Termojaderná fúze - perspektivy a úskalí

1. Termojaderná fúze - perspektivy a úskalí RNDr. Vladimír Kopecký, DrSc. Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. e-mail: kopecky@ipp.cas.cz Co je fúze a jak jí dosáhnout Tokamaky Potřebujeme termojaderný reaktor? Projekt ITER Přednosti a úskalí

2. Co je fúze T (1,01 MeV) + p (3,03 MeV) He3 (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) D + D D + T He4 (3,52 MeV) + n (14,06 MeV) D + He3 He4 (3,67 MeV) + p (14,67 MeV) 1 eV = 11600 K, 1keV = 11,6 milionů K Li6 + n He4 + T + 4,8 MeV, Li7 + n He4 + T + n – 2,47 Mev

3. Fúzní reaktor Pzt = 3nkT/t – ztráty zářením a částicemi Výměník a generátor s účinností h Plazma v reaktoru (n, T) Pf- energie ze syntézy Poh – energie pro ohřev částic Urychlovače-Měření účinných průřezů fúzních reakcí. Urychlovač jako fúzní reaktor?Nevhodné! Většina energie se spotřebuje na coulombovské srážky. Neúspěšné Mionová fúze Elektrolyticky katalyzovaná fúze – studená fúze Termojaderný reaktor Z podmínky nulového zisku energie (Q =výkon/příkonem = 1) obdržíme Lawsonovo kriterium:nt> Ckr (T), Ckr,d-t (2×108 K) = 5×1019 s/m3

4. Jak splnit Lawsonovo kriterium? První vodíková bomba „MIKE“ Laserový systém Gekko XII v Osace nt > 5×1019 s/m3 1. extrémní případ: inerciální systémy t> 10-9 s Hustota zmraženého deuteria = 5×1028 m-3 Pro dosažení Lawsonova kriteria je třeba terčík stlačit 104x. K tomu je nutná energie laseru 1 MJ.

5. Laser NIF LLNL, USA 2003 1.výstřel, 4 svazky 360 TW, 5-15ns, 192 svazků (kolem roku 2008) Cena ~ 2 mld. USD

6. Pohyb nabité částice • v magnetickém poli w=qB/m r = mv/qB 2. Opačný extrém – velmi dlouhá doba udržení ~ sekundy, t. zv. kvazistacionární udržení. Tomu odpovídá poměrně řídké plazma. (Počet molekul ideálního plynu za normálních podmínek je 2,7×1025 m-3.) Takové plazma lze izolovat od stěn pouze magnetickým polem.

7. Termojaderná elektrárna

8. TOKAMAK toroidalnaja kamera s magnitnymi katuškami Systém vytvořený v Ústavu atomové energie v Moskvě 1951 - A.Sacharov, I.Tamm

9. Z historie tokamaku • 1955 TMP – torus s magnetickým polem • a keramickou vakuovou nádobou • 1968 T-3, SSSR10 000 000°C • 70. léta vše se přestavuje na tokamaky • 1975 T-10, SSSR • PLT Princeton, USA60 000 000°C • 1978 T-7, SSSRsupravodivé vinutí • 1983 JET, Culham, Anglie1MA • 1987 Mezinárodní spolupráce na projektu ITER • 1991 JET Poprvé použita směs D-T, 2 MW, 0.2 s • 1992 TFTR, Princeton, USA6.1 MW, 0.2s • 1994 TFTR 10 MW, 1s • 1997 JET 16.1 MW, 2s, Q=0.62 • 1998 Dokončen projekt ITER-FDR (6 mld. USD, 1.5 GW, Q=) • 2001 Dokončen projekt ITER-FEAT (3 mld.USD, 500 MW, Q>10) • 2003 Tore Supra, Cadarache, Francie6 min 21 s, 1 GJ

10. Modifikace tokamaku Průřez D Divertor Ohřev plazmatu Ohmický ohřev Vysokofrekvenční ohřevy Ohřev neutrálními svazky Neindukční generace proudu

