Fúziós berendezések – TBM
A fúziós energiatermelés jövője: ITER Kiss Béla
International Thermonuclear Experimental Reactor
ITER célja: jövőbeli fúziós erőmű technológiák kipróbálása • nagy szupravezető mágnesek • plazmafűtés • plazmadiagnosztika • trícium kezelés és üzemanyag-ellátás • távoli karbantartás • reaktorkörülmények tanulmányozása • speciális reaktoreszközök (pl. tríciumtermelő modul) kipróbálása Nem állít elő villamos energiát!
Test Blanket Modules (6)
Szabályozott magfúzió: atommagok egyesítése ellenőrzött körülmények között azzal a céllal, hogy a folyamatból energiát lehessen kinyerni. A fúziós reakciók kiinduló részecskéi (pl. D és T) pozitív töltéssel rendelkeznek és taszítják egymást. ↓ Reakció akkor jön létre, ha az atommagok az elektronfelhő méreténél sokkal közelebb kerülnek egymáshoz. Ez a részecskék felgyorsításával érhető el, mely során a gyorsításra fordított energia a részecskék véletlenszerű mozgására (fűtésére) fordítódik. ↓ Ez akkor nem jelentkezik veszteségként, amikor a részecskék által alkotott gázban a hőmozgásból eredő energiájuk eléri a fúzióhoz szükséges ~10 keV-ot (ez ~100 millió Kelvinnek felel meg). Ilyen magas hőmérsékleten a deutérium-trícium keverékben az atommagokról leszakadnak az elektronok, a gáz plazmává alakul (szabad atommagok és elektronok elegye). ↓ A plazma az elektromágneses terekkel kölcsönhat, maga is elektromágneses teret kelt és mozgása ezekkel befolyásolható. ↓ A fúziós plazmát mágneses csapdában kell egyben tartani.
A mágneses teret a mai berendezések többségében réz tekercsekkel állítják elő. ↓ A mágneses indukció értéke tipikusan 1-5 Tesla (a tekercsekben megaamperes áramra van szükség). ↓ Egy nagyobb tokamaknál akár több 100 MW disszipált teljesítményt is jelent, amelyet csak néhány másodpercig lehet biztosítani, valamint a tekercsek hűtését sem lehet ennél hosszabb időre megoldani. ↓ A szupravezető tekercsekkel ellátott berendezések elenyésző teljesítményt igényelnek, még a hűtést beleszámítva is. ↓ A fúziós erőművek mindenképpen szupravezető tekercsekkel fognak majd működni.
Egy fém vezető elektromos ellenállása a hőmérséklet esésével csökken. Egy szupravezető ellenállása hirtelen esik nullára az úgynevezett kritikus hőmérséklet elérésekor – ált. 20K.
Nb3Ge Nb3Si Nb3Sn Nb3Al V3Si Ta3Pb V3Ga
TC 23,2 K 19 K 18,1 K 18 K 17,1 K 17 K 16,8 K
Szupravezető anyagokat három fő mennyiséggel lehet jellemezni: - kritikus hőmérséklet (Tc) - kritikus mágneses térerő (Hc) - kritikus áramsűrűség (Jc)
Hűtés: 4,5 K hőmérsékletű folyékony Hélium
Central Solenoid (CS): fő plazmaáram indukáló 6 különálló modulból épül fel
Toroidal Fields (TF): plazma stabilizálás/határolás 18 különálló modulból épül fel
Poloidal Fields (PF): plazma pozícionálás és stabilizálás 6 különálló modulból épül fel
Correction Coils (CC): a mező hibák korrekciójára, gyártási eltérések, szerelési pontatlanságok kiküszöbölésére szolgálnak 9 pár modulból épül fel.
DEMO: demonstrációs reaktor, közvetlenül az ITER után fog megépülni
ITER TBM: Test Blanket Module (Teszt Köpeny Modul) - A neutronok energiájának átalakítása hővé - Trícium előállítása, önfenntartás megvalósítása - Szerkezeti elemek sugárzás elleni védelme
Hidrogén izotópok:
A fúziós energiatermelés alapképlete:
2 1
D + 31T → 42 He + 01n
Deutérium: stabil izotóp, a természetes hidrogénben (pl. vízben) kb. 1/6000 arányban van jelen, tehát szinte korlátlan mennyiségben és egyenletesen elosztva áll rendelkezésre. Trícium: felezési ideje 12,32 év, hélium-3 izotóppá bomlik. A trícium természetes körülmények között akkor áll elő, ha kozmikus sugarak lépnek reakcióba a légköri gázokkal (pl. egy neutron nitrogénnel ütközik, szén és trícium a reakció eredménye). + nukleáris fegyverek légköri tesztjéből. A Földön jelenleg kb. 53 kg trícium található
A DEMO trícium szükséglete: ~0,41 kg/nap!
