Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 2

Korszerű nukleáris energiatermelés – Fúzió 2. Fúziós berendezések típusai, részegységek, diagnosztika Pokol Gergő BME NTI Korszerű nukleáris energiatermelés 2016. szeptember 28.

Pokol Gergő: Fúzió 2.

Mágneses összetartás Forró, híg plazmában a részecskék szabad úthossza nagy (gyakorlatilag ütközésmentes rendszerről van szó). Tekintsük szabad, töltött részecskék mozgását!

dv A Lorentz erővel a mozgásegyenlet: m  q (E  v  B ) dt Ha E=0: v   v e x sin(ct )  e y cos(ct ) 

qB A körmozgás frekvenciája: c  m

sugara: rL 

Ez a ciklotron/Larmor frekvencia. Adott mágneses térnél csak a részecskére jellemző. A forgásirány a töltés előjelétől függ: az ionok és az elektronok ellentétes csavarodású spirál pályán mozognak az erővonal körül. Korszerű nukleáris energiatermelés, 2016. szeptember 28.

m v qB

2


Mágneses összetartás, lineáris geometria Ha grad B párhuzamos B-vel, úgynevezett mágneses palackot kapunk, amiben a részecskék az összesűrűsödő erővonalak tartományáról visszaverődnek (a részecskék mágneses momentuma adiabatikusan megmarad).

A közel mágneses térrel párhuzamosan mozgó részecskékre nincs hatással  veszteségek a végeken+ stabilitási problémák. https://deep.reak.bme.hu:8080/home/pub/13/ Korszerű nukleáris energiatermelés, 2016. szeptember 28.

3


Mágneses összetartás, toroidális geometria A lineáris berendezést tórusz alakúra alakítva a végeffektusok elkerülhetők. Ekkor egy tórusz alakú plazmagyűrűt kapunk.

4

Korszerű nukleáris energiatermelés, 2016. szeptember 28.


Driftek Térben lassan változó elektromos és mágneses tér esetén válasszuk szét a sebességet időben gyorsan és lassan változó komponensekre!

v  vL  vd ,

dv d dv L  dt dt

v d  v E  vB  vc ExB drift

Töltésfüggetlen, az egész plazmát a két térre merőlegesen elmozdítja. Töltésfüggő  töltésszétválást okoz  elektromos teret kelt.

gradB drift görbületi drift

Tokamakban azonos irányú és nagyságrendű, mint a gradB drift.

https://deep.reak.bme.hu:8080/home/pub/10/ Korszerű nukleáris energiatermelés, 2016. szeptember 28.

5


A tér görbülete miatt az elektronok és az ionok fel- ill. lefelé driftelnek. A töltésszétválás létrehoz egy függőleges elektromos teret. Az E x B drift az egész plazmát kifelé mozgatja a mágneses téren keresztül.

A drift hatása kiküszöbölhető, ha a mágneses erővonalakat helikálisan megtekerjük.

 Sztellarátorok (külső tekercsekkel)  Tokamakok (plazmaárammal) 6



Tokamak

Sztellarátor

Toroidális plazmaáram

Helikális tekercsek

(1) vákuumkamra, (2) mágneses tekercsek, (3) plazma, (4) plazmaáram, (5) mágneses erővonal, (6) mágneses tengely, (7) radiális irány, (8) toroidális irány, (9) poloidális irány https://deep.reak.bme.hu:8080/home/pub/11/ Korszerű nukleáris energiatermelés, 2016. szeptember 28.

