,7 MeV) •Yn,g = 10-4×3,66×1020 = 3,66×1016 g/s (>10 MeV) ~ 4,4×1016 g/s Yfn = 1012-1014 n/s (a g-abszorpció ~3 %-a kelt fotoneutronokat) XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

Trícium keletkezése a fúziós reaktor PbLieu (7Li92,5%; 6Li7,5%) hűtőfolyadékában Magreakciók:

n’ a)3H; nef = 3,9MeV sef = 3,28×10 -25 cm2 = 0,328 barn. YITER: 2-3 kg T/év, DEMO: 4-10 kg T/év •6Li(n,a)3H; s = 950 barn, ami termikus neutronokra, 100 keV-ig 1/v szerint változik. A rezonanciaérték 240 keV-nél van. •Potenciális probléma: 70-100 t/év T-t tartalmazó nehézfém hulladék is keletkezik. 7Li(n,

XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

Lítium-7

Hélium-4

n’

n

Trícium

Lítium-6

Hélium-4

n Trícium

1000 MWe fúziós erőmű trícium, deutérium igényei és költségeik •T és D igény/év: 109Ws×365×86400 = 3×1016 J; •1 mol TD:6×1023×1,76×107×1,6×10-19 =1,6×1012 J •3×1016/1,6×1012 ~ 2×104 mol ~ 60 kg T; 40 kg D Trícium kínálati árak: •L. J. Wittenberg UWFDM-871, (1991). A fúziós reaktorokban Li-al termelt T ára: 260 -1420 §/g. •Scott Wilms, LANL 2003. Atomreaktorokban: Régi DOE ár: 10 000 §/g; A 2003-s Kanadai ár: 30 000 §/g; A várható USA ár: 100 000-200 000 §/g. •60 kg T ára: 12 M§; 40 kg D ára: 52 000 §. 1 kWó áram DT költsége =0,033 § = 3,3 cent. XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

A kanadai CANDU reaktorok által termelt trícium készletek valószínű alakulása. 30 25

T(kg)

20 15 10 5 0 1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

év

Fenti 22 CANDU reaktor mellett további 12 más típusú reaktor is termel tríciumot. XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

USA T-termelésének a rövid története •1953-55: Csak atomreaktorokban folyik T-termelés •1976-88: Új termelési módszerek keresése. •1979: Three Mile Island reaktor baleset •1986: Csernobil katasztrófa. •1987: N, C típusú reaktorok leállítása. •1988: K, L, P típusú reaktorok leállítása. •1889: K-reaktor (Pu) felújítása, új MHTG, HWR, LWR reaktorok tervezése •1990: MHTG és HWR reaktort választották. •1991: Katonai választás, csak a K-reaktor. 1992-ben 1,5 Mrd $-t költöttek, az NPR program helyett. 1993: K-reaktor törölve. •1995: APT elsődleges választás és a CLWR támogatása. •2003: Az elérhető T mennyisége: 18,5 kg •2011: A termelés a START II. dátumok szerint újraindul. XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

Összefoglalás 







Bemutattuk, hogy a lézerrel hajtott fúziós erőművek rutinszerű elterjedésének nincsenek műszaki akadályai. A szerkezeti anyagok megválasztása, a trícium kellő mértékű biztosítása még komoly erőfeszítést igényel. De a fúziót követő másodlagos folyamatok nyomon követése is számos sugárvédelmi problémát felvet. Egyik főfeladat a DT fúzió foto-nukleáris effektusainak sugárvédelmi ellenőrzési módszereinek a kidolgozása. A személy és környezetvédelemben különösen a trícium nyomon követése, folyamatos mérése, az ínkorporáció bizonylatolása a másik fontos feladat. Kívánatos lenne az is, hogy a kereskedelmi fúziós erőművek - ma 10-15 évre prognosztizált - várható megjelenésekor már ezekben a kérdésekben is jól képzett szakember gárdával rendelkezzünk. XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló

•Szeretném remélni azt is, hogy a HiPER lézer programot megvalósító konzorciumban, a 7 EUtagállam (Cseh, Francia, Görög,Olasz, Portugál, Spanyol és UK.) mellett hazánk is szerephez jut. Remélem, hogy fiatal sugárvédelemi kutatóink részt vesznek még számos itt nem említett részlet feltárásában, s így is segítik a környezet védelemét, a tisztább lézerrel hajtott, fúziós erőművek minél hathatósabb fejlesztésével.

Köszönöm a figyelmüket XXXV. Sugárvédelmi TT, 2010, ápr. 27-29, Hajdúszoboszló