A fúziós energiatermelés alapképlete:
2 1
D + 31T → 42 He + 01n
A keletkező energia 80%-át a neutron viszi el, amely szinte akadálytalanul (nincs töltése) elhagyja a plazmát. Lehetőség van viszont a trícium előállítására lítiumból a fúzióban keletkező neutron felhasználásával: 6 3
Li + 01n → 31T + 42 He
A) Keramikus anyagok (oxidok, szilárd állapotban) pl. LiO2, LiAlO2, LiSiO3, Li4SiO4, LiZrO6, Li2TiO3 →A tríciumot hélium tisztító gáz gyűjti össze B) Ötvözet eutektikum (folyékony állapotban) pl. LiPb →A tríciumot a vákuumtartályon kívül vonják ki a folyékony fémből
- a neutron befogás esélye alacsony - veszélyes anyag, a levegővel reakcióba lép (gyullad), erős reakció vízzel (alkálifém) - rendkívül jól oldja a tríciumot → nehéz kivonni
Neutron sokszorozó anyag használata: Berillium (Be) vagy ólom (Pb) [korróziót okoz!] 9
Be + n → 2 4 He + 2n
Lítium: a földkéregben meglehetősen egyenletesen elosztva áll rendelkezésre, nem túl költséges anyag. A világ lítium termelése is kb. 200 fúziós erőmű ellátását tenné lehetővé, tehát szintén nem korlát.
Felhasználás: Deutérium: ~0,27 kg/nap ← tengervízből Trícium: ~0,41 kg/nap ← Lítium – neutron reakcióval termeli meg saját magának a reaktor Jelenleg kb. 1,5 kg/év a világ trícium termelése (!)
Kinyerhető mennyiség: Deutérium: 5*1016 kg az óceánokban 30 milliárd évre elegendő!!!
Trícium: ~150 kg/év → ehhez csak 300 kg/év Lítium szükséges
~1011 kg Li van a földben 30 000 évre elegendő
Az előzőek alapján egy TBM-nek tartalmaznia kell: - szaporító anyag (szilárd [Li4SiO4, Li2TiO3] vagy folyékony [LiPb]) - neutronsokszorozó (szilárd [Be, Be12Ti] vagy folyékony [Pb]) - szerkezeti anyag - hűtőközeg (He, víz, folyékony fém) TBM tervezési kritériumok: - megfelelő mennyiségű trícium előállítása, „self-sufficient” - acélszerkezet megfelelő hűtése (0,5 MW/m2), komponensekben a megengedett hőmérséklet limitek biztosítása - hosszú élettartam (minimum 5 év) - neutronsugárzás miatti szerkezeti károk ne haladják meg a 150 dpa-t 5 év alatt (dpa: a kristályrácsban létrejövő atomkimozdulásokat jelzi a neutronsugárzás hatására) - nukleáris hulladék mennyiségének minimalizálása - magas hűtőközeg kilépő hőmérséklet biztosítása (500 oC) A TBM legfontosabb paramétere:
TBR=1 nem elég a trícium veszteség miatt TBR=1,15 kell legalább
•
Három, középsíkban lévő („egyenlítői”) port van fenntartva a TBM-ek számára [2, 16, 18]
•
Mindegyik port 2 TBM-et tud befogadni
•
Összesen 6 TBM lesz beépítve, de 12 TBM típust javasoltak a résztvevő országok (7 folyékony fém, 5 szilárd szaporító anyagú)
Port cell: •Trícium kivonó rendszer •He hűtőkör •PbLi kör
szállítórendszer
rugalmas csőrendszer
pajzs
2 TBM
Equatorial Port # 16: Helium Cooled Lithium Lead (HCLL) Szaporító anyag: PbLi Neutronsokszorozó: PbLi Hűtőközeg: He Helium Cooled Pebble Bed (HCPB) Szaporító anyag: Li4SiO4 Neutronsokszorozó: Be Hűtőközeg: He
Equatorial Port # 18: Water Cooled Ceramic Breeder (WCCB) Szaporító anyag: Li2TiO3 Neutronsokszorozó: Be Hűtőközeg: víz Dual Coolant Lithium Lead (DCLL) Szaporító anyag: PbLi Neutronsokszorozó: PbLi Hűtőközeg: PbLi (szaporító régióban), He (acélszerkezet)
Equatorial Port # 2: Helium Cooled Ceramic Breeder (HCCB) Szaporító anyag: Li4SiO4 Neutronsokszorozó: Be Hűtőközeg: He Lithium Lead Ceramic Breeder(LLCB) Szaporító anyag: PbLi Neutronsokszorozó: PbLi Hűtőközeg: PbLi (szaporító régióban), He (acélszerkezet + Li2TiO3 hozzáadott szaporító anyag)
Submodul kialakítása
Submodul keresztmetszete Szaporító anyag
Li4SiO4
Neutronsokszorozó
Be
Hűtőközeg
He
Tin/Tout p TBR
300/500 oC 80 bar 1.05 – 1.1
HCCB evolúciója
2013
Solid + liquid szaporító anyag ötvözése
Szaporító anyag
PbLi + Li2TiO3
Neutronsokszorozó
PbLi
Hűtőközeg
He + PbLi
Tin/Tout(He) p(He) Tin/Tout(PbLi)
TBR
300/360 oC 80 bar 325/450 oC
p(PbLi)
12 bar
v(PbLi)
0.1 – 0.2 m/s 1.16
1660
Szaporító anyag
Li2TiO3
Neutronsokszorozó
Be
Hűtőközeg
víz
Tin/Tout p TBR
280/325 oC 155 bar 1.13
Szaporító anyag
PbLi
Neutronsokszorozó
PbLi
Hűtőközeg
He + PbLi
Tin/Tout(He)
300/500 oC
Tin/Tout(PbLi)
460/650 oC
v(PbLi) TBR
A csatorna SiC alapú béléssel van ellátva: - elszigeteli a magas hőmérsékletű PbLi eutektikumot a szerkezeti anyagtól - elektromosan szigetelőként csökkenti a magnetohidrodinamikai*** nyomásveszteséget ***A magnetohidrodinamika (MHD) az a tudományág, amely az elektromos vezetőképességű folyadékok, ionizált gázok külső elektromágneses vagy más jellegű erőterek hatására bekövetkezett mozgását tárgyalja.
