Tematika 1. Az atommagfizika elemei 2. Magsugárzások detektálása és detektorai 3. A nukleáris fizika története, a nukleáris energetika születése 4. Az atomreaktor 5. Reaktortípusok a felhasználás módja szerinti csoportosításban 6. Atomreaktorok generációi 7. Magyarországi atomerőművek 8. Mini atomerőművek 9. Reaktorbiztonság, sugárvédelem 10. Atomerőmű balesetek 11. Atomerőmű és környezetvédelem 12. Fúziós erőművek 13. Természetes reaktorok 9. előadás
A magfúzió, avagy a jövő egy lehetséges új energiaforrása 9. előadás
9. előadás
Tartalom • • •
Földünk energiafelhasználása Energiaforrásaink (ma és „holnap”) A fúzió, „a barátságos energiaforrás” → (plazmafizika) o o o
• • •
Feltétel a fúzióra → módozatok „kis sűrűségű, de hosszú élettartamú plazmák” → tokamakok, sztellarátorok „sűrű, de rövid élettartamú plazmák” → lézerfúzió
A lézerfúziós elképzelések Magyar részvétel a fúziós kutatásokban Összefoglalás 9. előadás
Földünk energiafelhasználása Modern társadalom nem létezhet ipari méretű energiatermelés nélkül, mely mindenki számára biztosítja az energiaforrásokhoz való egyenlő hozzáférést.
• Az energiafelhasználás ugrásszerű növekedése a XX. században • 2020-ra újabb 25%-kal nő a fogyasztás • Okok: o Fejlődő országok energia felhasználása nő o Népesség növekedés o Iparosodás növekedése Az emberiség növekvő energiaigényének fedezéséhez egyre több energiaforrás szükséges. 9. előadás
• Magyarország energiafogyasztása: o 3 MWh/év/fő o 31013 Wh/év
Energiaforrásaink Az emberiség energiaforrásai: • Ma – 3 csoportba sorolhatók: o Fosszilis tüzelőanyagok (domináns) – Évmilliók alatt felhalmozott napenergia o Nukleáris hasadóanyagok – Atommagok átalakításából nyert energia o Megújuló energiaforrások – A napsugárzás ill. Az időjárás által állandóan újratermelt források
•
„Holnap” o a fúziós reakció, mint „ideális energiaforrás” o ?
9. előadás
A világ energiaellátása ma a fosszilis tüzelőanyagokra épül.
Fosszilis tüzelőanyagok •
•
•
Szén: ma már főként erőművekben használják. A Föld szénkészletei több, mint 200 évre elegendőek. (Az USA Energiaügyi Minisztériuma becsült adata.) Olaj: a közlekedés legfőbb energiaforrása, a ma feltárt és hagyományos technikákkal kinyerhető készletek mintegy 30-40 évre biztosítottak. (Az USA Energiaügyi Minisztériuma becsült adata.) Földgáz: A fűtés fő energiaforrása. A készletek kb. 60-70 évre elegendőek. (Az USA Energiaügyi Minisztériuma becsült adata.)
A fosszilis energiahordozók felhasználása környezetvédelmi okokból és a készletek kimerülése miatt elkerülhetetlenül csökkenni fog. 9. előadás
Nukleáris hasadóanyagok •
• •
•
•
A mai atomerőművek az urán 235-ös tömegszámú izotópját használják működésükkor. Az urán 235-ös magja neutronok hatására elhasad, és eközben nagy mennyiségű energia szabadul fel. A Földön található urán 235 a becslések szerint legfeljebb 100 évre elegendő. Speciális reaktorokban urán 238-ból és tóriumból további hasadó üzemanyagok termelhetők. Szigorú biztonsági előírások betartása mellett az atomenergia termelés rendkívül olcsó és környezetbarát. A nukleáris erőművekben keletkező erősen radioaktív anyagokat több száz évig biztonságosan kell tárolni ill. Olyan technológiákat kell kidolgozni, amelyekkel ezek átalakíthatók gyorsabban lebomló radioaktív anyagokká – transzmutáció. 9. előadás
Megújuló energiaforrások •
Napenergia: A Napból hatalmas mennyiségű energia érkezik a Földre napsugárzás formájában. Energiatermelésre ennek csak egy kis része használható, amely azonban így is mintegy 100-szorosa az egész emberiség energia igényének. o o
•
a.) napelemek b.) napkollektorok (a napsugarakat a csőre fókuszálv a a benne áramló folyadék felmelegszik.) – energiatudatos építkezés
Szélenergia: Ma a leggyorsabban fejlődő megújuló energiaforrás. Csak néhány országban játszik ma számottevő szerepet: Németország 3%, Dánia 14%
A nap- és a szélenergia legnagyobb problémái a térben és időben egyenetlen eloszlás és az óriási helyigény. 9. előadás
Megújuló energiaforrások •
Vízenergia: A legnagyobb mértékben hasznosított megújuló energiaforrás, viszont a világ egész gazdaságosan kiaknázható vízenergia készlete nem lenne képes fedezni az összes szükségleteink 25%-át sem. A gazdaságosan kiaknázható vízenergia készlet 12%-a már foglalt. Csak a fejlődő országokban vannak még jelentős szabad kiaknázható kapacitások.
