Tehetetlenségi összetartású, vagy mikrorobbantásos fúzió

Átírás

1 Tehetetlenségi összetartású, vagy mikrorobbantásos fúzió Rácz Ervin MTA KFKI RMKI Plazmafizikai Főosztály

2 Tartalom Fizika nagy energiasűrűség mellett A fúziós energiatermelés két alternatívája A lézerfúzióhoz köthető fontosabb alapkutatási területek Relativisztikus önfókuszálás, plazmacsatornák Nagy energiájú töltött részecskék keltése lézerrel Töltött részecskék gyorsítása lézer által Izochor fűtés A mikrorobbantásos fúzió módszerei Target dizájn

3 Fizika nagy energiasűrűség mellett (HED) - I. I. A HED paraméter-tartományát definiálja: E V 5 J 10 cm 3 vagy p 1Mbar Fizikai példák 1Mbar nyomású rendszerekre: 1. Plazma korona; ha az elektronsűrűség /cm 3 és T=1 kev: p = ,6 10 J nk BTe = 6 10 (10 ev ) 1Mbar 3 cm ev 2. Elektronnyaláb nyomása, ha az áramsűrűség 100 ka/cm 2 és E=30 GeV: 19 J 5 A 1 s 10 1,6 10 J p = E = 10 (3 10 ev ) = 1Mbar 2 10 ec cm 3 10 cm ev 3. Lézer fénynyomása I= W/cm 2 intenzitás esetén: I 15 W 10 cm p L = = = 1Mbar 2 c cm s

4 Fizika nagy energiasűrűség mellett (HED) II. További példák ilyen fizikai rendszerekre: 4. Mágneses tér nyomása, ha B= gauss: B (5 10 ) ergs J p = = = 1Mbar 3 7 8π 8π cm 10 ergs 5. Elektromos tér nyomása, ha E=1, V/cm (= SV/cm): E (5 10 ) ergs J p = = = 1Mbar 3 7 8π 8π cm 10 ergs 6. Ablációs nyomás, p abl ~ I/v ex, v ex ~ v s 1 μm-es lézerfénynél, ha I = W/cm 2 p abl 1 Mbar Feketetest sugárzás, ha T r = 75 ev p abl 1 Mbar

5 Fizika nagy energiasűrűség mellett (HED) III.

6 Fizika nagy energiasűrűség mellett (HED) IV. A HED fizika e tudomány sok fontos területét tartalmazza. Pl.: HED asztrofizika nyaláb-plazma kölcsönhatások állapotegyenletek fizikája sugárzások és anyag kölcsönhatása atomfizika lézer és plazma kölcsönhatásai nyaláb-lézer kölcsönhatások nagy áramú kisülések tehetetlenségi összetartású fúzió hidrodinamikák és lökéshullámok

7 A fúziós plazma energiamérlege: Lawson-kritérium Feltétel: D-T reakcióra, 50% fúziós hatásfokot feltételezve, amelyet a veszteségek ellensúlyoznak optimális hőmérsékleten: Lawson-kritérium: n: sűrűség τ E : energia összetartási idő Kis n, nagy τ Nagy n, kis τ Fúzió mágneses összetartással tokamakok sztellarátorok Tehetetlenségi összetartású, vagy mikrorobbantásos fúzió lézerfúzió

8 Lawson-kritérium a mikrorobbantásos fúzióra A mikrorobbantás lehet akár lézeres, akár ionnyalábos, akár Z-pincs gázkisüléses meghajtással. n: időegység alatti termonukleáris reakciók Maxwell-eloszlásra átlagolva: dn dt N d dt D = = N N N 2 D T N T = σv 1 2 N φ = φ = 1 φ 0 ( φ) σv N0τ 2 σv n ρr φ = ρ 2 r+ 6( g/ cm ) elégési ráta (burn fraction): φ = 2n N 0 Ezzel: Felt.: égés alatt a hatáskeresztmetszet állandó, Def.: τ energia összetartási idő. Integrálva: Ha a ritkulási hullám (égéskor) terjedési sebessége c s D-T reakció esetén a c s /<σv> arány 20 és 40 kev között közel konstans. Ezért: τ r 3c s φ = 1 φ, N 0 σv Lawson-kritérium Nagy hozam (ρr=3 g/cm 2 ) esetén 33% ég el. r 6c s

9 Mekkora hozam kell? Mivel a lézerek és az összenyomás hatékonysága alacsony, ezért a reaktorhoz nagy hozam kell. Legalább százszoros energianyereség kell a targeten.

