Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?

Hasonló dokumentumok
Fúziós energiatermelés

Fúziós kutatások a BME Nukleáris Technikai Intézetében

Hogyan hozzuk le a Napot a Földre?

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 2.

A fúzió jövője, az ITER jelene

Fúziós plazmafizika ma Magyarországon

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 2.

Nemlineáris szállítószalag fúziós plazmákban

Szabályozott magfúzió

Szabályozott magfúzió

Fúziós plazmafizika ma Magyarországon

Szabályozott magfúzió

Szabályozott magfúzió

Tokamak és sztellarátor napjainkban

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 3.

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 1.

A FÚZIÓ JÖVŐJE, AZ ITER JELENE

Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?

Napszelidítés: Energiatermelés Szabályozott Magfúzióval?

Bevezetés a fúziós plazmafizikába 3.

laboratóriumban - Mágneses Nap a Zoletnik Sándor Magyar Euratom Fúziós Szövetség mki.kfki.hu zoletnik@rm KFKI-RMKI Magyar Euratom Fúziós Szövetség

Pokol Gergı BME NTI. Mag- és részecskefizika május 4.

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

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

Fúziós kutatások az alapoktól napjainkig

KÖSZÖNTJÜK HALLGATÓINKAT!

ITER Diagnosztikák Elektromos infrastruktúrájának fejlesztése

Fúziós plazmafizikai kutatások Magyarországon és az Európai Unióban

Fúziós plazma turbulenciájának és tranziens eseményeinek vizsgálata nyalábemissziós spektroszkópiával. Doktori értekezés

Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?

ITER, a következő 10 év fúziós technológiai kihívása

Magyar Tudomány 2007/1. Zoletnik Sándor. kandidátus, KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet

Deutériumjég-pelletek behatolási mélységének meghatározása videódiagnosztikával

Fúziós energiatermelés

Janecskó Krisztián Eötvös Loránd Tudományegyetem

Az európai fúziós útiterv

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

ÚTBAN A JET-TŐL AZ ITER FELÉ

ATOMNYALÁB DIAGNOSZTIKA FEJLESZTÉSE FÚZIÓS PLAZMAFIZIKAI MÉRÉSEKHEZ PhD tézisfüzet

Útban a JET-től az ITER felé Zoletnik Sándor KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet

Deutérium pelletekkel keltett zavarok mágnesesen összetartott plazmában

ÚJ NUKLEÁRIS ENERGIATERMELÉSI MÓDSZEREK TECHNOLÓGIAI ELEMEINEK FEJLESZTÉSE

Plazmadiagnosztikák. Dunai Dániel. Mik a földi csillagok teleszkópjai? MTA Wigner FK Nyalábemissziós Spektroszkópia Kutatócsoport

Újpesti Bródy Imre Gimnázium és Ál tal án os Isk ola

ELM-KELTÉS FOLYAMATÁNAK VIZSGÁLATA FAGYASZTOTT DEUTÉRIUM PELLETEKKEL

Elektrodinamika. Maxwell egyenletek: Kontinuitási egyenlet: div n v =0. div E =4 div B =0. rot E = rot B=

Fúziós berendezések TBM

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

Deutériumjég-pelletek behatolási mélységének meghatározása videódiagnosztikával

A magfúzió, avagy a jövő egy lehetséges új energiaforrása

Aktuális CFD projektek a BME NTI-ben

Tranziens hullámok fúziós plazmákban

DEUTÉRIUMJÉG PELLETEK ÉS FORRÓ PLAZMA KÖLCSÖNHATÁSÁNAK VIZSGÁLATA PhD értekezés

Pelletek és forró plazma kölcsönhatásának vizsgálata

Tartalom. Főszerkesztő: Radnóti Katalin

Turbulencia tokamakban és tokamak körül

instabilitásokat megelőző prekurzor rezgések statisztikája TDK dolgozat

Első magreakciók. Targetmag

Pelletek térfogatának meghatározása Bayes-i analízissel

Pelletek ablációjának dinamikai vizsgálata

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

A Nukleáris Technikai Intézet és az atomenergetikai

Fúziós diagnosztika. Zoletnik Sándor. MTA Wigner FK

A Nukleáris Technikai Intézet és az atomenergetikai képzések

Egyetemi jegyzet. Pokol Gergő, Zoletnik Sándor, Papp Gergely, Horváth László február 3.

