Fúziós berendezések TBM

Átírás

1 Fúziós berendezések TBM A fúziós energiatermelés jövője: ITER Kiss Béla

2 International Thermonuclear Experimental Reactor ITER célja: jövőbeli fúziós erőmű technológiák kipróbálása nagy szupravezető mágnesek plazmafűtés plazmadiagnosztika trícium kezelés és üzemanyag-ellátás távoli karbantartás reaktorkörülmények tanulmányozása speciális reaktoreszközök (pl. tríciumtermelő modul) kipróbálása Nem állít elő villamos energiát!

3 Test Blanket Modules (6)

4

5 Szabályozott magfúzió: atommagok egyesítése ellenőrzött körülmények között azzal a céllal, hogy a folyamatból energiát lehessen kinyerni. A fúziós reakciók kiinduló részecskéi (pl. D és T) pozitív töltéssel rendelkeznek és taszítják egymást. Reakció akkor jön létre, ha az atommagok az elektronfelhő méreténél sokkal közelebb kerülnek egymáshoz. Ez a részecskék felgyorsításával érhető el, mely során a gyorsításra fordított energia a részecskék véletlenszerű mozgására (fűtésére) fordítódik. Ez akkor nem jelentkezik veszteségként, amikor a részecskék által alkotott gázban a hőmozgásból eredő energiájuk eléri a fúzióhoz szükséges ~10 kev-ot (ez ~100 millió Kelvinnek felel meg). Ilyen magas hőmérsékleten a deutérium-trícium keverékben az atommagokról leszakadnak az elektronok, a gáz plazmává alakul (szabad atommagok és elektronok elegye). A plazma az elektromágneses terekkel kölcsönhat, maga is elektromágneses teret kelt és mozgása ezekkel befolyásolható. A fúziós plazmát mágneses csapdában kell egyben tartani.

6 A mágneses teret a mai berendezések többségében réz tekercsekkel állítják elő. A mágneses indukció értéke tipikusan 1-5 Tesla (a tekercsekben megaamperes áramra van szükség). Egy nagyobb tokamaknál akár több 100 MW disszipált teljesítményt is jelent, amelyet csak néhány másodpercig lehet biztosítani, valamint a tekercsek hűtését sem lehet ennél hosszabb időre megoldani. A szupravezető tekercsekkel ellátott berendezések elenyésző teljesítményt igényelnek, még a hűtést beleszámítva is. A fúziós erőművek mindenképpen szupravezető tekercsekkel fognak majd működni.

7 Egy fém vezető elektromos ellenállása a hőmérséklet esésével csökken. Egy szupravezető ellenállása hirtelen esik nullára az úgynevezett kritikus hőmérséklet elérésekor ált. 20K. Nb 3 Ge Nb 3 Si Nb 3 Sn Nb 3 Al V 3 Si Ta 3 Pb V 3 Ga T C 23,2 K 19 K 18,1 K 18 K 17,1 K 17 K 16,8 K Szupravezető anyagokat három fő mennyiséggel lehet jellemezni: - kritikus hőmérséklet (T c ) - kritikus mágneses térerő (H c ) - kritikus áramsűrűség (J c )

8 Hűtés: 4,5 K hőmérsékletű folyékony Hélium

9 Central Solenoid(CS): fő plazmaáram indukáló 6 különálló modulból épül fel

10 Toroidal Fields(TF): plazma stabilizálás/határolás 18 különálló modulból épül fel

11

12 Poloidal Fields(PF): plazma pozícionálás és stabilizálás 6 különálló modulból épül fel

13 CorrectionCoils(CC): a mező hibák korrekciójára, gyártási eltérések, szerelési pontatlanságok kiküszöbölésére szolgálnak 9 pár modulból épül fel.

14

15

16

17 DEMO: demonstrációs reaktor, közvetlenül az ITER után fog megépülni ITER TBM: Test Blanket Module (Teszt Köpeny Modul) - A neutronok energiájának átalakítása hővé - Trícium előállítása, önfenntartás megvalósítása - Szerkezeti elemek sugárzás elleni védelme

18 Hidrogén izotópok: A fúziós energiatermelés alapképlete: D + 1T 2He n Deutérium: stabil izotóp, a természetes hidrogénben (pl. vízben) kb. 1/6000 arányban van jelen, tehát szinte korlátlan mennyiségben és egyenletesen elosztva áll rendelkezésre. Trícium: felezési ideje 12,32 év, hélium-3 izotóppá bomlik. A trícium természetes körülmények között akkor áll elő, ha kozmikus sugarak lépnek reakcióba a légköri gázokkal (pl. egy neutron nitrogénnel ütközik, szén és trícium a reakció eredménye). + nukleáris fegyverek légköri tesztjéből. A Földön jelenleg kb. 53 kg trícium található A DEMO trícium szükséglete: ~0,41 kg/nap!

