Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 3.

Átírás

1 Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 3. Mai berendezések: JET, W7-X, ITER Pokol Gergő BME NTI Korszerű nukleáris energiatermelés szeptember 19.

2 Pokol Gergő: Fúziós berendezések Kahoot 1. Telefon 2. WiFi jelszó: wigner Böngészőbe: Kahoot.it 4. Kód a kivetítőn 5. Név: Neptun kód 2

3 Pokol Gergő: Fúziós berendezések Tokamak Sztellarátor Toroidális plazmaáram Helikális tekercsek + Szimmetrikus 2D geometria + Folytonos üzem + Érettebb technológia + Nincsenek áram okozta instab. - Alapvetően impulzus üzem - Komplex 3D geometria - Áram okozta instabilitások - Kísérleti technológia 3

4 Pokol Gergő: Fúziós berendezések ITER Wendelstein 7-X A jelenleg épülő legnagyobb tokamak (Cadarache) és sztellarátor (Greifswald). 4

5 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET Egy nagy lépés: Joint European Torus 1973: Tervezés elindul 1975: JET-R5 Report célok és tervek 1977: Építési terület kijelölése Culham 1979: Építés megkezdése 1983: Első plazma 1984: Hivatalos megnyitó Több nyitott kérdés volt: 1. Anomális transzport 2. Beta-limit 3. diszrupciók... 5

6 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET Tervezési szempontok Plazmaáram: 3.8 MA a-részecskék összetartása Toroidális mágneses tér: 2,8 T mechanikai stabilitás Sugárarány: 2,4 költségek minimalizásása Geometria: D-alak középen a beső terekcs tartja a toroidális tekercseket a toroidális tekercs görbülete az ~1/R mágneses térnek megfelelő 6

7 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET Tervezési szempontok fűtések, stabilitás A ohmikus fűtés nem elég. tau_e ~ 0,4-4 s P ~ MW Semleges nyaláb befecskendezés (NBI) <25 MW, kev, H-D Ion-ciklotron rezonancia fűtés (ICRH) <15 MW, MHz Összenyomással Elnyújtott plazma függőleges instabilitás - vákuumkamra lassítja - aktív stabilizálás 7

8 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET Dedikált célok A plazma viselkedésének skálázása, ahogy a paraméterek a reaktor-releváns tartományt közelítik. A JET belső fal ezen feltételek között. A plazma fűtésének tanulmányozása. Az a-részecsék keletkezésének, összetartásának és plazmafűtésének tanulmányozása. 8

9 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET A JET felépítése Vákuumkamra Vákuum tartó, 500 C hőmérsékleten kifűthető, hűtött-fűtött, nagy elektromos ellenállású összetett szerkezet Nikkel ötvözet 9

10 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET A JET felépítése Toroidális tér tekercsek 32 db D-alakú réztekercs menetszám: 24 tömeg: 12 t áram összesen: 51 MA erő a kis sugár irányában: 600 t erő a nagy sugár irányában: 2000 t külső mechanikai merevítés 10

11 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET Poloidális tér tekercsek a plazma alakjának szabályozására 6 réz tekercs átmérő: <11 m A JET felépítése Poloidális tér tekercsek a toroidális tér tekercseken kívül Belső tekercs a transzformátor középső vasmagja körül réz tekercs vasmag: 8 kör laminált vasból 2600 t 11

12 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET Időre elkészült! 12

13 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET Időre elkészült! 13

14 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET JET belső fal

16 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET JET belső fal 1991 divertor 16

17 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET JET belső fal 1991 divertor 17

19 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET JET D-T kisülések Q P f P h Q=0.64 Q=0.2 19

23 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET ITER-szerű fal

24 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: JET JET menetrend Végső D-T kampány előkészítés alatt Üzemidő hosszabbítása az ITER késése miatt (pénz?) 24

25 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X Sztellarátor Feltaláló: Lyman Spitzer, Princeton Plasma Physics Laboratory, USA, 1951 Model C stellarator 25

26 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X Wendelstein sztellarátorok Wendelstein I-A (1961): Versenypálya geometria Nagy sugár: 35 cm Kis sugár: 2 cm Mágneses tér: 1 T Cézium plazma Ohmikus fűtés Wendelstein I-B 26

27 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X Wendelstein sztellarátorok Wendelstein II-A (1968): Tórusz geometria Nagy sugár: 50 cm Kis sugár: 5 cm Mágneses tér: 0,6 T Bárium plazma RF fűtés 27

28 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X Wendelstein sztellarátorok Wendelstein 7-A (1976): Tórusz geometria Nagy sugár: 2 m Kis sugár: 0,1 m Mágneses tér: 3,4 T Hidrogén plazma Semleges atomnyaláb fűtés 28

29 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X Wendelstein sztellarátorok Wendelstein 7-AS (1988): Moduláris sztellarátor (5 modul) Részlegesen optimaizált Nagy sugár: 2 m Kis sugár: 0,18 m Mágneses tér: 2,5 T Hidrogén és deutérium plazma 29

30 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X Wendelstein sztellarátorok W7-X tervezés W7-X projekt Wendelstein 7-X Greifswald Garching München Wendelstein 7-AS Wega W 7-A W 2-B W 2-A W 1-A W1-B Wendelstein sztellarátorok 30