9. előadás
Megújuló energiaforrások •
Biomassza: Biomassza energiának a növényekből kinyerhető energiát nevezik, amelyet azok a napsugárzásból merítenek. Magyarországon sokkal jelentősebb, mint bármely más megújuló forrás. Alapvetően kétféle módon hasznosítható: o o
I pari növ ények termesztése járműv ek hajtására (repce, napraforgó) Növ ényi anyagok felhasználása erőműv ekben (pl. fa, nád)
9. előadás
Megújuló energiaforrások •
Hullám energia: A tengerek és az óceánok állandó hullámzását kihaszánló energia forrás. Állandó energiát biztosít.
•
Árapály energia: A Hold Földre gyakorolt hatására építő erőmű típus. Szakaszos, de jól tervezhető ciklusokkal bír.
•
Geotermikus energia: A földfelszín alatt rejő lehetőségeket aknázhatja ki. Állandó.
9. előadás
Megújuló energiaforrások •
Összefoglalás: A megújuló energiaforrások a jövő meghatározó energiaforrásai lehetnek. Jelentőségük, a környezetvédelmi törekvések erősödésével folyamatosan nő, és a jövőben valószínűleg egyre nagyobb szerepet kapnak az energiatermelésben.
A megújuló energiaforrások egyedül nem lesznek képesek kielégíteni növekvő energiaigényeinket.
9. előadás
Az ideális energiaforrás • • • • • • •
Környezetbarát Biztonságos Kis területen állít elő energiát Nagy mennyiségű energiát termel Folyamatos energiaellátást biztosít Olcsó Kimeríthetetlen mennyiségben található meg a Földön
Az emberiség által ma használt energiaforrások egyike sem ideális energiaforrás. 9. előadás
Energiatermelés magegyesítéssel – A fúziós reakció •
Az atomerőművekben az anyagban rejlő hatalmas energia felszabadításához nagy tömegű atommagokat több részre hasítanak. Ez a hasadás, vagy más néven fisszió. Létezik egy ezzel ellentétes folyamat, amellyel szintén nagy mennyiségű energia termelhető.
•
Az atommagok protonokból (piros golyók) és neutronokból (fehér golyók) állnak. Ha két kis tömegű atommag elegendően nagy sebességgel ütközik egymásnak, akkor egyesülhetnek, és energia szabadul fel. Ezt az energiát az új atommag gyors részecskék formájában kisugározza. 9. előadás
A fúziós reakció energiamérlege •
A fúzió végtermékeinek össztömege kisebb a kiinduló magok össztömegeinél.
•
A tömegkülönbségnek megfelelő energia felszabadul a reakció során.
Energia
Meghatározás: Az atommagok egyesülésével járó folyamatot magfúziónak, röviden fúziónak nevezzük.
9. előadás
A fúzió, a barátságos energiaforrás I. • Deutérium-trícium fúziós reakció D + T 4He(3.52 MeV) + n(14.1 MeV) (1eV = 1,610 -19 J)
9. előadás
Fúzió – A csillagok energiaforrása
9. előadás
•
A fúzió az a nukleáris kölcsönhatás, amely a csillagok (pl. a Nap) belsejében energiát termel.