11. ASDEX – Garching, SRN R = 1,6 m a = 0,5x0,8 m I = 2 MA Dodatečný ohřev 27 MW

12. TFTR – Princeton Plasma Physics Laboratory R = 2,5 m a = 0,85 m B = 6,0 T I = 3,0 MA PNS = 39,5 MW PICR = 14,4 MW 1993 D–T plasma(89%D, 11%T) N = 1020 m–3, Ti = 510 mil. K, PD-T = 10,7 MW

13. JET (Joint European Torus ) – Culham, UK R = 2,96 m a/b = 1,25 / 2,10 m t = 20 s B = 3,45 T I = 4,8–7 MA PNS = 25 MW PICR= 32 MW PDHR= 12 MW

14. JET (Joint European Torus )

15. JET (Joint European Torus ) D–T plazma 1991 PDT = 1,7 MW 1997 EDT = 21,7 MJ PDT = 16,1 MW Q = 65% t = 3,5 s

16. Jak se blížíme k cíli

17. Potřebujeme termojaderný reaktor už nyní ? NE Máme i jadernou energii ze štěpení ALE 1. Fosilní paliva jsou důležitá surovina pro uhlíkovou chemii a je tedy škoda je pálit. 2. Ochrana životního prostředí. 3. Obnovitelné zdroje nejsou časově konstantní a uchování elektrické energie je problém.

18. ITER –International Thermonuclear Experimental Reactor Navázal na INTOR Smlouva podepsána v roce 1987 Rozhodnutí o jeho realizaci ve Francii v Cadarache přijato 2005

19. ITER- Projektované parametry R = 6,2 m; a = 2,0 m, b/a = 1,6; I = 15 MA; B = 5,3 T; T = 8 keV; n = 1020 m-3;Pfuz = 0,5 GW; neutr. zátěž = 0,5 MW/m2; t > 400 s;Q > 10 Výstavba: 10 let; 2,755 miliard USD Experimantální provoz: 20 let, provozní náklady: 188 milionů USD ročně, celkem 3.76 miliardy USD. Cíle: Zapálení reakce Přechod do stacionárního režimu Ověření koncepce první stěny a plodící obálky Případně samovolné hoření

20. Přednosti a úskalí Perspektivnost: Téměř nevyčerpatelný zdroj energie: 1 litr vody obsahuje 1/30 g deuteria 1 litr vody odpovídá 300 litrům benzínu Vnitřní bezpečnost: malá náplň paliva při tlaku 0.1 Pa řádově gramy přerušení reakce připorušení reaktoru teplotní stabilita Nejaderný odpad: He Radioaktivita: druhotná v materiálech konstrukce, lze ji omezit výběrem materiálu se vznikem pouzekrátce žijících izotopů

21. Úskalí 1. Nedořešené fyzikální problémy Nestability disrupce ELM – relaxační okrajová nestabilita pilové kmity hustoty turbulence po zapálení reakce He „popel“ – odstraňování přes divertor změna vlastností plazmatu Doplňování paliva injekce tablet – lokální změna parametrů Nečistoty

22. 2. Materiálové a technologické problémy První stěna: 1 MW/m2, ocel (austenitická, martensitická), vanad, C, B, Be Divertor Blanket: výroba T, množení n, chlazení Supravodivé vinutí – odstínění od toku neutronů Diagnostika – vliv neutronů Řízení plazmatu v reálném čase Ekonomika

23. Rozšiřující literatura • 1.G. McCracken, P. Stott: “Fúze. Energie vesmíru“, • Mladá fronta, edice Kolumbus, 2006 • 2. M. Řípa, V. Weinzettl, J. Mlynář, F. Žáček: „Řízená • jaderná syntéza pro každého“, ÚFP AV ČR a ČEZ. • Praha 2005 • 3. J. Mlynář: „ITER – cesta ke zvládnutí řízené • termonukleární fúze“, Pokroky matematiky, fyziky a • astronomie, 49 (2004) 2, 129 – 150 • 4. V. Weinzettl:“Čistá energie tokamaků“, Vesmír 77 • (1998) 4, 207 – 211 • 5. J. Mlynář: „Lesk a bída termojaderné syntézy“, • Vesmír 77 (1998) 4, 207 – 211 • 6. V. Kopecký: „Zapálíme Slunce na Zemi?“, Astropis, • Speciál 2007, 32 – 37 • 7. http://www.iter.org/ • 8. http://www.efda.org/