~0.1 m/s 1.2
Hélium hűtőcsatornái
Szaporító anyag
PbLi
Neutronsokszorozó
PbLi
Hűtőközeg
He
Tin/Tout(He) TBR
300/500 oC 1.15
PbLi áramlási útja
PbLi áramlásának kísérleti vizsgálata
Szaporító kazetta metszeti képe
Hélium áramlási útja
Szaporító anyag
Li4SiO4
Neutronsokszorozó
Be
Hűtőközeg
He
Tin/Tout p TBR
300/500 oC 80 bar 1.14
Horizontal stiffening plate:
Cooling plate:
LiOH és SiO2 porokat összekeverik, megolvasztják. Az olvadékot a levegőbe permetezik. Az olvadék megszilárdul a levegőben történő „repülés” közben. A keletkező golyók átmérője és alakja eltérő.
Rotating Electrode Process (REP): ~1 mm átmérőjű golyók állíthatóak elő ezzel az eljárással. Inert gázzal töltött vákuumkamrában egy álló és egy forgó elektróda (Be) van elhelyezve. Elektromos ív keletkezik a kettő között, aminek a hője megolvasztja a forgó elektródát. Olvadt fémcseppek repülnek le a forgó elektróda végéről és megszilárdulnak a levegőben. A Be golyók mérete és minősége nagyban függ a használt anyagtól és az eljárás paramétereitől (elektróda tisztasága, elektróda átmérő, szögsebesség, repülési sebesség).
Hőfelszabadulás: - trícium termelés során (TBM) - vákuumtartály fal és szupravezető tekercsek neutronvédelme (FW/blanket) Hőelvonás: többkörös hűtőrendszer, nincsenek turbinák!
FONTOS: Test Blanket Module: trícium szaporítás Blanket: neutronvédelem, hűtés •
•
440 db köpeny elem (blanket) a vákuumkamra belső oldalán (180 féle változat) 1 elem: 1x1,5 m (4,5 tonna)
Lehetséges sugárforrások: a) plazma égése közbeni prompt sugárzás, b) gamma sugárzás a szerkezeti anyagok felaktiválódása miatt, c) víz hűtőrendszerben megjelenő korróziós termékek felaktiválódása, d) trícium kikerülése a személyzet helyiségeibe. Sugárvédelem Vákuumkamra: - elsődleges feladata megteremteni az ultra nagy vákuum kialakításának feltételét - másrészt az ebben található köpenyelemek felelősek a neutronok számának csökkentéséért - elsődleges radiológiai védelemi vonal Beton biológiai pajzs: fő radiológiai védelem Megfelelő reaktorszerkezeti anyag megválasztása: RAFM (Reduced Activation Ferritic/Martensitic) acél, más néven EUROFER [neutron-besugárzás hatására csak kevéssé válik radioaktívvá, ezért a fúziós reaktor anyaga a leállítás után néhány évtizeddel újrafelhasználható lenne] Portok: üzem közben lezárva, ember nem kerülhet a betonpajzson belülre Egy esetleges baleset során a trícium épületből való kiszivárgása sem okozna olyan mértékű sugárzást, ami az erőmű területén kívül kitelepítést igényelne (rendkívül kis mennyiségű trícium lesz jelen a tokamakban). NINCS megszaladás, leolvadás jellegű baleset → a forró plazma bármilyen probléma esetén a másodperc töredéke alatt lehűl, és a fúziós reakció leáll.
