360 likes | 577 Views
Termojaderná fúze. V rámci projektu „Fyzikou a chemií k technice“ vytvořil prezentaci za GKS Marek Kovář (kovar.ma@seznam.cz). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci GNU (www.gnu.org). Úvod. Nový zdroj energie? Plazma Termojaderná fúze Kde vzít palivo? Lawsonovo kritérium
E N D
Termojaderná fúze V rámci projektu „Fyzikou a chemií k technice“ vytvořil prezentaci za GKS Marek Kovář (kovar.ma@seznam.cz). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci GNU (www.gnu.org).
Úvod • Nový zdroj energie? • Plazma • Termojaderná fúze • Kde vzít palivo? • Lawsonovo kritérium • Inerciální udržení • Magnetické udržení • Stelarátor • Tokamak • JET • ITER • 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.
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°C
„Cockcroft-Walton machine“ Cavendish Laboratory, Cambridge 1932 E. Rutherford E.T.S.Walton J.D.Cockcroft Urychlovače Poprvé v roce 1934 zkusili tito pánové fúzní reakci na principu D+D
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: Kritérium publikoval v tajném dokumentu v roce 1955 a v roce 1957 již oficiálně ve vědeckém časopisu J.D.Lawson
Světelné svazky laseru míří na terčík termojaderného paliva Inerciální udržení Ohřátí 1 mg D-T směsi na 30 keV → fúzní výkon 340 MJ ≈ výbuch 75kg TNT ρ = 200 g*cm-3 Laser OMEGA, Rochester, USA 60 TW, 0,5–3 ns, 40 svazků
Lasery Rayleigh-Taylorova nestabilita - 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 Lord Rayleigh
Magnetické udržení Magnetická zrcadla (USA) nebo pasti (SSSR) GOL-3-II v novosibirském Budkerově Ústavu jaderné fyziky - Otevřená magnetická nádoba - 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) 1957A.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 atomů vodíku s E až stonásobku 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°C - 1997 – výkon 16 MW
ITER = cesta (latinsky) - parametry – objem plazmatu 837 m3 - proud plazmatu 15 MA - výkon 500 MW - očekává se větší výkon než příkon a možná i hoření termojaderné reakce - lokalita: nedaleko jihofrancouzského Cadarache
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-D • Podzim2004 – COMPASS-D oficiálně nabídnoutUKAEA do ÚFP AV ČR • Červenec 2005 – přijato rozhodnuti o re-instalaci tokamaku COMPASS-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 COMPASS-D • Červenec 2006 – EURATOM udělil preferenční podporu projektu
DEMO = „demonstrační projekt“ - dostavení za 30 – 35 let - tritiová soběstačnost a výroba elektřiny ve velkém měřítku - směr k první fúzní elektrárně !!!
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