F úziós plazmareaktorok és a TCV

1. Fúziós plazmareaktorok és a TCV Márki János 2009. Február 11, CRPP Lausanne Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

2. A Világ energiaigénye Global warming is finally proven • 1990: 366 EJ (1 EJ = 10^18 J) • 2005: 487 EJ • 2030: 732 EJ • Jelenleg 85% fosszilis erőforrásokból • Az utóbbi 30 évben ezek aránya nőtt a leggyorsabban • CO2 kibocsájtás → globális felmelegedés és készletek kimerülése (pl. Olajcsúcs-elmélet) Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

3. Fosszilis erőművek CO2 befogással: műanyagok és gyógyszeripar alapanyag Megújuló energiák: Nap-, Szél-, Vízenergia: nagy potenciál, nem folyamatos forrás (energiatárolás szükséges) Biomassza és bioüzemanyagok (kis energiasűrűség, verseny a mezőgazdasági termeléssel) Nukleáris: Fisszió: Üzemanyagkészlet véges (proliferáció, üzemi balesetek, hulladéktárolás) Fúzió? Megoldási lehetőségek Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

4. A nem-megújuló energiaforrások anyagátalakulás révén termelnek energiát: Kémiai reakciók (elektronhéj): <1 eV/atom → 100-1000 kg/személy/év Nukleáris reakciók (atommag): > 1 MeV/atom → 1g/személy/év Reakcióhő - nagyságrendek Nehéz atomoktól könnyebbek felé →fisszió Könnyű atomoktól nehezebbek felé →fúzió A kötési energia- különbözet kinyerhető! Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

5. Fisszió vs. Fúzió (e2_22) Coulomb-erők legyőzése (eqt 24) Termikus közeg ~100 millió˚C (nap felszíne 6000 ˚C, magja 15 millió ˚C): Plazma halmazállapot Hőmérséklet egység: 1 keV = kB*11600 K A fúzió alapjai Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

6. A fúzió alapjai D + T He(3.5 MeV) + n(14MeV) Li + n He + T • Reakciók: D-D, D-T, T-T, He3-He3, D-He3, stb. Legkönnyebben megvalósítható: Pv=Etot/τE Lawson-féle hármasszorzat: Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

7. Előnyök: óriási energiasűrűség (csak anyag-antianyag reakcióból szabadul fel fajlagosan több) kb. 500 liter vízből és 30 g lítiumból egy európai ember életének energiaigénye lefedhető lenne stabil reakciótermék (He) Nincs láncreakció Nehézségek: 100 millió fokos közeget nehéz tárolni (főleg számottevő gravitáció nélkül)... A fúzió alapjai Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

8. A fúzió alapjai ALawson-kritérium ( ) teljesítéséhez két megközelítés: Tehetetlenségi összetartás: - E =r/cs - Nagy sűrűségrelehet összenyomni Mágneses plazmaösszetartás: - Larmor mozgás a tér mentén - Hosszú ideig marad egyben Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

9. Toroidális geometria -> Driftek • A görbületi és a grad B-drift szétválasztja az ionokat és az elektronokat • Az ExB drift széthúzza kifelé a plazmagyűrűt Toroidális geometria (eqt 34) ExB Grad B Larmor-mozgás: Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

10. Mágneses plazmaösszetartás Tokamak: a plazmában transzformátorral hajtott áram tekeri a mágneses teret helikális formájúra Sztellarátor: bonyolult formájú tekercsek a megfelelő teret hozzák létre Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

11. Tokamak konfiguráció (eqt 35) Fúziós reaktor működése (e3_31) A tokamak konfiguráció Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

12. Mágneses tér összetartása nem tökéletes, előbb-utóbb kifelé haladva elérnek egy olyan felületet, ami nem önmagába záródik – villámgyors falba csapódás τ║ << τ┴ Elszökő hő → Divertor Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

13. Hol tartunk most? JET R = 2.96 m t = 20 s P = 30 MW B = 3.45 T Q = 0.62 TCV R = 0.88 m t = 2 s B = 1.43 T P = 5 MW Q kicsi Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