10 Mekkora energia kell az összenyomáshoz? I. I. 4π M = 3 ρr 2 ρ Gömb össztömege: ( ). 3 Tehát a tömeg az adott ρr- hez1/ρ 2 -tel skálázódik. Folyadéksűrűség: 0,21 g/cm 3, ehhez több, mint 2,5kg DT kell. Ez J-t, azaz 70 kilotonnát adna. (Pl. TNT robbanóanyag.) De komprimálva 400g/cm 3 -re egy r/2 vastag, r sugarú gömbhéj már 5 mg tömeg esetén adna ρr=3 g/cm 2 -t. Ez J energiát adna. 5-6 ilyen impulzus másodpercenként 1 GW erőműre jó. A fűtéshez viszont sok termikus energia kell. A belső energia 5keV hőmérsékleten: 3 ε b = 4 T / D T / 2 8 ( m + m ) 6 10 J g

11 Mekkora energia kell az összenyomáshoz? II. Ehhez a kompresszióhoz 6, J kell, de az 5mg 5keV-re való fűtéséhez J. Ha a mikrorobbantás hatásfoka pl. 5%-os, akkor ehhez J meghajtóra van szükség. Ez borzasztó sok, de csak 10- szeres lenne a hozam. Azaz ez így még kevés! Fel kell használni a magreakcióban keletkező α-részecskék energiáját! Mivel E α =3.5MeV, az energia 20%-át ezek viszik el. Ezzel kell fűteni! Megoldás: Egy központi forró foltban kell begyújtani, ahonnan az égés a körülvevő sűrű fűtőanyagban történik, amelyet az α részecskék és a hővezetés fűt fel. Elég a teljes tömeg 2%-val begyújtani, aminek felfűtéséhez elég J, azaz a kompresszióval együtt összesen 1, J, ami 2, J meghajtót jelent. Ekkor a hozam ~200 lesz. Ekkora lézer lesz a NIF (National Ignition Facility) és az LMJ (Laser MegaJoule)!

12 A lézerfúzióhoz köthető fontosabb alapkutatási területek I. I. Relativisztikus önfókuszálás Lézerfény fókuszálása során az intenzitás a fókuszsíkban: (A: a fókuszfolt keresztmetszete, т: a lézer impulzushossza) I E = A τ Relativisztikus lézerintenzitásról beszélünk, ha a lézerplazma elektronjai az adott intenzitású hely közelében relativisztikus sebességgel mozognak. Relativisztikus sebességgel mozgó elektronok tömege megnő (relativisztikus tömegnövekedés). A plazma törésmutatója: η = ω 1 ω (ω L : a lézer frekvenciája) Azaz a relativisztikus sebességgel mozgó elektronok környezetében a plazma törésmutatója megváltozik; itt a fény terjedésekor egyfajta gyűjtőlencse hatás lép fel, azaz a plazmában terjedő fény fókuszálódik. A jelenséget relativisztikus önfókuszálódásnak nevezzük. 2 p 2 L = 1 4πnee 2 m ω e 2 ω = p 4πnee 2 m e

13 A lézerfúzióhoz köthető fontosabb alapkutatási területek II/1. Plazmacsatornák, filamentek keltése lézerplazmákban Particle-In-Cell (PIC) szimuláció a lézerfény relativisztikus önfókuszálódása következtében létrejött plazmacsatornához, filamenthez. A. Pukhov, J. Meyer-ter-Vehn, PRL 76, p (1996)

14 A lézerfúzióhoz köthető fontosabb alapkutatási területek II/2. Plazmacsatornák, filamentek keltése lézerplazmákban A lézerfény relativisztikus önfókuszálódásának következménye. Plazmacsatorna, filament Röntgen emisszió interferogram (látható hullámhossztart.) Röntgen lyukkamerás felvétel

15 A lézerfúzióhoz köthető fontosabb alapkutatási területek III/1. Gyors töltött részecskék keltése és töltött részecskék gyorsítása lézerplazmákban (M. Kaluza, Ph.D. értekezéséből) Az anyag belsejében terjedő gyors elektronok az anyagban jól kollimáltan terjednek. Az intenzív lézerimpulzust a mintán keltett előplazmába fókuszálják. Az elektronok gyorsulnak a lézer fókuszában, majd keresztülhaladnak a céltárgyon. Eközben töltés-szeparáció révén elektromos tér épül fel. Az elektronok a minta hátoldalán kilépnek az anyagból és eközben a hátoldalon vékony elektron burok keletkezik. Az így keletkezett elektromos mező ionizálja az atomokat a minta hátoldalán, majd gyorsítja azokat a céltárgy normálisának irányában.