31 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X Sztellarátor optimalizálás Optimalizált sztellarátor! Az optimalizálás szempontjai: - Jó minőségű mágneses felületek - Erősen lecsökkentett plazmaáramok - Csökkentett ütközésmentes transzport - Csökkentett gyorsrészecske veszteségek - Jó MHD stabilitás - Technikailag megvalósítható tekercsrendszer 31

32 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X Neoklasszikus transzport tokamakban Tokamak B max Toroidális drift Erővonal Befogott részecske (banán-pálya) B min 32

33 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X Neoklasszikus transzport sztellarátorban L = 2 Stellarator Befogott részecskék Helikális tükör Mágneses felület 33

34 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X Csökkentett neoklasszikus transzport a W7-X-ben Mágneses felület (1 Periódus) B max Befogott részecske 34

35 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X Csökkentett párhuzamos plazmaáram a W7-X-ben L = 2 Sztellarátor Plazma áramvonalak Mágneses erővonalak Helias konfiguráció 35 35

36 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X W7-X felépítése Plazma paraméterek: Nagy sugár: 5.5 m Átlagos kis sugár: 0.53 m Középponti plazmasűrűség: m 3 Középponti elektronhőmérséklet: 5-10 kev Hidrogén és deutérium plazma 36

37 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X W7-X felépítése Divertor modulok (plazmahatároló elem): 10 darab Felületi teljesítménysűrűség: 10 MW/m 2 Folyamatos üzemmód aktív hűtéssel (végső konfiguráció) Kriopumpával szívott 37

38 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X W7-X felépítése Vákuumkamra: Térfogat: 110 m 3 Felület: 200 m 2 Vákuum: < 10 8 mbar Tömeg: 35 t 38

39 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X W7-X felépítése Tekercsek: 50 térbeli tekercs (5 típus) 20 sík tekercs (2 típus) 5 modul, 2-2 szimmetrikus félmodul NbTi szupravezető (< 3.4 K, 6.8 T, 17.8 ka) Mágneses tér a plazma közepén: 2.5 T 39

40 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X W7-X felépítése Mechanikai támasz: Tekercsek között óriási mágneses erők Hőtágulás Középponti elrendezés 40

41 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X W7-X felépítése Portok: 254 port, 32 típus, 47 alak méret: ø mm vagy 150x x1000 mm 2 41

42 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X W7-X felépítése Kriosztát: Térfogat: 525 m 3 Felület: 480 m 2 Vákuum: < 10 5 mbar Tömeg: 150 t Termikus szigetelés minden felületen 42

43 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X W7-X felépítése Alapszerkezet: Magasság: Átmérő: Tömeg: 4.5 m 16 m 725 t 43

44 Pokol Gergő: Nagy fúziós kísérletek Európában: W7-X 44

45 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X W7-X megépítése összeszerelés befejezve 2015 első plazma MW 20 mw, ~5 sec 1 MW, 60 sec MW, 30 perc > 20 MW, ~ 10 sec

46 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: W7-X W7-X első H plazma Első kampány: - Jó összetartás az első kampányban - Jelenleg második kampány vége passzív divertorral 46

47 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: ITER ITER kezdetek 47

48 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: ITER Skálatörvények Az eddigi berendezések működése alapján empírikus skálatörvényeket állítottak fel az extrapolálásra. Pld. H-mode skálatörvény: τ E,th : Energiaösszetartási idő [s] τ E,th = W/P ext I p : Plazmaáram [MA] B T : Toroidális mágneses tér [T] P: Fűtési teljesítmény [MW] n e : Átlag elektronsűrűség [m-3] M: Atomtömeg [AMU] R: Tórusz nagysugár [m] ε: Kissugár/nagysugár κ x : Plazma nyúltsága (alakfaktor) További skálatörvények vannak: Minimális fűtés a H-mode belépéshez Maximális sűrűség (felette diszrupció) Maximális nyomás (felette instabil) 48

49 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: ITER A begyújtó ITER (1998-ig) dedikált célja A begyújtás és irányított égés demonstrálása egy energiatermelő reaktorhoz hasonló paraméterű berendezésen. A begyújtó ITER (1998-ig) paraméterei Empirikus összefüggések alapján: (begyújtás feltétele) (diszrupció limit) A tekercsekben a maximális tér ~12T a plazma közepén ~ 6T. A nagysugár ebből 11/H m, a plazma alakja a JET-hez hasonló. 49

50 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: ITER Begyújtó ITER 50

51 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: ITER Magas Q ITER ITER-FEAT (2001-től) Módosított célok: Begyújtó ITER-hez képest fele költség Q>10 induktívan hajtott DT plazmában s-ig. Q>5 kvázi állandósult neminduktív áramhajtással. A szükséges fúziós technológiák meglétének demonstrálása. A jövőbeli fúziós reaktor elemeinek tesztelése. Tríciumszaporító köpeny elképzelések tesztelése. 51

52 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: ITER Magas Q ITER ITER 52

53 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: ITER Az ITER felépítése 53

54 Pokol Gergő: Fúziós berendezések: ITER Az ITER építése 54

55 Pokol Gergő: ITER ITER időrend 2016 óta 2008: Tereprendezés 2010: Tokamak épület kiásása 2013: Tokamak épület építésének kezdete 2014: Az első külső helyszínen gyártott alkatrész megérkezése 2021: Tokamak épület kész 2025: Első plazma ~2035: Deutérium - trícium üzem kezdete 55

56 Pokol Gergő: Fúziós berendezések Kahoot 1. Telefon 2. WiFi jelszó: wigner Böngészőbe: Kahoot.it 4. Kód a kivetítőn 5. Név: Neptun kód 56