•
A csillagokban a fúziós reakciók során hidrogénből hélium és más nehezebb elemek keletkeznek.
•
A Napban a fűtőanyagot a tömegvonzás fűti fel és tartja csapdában megteremtve ezzel a fúzió feltételeit.
•
A világegyetemben évmilliárdok óta működnek természetes fúziós reaktorok.
A fúziós energiatermelés a Földön is megvalósítható? Igen. A Földön is lehetne olyan berendezést – fúziós reaktort – építeni, amely képes atommagokat egyesíteni ls abból energiát termelni.
• A fúzió 3 feltétele kell teljesüljön a Földön: A Földön a Naphoz képest elenyésző tömegű fúziós anyag használható. Ezt a Föld saját tömegvonzása nem képes összetartani, ezért más csapdát kell alkalmazni és a Napnál kb. 10-szer magasabb hőmérsékletet kell elérni.
9. előadás
A fúzió üzemanyaga – a deutérium és a trícium
9. előadás
Mennyi kiinduló anyag kellene? • •
Magyarország egy év i v illamosenergia szükségletének biztosításához kb 10 millió tonna szénre lenne szükség. Egy Magyarország teljes v illamosenergia igényét fedező fúziós erőmű 1 év i működéséhez mindössze 150 kg deutérium és mintegy 230 kg trícium lenne szükséges.
9. előadás
Hol találunk deutériumot? •
A vízmolekula két hidrogén és egy oxigén atomból áll. Bolygónk vizeiben minden hatezredik hidrogén atom deutérium.
•
Az óceánok, tengerek és folyók évmilliókig elegendő mennyiségű deutériumot rejtenek.
Tengervízben és óceánok vizében – több millió évre rendelkezésre áll. 9. előadás
Hol találunk tríciumot?
Lítium Lítiumból előállítható – több millió évre rendelkezésre áll. 9. előadás
•
A trícium radioaktív anyag. Felezési ideje 12 év. Ezért a Földön csak rendkívül kis mennyiségben fordul elő.
•
A fúziós reakcióban keletkező neutron segítségével előállítható viszont lítiumból, amely viszont hatalmas mennyiségben található a földkéregben és a tengerekben.
Egy fúziós erőmű vázlata
9. előadás
A fúziós erőmű elve • • • •
A tervek szerint a deutérium-trícium fúziós reakció során keletkező neutronok a reaktor körüli lítium tartalmú köpenyben nyelődnek el. A lítiummal törtent reakció eredményeképpen trícium keletkezik, amit visszatáplálnak a reaktorba. A fúziós erőmű tehát önmaga termeli meg üzemanyagát. A köpenyben elnyelődött energiával vizet forralnak, majd gőzturbinát hajtanak meg.
A fúziós erőmű kiinduló és végterméke sem radioaktív anyag 9. előadás
A fúziós energiatermelés biztonságos •
•
9. előadás
A fúziós erőművekben egyszerre kevesebb, mint 1 gramm üzemanyag vesz majd részt a reakcióban és az egész berendezésben sem található néhány száz grammnál több trícium. Ez a mennyiség még akkor is elhanyagolható kockázatot jelent az élő környezetre, ha teljes egészében kikerül a reaktorból.
A fúziós energiatermelés biztonságos •
Hibás reaktor működés esetén a reakció néhány másodperc alatt véget ér, így a fúziós erőművekben soha nem történhet megszaladásos reaktor baleset.
•
Az elképzelhető legsúlyosabb baleset esetén sem kell kitelepíteni senkit.
A fúziós erőművek alaptermészetükből fakadóan biztonságosak 9. előadás
A fúziós energiatermelés környezetbarát • • • •
9. előadás
Nincs CO2 kibocsátás. Nincs károsanyag kibocsátás. Nem keletkeznek évezredekig sugárzó hulladékok. A fúziós reaktorokban is keletkeznek radioaktív anyagok. A reakció során létrejött neutronok ugyanis radioaktívvá teszik a reaktor egyes szerkezeti elemeit. Ezek aktivitása azonban néhány évtized alatt annyira lecsökken, hogy újrafelhasználhatóvá válnak.
