Možné přístupy k realizaci termojaderné syntézy

České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra fyziky

Možné přístupy k realizaci termojaderné syntézy Karel Řezáč, [email protected] Katedra fyziky FEL ČVUT v Praze

6. října 2016 Exkurze Gymnázium Kladno, SPŠ Ostrov na FEL ČVUT v Praze

Karel Řezáč

Obsah 

Úvod  

 

Lawsonovo kritérium Různé přístupy k realizaci fúzního zdroje energie   



Základní pojmy – připomenutí Motivace k výzkumu termojaderné fúze

Magnetické udržení (Tokamak) Inerciální udržení (Laser) Magnetické a inerciální udržení (Z-pinče)

Shrnutí a závěr

Studenti SŠ, 6. října 2016

2 / 47

Karel Řezáč

Základní pojmy 

Plazma 

4. skupenství hmoty

Zdroj: http://archiv.otevrena-veda.cz 

Kvazineutrální soubor nabitých částic, který vykazuje kolektivní chování 



Izotopy  

 

Široká škála stavu hmotu v plazmatickém stavu (teplota  koncentrace)  Pro fúzi: vysoké teploty a hustoty energie

Izotopy vodíku: vodík, deuterium, tricium Izotopy lithia

Fúze, termojaderná fúze Účinný průřez


3 / 47

Karel Řezáč

Plasma, čtvrté skupenství hmoty

Různé druhy plazmatu – rozdělení podle hustoty a teploty [1]. Studenti SŠ, 6. října 2016

4 / 47

Karel Řezáč

Izotopy vodíku 

NuDat 2.6 – databáze izotopů [2]


5 / 47

Karel Řezáč

Izotopy vodíku a jejich fúzní reakce 

Izotopy vodíku:   



Vodík: 1H, 1H, H, p Deutérium: 2H, 2H, D, d Tricium: 3H, T, t

Exotermní fúzní reakce s izotopy vodíku 

D(t,n)4He

D  T  4 He(3.56 MeV)  n(14.03 MeV), Q  17.59 MeV



T(t,2n)4He

T  T  4 He(3.78 MeV)  2n(7.56 MeV), Q  11.34 MeV



D(d,n)3He

D  D  3 He(0.82 MeV)  n(2.45 MeV), Q  3.27 MeV



D(d,p)T

D  D  T(1.01 MeV)  p(3.02 MeV), Q  4.03 MeV


6 / 47

Karel Řezáč

Fúze 

Fúze je proces, kde se sloučí lehčí prvky na těžší (ex. další definice, které se např. omezují na reakce, kdy se uvolňuje energie)

Slučování Fúze (fusion)


Štěpení (fission)

7 / 47

Karel Řezáč

Fúze 

Fúze je proces, kde se sloučí lehčí prvky na těžší (ex. další definice, které se např. omezují na reakce, kdy se uvolňuje energie)

D  T  4 He(3.56 MeV)  n(14.03 MeV), Q  17.59 MeV

mr1 + mr2  mp1 + mp2 Dm = (mr1 + mr2) – (mp1 + mp2) DE = Dm c2


8 / 47

Karel Řezáč

Účinný průřez (cross section) 

Vyjadřuje pravděpodobnost, že dojde k interakci mezi dvěma jádry  Jednotka je barn (b), 1 b = 10–28 m2 

Totální účinný průřez (závisí na energii E)



Diferenciální účinný průřez (závisí na energii E a úhlu )


9 / 47

Karel Řezáč

Termojaderná fúze 

Rozdíl mezi „fúzí“ a „termojadernou fúzí“ 

Fúzi můžeme dosáhnout: 

Zasažením terčových částic urychleným svazkem (beam-target)  Realizováno již od 1934 (Oliphant),1936 (Ladenburg)  Není to moc složité – např. na FEL ČVUT (viz. laboratoř)  V principu nelze realizovat s energetickým ziskem!



Srážkami částic při velmi vysoké teplotě (thermonuclear)  Podstatně složitější než beam-target  Zatím nebylo dosaženo s energetickým ziskem (kromě vodíkové bomby)


10 / 47

Karel Řezáč

Termojaderná fúze


11 / 47

Karel Řezáč

Termojaderná fúze


12 / 47

Karel Řezáč

Motivace k výzkumu termojaderné fúze 

Omezené zdroje pro získávání energie z fosilních paliv – vyčerpání základních zdrojů energie (uhlí, ropa, plyn) 

Příklady odhadů:

Řípa [1] ČT [3]

Uhlí

Ropa

Plyn

Štěpný mat.