16 A lézerfúzióhoz köthető fontosabb alapkutatási területek III/2. Thomson -parabola töltött részecske detektor (M. Kaluza, Ph.D. értekezéséből) Gyors, MeV-es kinetikus energiájú töltött részecskék (ionok, protonok, elektronok) kelthetők ilyen módon. (M. Kaluza, Ph.D. értekezéséből)

17 A lézerfúzióhoz köthető fontosabb alapkutatási területek IV. Izochor fűtés Gyors begyújtás esetén a forró elektronok rövid idő alatt viszik be az energiát a sűrű anyagba. Az nem tágul, a fűtés izochor. Izochor fűtés egyszerű lézerplazmában: A lézerenergia az 5-10 nm vastag szkin-réteg előtt elnyelődik. Az energiát a koronában keletkezett forró, ~20keV elektronok viszik a sűrű szilárdtestbe, akár 400 nm mélységbe. Jelentőség még: csillagok belsejének modellezése, K. Eidmann Vizsgálati módszer: röntgenspektroszkópia A gyors begyújtás a gyors elektronok izochor fűtésén alapul.

18 Mikrorobbantásos fúziós módszerek I/1. Mikrorobbantásos fúzió közvetlen összenyomással Direct Drive ICF 1. Nagyintenzitású lézernyalábokkal izobár módon és nagyon szimmetrikusan besugározzák a fúziós target felületét, ami által a pellet külső burka gyorsan felmelegszik. BESUGÁRZÁS 2. A pellet külső burka ablálódik és eközben a rakétaelv szerint a belső üzemanyag (DT) összenyomódik. ÖSSZENYOMÁS 3. A lézer impulzus időtartamának végén az üzemanyag mag a sűrűségét tekintve az ólom sűrűségének kb. 20-szorosára nyomódik össze, majd kb C-on ég. BEGYÚJTÁS 4. A mag kompressziója miatt termonukleáris égés indul ki a magból, ami szétterjed. A bevitt energia sokszorosa szabadul fel. ÉGÉS

19 Mikrorobbantásos fúziós módszerek I/2. Mikrorobbantásos fúzió közvetlen összenyomással Direct Drive ICF 60 nyaláb >30 kj UV a targeten 1-2%besugárzási egyenetlenség impulzusformálás rövid lövési ciklus (1h) University of Rochester, OMEGA lézer

20 Mikrorobbantásos fúziós módszerek I/3. Mikrorobbantásos fúzió közvetlen összenyomással Direct Drive ICF (Laboratory for Laser Energetics, University of Rochester) Az OMEGA lézer egyik kísérletéről röntgen lyukkamerával készült felvétel a lézerrel való besugárzástól a pellet belsejében képződő forró folt megjelenéséig. A képek 50 ps-onként készültek. (A teljes mozi hossza 3,2 ns.) A céltárgy átmérője kezdetben ~1mm, míg az összenyomott mag átmérője <100μm.

21 Mikrorobbantásos fúziós módszerek II/1. Közvetlen, gyors begyújtásos lézerfúzió Fast Ignition ICF Egy vad ötlet! M. Tabak és mtsai., 1994.: Nagyteljesítményű ultrarövid lézerimpulzusokkal ( W/cm 2 ) MeV energiára gyorsított részecskék hozhatók létre

22 Mikrorobbantásos fúziós módszerek II/2. Közvetlen, gyors begyújtásos lézerfúzió Fast Ignition ICF Közvetlen összenyomás mellett ultraintenzív lézernyalábot fókuszálnak a target felületére. A plazmacsatornában gyorsuló elektronok izochor fűtés segítségével fűtik fel a céltárgyat, és a gyors elektronok, mint egy külső szikra gyújtják be a fúziót. Kisebb szimmetria követelmények vannak az összenyomásra. J. Meyer-ter-Vehn Kisebb pumpáló energia szükséges. Energia takarítható meg.

23 NIF 192 lézernyaláb (2 MJ)

24 Mikrorobbantásos fúziós módszerek III/1. A gyors begyújtásos fúzió újabb módozata Fast Ignition ICF A gyors begyújtáshoz 10PW, azaz W intenzitás szükséges 10 ps impulzushosszal. Az elrendezés egy arany kúpot használ, amely a rövid impulzust eljuttatja a fűtőanyaghoz. A kúp szétválasztja a rövid impulzus és a keltett elektronnyaláb terjedését a pellettől. Csak a kilépő gyors elektronok találkoznak a sűrű plazmával, begyújtva azt. Osaka, 2001: 40 TW/20 J lézer megtízszerezte a keltett fúziós neutronok számát 1.2 kj fő lézernél ben 0.5 PW teljesítménynél 3 nagyságrend neutronhozamnövekedés. Mivel az összetartás 40 ps-ig tartott, az impulzushossz 0.5 ps volt, az eredmény skálázható.