Nagy mennyiségű energia kis területen
• •
• • •
A fúziós erőművek nagyteljesítményűek. -- GW Az üzemanyag mindenhol bőségesen rendelkezésre áll, elvileg tetszőleges számú fúziós erőmű építhető. Különösen alkalmas alaperőműveknek. Kis területet iglnyelnek, így felépítésük nem jár jelentős környezeti változással. Mennyibe kerülne a fúziós energia? Mai számítások szerint az nem lenne drágább a napjainkban elterjedt energiaforrásoknál.
A fúziós erőművek alkalmasak arra, hogy a jövő energiatermelésének 9. előadás alapját szolgáltassák
A fúziós energiatermelés jellemzői • • • • • •
9. előadás
Környezetbarát Biztonságos Kis területen nagy mennyiségű energiát termel Folyamatos energiaellátást biztosít Olcsó Alapanyagai kimeríthetetlen mennyiségben találhatók meg a Földön.
A fúziós üzemanyag üzemi halmazállapota plazma
9. előadás
Plazmafizika – kulcs a fúzióhoz Plazma a „negyedik halmazállapot” • • •
•
•
9. előadás
Első def. 1923., Langmuir: „ionizált gáz” Def.(1): Pozitív, negatív és semleges részecskéket tartalmazó gáz. Def.(2): Töltött és semleges részecskék kvázineutrális gáza, amelyek kollektív viselkedést mutatnak. Elektronok, ionok egymástól függetlenül mozognak → modellek (gázközelítés, elektrodinamikai egyrészecske modell, hidrodinamikai modell, kétfolyadék modell) Plazmák az „ismeretlen ismerősök”, ugyanis égen és a földön egyaránt gyakoriak. A leggyakrabban előforduló halmazállapot.
Plazma •
•
•
• 9. előadás
A deutérium-trícium keveréket mintegy 100 millió °C-ra kell hevíteni ahhoz, hogy beinduljun a fúzió. Ilyen magas hőmérsékleten a gáz atomjairól leszakadnak az elektronok, és az anyag ún. Plazmaállapotba kerül. A plazmát alkotó részecskék – az elektronok és az atommagok – elektromos töltéssel rendelkeznek. A plazma elektromosan töltött részecskékből áll.
Plazmák...
9. előadás
És még plazmák
9. előadás
• •
Plazmafizika – a fúzió kulcsa A plazma rendkívül bonyolult viselkedésű anyag. A töltött részecskék áramlása elektromos és mágneses tereket kelt, melyek befolyásolják a plazma mozgását.
•
A fúziós reaktorok építésének a kulcsa, hogy meg kell érteni azokat az összetett fizikai folyamatokat, melyek a plazmában lejátszódnak.
•
A plazmák mozgásának kiszámítása a klasszikus fizika legbonyolultabb problémái közé tartozik. A világ legnagyobb teljesítményű számítógépein futó programokkal ma már a jelenségek nagy részét tudják modellezni. Sok dolog még ma sem tisztázott. 9. előadás
Mit kell tehát tudnia egy fúziós erőműnek? •
•
•
A fúziós reakció csak egybentartott, 100 millió °C-os plazmában indul be. Ilyen magas hőmérsékletű anyag semmihez sem érhet hozzá, mert pl. azonnal lehül vagy tönkreteszi azt amihez hozzáér. A fúziós erőműnek a következő feladatokat kell megoldania: o o o o o
Az üzemanyagot 100 millió °C-ra hev íteni A plazmát elszigetelni a környezetétől A keletkező melléktermékeket eltáv olítani Biztosítani a plazma üzemanyag utánpótlását A felszabaduló fúziós energiát elektromos energiáv á alakítani
Az összes feltétel egyidejű teljesítése rendkívül nehéz feladat. 9. előadás
A plazma összetartása – a plazma mágneses térrel összetartható •
Az elektromosan töltött plazma részecskékre hatással van a mágneses tér.
•
Az egyébkent rendezetlen mozgást végző részecskék mágneses térben annak erővonalai körül spirális pályán mozognak.
9. előadás
A plazma összetartása – a plazma mágneses térrel összetartható •
A mágneses tér jelenléte lehetővé teszi, hogy a plazma részecskéit mágneses terek segítségével a mágneses tér erővonalaira “felfűzzük”.