200-250

40-45

60-70

90

3 000

190

220

260

ekonomové

nevyčerpatelné

Zásoby fosilních paliv – odhad vyčerpání jednotlivých zdrojů (roky). 

Emise skleníkových plynů  

Nemoci lidí Oteplovaní planety


13 / 47

Karel Řezáč

Motivace k výzkumu termojaderné fúze 

Téměř nevyčerpatelné zdroje paliva pro fúzní elektrárny [1] 

Deutérium   



Stabilní izotop Množství: 0,015%, tj. 1 / 8700 vodíku Např. deuterium z Máchova jezera by pokrylo spotřebu ČR na 100 let

Tricium  

Nestabilní izotop (T1/2 = 12,32 let) Lze vyrobit z lithia (obou stabilních izotopů 6Li, 7Li) – pro tokamak:


14 / 47

Karel Řezáč

Lawsonovo kritérium


15 / 47

Karel Řezáč

Lawsonovo kritérium  

J. D. Lawson (vytvořeno: prosinec1955, odtajněno: duben 1957) [4] Podmínka pro to, aby termojaderná reakce vyprodukovala více energie než je potřeba k:   



Vytvoření a ohřevu plazmatu Náhradě ztrát zářením Náhradě ztrát způsobené únikem částic z plazmatu

Požadavky na: 

Teplotu plazmatu T



Hustotu (koncentraci) plazmatu n



Dobu udržení plazmatu tE


16 / 47

Karel Řezáč

Lawsonovo kritérium


17 / 47

Karel Řezáč

Lawsonovo kritérium 

Většinou se uvádí pro danou (dosažitelnou) teplotu plazmatu podmínka na součin ntE  dva možné přístupy pro reaktor: magnetické / setrvačné udržení



Př. pro D(t,n)4He reakci o teplotě plazmatu 25 keV (290×106 K):

ntE  1014 cm–3s 

Následující grafy zobrazují Lawsonovo kritérium pro D(d,n)3He a D(t,n)4He reakci

  R  1  1  

R je podíl energie vzniklé a dodané  je účinnost návratu energie (počítáno pro 33 %)  Lawsonovo kritérium splněno pro R > 2


18 / 47

Karel Řezáč

Lawsonovo kritérium 1 eV = 11 600 K

Lawsonovo kritérium pro D(d,n)3He reakci

Lawsonovo kritérium pro D(t,n)4He reakci Studenti SŠ, 6. října 2016

19 / 47

Karel Řezáč

Přístupy k realizaci fúzního zdroje energie


20 / 47

Karel Řezáč

Přístupy k realizaci fúzního zdroje energie



Magnetické udržení (Tokamak: ITER celkem $ 20 mld.) Inerciální udržení (Laser: NIF celkem $ 3,5 mld.) Magnetické a inerciální udržení (Z-pinče: MagLIF ročně $ 5 mil.)



Další možné přístupy (spadají jak do mag. tak inerc. udržení)

 

   

Stelarátory (LHD, W7-AS, TJ-II, …) Magnetická zrcadla (MFTF-B, …) Staged Z-pinch a mnoho dalších…


21 / 47

Karel Řezáč

Magnetické udržení (Tokamak) 



Podmínka ntE > „něco“ bude dosažena:  „malou“ koncentrací plazmatu  1014 cm–3  „dlouhou“ dobou udržení > 1s TOrodialnaja KAmera i MAgnitnyje Katuški   





Torodiální komora Transformátorový efekt, rotační transformace Spirálové pole – kombinace torodiálního a polodiálního pole

Výzkum hlavně v Evropě, Rusku, Japonsku (částečně v USA) Velký mezinárodní projekt ITER


22 / 47

Karel Řezáč

Magnetické udržení (Tokamak) ITER [5 ]

stát

R (m)

a (m)

B (T)

I (MA)

Q

Mezinárodní

6,2

2

5,3

17

proj. 10

EU

2,96

1,25

4

7

0,65

Japonsko

3,4

1

4,5

5

ekv. 1,25

ČR

0,56

0,2

2,1 T

400 kA

-

JET JT-60 COMPASS

Některé tokamaky světa – základní parametry


23 / 47

Karel Řezáč

Tokamak ITER 



Společný projekt mnoha států: 28 států EU, Švýcarsko, Indie, Japonsko, Čína, Korea, Rusko, USA Dlouhá historie celého projektu – popsána např. v [1, 5]       