14. ITER (”az út”) Az ITER kulcsalkatrészeit megépítették és tesztelték: mágnes, divertor alkatrészek Amit a mai berendezések nem tudnak: • Alfa részecske fűtés • Q>1 energiamérleg • Trícium termelés Li-ból Egy kutatóreaktor, ami a döntő lépés lenne egy működő, energiatermelő reaktor felé: I T E R (International Thermonuclear Experimental Reactor) • Résztvevők: EU, Japán, Oroszo., USA, Kína, Dél-Korea, India • Mérnöki tervek készen vannak • Legalább Q=10 • Trícium-fejlesztés teszt, reaktor divertor,reaktor sugárterhelés • kb. 10* 109 EUR, 10 év építés • Start: 2017 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

15. ITER Fusion Power : 500 MW Q Value : >10 Major Radius : 6.2 m Minor Radius : 2.0 m Plasma Current : 15 MA Magnetic Field Maximum : 11.8 T Plasma Center: 5.3 T Kriosztát Szupravezető mágnes Divertor Ember Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

16. Kihívások (ITER) • Óriási hőterhelés a divertorban (és a vákuumkamrában amúgy is): 10 MW/m2 állandó, 100 MW/m2 baleseti hőfluxus • Trícium-szennyezettség: robotok végzik a karbantartást • Tricium lerakódás a grafitban • (co-deposition) • Felaktiválódás (EUROFER) az erős 14 MeV-es neutronfluxustól Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

17. A legújabb átfogó tanulmány: EFDA Power Plant Conceptual Study, 2005 Megtérülési mutatók 4 koncepció: A-C: ”Standard”felépítés különböző hűtési eljárásokkal D: SiC szerkezeti anyagok Cost Of Electricity (coe) 3-9 c/kW -> más energiahordozókkal összevethető 65-75% a költségnek a tőkeberuházás -> a technológiai fejlődés csökkenteni fogja Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

18. TCV (Tokamak à Configuration Variable) • Fő erősség: szabadon változtatható plazmaalak • ECRH: elektron-ciklotron fűtés (legnagyobb fajlagos teljesítmény itt van, ITER girotron tesztelés – 2MW) • Plazmavezérlés (több diagnosztika jeleinek feldolgozásával megvalósított valós-idejű digitális irányítás) • Mágneses rendszerek Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

19. A toroidális kamrában állandóan nagyvákuum van (~ 10-7 mBar) Mágneses tér felépül a lendkeres generátorról Gáz (semleges) beengedése egy szabályozott szelepen keresztül Transzformátor létrehoz egy elektromos teret, a létrejövő Townsend-lavina ionizálja a kamrában levő gáz nagy részét Az ionizált gázt (a plazmát) a mágneses terek bezárják a kamra közepén, a szabályozórendszer a megfelelő formájú teret kialakítva végigviszi a kisülést, majd a végén a belső falnak támasztva ismét kialszik Mágneses tér leépül Vákuumpumpa kiszívja a maradék gázt + glimm kisülés Tipikus kísérlet (TCV) Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

20. Tipikus TCV lövés (shot) Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

21. Lendkerekes generátor • m = 140 tonna • f = 3600 rpm – 2700 rpm • Pmax = 100 MW • E = 138 MJ Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

22. A fő fűtési mechanizmus az Ohmikus fűtés: P = U*I = R * I2 Fő probléma: R↓ ahogy T↑, egy forró plazma vezetőképessége meghaladja az aranyét! Kiegészítő fűtésre van szükség! Transzformátor inherensen impulzus-üzemű -> Áramhajtáshoz is kell folyama-tos üzemmódban működő egyéb eszköz Fűtés, Áramhajtás Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

23. Fűtés, Áramhajtás Áram: Induktív áramgerjesztés (csak impulzus <10 sec) Mikrohullámú áramhajtás (1 GHz-100 GHz, 1MW) Fűtés: Ohmikus fűtés (kevés a fúzióhoz) Semleges részecske (NBI) Ion-ciklotron frekvencia (30 MHz) Elektron-ciklotron frekvencia (100GHz) NBI-nyaláb ICRH-antenna ECRH-belövő Teljesítmények: 0.5-2 MW/blokk Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