•
Az első fúziós berendezések – ezt az elvet felhasználva – hengeres alakúak voltak. A henger belsejében helyezkedett el a plazma, a mágneses teret a henger körüli elektromágneses tekercsekkel hozták létre.
9. előadás
A plazma összetartása – a plazma mágneses térrel összetartható •
A hengerszerű első fúziós berendezéseknél a plazma részecskék, és így a plazma gyorsan beleütköznek a tároló henger végébe és emiatt a plazma gyorsan lehül.
•
Az első fúziós berendezések – ezt az elvet felhasználva – hengeres alakúak voltak. A henger belsejében helyezkedett el a plazma, a mágneses teret a henger körüli elektromágneses tekercsekkel hozták létre.
9. előadás
Végekbe ütköző plazma részecskék lehülés a plazma elveszíti magas hőmérsékletét nem teljesül a fúzió szükséges feltétele.
Fúziós reakciót nem lehet ilyen egyszerű tartályban létrehozni.
Új ötlet! – Toroidális berendezések születése •
A henger alakú berendezéseknél fellépő részecske hülés és energia veszteség elkerülhető, ha a hengert gyűrűvé hajlítjuk. Más szóval tóruszt hozunk létre.
•
A külső elektromágneses tekercseket a hengerhez hasonlóan a gyűrű köré építik.
•
Ekkor a keletkező mágneses tér is gyűrű, más néven tórusz alakú.
•
Működő mégneses tér esetén a tórusszá görbült terek alakját a plazma is felveszi.
9. előadás
Egy újabb probléma •
•
•
A görbült mágneses tér miatt a részecskék letérnek az erővonalakról. Attól főggően hogy a plazma részecskéi negatív vagy pozitív töltésűek, a részecskék függőlegesen felfelé vagy lefelé (a mágneses tér irányítottsága is szereppet játszik) elhagyják a plazmát. Tehát: az elektronok az egyik, míg az ionok a másik irányba sodródnak.
9. előadás
A berendezés tetejéhez sodródott elektronok.
A berendezés aljára sodródott ionok
Van megoldás erre a problémára! •
Ha a mágneses erővonalakat a tóruszban felcsavarjuk, akkor a plazma összetarthatóvá válik, azaz kifelé semleges töltés eloszlási képet mutat.
•
A megcsavart erővonalak összekötik a plazma alját és tetejét és kiegyenlítik a részecskék szétválását.
9. előadás
Hogyan csavarhatjuk fel a mágneses teret a berendezésben? •
A mágneses teret kétféleképpen csavarhatjuk fel:
Az egész berendezés felcsavarásával.
SZTELLARÁTOROK
A plazmában hajtott elektromos árammal.
TOKAMAKOK
A mai, a plazma mágneses összetartásán alapuló fúziós berendezések ilyen csavart mágneses terű, gyűrű alakú szerkezetek. 9. előadás
A tokamak
Transzformátor tekercs
• •
•
•
Mágneses tér erővonala
A tokamakot orosz tudósok fejlesztették ki az 1960-as években. Ebben a berendezésben körbefutó elektromos áramot indukalnak a plazmagyűrűben. Az indukált elektromos áram mágneses tere hozzáadódik a tekercsek mágneses teréhez. (Egymásra szuperponálódott mágneses terek.) A szuperponált tér csavarodó térszerkezetet eredményez.
Függőleges tér tekercsek 9. előadás
Plazma áram
Plazma
Toroidális tér tekercsei
A tokamak •
•
•
•
Plazmaáramot legegyszerűbben a tokamak köré épített transzformátorral kelthetünk. Ilyen módon az áramot csak rövid ideig – impulzus üzemmódban – lehet fenntartani. A tokamak egy egyszerű geometriájú forgásszimmetrikus , alapvetően impulzus üzemű berendezés. Plazmaáramot elektromágneses hullámokkal is lehet kelteni. Ebben az esetben a tokamak folytonos üzemmódban is működhet.
A TEXTOR tokamak – Jülich, Németország
9. előadás
•
•
•
A sztellarátor
A sztellarátoroknál csak külső tekercset használnak a csavart mágneses tér kialakításához. Sokféle sztellarátor típus van, a tekercsek alakját különböző szempontok figyelembe vételével tervezik meg.