19 A fúziós energiatermelés alapképlete: D + 1T 2He n A keletkező energia 80%-át a neutron viszi el, amely szinte akadálytalanul (nincs töltése) elhagyja a plazmát. Lehetőség van viszont a trícium előállítására lítiumból a fúzióban keletkező neutron felhasználásával: Li + 0n 1T He A) Keramikus anyagok (oxidok, szilárd állapotban) pl. LiO 2, LiAlO 2, LiSiO 3, Li 4 SiO 4, LiZrO 6, Li 2 TiO 3 A tríciumot hélium tisztító gáz gyűjti össze B) Ötvözet eutektikum (folyékony állapotban) pl. LiPb A tríciumot a vákuumtartályon kívül vonják ki a folyékony fémből

20 - a neutron befogás esélye alacsony - veszélyes anyag, a levegővel reakcióba lép (gyullad), erős reakció vízzel (alkálifém) - rendkívül jól oldja a tríciumot nehéz kivonni Neutron sokszorozó anyag használata: Berillium (Be) vagy ólom (Pb) [korróziót okoz!] 9 Be + n 2 4 He + 2n Lítium: a földkéregben meglehetősen egyenletesen elosztva áll rendelkezésre, nem túl költséges anyag. A világ lítium termelése is kb. 200 fúziós erőmű ellátását tenné lehetővé, tehát szintén nem korlát.

21 Felhasználás: Deutérium: ~0,27 kg/nap tengervízből Trícium: ~0,41 kg/nap Lítium neutron reakcióval termeli meg saját magának a reaktor Kinyerhető mennyiség: Deutérium: 5*10 16 kg az óceánokban 30 milliárd évre elegendő!!! Trícium: ~150 kg/év ehhez csak 300 kg/év Lítium szükséges Jelenleg kb. 1,5 kg/év a világ trícium termelése (!) ~10 11 kg Li van a földben évre elegendő

22 Az előzőek alapján egy TBM-nek tartalmaznia kell: - szaporító anyag (szilárd [Li 4 SiO 4, Li 2 TiO 3 ] vagy folyékony [LiPb]) - neutronsokszorozó (szilárd [Be, Be 12 Ti] vagy folyékony [Pb]) - szerkezeti anyag - hűtőközeg (He, víz, folyékony fém) TBM tervezési kritériumok: - megfelelő mennyiségű trícium előállítása, self-sufficient - acélszerkezet megfelelő hűtése (0,5 MW/m 2 ), komponensekben a megengedett hőmérséklet limitek biztosítása - hosszú élettartam (minimum 5 év) - neutronsugárzás miatti szerkezeti károk ne haladják meg a 150 dpa-t 5 év alatt (dpa: a kristályrácsban létrejövő atomkimozdulásokat jelzi a neutronsugárzás hatására) - nukleáris hulladék mennyiségének minimalizálása - magas hűtőközeg kilépő hőmérséklet biztosítása (500 o C) A TBM legfontosabb paramétere: TBR=1 nem elég a trícium veszteség miatt TBR=1,15 kell legalább

23 Három, középsíkban lévő ( egyenlítői ) port van fenntartva a TBM-ek számára [2, 16, 18] Mindegyik port 2 TBM-et tud befogadni Összesen 6 TBM lesz beépítve, de 12 TBM típust javasoltak a résztvevő országok (7 folyékony fém, 5 szilárd szaporító anyagú)

24 Port cell: Trícium kivonó rendszer He hűtőkör PbLi kör szállítórendszer rugalmas csőrendszer pajzs 2 TBM

25 Equatorial Port # 16: Helium Cooled Lithium Lead (HCLL) Szaporító anyag: PbLi Neutronsokszorozó: PbLi Hűtőközeg: He Helium Cooled Pebble Bed (HCPB) Szaporító anyag: Li 4 SiO 4 Neutronsokszorozó: Be Hűtőközeg: He Equatorial Port # 18: Water Cooled Ceramic Breeder (WCCB) Szaporító anyag: Li 2 TiO 3 Neutronsokszorozó: Be Hűtőközeg: víz Dual Coolant Lithium Lead (DCLL) Szaporító anyag: PbLi Neutronsokszorozó: PbLi Hűtőközeg: PbLi (szaporító régióban), He (acélszerkezet) Equatorial Port # 2: Helium Cooled Ceramic Breeder (HCCB) Szaporító anyag: Li 4 SiO 4 Neutronsokszorozó: Be Hűtőközeg: He Lithium Lead Ceramic Breeder(LLCB) Szaporító anyag: PbLi Neutronsokszorozó: PbLi Hűtőközeg: PbLi (szaporító régióban), He (acélszerkezet + Li 2 TiO 3 hozzáadott szaporító anyag)

26 Submodul kialakítása Submodul keresztmetszete Szaporító anyag Li 4 SiO 4 Neutronsokszorozó Be Hűtőközeg He T in /T out 300/500 o C p 80 bar TBR

27 HCCB evolúciója 2013

28 Solid + liquid szaporító anyag ötvözése Szaporító anyag PbLi + Li 2 TiO 3 Neutronsokszorozó PbLi Hűtőközeg He + PbLi T in /T out (He) 300/360 o C p(he) 80 bar T in /T out (PbLi) 325/450 o C p(pbli) 12 bar v(pbli) m/s TBR 1.16

29 1660 Szaporító anyag Li 2 TiO 3 Neutronsokszorozó Be Hűtőközeg víz T in /T out 280/325 o C p 155 bar TBR 1.13

30

31 Szaporító anyag PbLi Neutronsokszorozó PbLi Hűtőközeg He + PbLi T in /T out (He) 300/500 o C T in /T out (PbLi) 460/650 o C v(pbli) ~0.1 m/s TBR 1.2 A csatorna SiC alapú béléssel van ellátva: - elszigeteli a magas hőmérsékletű PbLi eutektikumot a szerkezeti anyagtól - elektromosan szigetelőként csökkenti a magnetohidrodinamikai*** nyomásveszteséget ***A magnetohidrodinamika (MHD) az a tudományág, amely az elektromos vezetőképességű folyadékok, ionizált gázok külső elektromágneses vagy más jellegű erőterek hatására bekövetkezett mozgását tárgyalja.

32 Hélium hűtőcsatornái Szaporító anyag PbLi Neutronsokszorozó PbLi Hűtőközeg He T in /T out (He) 300/500 o C TBR 1.15

33 PbLi áramlási útja PbLi áramlásának kísérleti vizsgálata

34 Szaporító kazetta metszeti képe Hélium áramlási útja Szaporító anyag Li 4 SiO 4 Neutronsokszorozó Be Hűtőközeg He T in /T out 300/500 o C p 80 bar TBR 1.14

35 Horizontal stiffening plate: Cooling plate:

36 LiOH és SiO 2 porokat összekeverik, megolvasztják. Az olvadékot a levegőbe permetezik. Az olvadék megszilárdul a levegőben történő repülés közben. A keletkező golyók átmérője és alakja eltérő. Rotating Electrode Process (REP): ~1 mm átmérőjű golyók állíthatóak elő ezzel az eljárással. Inert gázzal töltött vákuumkamrában egy álló és egy forgó elektróda (Be) van elhelyezve. Elektromos ív keletkezik a kettő között, aminek a hője megolvasztja a forgó elektródát. Olvadt fémcseppek repülnek le a forgó elektróda végéről és megszilárdulnak a levegőben. A Be golyók mérete és minősége nagyban függ a használt anyagtól és az eljárás paramétereitől (elektróda tisztasága, elektróda átmérő, szögsebesség, repülési sebesség).

37 Hőfelszabadulás: - trícium termelés során (TBM) - vákuumtartály fal és szupravezető tekercsek neutronvédelme (FW/blanket) Hőelvonás: többkörös hűtőrendszer, nincsenek turbinák!

38 FONTOS: Test Blanket Module: trícium szaporítás Blanket: neutronvédelem, hűtés 440 db köpeny elem (blanket) a vákuumkamra belső oldalán (180 féle változat) 1 elem: 1x1,5 m (4,5 tonna)

39 Lehetséges sugárforrások: a) plazma égése közbeni prompt sugárzás, b) gamma sugárzás a szerkezeti anyagok felaktiválódása miatt, c) víz hűtőrendszerben megjelenő korróziós termékek felaktiválódása, d) trícium kikerülése a személyzet helyiségeibe. Sugárvédelem Vákuumkamra: - elsődleges feladata megteremteni az ultra nagy vákuum kialakításának feltételét - másrészt az ebben található köpenyelemek felelősek a neutronok számának csökkentéséért - elsődleges radiológiai védelemi vonal Beton biológiai pajzs: fő radiológiai védelem Megfelelő reaktorszerkezeti anyag megválasztása: RAFM (Reduced Activation Ferritic/Martensitic) acél, más néven EUROFER [neutron-besugárzás hatására csak kevéssé válik radioaktívvá, ezért a fúziós reaktor anyaga a leállítás után néhány évtizeddel újrafelhasználható lenne] Portok: üzem közben lezárva, ember nem kerülhet a betonpajzson belülre Egy esetleges baleset során a trícium épületből való kiszivárgása sem okozna olyan mértékű sugárzást, ami az erőmű területén kívül kitelepítést igényelne (rendkívül kis mennyiségű trícium lesz jelen a tokamakban). NINCS megszaladás, leolvadás jellegű baleset a forró plazma bármilyen probléma esetén a másodperc töredéke alatt lehűl, és a fúziós reakció leáll.