Term ojaderná fúze
V rámci projektu „Fyzikou a chemií k technice“ vytvořil prezentaci za GKS Marek Kovář (
[email protected]). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci GNU (www.gnu.org).
Úvod 1) Nový zdroj energie? 2) Plazma 3) Termojaderná fúze 4) Kde vzít palivo? 5) Lawsonovo kritérium 6) Inerciální udržení 7) Magnetické udržení 8) Stelarátor 9) Tokamak 10) JET 11) ITER 12) Fúzní ČR
Nový zdroj energie? Ekonomika EU závisí na energii – ropa na 45 let – zemní plyn na 60 let – uhlí na 300 let
Svět hledá výrobu energie - bez nebezpečného odpadu - snadno získatelné suroviny - nevyčerpatelné zdroje
Ekonomika EU závisí na energii – Uran 235 (klasické štěpné reaktory) na 30 let – Uran 238 a Thorium 232 (množivé reaktory) na 30 000 let
– Lithium (D+T fúzní reaktory) – v zemi na 30 000 let – v oceánech na 30 000 000 let
Plazma Při zahřívání látky se z původně elektricky neutrálního prostředí stane směs elektricky nabitých částic.
Slunce a hvězdy Slunce a ostatní hvězdy čerpají energii ze slučovacích jaderných reakcí.
Při reakcích se vodík mění na helium a těžší prvky. Teploty v centru hvězd dosahují až desítek milionů stupňů.
Termojaderná fúze
Termojaderná fúze
Kde vzít palivo? DEUTERIUM 2H - Neradioaktivní izotop vodíku - Lze získat z vody (v 1m³ H2O 35g 2D)
TRITIUM 3D - Radioaktivní izotop vodíku - Volně na Zemi není - Lze ho vyrobit z lithia
Podmínky pro fúzi Pro slučování jader je potřeba velká energie tedy teplota urychlit částice v urychlovači
1 eV ≈ 11 600° 600°C
Urychlovače „Cockcroft-Walton „Cockcroftmachine“ Cavendish Laboratory, Cambridge 1932
800 keV :
1 1H
E. Rutherford E.T.S.Walton J.D.Cockcroft
Poprvé v roce 1934 zkusili tito 7 4 4 pánové fúzní reakci na principu 3 2 2 D+D
+ Li → He + He
Studená fúze Elektrolyticky katalyzovaná fúze 1886 Graham - objev atomární difuze v atomu vodíku
1989 Dr. B.Stanley Pons a Dr. Martin Fleischmann na Univerzitě v Utahu oznámili, že experiment s tzv. studenou fúzí se povedl. Za „pokojové teploty“ s použitím elektrod z palladia a platiny ponořených do těžké vody uvolnili teplo a vedlejší produkty. Buňka studené fúze u amerického námořního prostoru a námořní války centrum systémů, San Diego, CA (2005)
Lawsonovo kritérium Pro syntézu 2D s 3T při teplotě iontů Ti ≈ 0,5 * 108°C platí:
n τ E ≥ 0,5 × 10 m s 20
-3
Kritérium publikoval v tajném dokumentu v roce 1955 a v roce 1957 již oficiálně ve vědeckém časopisu
J.D .Law son
Inerciální udržení
n ≈ 10 m 32
-3
τ ≈ 10
−11
s
Ohřátí 1 mg DD-T směsi na 30 keV → fúzní výkon 340 MJ ≈ výbuch 75kg TNT
ρ = 200 g*cm-3
Laser OMEGA, Rochester, USA 60 TW, 0,5– 0,5–3 ns, 40 svazků
Světelné svazky laseru míří na terčík termojaderného paliva
Lasery Rayleigh-Taylorova nestabilita Rayleigh- Zkoumáno v letech 1883 - 1950 - Při urychlování hustšího prostředí do řidšího dochází ke zvětšování styčné plochy (fraktální struktura) D-T kapsle ((≈ ≈ 2mm)
G .I.Taylor
L ord R ayleigh
Magnetické udržení Magnetická zrcadla (USA) nebo pasti (SSSR) - Otevřená magnetická nádoba GOL-3-II v novosibirském Budkerově Ústavu jaderné fyziky - Na koncích zhuštění siločar - Nabité částice se odráží (ne vždy!)