7


ITER Wendelstein 7-X

A jelenleg épülő legnagyobb tokamak (Cadarache) és sztellarátor (Greifswald). 8



9



10



11



12



13



14



15



Transzport mágnesesen összetartott fúziós plazmákban (véges összetartás) Bár a részecskék közötti ütközések ritkák (a szabad úthossz 10100 m), mégsem elhanyagolhatók. •Klasszikus transzport. Diffúziós folyamat, a lépés nagysága a Larmor sugár. •Neoklasszikus transzport = klasszikus transzport+toroidális geometria •Anomális transzport – mikroturbulencia

16



L-mód H-mód H-mód: high confinement mode Feltételek: • Jó fal • Megfelelő sűrűség • Nagy fűtési teljesítmény • …

17



ELM-ek

video 18



Vákuum Vákuum 10-4 torr (1 torr = 133 Pa) alatt  kétlépcsős vákuumrendszer: elővákuum szivattyú + turbomolecular vagy kriopumpa, (esetleg iongetter) Vákuumkamra: erős (EM-terhelések, nyomástartó) és vékony (mágneses tér) külső kriosztátban elővákuum  kisebb nyomás a vákuumkamrán

Tekercsek Réz tekercsek: vízhűtés, nagy veszteségek az ellenállás miatt, egyszerű technológia Szupravezető tekercsek: folyékony He hűtés (nagy mágneses tér), nincs ellenállás, bonyolult megmunkálás, mechanikai stabilitási problémák 19



Plazmahatároló elemek A plazma szélére kijutó részecskék bombázzák a falat amelynek anyaga szennyezi a plazmát. Kontrollált plazma-fal kölcsönhatás: divertor Tipikus hőterhelés 1-100 MW/m2

20



Limiter és divertor A kisülés elején limiteres plazma (JET)

21



Fúziós technológiák: fűtés, áramhajtás Áram (tokamak): Induktív áramgerjesztés (csak impulzus <10 sec) Mikrohullámú áramhajtás (1 GHz-100 GHz, 1MW)

Fűtés: Ohmikus fűtés (kevés a fúzióhoz) Semleges részecske (NBI)

Mikrohullámú (alsó hibrid)

antenna

Ion-ciklotron frekvencia (30 MHz) Elektron-ciklotron frekvencia (100GHz) Teljesítmények: 0.5-10 MW/blokk < 40 MW/berendezés Anyagutánpótlás: gázbeeresztés, NBI pelletek Korszerű nukleáris energiatermelés, 2016. szeptember 28.

22


JET diagnosztikák

23



Mit akarunk mérni? 





A plazma minden egyes pontján, a kisülés minden egyes időpontjában lokális paraméterek:  Hőmérsékletek,  Sűrűségek,  Reakciósűrűségek,  Nyomások,  Áramsűrűség,  Elektromos és mágneses tér,  Forgás és egyéb makroszkopikus áramlások, Minden időpontban globális paraméterek:  Összetartási idők,  Anyagmérleg,  Energiamérleg. Technológia állapota. 24



Miért akarjuk mérni? 1a: Szabályozás és védelem: - plazma pozíció - hőterhelés a plazmára néző elemeken - Bt, Ip, ne, teljes nyomás (stabilitási határok) - ...

1b: Finom szabályozás: - hőmérséklet profilok - He sűrűség - ... 2. Teljesítmény értékelése, fizikai megértés: - Te, ne fluktuációk - radiális elektromos tér -… Korszerű nukleáris energiatermelés, 2016. szeptember 28.

25


Hogyan tudjuk mérni? Passzív diagnosztikák Mágneses tekercsek (integrális mérés) Passzív spektroszkópia (vonalintegrált mérés) Semleges részecske analizátor (integrális mérés) Termográfia (lokális mérés) Langmuir-szonda (lokális mérés) Aktív diagnosztikák Interferometria (vonalintegrált mérés) Reflektometria (lokális mérés) Thomson szórás (lokális mérés) Atomnyaláb diagnosztikák (lokális mérés) Nehézion nyaláb szonda (lokális mérés) ... Hosszabb időskálákon a mért paraméterek kiterjeszthetők a mágneses felületek mentén! 26 Korszerű nukleáris energiatermelés, 2016. szeptember 28.


Infravörös és látható tartomány (VisIR) A plazma-fal kölcsönhatás alapvető diagnosztikája. Sokszor kombinálják a két diagnosztikát. Széles látószögű optika Pellet ASDEX-Upgrade, látható Pár látóirány a fő monitoron Diszrupció (VDE), utána por

TCV: floor viewing IR camera during disruption, #33448 (J. Marki, R. A. Pitts) 27


Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 2

Recommend Documents