Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 1

Korszerű nukleáris energiatermelés – Fúzió 1. Magfizikai alapok, plazma alapok, MHD, energiamérleg, anyagmérleg Pokol Gergő BME NTI Korszerű nukleáris energiatermelés 2013. november 6.

Pokol Gergő: Fúzió 1.

Korszerű nukleáris energiatermelés – Fúziós előadások Nov. 6. PokolG: Magfizikai alapok, plazma alapok, MHD, energiamérleg, anyagmérleg Nov. 20. PokolG: Fúziós berendezések típusai, részegységek, diagnosztika Nov. 27. PokolG: Mai berendezések, JET, W7-X (Házi feladat határdő!) Dec. 4. PokolG: A fúziós energiatermelés jövője, ITER, DEMO Dec. 11. KissB: Tríciumtermelés, környezeti hatások, sugárvédelem, fúziós berendezések anyagai, Szupravezető tekercsek üzeme és biztonsága, hőelvezetés, hőtechnika (TBM)

2

Korszerű nukleáris energiatermelés, 2013. november 6.


Energiatermelés kötési energiából Példa: 1 GW-os erőmű anyagszükséglete Napi energiatermelés: ≈ 8∙1013 J/nap

•

Az atomhéj energiája Felszabaduló energia: ≈ 0.1 eV/atom ≈ 10-20 J/atom Energiasűrűség: ≈ 107 J/kg Napi anyagszükséglet: ≈ 106 kg/nap

•

Az atommag energiája Felszabaduló energia: ≈ 1 MeV/atom ≈ 10-13 J/atom Energiasűrűség: ≈ 1014 J/kg Napi anyagszükséglet: ≈ 10-1 kg/nap

1 eV = 1.6 ∙10-19 J ~ 1.16 ∙104 K 3



Magenergia felszabadítása Nehéz atommagok hasítása, könnyű atommagok egyesítése.

10

56

Kötési energia B/A (MeV/nucl)

Fúzió 16

8

12 4

He

9

Be

6

10

6

4 3

0

n, H

2

1

O

B

238

U

Hasadás

Li

T 3

2

1

C

Fe

He

D

10 100 Atomtömeg A (amu) Korszerű nukleáris energiatermelés, 2013. november 6.

1000 4


Fúziós magreakciók 3

He

2

A szóbajövő magfizikai folyamatok jól ismertek gyorsítós kísérletekből:

(d,n) H

Hélium 4He

(d,p) (d,n)

T (d,p) Deutérium Trícium 1 2 D

n

D + T → 4He(3.52 MeV) + n(14.1 MeV)

Fúzió

Kötési energia B/A (MeV/nucl)

p

10 8

4

6 4 3

2

1


T 3

2

He

D

0

n, H

D + D → 3He(0.82 MeV) + n(2.45 MeV) D + D → T(1.01 MeV) + p(3.02 MeV) D + 3He → 4He(3.66 MeV) + p(14.6 MeV)

He

1 Atomtömeg A

5


Lehet-e gyorsítóval energiát termelni? A reakciók küszöbenergiája E0 ≈ 10-100 keV. Gyorsítsuk föl az egyik magot erre az energiára és lőjük bele a másikba! A magok ss hatáskeresztmetszettel szóródnak a másik mag Coulomb terében és sf ≈ 10-5 ss hatáskeresztmetszettel fuzionálnak. Amennyiben a magok fuzionálnak, Ef ≈ 103 E0 energia szabadul föl. Az energiamérleg másodpercenként N mag gyorsítása esetén:

 sf s f Ef    1.01Pbe Pki  NE0  NE f  Pbe 1  ss s f  s s  s f E0  Gyorsítóval nem lehet energiatermelő reaktort építeni! Ha a céltárgy termikus egyensúlyba kerül a nyalábbal, akkor az ütközések során az átlagos energiacsere nulla.

Fúziós energiát termelni csak termikus közegben lehet! 6



A reakciók hatáskeresztmetszete termikus közegben A reakció valószínűségét termikus közegben a rátaegyüttható jellemzi:

sv   s (v)vfM (T , v)dv ahol s a hatáskeresztmetszet és v a sebesség. Egy részecske n sűrűségű közegben másodpercenként átlagosan

sv n reakciót szenved el. Legkönnyebben a D-T reakciót lehet megvalósítani! 7



D-T reakció kiinduló anyagai Minden 6000-edik hidrogén mag deutérium, vízből nagy mennyiségben kinyerhető.

6

3 p 3

He

2

A trícium radioaktív, csak nyomnyi mennyiségben fordul elő.

A tríciumot tenyészteni kell lítiumból!

(d,n) H

D

(n,a)

Hélium

7Li

Lítium

Li

(n, a n)

4He

(d,p) (d,n) T

(d,p) Deutérium Trícium 1 2

3

4

6Li

+ n(termikus) → 4He + T 7Li + n(gyors) → T + 4He + n 8


n


A Nap energiatermelése Több fajta reakció: p-p láncok, CNO ciklus. Mindig van benne pn átalakulás, ami NAGYON ritka. A szükséges hőmérséklet csak ~1 keV, de csak napnyi anyagmennyiség esetén működik, a teljesítménysűrűség ~0.2 mW/kg (emberi test: 1.3 W/kg).

9



Fúziós reaktor energiamérlege A fúziós reaktor energiasokszorozását a Q tényezővel szokás jellemezni:

Q

Pf Ph

ahol Ph a külső plazmafűtés teljesítménye, Pf a felszabaduló fúziós teljesítmény.

A Q=1 pontot „break even”-nek nevezzük. A reaktor üzemeltetése szempontjából ennek nincs jelentősége. 10



Fúziós plazma energiamérlege A fúziós reakcióban felszabaduló energia jelentős részét (~20%) az a-részecskék viszik el. Ha ezeket a plazma többi töltött részecskéjével együtt össze tudjuk tartani, akkor az a-részecske fűtés meghaladhatja a veszteségeket.