Pl. A rajzon látható sztellarátor 5 egyforma modulból áll, melyekben bonyolult alakú tekercsek hozzák létre a tér csavarodását.
9. előadás
A sztellarátor
A sztellarátorok alapvetően folytonos működésű, bonyolult geometriájú berendezések. A plazmafizika és a számítástechnika fejlődésével egyre jobb és jobb konfigurációk születnek, amelyek a tokamakokon szerzett tapasztalatokat is hasznosítják. A sztellarátorok ma még kisebb teljesítményűek mint a tokamakok, de több kedvező tulajdonságuk miatt érdemesek a kutatásra. 9. előadás
A plazma mágneses összetartásán alapuló
fúziós reaktor felépítése
9. előadás
9. előadás
9. előadás
9. előadás
Berendezés elemei: Vákuumkamra A vákuumkamra választja el a mágneses térrel összetartott plazmát a környezetétől.
A vákuumkamra belső falát speciális hőálló téglákkal borítják, amely elviseli a részecskék és a plazma sugárzása által szállított óriási hőt, és ellenáll a fúziós reakcióból származó neutronoknak is.
9. előadás
Berendezés elemei: Divertor
•
A plazmából folyamatosan el kell távolítani a keletkező héliumot és egyéb szennyezőket. Ezt a célt szolgálja a berendezés alján található divertor, ahol a plazma hideg szélét gázzá alakítják és elszívják.
9. előadás
Berendezés elemei: A mágneses teret keltő tekercsek •
Egy fúziós berendezésben a Föld mágneses terénél százezerszer erősebb tér tartja össze a plazmát. Ehhez szupravezető tekercseket használnak, melyekben az elektromos áram veszteség nélkül folyik.
•
A szupravezető tekercsek -270 °C-on üzemelnek. Ezért az egész berendezést erre a hőmérsékletre kell hűteni.
•
•
Így az a fura helyzet áll elő, hogy a 100 millió °C-os plazmát egy -270 °C-os reaktor veszi körül.
•
A szupravezető tekercsek technikája jól ismert, évtizedek óta alkalmazzák. 9. előadás
Berendezés elemei: A mágneses teret keltő tekercsek
•
A toroidális tekercsek a vákuumkamrát körülölelve egyenletesen oszlanak el.
•
Működés közben a tekercsek között óriási erők ébrednek, ezért erős tartószerkezetet kell alkalmazni.
9. előadás
Berendezés elemei: A mágneses teret keltő tekercsek
•
A közpopnti tekercs a vákuumkamra közepén helyezkedik el.
•
Szerepe a plazmaáram gerjesztése.
9. előadás
Berendezés elemei: A plazma fűtése 1. •
Ahhoz, hogy a fúziós reakcióhoz szükséges 100 millió °C-ot elérjük, a plazmát fűteni kell.
•
A plazmában folyó elektromos áram – ahogy szilárd vezetők esetében a vezetéket- melegíti a plazmát.
•
Ennek a fűtésnek vannak bizonyos korlátai, ugyanis a hőmérséklet növekedésével csökken a plazma ellenállása, ami a fűtés hatásfokának csökkenéséhez vezet.
•
Elektromos árammal a plazma hőmérséklete csak néhány tízmillió °C-ig növelhető. 9. előadás
Berendezés elemei: A plazma fűtése 2. A plazma hőmérsékletének további növeléséhez különböző kiegészítő fűtő berendezések szükségesek. A.) semleges nyalábbal, nagyenergiájú belőtt atomokkal. B.) mikrohullámú antennákkal
C.) rádiófrekvenciás fűtőberendezéssel Kiegészítő berendezésekkel a 100 millió °C elérhető. 9. előadás
A plazma saját fűtése
•
A fúziós reakcióban hélium keletkezik, amelyek a kibocsátott energia 20%-át hordozzák.Ezeket a részecskéket is összetartja a mágneses tér a plazmával együtt. Így a plazma fűtésére felhasználhatók.
•
Amikor a hélium ionok fűtőteljesítménye meghaladja a plazma hőveszteségét, a plazma begyújt és önfenntartóvá válik.
•
Ezután a reaktor nem igényel külső fűtést.