1986: Dohoda o společném návrhu ITERu 1988: Zahájení projekčních prací 1998: Finální návrh, Q = , $ 6 mld., USA odstupuje (později se vrací) 2001: Finální návrh 2, Q = 10, $ 3 mld. 2007: Zahájení stavby v Cadarache (Francie) plán 2025: První plazma v ITERu plán 2032: První D-T reakce


24 / 47

Karel Řezáč

Tokamak ITER


25 / 47

Karel Řezáč

Tokamak ITER


26 / 47

Karel Řezáč

Inerciální udržení (Laser) 

 

Podmínka ntE > „něco“ bude dosažena:  „velkou“ koncentrací plazmatu > 1023 cm–3  „krátkou“ dobou udržení < 10–9 s Výzkum hlavně v USA, dále Francii, Japonsku Různé přístupy k fúzi na laserech   

Direct drive, polar drive Indirect drive Fast ignition, shock ignition

Indirect drive (nepřímý ohřev) – jednotlivé fáze Studenti SŠ, 6. října 2016

27 / 47

Karel Řezáč

Inerciální udržení (Laser) Laboratoř

Počet svazků

LLNL (USA)

192

1800

5-15

360

CEA (Francie)

256

1800

5-15

360

GEKKO XII ILE (Japonsko)

12

30

1-3

60

OMEGA

LLE (USA)

24

30

0,5-3

60

ÚFP a FÚ (ČR)

1

1,2

0,4

3

NIF [6] LMJ

PALS

Energie Délka (kJ) pulsu (ns)

Výkon (TW)

Některé lasery světa – základní parametry


28 / 47

Karel Řezáč

Laser NIF  

Největší fúzní projekt na světě (celkem $ 3,5 mld.) Přesto je to záležitost pouze USA (vojenský výzkum) 

Stále jsou vládou na NIF podporovány 2 programy na ICF fúzi  



Polar drive (přímý ohřev – jen v polárních oblastech) Indirect drive (nepřímý ohřev)

Velké problémy celého projektu NIF – nesplnilo očekávání


29 / 47

Karel Řezáč

Laser NIF


30 / 47

Karel Řezáč

Laser NIF


31 / 47

Karel Řezáč

Magnetické a inerciální udržení (Z-pinče) 



Podmínka ntE > „něco“ bude dosažena:  „velkou-střední“ konc. plazmatu: 1020-1023 cm–3  „krátkou-střední“ dobou udržení: 10–7-10–9 s Prvenství Z-pinčů: 







Nejvýkonnějšími a nejúčinnějšími zdroji rentgenového záření Poměrně levné zařízení (vzhledem k tokamakům a laserům) Účinnost desítky % (30 % Z v SNL): energie z baterie do plazmatu Místem s největší změřenou teplotou ve vesmíru

1937 Název „pinch“ použil prvně L. Tonks pro samosmršťující se plazma Studenti SŠ, 6. října 2016

32 / 47

Karel Řezáč

Z-machine (ZR-machine) v SNL  

Generátor proudového pulsu [7] Upgrade Z  ZR (2006-7)   



proud až 26 MA rychlý nárůst ~90 ns dnes až 350 TW

Několik fúzních exp.   

Deuterium gas-puff Ozáření ICF peletu MagLIF


33 / 47

Karel Řezáč

Z-machine (ZR-machine) v SNL


34 / 47

Karel Řezáč

Z-machine (ZR-machine) v SNL


35 / 47

Karel Řezáč

Z-pinče: projekt MagLIF  

Myšlenka (MagLIF koncept): S. A. Slutz 2010 V roce 2013 první komplexní experimenty projektu MagLIF [8]    

Výboj mezi elektrodami jako „klasický Z-pinč“ Plynné deuterium (+ kryogenní směs D-T), metalický liner Magnetické pole 10 až 30 T (10 T v roce 2015) Předionizace laserem (diagnostický laser Z-Beamlet v SNL, 2 kJ v r. 2015)