Pinče - slučování jader ve vláknu tzv. z-pinč - vláknem prochází proud → silné magnetické pole Smyčková nestabilita
Pole stlačuje plazma k ose na potřebnou hustotu a teplotu. Z-machine, Sandia, USA
Stelarátory Chyběl účinný počáteční ohřev Joulovým teplem => => problém s ohřevem plazmatu
NSTX PPPL, USA 1999
Tokamak TOroidalnaja KAmera i MAgnitnyje Katuski (na základě úvah seržanta Rudé armády O.L.Lavrentěva z roku 1926)
1957 A.D.Sacharov a I.E.Tamm
1968 potvrzení výzkumu západními vědci → rozvoj výzkumu
Tokamak – ohřev plazmatu Tři metody vnějšího ohřevu 1) Absorpce elektromagnetického vlnění 2) Nástřel neutrálních Jouleovo teplo atomů vodíku s E až stonásobku 2 P = R × I teploty plazmatu 3) Ohmický
Tokamak - komora Limiter a divertor → odvod nečistot, zplodin termojaderné reakce a nespáleného paliva
Model divertoru
JET Joint European Torus - v anglickém Culthamu poblíž Oxfordu - stavba 1973 - 1983
- 1991 – D-T směs ≈ 1,7 MW při teplotě paliva 200 000 000° 000°C - 1997 – výkon 16 MW
JET
ITER = cesta (latinsky)
- očekává se větší výkon než příkon a - parametry možná i hoření termojaderné reakce 3 – objem plazmatu 837 m - lokalita: nedaleko jihofrancouzského - proud plazmatu 15 MA Cadarache - výkon 500 MW
ITER
ITER – rozmístění budov
CASTOR 1977 – předání tokamaku z Kurčatova ústavu v Moskvě AV ČSR Ústavu fyziky plazmatu v Praze
2000 – otevření laserového sytému PALS 2005 – AV ČR ÚFP přijímá nabídku na převzetí tokamaku Compass--D Compass
COMPASS-D • •
• • •
Podzim 2004 – COMPASSCOMPASS-D oficiálně nabídnout UKAEA do ÚFP AV ČR Červenec 2005 – přijato rozhodnuti o rereinstalaci tokamaku COMPASSCOMPASS-D v ÚFP, podána žádost o podporu vlády ČR. Záři 2005 – začátek příprav návrhu pro preferenční podporu EURATOMu Říjen 2005 – usneseni vlády ČR o podpoře přesunu COMPASSCOMPASS-D Červenec 2006 – EURATOM udělil preferenční podporu projektu 2006 2007 2008 2009 Kv 3Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3
stavba budovy transport tokamaku centrální zdroj energie vývoj a instalace výkonové elektroniky kontrola plazmatu pomocí zpětné vazby vakuový systém řízení a sběr dat bezpečnostní systémy systémy dodatečného ohřevu
DEMO
= „demonstrační projekt“ - dostavení za 30 – 35 let - tritiová soběstačnost a výroba elektřiny ve velkém měřítku - směr k první fúzní elektrárně !!!
Schéma termojaderné elektrárny
Reference • Přednášky během evropské výstavy FusionExpo 2007 v Praze na FJFI • Termojaderná syntéza pro každého (M. Řípa, J. Mlynář, V. Weinzettl, F. Žáček) • Propagační materiály EFDA (European Fusion Development Agreement) • Výzkum fúze – Volba energie pro budoucnost, EURATOM • server.ipp.cas.cz/~vwei/index_c.html • www.ipp.cas.cz/tokamak/cz • jet.efda.org • iter.org • www.efda.org