•
Ez a folyamat nem vezethet robbanáshoz. A plazma állandó hővesztesége megakadályozza a korlátlan hőmérséklet emelkedést. 9. előadás
Berendezés elemei: Köpeny •
A fúziós reakcióban keletkezett nagy sebességű neutronok hordozzák a felszabadult fúziós energia 80%-át.
•
Az energiatermeléshez mozgási energiájukat át kell alakítani hőenergiává.
•
Ezt a feladatot a jövő fúziós erőműveiben a vákuumkamra falára erősített úgynevezett köpeny modulok látják el.
•
A köpenyben olyan anyag található, mely a becsapódó neutronok energiáját elnyeli, ettől felmelegszik, és átadja a hőjét a köpenyen keresztülvezetett csövekben áramló hűtőközegnek. Ez egy hőcserélőben vizet forral, amely áramtermelő gőzturbinát hajt. 9. előadás
9. előadás
Berendezés elemei: Köpeny •
A köpeny másik fontos feladata a trícium termelés. A köpenyben lítium található, mellyel a becsapódó neutronok reagálnak. A reakció eredményeként trícium, a reaktor üzemanyaga keletkezik, mely visszavezethető a plazmába..
•
A köpeny feladata tehát a nukleáris energia átalakítása és a trícium utánpótlás biztosítása.
9. előadás
Hol tartunk ma? •
Az elmúlt 50 évben mind méret, mind teljesítmény tekintetében hatalmas fejlődésen mentek keresztül a fúziós berendezések.
•
A Q = 1 (a fúziós teljesítmény eléri a plazma fűtésére fordított teljesítményt) még nem érhető el.
•
Amit már elértek: o A fúziós reaktor megvalósításához szükséges hőmérsékletet és sűrűséget. o A fűtési teljesítmény 55%-át fúziós reakcióban néhány másodpercen keresztül. o Fúziós plazma manipulálásához és méréséhez szükséges technikákat.
•
Amit a mai berendezések még nem tudnak: o Túl kicsik ahhoz, hogy a plazma veszteségeit a hélium fűtése pótolja. o Nem tudjuk tesztelni a reaktor egyes komponenseit (pl. A trícium szaporító köpenyt.).
A mai fúziós berendezések célja nem energiatermelés, hanem fizikai kísérletek az energiatermelő reaktor kifejlesztése irányában. 9. előadás
Múlt, jelen, jövő 9. előadás
Európai összefogás
9. előadás
Mérföldkövek a lézerplazmák történelmében • Def.: A lézernyalábok által keltett plazmákat lézerplazmáknak nevezzük. • 1963: lézerplazma levegőben rubinlézer fókuszálásakor (Maker, Terhune, Savage) • 1963: lézeres termonukleáris fúzió ötlete (Basov, Krokhin) • 1985: röntgenlézer (Matthews, Hagelstein…) • 1992: asztrofizika (daSilva) • 1994: gyors begyújtás elve (Max Tabak) • 1995: relativisztikus gyors ionok, pozitronok, elektronok 9. előadás
A fúziós reakció feltételei Lawson-kritérium: n > 1020 m-3s
r = 3 g/cm2
n > 1020 m-3s
Ha n nagy és kicsi:
Ha n kicsi és nagy:
Mikrorobbantásos fúzió Lézerfúzió
Mágneses összetartású fúzió
Lézerplazma erőmű (NIF) 9. előadás
Tokamakok (JET, ITER), Sztellarátorok (Vendelstein)
Direkt összenyomású lézerfúzió • „Izobár” osszenyomás ill. pellet fűtés • Nagyfokú szimmetria követelmények o NIF: 192 lézernyaláb, 1-2 óránként 1 lövés
• Nagy pumpáló energia ill. teljesítmény o PW lézerek, hosszú impulzushosszal (10ps) 9. előadás
Tehetetlenségi összetartású lézerfúzió
Az izochor fűtés, a gyors begyújtásos fúzió alapja • Ultrarövid lézerimpulzus plazmát kelt • A lézerenergia a szkín-réteg előtt elnyelődik. • Forró elektronok (MeV) keletkeznek • A gyors elektronok fűtik a céltárgyat • A folyamat alatt a plazmának nincs ideje kitágulni → izochor fűtés 9. előadás
Direkt gyors begyújtásos lézerfúzió I. • „Izochor fűtés” o MeV-os gyors elektronok mint külső szikra gyújtják be a fúziót.
• Kisebb szimmetria követelmények • Kisebb pumpáló energia szükséges 1:
2:
3: 9. előadás
4:
Direkt gyors begyújtású lézerfúzió II. • I = 1016 W/cm2, 10 ps • Arany kúp o Rövid impulzust eljuttatja a fűtőanyaghoz o Szétválasztja a rövid impulzust és a keltett elektronnyaláb terjedését a pellettől o Csak a gyors elektronok találkoznak a plazmával begyújtva azt o Osaka, 2001., 40TW, 20J
9. előadás
Indirekt pumpálású lézerfúzió • A céltárgy egy belül üreges, pl. arany tartóban helyezkedik el • A pumpáló nyalábok a tartót lövik meg • Emittált, homogén röntgensugárzás (konverzió 60-80%) • Előny: kisebb szimmetria elvárások • NIF-ben is. 9. előadás
Targettartó indirekt pumpálású fúzióhoz, „Hohlraum-target” (NIF) 9. előadás
Mekkora hozam kell? Nagy hozam ( r=3g/cm2) esetén 33% ég el. Mivel a lézerek és az összenyomás hatékonysága alacsony, a reaktorhoz legalább 100-szoros energianyereség kell a céltárgyon. Mikrorobbantásos fúzióban a hozam kb. 200.
9. előadás
National Ignition Facility Lawrence Livermore National Laboratory (California, USA) • 192 nyaláb • 2 MJ
Az épület…
9. előadás
9. előadás
A Nd-üveg lézer tükör…
A target vákuumkamra…192 lézernyaláb részére belépő ablakok… 9. előadás 2 ember… emberfeletti méretek…
9. előadás
Teller Ede a NIF –nél.
Magyar részvétel a fúziós kutatásokban Euratom, Magyar Euratom Fúziós Szövetség Támogatásával Kb. 30 magyar kutató dolgozik fúziós területen ebből kb. 20 a KFKI RMKI-ban
• Lézerplazma, lézerfúzió RMKI – SZTE HILL Dr. Földes István Prof. Szatmári Sándor Dr. Rácz Ervin Kísérleti plazmafizika Felharmonikusok keltése, terjedési és polarizációs tulajdonságaik vizsgálata o Izochor fütés kísérletek o Gyors elektron detektálás lyukkamerával (MPQ) 9. előadás o o o o o o
• Fúzió mágnesesen összetartott plazmákban o RMKI, Euratom o Dr. Zoletnik Sándor o Tokamakoknál (JET, ASDEX Upgrade), sztellarátoroknál (IPP) o Pellet kísérletek o Lézeres diagnosztikák (blowoff) o Szimulációk (turbulenciák) o Li-nyaláb diagnosztika
Harmonikusok keltése és vizsgálata • • • • • •
•
248nm, 600fs, 15mJ keltő lézerimpulzus 2,5μm fókuszátmérő → 51017 W/cm2 intenzitás 2ω, 3ω, 4ω keltés mind P-, mind S-pol. lézernél Diffúz harmonikus szórás Harmonikusok polarizációja keveredik Ok: plazma kritikus felületének fodrozódása Magyarázat: Rayleigh-Taylor instabilitás modulálja a lézerplazma kritikus felületét (a fénynyomás+plazmatágulás hatására)
9. előadás
•
Izochor fűtés vizsgálata
(Dr. Rácz Ervin és kollégáinak mérési eredményei)
Magasan →ionizált Si→ vonalak → 50-100eV csak izochor fűtésből származhat Magasabb röngen energiákhoz kristályspektrométer kell…
Összefoglalás • Földünk növekvő energiaigénye mindenképp új, kimeríthetetlen, barátságos energiaforrás szükségességét vonja maga után. Ez lehet a magfúzió. • A magfúziós energiaforrás körüli kutatások a plazmafizikusok érdeklődési körének középpontjában állnak. • Fúziós elképzelések (lézeres vagy mágnesesen összetartott) • Lézerfúziós módozatok (direkt-, gyors-, indirekt begyújtás) • Magyar részvétel a fúziós kutatásokban 9. előadás