Koncept MagLIF – jednotlivé fáze. Studenti SŠ, 6. října 2016

36 / 47

Karel Řezáč

Z-pinče: projekt MagLIF

M. Gomez, S. Slutz, A. Sefkow na Z. Studenti SŠ, 6. října 2016

D. Sinars a zátěž pro MagLIF. 37 / 47

Karel Řezáč

Z-pinče: plánovaná aparatura 



Důvod: Potřeba dosažení většího proudu  Neutronový zisk na Z-pinčích  I 4 (MagLIF 3×1012 v r. 2015) Již existují plány na nové zařízení Z300 / Z800:   

48 MJ, 870 TW, 48 MA / 130MJ, 890 TW, 65 MA Průměr zařízení 35 m / 52 m Technologie LTD


38 / 47

Karel Řezáč

Shrnutí a závěr


39 / 47

Karel Řezáč

Nejkratší cesta k fúzní elektrárně?  

Zatím nevíme, jaká ze tří výše uvedených cest to bude Nejzodpovědněji, se zdá (subjektivní pohled), kráčí USA 

2015, 2020 – zpráva pro kongres  určí, jakou se dají cestou v ICF   

 

Indirect radiation drive on NIF (laser) Polar direct drive on NIF (laser) Magnetically driven implosions on Z (Z-pinče)

Neúspěchy na NIF – ve většině fúzních projektech Úspěchy na MagLIF


40 / 47

Karel Řezáč

Dosáhne lidstvo fúzní elektrárny?


41 / 47

Karel Řezáč

Dosáhne lidstvo fúzní elektrárny?   

Jednou určitě ano! …protože si lidstvo, vždy když mu začalo jít o krk, poradilo. Otázkou ale zůstává, kdy se tak stane… Ing. Dana Drábová, Ph.D. předsedkyně Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB)


42 / 47

Karel Řezáč

Fúzní aparatury v ČR (Praze)  

Z-pinčová aparatura PFZ-200 na FEL ČVUT v Praze (exkurze) Prague Asterix Laser Systém (PALS) [9, 10]  

Plný výkon v roce 1991 (Německo) Přesunut do ČR – spuštěn v roce 2000

PALS – interakční komora

PALS – laserová místnost Studenti SŠ, 6. října 2016

43 / 47

Karel Řezáč

Fúzní aparatury v ČR (Praze) 

Tokamak COMPASS v ÚFP AV ČR [10]   

2004 – nabídka tokamaku z UKAEA 2008 – první plasma v tokamaku v ÚFP od 2012 – využívání tokamaku pro vědecký výzkum

COMPASS Studenti SŠ, 6. října 2016

COMPASS – vnitřek interakční komory 44 / 47

Karel Řezáč

Cíle přednášky  

Rozdíl mezi fúzí / termonukleární fúzí Ukázat možné přístupy k termojaderné fúzi   

 

Tokamaky Lasery Z-pinče

Upozornit na možnosti exkurzí v Praze Poukázat na zdroje informací


45 / 47

Karel Řezáč

Použitá literatura [1] M. Řípa a kol.: Řízená termojaderná fúze pro každého, ÚFP AV ČR, 2011. [2] NuDat 2.6 – databáze izotopů, www.nndc.bnl.gov/nudat2/. [3] Fokus Václava Moravce, U konce s energií, 6.10.2015, http://www.ceskatelevize.cz/porady/11054978064-fokus-vaclavamoravce/215411030530007/. [4] J.D. Lawson, Some Criteria for a Power producing thermonuclear reactor, Technical report, Atomic Energy Research Establishment, Harwell, 1955. [5] ITER, https://www.iter.org/. [6] National Ignition Facility (NIF), https://lasers.llnl.gov/. [7] SNL Z-machine, http://www.sandia.gov/z-machine/. [8] W. Gibbs, Triple-threat method sparks hope for fusion, Nature 505, leden 2014. [9] Prague Asterix Laser System, (PALS), http://www.pals.cas.cz/cz/. [10] Ústav fyziky plazmatu, http://www.ipp.cas.cz/. [11] Skupina silnoproudých výbojů, FEL ČVUT, https://www.fel.cvut.cz/cz/vv/tymy/vyboje.html. Studenti SŠ, 6. října 2016

46 / 47

Karel Řezáč

Soutěžní otázka

V jakém roce lidstvo zvládlo první termonukleární fúzní reakci s energetickým ziskem?


47 / 47

Karel Řezáč

Děkuji za pozornost!


48 / 47

Karel Řezáč

Možné přístupy k realizaci termojaderné syntézy

Recommend Documents