Mivel ekkor nem kell külső plazmafűtés, ezért Q=∞.

Pv

Pa

Amikor ez bekövetkezik, akkor a plazma begyújt (ignition). A hőmérséklet megemelkedik, de a folyamat nem tud megszaladni. Az égési pontban a plazma stabil állapotban marad, amíg a gázösszetételt és más körülményeket fenn tudjuk tartani. 11 Korszerű nukleáris energiatermelés, 2013. november 6.


A begyújtás feltétele Az 50-50 százalékos, n sűrűségű, V térfogatú, T hőmérsékletű D-T keverékben felszabaduló fúziós teljesítmény arányos az a-fűtés teljesítményével: A plazma energiaveszteségét az energiaösszetartási idő jellemzi

2

n Pa  V   C (T ) 2

3 V nkT Pv  2

e

6kT Ha Pa >Pv, akkor n e  C (T ) Optimális hőmérsékleten ez a Lawson kritérium: Az optimális hőmérséklet körül fúziós hármasszorzat:

n e  1020 sm3

Ti  25keV

n eTi  1021keVsm3 12



Trícium szaporító köpeny A tríciumot a reaktor körüli köpenyben lehet előállítani lítiumból. Ez a trícium szaporító köpeny (Tritium Breeding Blanket, TBM). A trícium radioaktív (b-bomló), és vízként bejuthat az élő szervezetbe, ezért egy zárt ciklusú fúziós erőműben a trícium mennyiségét minimalizálni kell! A fúziós reakcióban nem keletkeznek radioaktív izotópok! Az erős neutronsugárzás miatt a reaktor szerkezeti anyaga felaktiválódik, de ez speciális anyagválasztással minimalizálható. 13



Mi az a plazma? Ha egy gáz részecskéinek átlagos kinetikus energiája (esetükben ~10 keV) nagyobb, mint az alkotó elemekben lévő elektronok kötési energiája (H: 13.6 eV), az elektronok (teljesen vagy részben) leszakadnak az atommagokról. Elektronok és ionok (és esetleg semleges részecskék) keveréke jön létre, ez a plazma.

Az Univerzumban a látható anyag legnagyobb része plazma halmazállapotban van, és számos földi alkalmazás is van. 14



A plazma tulajdonságai Árnyékolás: Tegyünk egy egységnyi töltésű próbatöltést a plazmába! Ekkor a plazma elektronjai és ionjai úgy fognak mozogni, hogy a kialakuló erőtér a próbatöltés terét leárnyékolja.

Ionizációfok: A plazma elektronok, ionok és semleges atomok keveréke. Sohasem 100%-ban ionizált, lehet erősen vagy gyengén ionizált.

H

Debye-hossz

De 

 0 kT ne e 2

15



A plazma definíciója •kvázisemleges (az elektronok és ionok össztöltése lokálisan megegyezik)

D  L

•kollektív (a Debye-térfogaton belül sok részecske van)

4 3 ND  D n  1 3 •ionizált (nem túl sok a semlegesekkel való ütközés) A plazma komponenseinek sűrűségét az elektromos terek összekapcsolják, de a 16 komponensek sebessége és hőmérséklete különböző lehet! Korszerű nukleáris energiatermelés, 2013. november 6.


A plazma elméleti leírása •Kinetikus elmélet: A plazmarészecskék statisztikai eloszlására írjuk fel a Boltzmann-egyenleteket. A különböző részecskepopulációkra felírt egyenletek között az elektromos és mágneses tér forrásegyenletei adják a csatolást. •Többfolyadék elmélet: Ha az eloszlásfüggvények közelítik a Maxwell-eloszlást, az egyes részecskepopulációk egymásba ágyazott folyadékokként írhatók le: kontinuitás egyenlet, NavierStokes-egyenlet, állapotegyenlet. A csatolást az elektromos és mágneses tér forrásegyenletei adják. •Magnetohidrodinamika (MHD): Ha a folyadékok egyensúlyban vannak, egyetlen vezető, semleges folyadékként is leírható a plazma. 17 Korszerű nukleáris energiatermelés, 2013. november 6.


MHD egyenletek Tömeg kontinuitás-egyenlet:

Impulzus-egyenlet:

dm  m   V  0 dt

m

dV  j  B  p dt

d  p Adiabatikus állapotegyenlet:    0 dt  m  Ohm-törvény:

E  V  B  j

Amper-törvény:

  B  0 j

Faraday-törvény:

B E   t B  0

=0 : ideális MHD


18


Fúziós plazma összetartása A Lawson kritérium két lehetséges, szélsőséges esetet kínál: •Tehetetlenségi összetartás (Inertial confinement, ICF). A plazma szabadon tágul, a Lawson kritérium teljesüléséhez egy kritikus sűrűséget kell elérni, rövid ideig. •Mágneses összetartás (Magnetic confinement). A plazmát mágneses térrel tartjuk össze. A sűrűséget az alkalmazott mágneses tér szabja meg, az energiatermeléshez egy kritikus energiaösszetartási időt kell elérni alacsony sűrűség mellett.

19



Mit kell tudni egy fúziós erőműnek? ≈ 25 keV

•

Megfelelően magas ion hőmérsékletet: Ti

•

Jó hőszigetelés és/vagy nagy sűrűség: n e

•

Jó összetartás a keletkező a-részecskékre.

•

Nem túl jó összetartás a lelassult a-részecskékre.

•

Óriási felületi és térfogati hőterhelések kezelése.

•

…

 1020 sm3

20



21


Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 1

Recommend Documents