A Tycho-szupernova. 1572ben Tycho Brahe megfigyelt egy felrobbanó csillagot. 400 évvel később egy többmillió fokos buborék látható (zöld és kék a

HTML
DOWNLOAD

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "A Tycho-szupernova. 1572ben Tycho Brahe megfigyelt egy felrobbanó csillagot. 400 évvel később egy többmillió fokos buborék látható (zöld és kék a"

Klára Halász
6 évvel ezelőtt
Látták:

1 A plazmaállapot + és tötésekből álló semleges gáz A részecskék közötti kcshatás jelentős A Debye-sugáron belül sok részecske található A Debye-sugár kicsi a plazma méreteihez képest Az elektron-kcsh erősebb, mint az e-> töltetlen részecske kcsh

2 A Tycho-szupernova. 1572ben Tycho Brahe megfigyelt egy felrobbanó csillagot. 400 évvel később egy többmillió fokos buborék látható (zöld és kék a fényképen) egy gyorsabban mozgó nagyenergiájú elektronfelhőben (kék a fényképen)

3 Plazmák

4 Tipikus plazma paraméter tartományok: orders of magnitude (OOM) Jellemző Földi plazmák Kozmikus plazmák Méret m 10 6 m (lab plasmas) to 10² m (villám) (~8 OOM) 10 6 m (űrhajó burkolat) m (intergalaktikus köd) (~31 OOM) Élettartam s s (laser-plazma) s (fluoreszcens fény) (~19 OOM) Sűrűség 107 m-3 to 1/m m -3 (inertial confinement plasma) Hőmérséklet K o Mágneses tér Tesl a ~0 K (crystalline non-neutral plasma) to 10 8 K (magnetic fusion plasma) 10 4 T (lab plasma) to 10³ T (pulsed-power plasma) 10 1 s (napkitörés) s (intergalaktikus plazma) (~17 OOM) 10 0 (i.e., 1) m -3 (intergalactic medium) to m -3 (stellar core) 10² K (sarki fény) K (Nap belseje) T (intergalaktikus anyag) T (neutron csillagok körül)

5 További plazmajellemzők Ionizáció foka: n i /(n a +n i ) Elektronsűrűség: Zn i Hőmérséklet: a kinetikus energia jellemzésére (egyensúly elektronok-ionok, elektron- és ion hőm.?) Termikus plazma: elektron- és ionhőm. azonos Hőmérséklet és ionizáció (Saha-egyenlet) Λ-de Brogli-hullámhossz ε-ionozációs energia g i degeneráció foka

6 2.1. Kötési energia 2. Magfizikai alapok

7 2 H + 2 H 3 H + 1 H MeV 2 H + 3 H 4 He +n MeV 2 H + 2 H 3 He + n MeV Pozitív energiamérleg, kis 2 H energia 7 Li + 2 H 8 Be +n MeV (100keV) esetén is kapunk neutronokat. 9 Be + 2 H 10 B + n MeV Coulomb-gát nagysága kb. 0.1 MeV (ekkor a hatáskeresztmetszet 3-4 nagyságrenddel nagyobb, mint 10 kev-en) 2.2. A fúzió energiamérlege A termonukleáris reakció önfenntartó, ha az energiamérleg nem negatív. Termelés: ütközések során, magreakcióból Ütközések száma: N(E)dE=n(E)dEσ(E)v; Botzmann-eloszlás esetén Ezt a sebességgel szorozva n( E) de 1 ( kt ) 3/ 2 Ee E / kt vn( E) de de 1 ( kt ) 3/ 2 Ee E / kt de

8 Következik σ(e) becslése. Born-közelítésben (l=0)egy töltött részecske áthatolását a Coulomb-potenciálon σ 2 1 = b / e γ πλ e E E Itt b a magreakciótól függő állandó, DD reakció esetén b Ha kev barn Ütközésszám: N( E) de = 1 ( kt ) 3/ 2 e ( E / kt + b / E ) de Ennek maximuma van E=E m ~T 2/3 -nál. Ha az N(E) görbét Gauss-görbének vesszük, amelynek félérték-szélessége E, az integrálás zárt alakban elvégezhető: N( E) = 1 ( T ) 3/ 2 e at 1/ 3 e ( ( E E )/ E ) m E T 5/ 6

9 + e 2 2 (( E ) /( E) ) de E m = E π Az időegységenkénti üközések száma arányos a reakcióban szereplő részecskék sűrűségével (n 1 és n 2 ). Ha egy ütközésben Q energia szabadul fel, akkor az energiatermelés nagysága P fúzió = cqn n 1 2 T 2/3 e at 1/ 3 Térjünk át az energiaveszteségekre. Kezdjük a sugárzási veszteséggel. A Stefan-Boltzmann-képlet nem alkalmazható, mert az csak csillagászati méretekre (vagy a test belsejéből ki nem jutó) sugárzásra érvényes. Itt a plazma átlátszó a maximum körüli hőmérséklethez tartozó lágy röntgensugárzás számára.