24. Diagnosztikák Nagyjából a fizika teljes eszköztára felhasználásra kerül: Elektromágneses hullámok (1Hz-100 keV) Egyszerű hurkok, elektromos szondák Spektroszkópia, lézerek Semleges nyaláb szondák: energiák: termális - MeV Részecske analizátorok A legtöbb paramétert (ne, ni, Te, Ti, Ip, Zeff, E, …) a modern berendezéseken ma már meg tudjuk mérni, de ehhez ~100 ember koordinált munkájára van szükség AJET tokamak diagnosztikai rendszerei

25. Diagnosztikák • Thomson-szórás:Te, ne • Lézernyaláb (50 Hz) megvilágítja a plazmát • Az útjába eső elektronok izotróp módon szórják a fényt • Szűk látószögű optikai kábelekkel nézve lokális mérést ad • Intenzitás -> ne • Doppler-kiszélesedés -> Te Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

26. Diagnosztikák • DNBI (diagnostic neutral beam injection) • A gerjesztést egy semleges nyaláb végzi • Töltéscsere (CX) után a plazmában levő szénionok meghatározott hullámhosszú fotonokat bocsájtanak ki (Doppler-shift révén plazmaforgás, kiszélesedésből Ti) Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

27. Diagnosztikák • Tomográfia • Különböző hullámhosszú sugárzásokat több különböző látószögből felvesszük, majd számítógépes algoritmussal a mérések alapján az eredeti sugárzási mintázatot visszafejtjük (MPX, BOLO, XTOMO, AXUV, Hard-X) • Hasonló eljárás, mint a CT, PET és MRI esetén, csak sokkal nagyobb a diagnosztizált térfogat BOLO kamerák BOLO tomográfia Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

28. Tomográfia - orvostudomány Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

29. ELMek • Legjobb plazmaösszetartás:ún. H-mód konfigurációban • Az ugyanakkora mágneses térben létrehozható nagyobb plazmanyomás ára: Edge Localised Mode (ELM) • ELM: kvázi-periódius jelenség, amely akár 15% Eplasma –t is kivetheti • Ezek az események extrém hőterhelést okozhatnak a divertoroknál és a vákuumkamra falán, megrövidítve a berendezés élettartamát Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

30. Mérési elrendezés • IR fotonfluxus mérésedigitális jel • Feketetest kalibráció alkalmazása látszólagos hőmérséklet •  megbecslése  igazi felszíni hőmérséklet • A hőmérséklet térbeli és időbeli változásából+ a lerakódott réteg egyszerű modellje  hőfluxus PIR (THEODOR 2D kód = a hővezetési egyenlet inverz megoldása) Relay optics (7 Si lenses) TCV vacuum vessel Camera FOV Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

31. Oktatás Mérnök-fizikus szak BME, fizikus szak ELTE speciális előadások: Bevezetés a fúziós plazmafizikába Bevezetés az elméleti plazmafizikába Fúziós berendezések Plazmadiagnosztika SUMTRAIC – Kísérleti plazmafizikai nyári iskola (Prága, Budapest, ...) Részvétel európai fúziós kísérletekben ASDEX Upgrade (München) TEXTOR (Jülich) JET, MAST (Oxford) CASTOR -> COMPASS (Prága) W7-X (Greifswald) Fúzió Magyarországon Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

32. Különböző kutatási témák (RMKI-KFKI): Li – nyaláb diagnosztika fejlesztése, turbulencia mérése (JET,TEXTOR) Zonális áramlások vizsgálata (CASTOR) ELM dinamika (ASDEX?) Gyors gázbelövő tervezése és gyártásának koordinálása, diszrupciók és szennyezőtranszport vizsgálata (TCV) Pellet-transzport modellezése BES diagnosztika (JET, COMPASS) Különböző mérnöki előkészítő feladatok az ITER-hez és a DEMO-hoz Fúzió Magyarországon Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

33. Köszönöm a figyelmet! Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV