Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 1.

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 1."

Csenge Illésné
6 évvel ezelőtt
Látták:

1 Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 1. Magfizikai alapok, plazma alapok, MHD, energiamérleg, anyagmérleg Pokol Gergő BME NTI Korszerű nukleáris energiatermelés 201. november 6.

2 Korszerű nukleáris energiatermelés Fúziós előadások Nov. 6. PokolG: Magfizikai alapok, plazma alapok, MHD, energiamérleg, anyagmérleg Nov. 20. PokolG: Fúziós berendezések típusai, részegységek, diagnosztika Nov. 27. PokolG: Mai berendezések, JET, W7-X (Házi feladat határdő!) Dec. 4. PokolG: A fúziós energiatermelés jövője, ITER, DEMO Dec. 11. KissB: Tríciumtermelés, környezeti hatások, sugárvédelem, fúziós berendezések anyagai, Szupravezető tekercsek üzeme és biztonsága, hőelvezetés, hőtechnika (TBM) 2

3 Energiatermelés kötési energiából Példa: 1 GW-os erőmű anyagszükséglete Napi energiatermelés: J/nap Az atomhéj energiája Felszabaduló energia: 0.1 ev/atom J/atom Energiasűrűség: 10 7 J/kg Napi anyagszükséglet: 10 6 kg/nap Az atommag energiája Felszabaduló energia: 1 MeV/atom 10-1 J/atom Energiasűrűség: J/kg Napi anyagszükséglet: 10-1 kg/nap 1 ev = J ~ K

4 Kötési energia B/A (MeV/nucl) Pokol Gergő: Fúzió 1. Magenergia felszabadítása Nehéz atommagok hasítása, könnyű atommagok egyesítése Fúzió 4 He 9 Be O C 10 B 56 Fe Hasadás 28 U D T He 6 Li 0 n, 1 H Atomtömeg A (amu) 4

5 Kötési energia B/A (MeV/nucl) A szóbajövő magfizikai folyamatok jól ismertek gyorsítós kísérletekből: 2 p H Fúziós magreakciók D He (d,n) Hélium 4 He (d,p) (d,p) (d,n) Deutérium Trícium 1 2 D + T 4 He(.52 MeV) + n(14.1 MeV) D + D He(0.82 MeV) + n(2.45 MeV) D + D T(1.01 MeV) + p(.02 MeV) D + He 4 He(.66 MeV) + p(14.6 MeV) T n n, 1 H 2 D Fúzió 0 1 Atomtömeg A 5 T 4 He He

6 Lehet-e gyorsítóval energiát termelni? A reakciók küszöbenergiája E kev. Gyorsítsuk föl az egyik magot erre az energiára és lőjük bele a másikba! A magok s s hatáskeresztmetszettel szóródnak a másik mag Coulomb terében és s f 10-5 s s hatáskeresztmetszettel fuzionálnak. Amennyiben a magok fuzionálnak, E f 10 E 0 energia szabadul föl. Az energiamérleg másodpercenként N mag gyorsítása esetén: s s E P NE 1. 01P ki f f f 0 NE f Pbe1 s s f s f E s s 0 Gyorsítóval nem lehet energiatermelő reaktort építeni! Ha a céltárgy termikus egyensúlyba kerül a nyalábbal, akkor az ütközések során az átlagos energiacsere nulla. be Fúziós energiát termelni csak termikus közegben lehet! 6

A reakciók hatáskeresztmetszete termikus közegben A reakció valószínűségét termikus közegben a rátaegyüttható jellemzi: sv s( v) vfm ( T, v) dv ahol s a

7 A reakciók hatáskeresztmetszete termikus közegben A reakció valószínűségét termikus közegben a rátaegyüttható jellemzi: sv s( v) vfm ( T, v) dv ahol s a hatáskeresztmetszet és v a sebesség. Egy részecske n sűrűségű közegben másodpercenként átlagosan sv n reakciót szenved el. Legkönnyebben a D-T reakciót lehet megvalósítani! 7

8 D-T reakció kiinduló anyagai Minden 6000-edik hidrogén mag deutérium, vízből nagy mennyiségben kinyerhető. A trícium radioaktív, csak nyomnyi mennyiségben fordul elő. 2 p H D He (d,n) Hélium 4 He (d,p) (d,p) (d,n) Deutérium Trícium 1 2 T 6 Li (n, a ) Lítium 7 Li (n, a n) 4 n A tríciumot tenyészteni kell lítiumból! 6 Li + n(termikus) 4 He + T 7 Li + n(gyors) T + 4 He + n 8

9 A Nap energiatermelése Több fajta reakció: p-p láncok, CNO ciklus. Mindig van benne pn átalakulás, ami NAGYON ritka. A szükséges hőmérséklet csak ~1 kev, de csak napnyi anyagmennyiség esetén működik, a teljesítménysűrűség ~0.2 mw/kg (emberi test: 1. W/kg). 9

10 Fúziós reaktor energiamérlege A fúziós reaktor energiasokszorozását a Q tényezővel szokás jellemezni: Q P f P h ahol P h a külső plazmafűtés teljesítménye, P f a felszabaduló fúziós teljesítmény. A Q=1 pontot break even -nek nevezzük. A reaktor üzemeltetése szempontjából ennek nincs jelentősége. 10

11 Fúziós plazma energiamérlege A fúziós reakcióban felszabaduló energia jelentős részét (~20%) az a-részecskék viszik el. Ha ezeket a plazma többi töltött részecskéjével együtt össze tudjuk tartani, akkor az a-részecske fűtés meghaladhatja a veszteségeket. Mivel ekkor nem kell külső plazmafűtés, ezért Q=. P v Pa Amikor ez bekövetkezik, akkor a plazma begyújt (ignition). A hőmérséklet megemelkedik, de a folyamat nem tud megszaladni. Az égési pontban a plazma stabil állapotban marad, amíg a gázösszetételt és más körülményeket fenn tudjuk tartani. 11

12 A begyújtás feltétele Az százalékos, n sűrűségű, V térfogatú, T hőmérsékletű D-T keverékben felszabaduló fúziós teljesítmény arányos az a-fűtés teljesítményével: A plazma energiaveszteségét az energiaösszetartási idő jellemzi Ha P a >P v, akkor n e 6kT C( T) P a P v V V n 2 e 2 nkt 2 C( T) Optimális hőmérsékleten ez a Lawson kritérium: n e sm T i 25keV Az optimális hőmérséklet körül fúziós hármasszorzat: 10 n e T i 21 kevsm 12

Trícium szaporító köpeny A tríciumot a reaktor körüli köpenyben lehet előállítani lítiumból. Ez a trícium szaporító köpeny (Tritium Breeding Blanket, TBM).

13 Trícium szaporító köpeny A tríciumot a reaktor körüli köpenyben lehet előállítani lítiumból. Ez a trícium szaporító köpeny (Tritium Breeding Blanket, TBM). A trícium radioaktív (b-bomló), és vízként bejuthat az élő szervezetbe, ezért egy zárt ciklusú fúziós erőműben a trícium mennyiségét minimalizálni kell! A fúziós reakcióban nem keletkeznek radioaktív izotópok! Az erős neutronsugárzás miatt a reaktor szerkezeti anyaga felaktiválódik, de ez speciális anyagválasztással minimalizálható. 1

Mi az a plazma? Ha egy gáz részecskéinek átlagos kinetikus energiája (esetükben ~10 kev) nagyobb, mint az alkotó elemekben lévő elektronok kötési energiája (H: 1.

14 Mi az a plazma? Ha egy gáz részecskéinek átlagos kinetikus energiája (esetükben ~10 kev) nagyobb, mint az alkotó elemekben lévő elektronok kötési energiája (H: 1.6 ev), az elektronok (teljesen vagy részben) leszakadnak az atommagokról. Elektronok és ionok (és esetleg semleges részecskék) keveréke jön létre, ez a plazma. Az Univerzumban a látható anyag legnagyobb része plazma halmazállapotban van, és számos földi alkalmazás is van. 14

15 Árnyékolás: Tegyünk egy egységnyi töltésű próbatöltést a plazmába! Ekkor a plazma elektronjai és ionjai úgy fognak mozogni, hogy a kialakuló erőtér a próbatöltés terét leárnyékolja. A plazma tulajdonságai Ionizációfok: A plazma elektronok, ionok és semleges atomok keveréke. Sohasem 100%-ban ionizált, lehet erősen vagy gyengén ionizált. Debye-hossz H De 0kT 2 n e e 15

16 A plazma definíciója kvázisemleges (az elektronok és ionok össztöltése lokálisan megegyezik) D L kollektív (a Debye-térfogaton belül sok részecske van) N D 4 Dn 1 ionizált (nem túl sok a semlegesekkel való ütközés) A plazma komponenseinek sűrűségét az elektromos terek összekapcsolják, de a komponensek sebessége és hőmérséklete különböző lehet! 16

17 A plazma elméleti leírása Kinetikus elmélet: A plazmarészecskék statisztikai eloszlására írjuk fel a Boltzmann-egyenleteket. A különböző részecskepopulációkra felírt egyenletek között az elektromos és mágneses tér forrásegyenletei adják a csatolást. Többfolyadék elmélet: Ha az eloszlásfüggvények közelítik a Maxwell-eloszlást, az egyes részecskepopulációk egymásba ágyazott folyadékokként írhatók le: kontinuitás egyenlet, Navier- Stokes-egyenlet, állapotegyenlet. A csatolást az elektromos és mágneses tér forrásegyenletei adják. Magnetohidrodinamika (MHD): Ha a folyadékok egyensúlyban vannak, egyetlen vezető, semleges folyadékként is leírható a plazma. 17

18 Tömeg kontinuitás-egyenlet: Pokol Gergő: Fúzió 1. MHD egyenletek dm dt V m 0 Impulzus-egyenlet: m dv dt j B p Adiabatikus állapotegyenlet: Ohm-törvény: Amper-törvény: d dt p m 0 E V B j B j 0 =0 : ideális MHD Faraday-törvény: B E t B 0 18

19 Fúziós plazma összetartása A Lawson kritérium két lehetséges, szélsőséges esetet kínál: Tehetetlenségi összetartás (Inertial confinement, ICF). A plazma szabadon tágul, a Lawson kritérium teljesüléséhez egy kritikus sűrűséget kell elérni, rövid ideig. Mágneses összetartás (Magnetic confinement). A plazmát mágneses térrel tartjuk össze. A sűrűséget az alkalmazott mágneses tér szabja meg, az energiatermeléshez egy kritikus energiaösszetartási időt kell elérni alacsony sűrűség mellett. 19

20 Mit kell tudni egy fúziós erőműnek? Megfelelően magas ion hőmérsékletet: T i 25 kev Jó hőszigetelés és/vagy nagy sűrűség: n e sm Jó összetartás a keletkező a-részecskékre. Nem túl jó összetartás a lelassult a-részecskékre. Óriási felületi és térfogati hőterhelések kezelése. 20

21 21

Hasonló dokumentumok

Szabályozott magfúzió

Szabályozott magfúzió Pokol Gergő BME NTI Magfizika 2013. május 7. Fajlagos kötési energia (MeV/amu) Pokol Gergő: Szabályozott magfúzió Magenergia felszabadítása Nehéz atommagok hasítása, könnyű atommagok