10 Becsüljük a veszteséget az elektrodinamika alapján. A plazma részecskéi Coulomb-erő hatására gyorsulnak és sugároznak. A gyorsulás nagysága 2 e mr 2 A kisugárzott energia a gyorsulás négyzetével arányos. Az összes kisugárzott energia dp = 4πn r dr 4 r Az alsó határra a határozatlansági elvből kell az elektron hullámhosszát venni: r 0 λ = h mv e

11 amivel dp = n 1 r 0 nmv e az egyetlen mag terében elsugárzott energia. Továbbá, 1 mv 2 2 = 1 2 e kt e Ha az ionokat is figyelembe vesszük, Z töltéssel: P sug = / Z n Te Plazmát akkor lehet létrehozni, ha a megtermelt energia kiegyenlíti a Veszteségeket. (T e -elektronhőmérséklet) Ez kb. 20 milló K. (A Coulomb-gát legyőzéséből+ az emergiaveszteségből 10 8 K jön ki.)

12 2.2 Plazmafűtés Kezdetben fel kell fűteni, később az elveszett energiát kell pótolni. Három módról beszélünk: 1, Ohmikus fűtés: a plazma vezető, ha áram folyik keresztül, hő fejlődik. 2, Semleges atomok injektálása: nagyenergiájú, semleges atomok ionizálódnak, energiájukat átadják a plazmának. (A semleges atomokat plazmából nyerik ) 3, Radiofrekvenciás fűtés: bizonyos frekvenciájú hullámoktól (30-50 MHz az ionok, MHz az elektronok) energiát tud nyerni a plazma. Instabilitások!

13 Girotron, 1 MW folytonos elektromágnese fűtés Antenna plazma RF fűtéséhez

14 2.3. Plazma-fal kölcsönhatás A fal hőterhelése kb. 20 MW/m 2. A divertor feladata leárnyékolni a többi berendezést a hőtől. Blanket-modul: a neutronok lassítása, az energiaveszteségek csökkentése Komoly mérnöki problémák

15 ITER divertor modellje A fehér foltokban van fal-plazma kcsh

16 1.3. Nyalábdiagnosztika A hőmérsékletet, a sűrűséget és a szennyezők koncentrációját kell mérni. Foton-plazma kcsh alapján: lézerfény szóródását mérik. Ez az elektron sebességét (Doppler), a szórt fény intenzitása a sűrűséget jellemzi. A szennyezők koncentrációját a gerjesztéskor leadott UV sugárzás intenzitásából lehet meghatározni. Atomnyaláb belövése: a gerjesztett állapot lebomlásakor kibocsátott fény intenzitása jellemző a lokális hőmérsékletre, sűrűségre.

17 ELSŐ KÍSÉRLETEK 1950-es évek: nagy áramot hajtottak át ionizált gázoszlopon, két céllal: összetartani és felmelegíteni. Az áram mágneses teret hoz létre a plazma körül, ez elszigeteli a plazmát a faltól, befelé irányuló radiális erőt gyakorol rá. Az áram kát módon is fűti a plazmát. Az első az ohmikus fűtés, a második mód a nyomáshullám kihasználása. A gyorsam létrehozott mágneses tér egy nyomáshullámot indít el, ami befelé halad, impulzusát átadja az ionoknak, ezek pedig a plazma közepén termalizálódnak. USA, Anglia: Sztellarátor SzU: Tokamak ALAPVETŐ PROBLÉMA AZ INSTABILITÁS!!!

18 ELEKTRODINAMIKA E H 1 H = H = 0 c t = 1 c E 4π + j t c E = 4πρ Maxwell-egyenletek Hds = 4π c F j+ 1 E 4π t df

20 ITER diagnosztika

21 Az ITER berendezés vázlata DT reakció 10 8 K hőmérséklet Ohmikus fűtés Kiegészítő fűtés atomnyaláb és RF fűtéssel Mágneses összetartás Melléktermék: n védelem

Hasonló dokumentumok

Előadás menete. Magfúzióból nyerhető energia és az energiatermelés feltétele. Fúziós kutatási ágazatok

Előadás menete. Magfúzióból nyerhető energia és az energiatermelés feltétele. Fúziós kutatási ágazatok Előadás menete Magfúzióból nyerhető energia és az energiatermelés feltétele Fúziós kutatási ágazatok Hőmérséklet és sűrűségmérés egyik módszere plazmafizikában a Thomson szórás Fúziós kutatás célja A nap