25 Mikrorobbantásos fúziós módszerek IV/1. Indirekt begyújtású mikrorobbantásos fúzió Indirect Drive ICF 1. A céltárgy egy belül üreges, nagy rendszámú anyagból készített (pl. arany) tartóban helyezkedik el. Hohlraum target. A gerjesztő lézerekkel a Hohlraum falát lövik meg. 2. A Hohlraum falán a beérkező lézersugárzás nagy hatásfokkal (kb %-ban) röntgensugárzássá konvertálódik. Ez a röntgensugárzás a tartó közepe felé tart, 3. majd ez a röntgensugárzás nyomja össze a tartó közepén elhelyezett fúziós kapszulát. 4. Végül a kapszula megfelelő sűrűségénél létrejön az üzemanyag begyújtása, majd a fúziós égés.

26 Mikrorobbantásos fúzió: target dizájn I. I.

27 Mikrorobbantásos fúzió: target dizájn II.

28 Mikrorobbantásos fúzió: target dizájn II. A Rayleigh- Taylor instabilitásnak fontos szerep jut!

29 Előnyök, hátrányok I. I. Mágneses tárolás: Manapság a legintenzívebben támogatott, talán leginkább előrehaladott állapotban van. Remélhetőleg az ITER sikeres lesz, és létrejön az önfenntartó kisülés. Reaktorséma problematikája: A kamra fala közel van. Egy folyamatosan működő fúziós reaktorban a fal terhelése igen nagy lehet (sugárzás, neutron, részecskék). Kérdés: Milyen időközönként kell cserélni? Felmerült a nedves fal (wet wall) alkalmazása is, ami egy kisülés körül problematikus lehet.

30 Előnyök, hátrányok II. Mikrorobbantásos fúzió: Mivel korábban (részben ma is) a katonai alkalmazások miatt támogatták, kevesebb publicitást kap, pedig várhatóan az önfenntartó kisülésnek megfelelő nagy hozam megvalósulása küszöbön áll. A korábbi bombatesztek sikere miatt ez nem nagyon kétséges. A mikrorobbantásos fúzió előnye, hogy az első fal a kamra fala, ami távol van, így kisebb a terhelése. Reaktorséma problematikája: Pillanatnyilag nincs olyan driver, ami több Hz-cel működne. Diódával pumpált szilárdtestlézer (melegedés?), excimerlézer (összlövésszám, technológia), ionnyláb (fókuszálás), Z-pincs (felrobbanó kábelek). Hűtött targetek nagy ismétlődési frekvenciával való beinjektálása: Különösen az indirekt fúziónál és a kúpos gyors begyújtásnál nem tűnik kivitelezhetőnek, továbbá ott a szétszóródó anyag terhelése a falra nagy lesz. A szabályozott termonukleáris fúzió több sémája is működni látszik, demonstrációk a közeljövőben várhatók. Az energiatermelő reaktor megvalósításáig még számos problémát meg kell oldani. Ma még nem tudni, mi lesz a nyerő módszer.

31 Ajánlott tématerületek: Lézerplazma kutatás Magyarországon Vákuum ultraibolya (VUV, nm) és extrém ultraibolya (EUV 1-30 nm) spektroszkópia lézerplazmákban. Izochor- és gyors elektronok által okozott fűtés tanulmányozása a kev röntgentartományban. Laboratóriumi asztrofizika: Sugárzásos lökéshullámok gáz jet targeteken. A 248nm hullámhosszú sugárzás által okozott roncsolódás vizsgálata a jövendőbeli fúziós reaktor első falaként számításba jövő anyagok esetén. Kódok megismerése, futtatása; számítógépes szimulációk lézerplazma témákban.

32 Internet címek OMEGA lézer és a hozzá kötődő projektek NIF lézer és a hozzá kötődő projektek NOVA lézer és a hozzá kötődő kísérletek LASER MEGAJOULE és a kapcsolódó projektek www-lmj.cea.fr/html/cea.htm Szegedi Tudományegyetem Kísérleti Fizikai Tanszéke, Nagyintenzitású Lézerlaboratórium Dr. Zoletnik Sándor fúziós speciálkollégium előadasainak anyaga Saját honlap