MAGYAR NUKLEÁRIS TÁRSASÁG XVI. NUKLEÁRIS TECHNIKAI SZIMPÓZIUM

Bevezetés a magfizikába

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

A testek részecskéinek szerkezete

OSZTÁLYOZÓ VIZSGA TÉMAKÖREI

Tehetetlenségi összetartású, vagy mikrorobbantásos fúzió

Termodinamika (Hőtan)

Az Országos Képzési Jegyzékről és az Országos Képzési Jegyzék módosításának eljárásrendjéről szóló 133/2010. (IV. 22.) Korm.

Elindult a Wendelstein 7-X szupravezető sztellarátor

Egyetemi jegyzet február 3.

Sugárterápia. Ionizáló sugárzások elnyelődésének következményei. Konzultáció: minden hétfőn 15 órakor. 1. Fizikai történések

XXXV. Fizikusnapok november Energia. Előadások: november

ALLEGRO gázhűtésű gyorsreaktor CATHARE termohidraulikai rendszerkódú számításai

Radioaktivitás. 9.2 fejezet

Az atommagtól a konnektorig

Fúziós reakciók és nukleáris fegyverek

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

Turbulencia: Füstoszloptól a H-módig

NEUTRON-DETEKTOROK VIZSGÁLATA. Mérési útmutató BME NTI 1997

2. Plazmafizikai alapfogalmak

Mágneses alapjelenségek

Korszerű idő-frekvencia analízis programcsomag tranziens folyamatok vizsgálatára

Sugárterápia. Ionizáló sugárzások elnyelődésének következményei

Programozható vezérlő rendszerek. Elektromágneses kompatibilitás II.

Hőszivattyúk - kompresszor technológiák Január 25. Lurdy Ház

TDK Dolgozat. Gyors részecskék által keltett plazmainstabilitások vizsgálata az ASDEX Upgrade tokamakon

A nagy időfelbontású kamerák következő generációja: EDICAM

Elektron mozgása kristályrácsban Drude - féle elektrongáz

2. tétel - Gyorsítók és nyalábok (x target, ütköz nyalábok, e, p, nyalábok).

Nemzeti Nukleáris Kutatási Program

Munkagázok hatása a hegesztési technológiára és a hegesztési kötésre a CO 2 és a szilárdtest lézersugaras hegesztéseknél

A részecskefizika kísérleti eszközei

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Átírás:

Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben? Pokol Gergő BME NTI ESZK 2014. április 24.

Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben? A fúziós reaktorok fizikájáról dióhéjban A fúziós reaktorok technológiája Hol tartunk ma? Fúziós útiterv Magyar témák 2

Fúziós alapok maghasadás 3

Fúziós reaktor üzemanyagciklusa D + T 4 He(3.52 MeV) + n(14.1 MeV) D + D 3 He(0.82 MeV) + n(2.45 MeV) D + D T(1.01 MeV) + p(3.02 MeV) D + 3 He 4 He(3.66 MeV) + p(14.6 MeV) A fúziós reakcióban nem keletkeznek radioaktív izotópok! 4

Lehet-e gyorsítóval energiát termelni? A reakciók küszöbenergiája E 0 10-100 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 3 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 Pbe 1 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! 5

Mágneses összetartás Forró, híg plazmában a részecskék szabad úthossza nagy (gyakorlatilag ütközésmentes rendszerről van szó). Tekintsük szabad, töltött részecskék mozgását! A Lorentz erővel a mozgásegyenlet: m dv dt q( E v B) Ha E=0, spirál pálya a mágneses erővonal mentén. 6

Mágneses összetartás, lineáris geometria Ha grad B párhuzamos B-vel, úgynevezett mágneses palackot kapunk, amiben a részecskék az összesűrűsödő erővonalak tartományáról visszaverődnek. A közel mágneses térrel párhuzamosan mozgó részecskékre nincs hatással veszteségek a végeken+ stabilitási problémák. https://deep.reak.bme.hu:8080/home/pub/14/ 7

Mágneses összetartás, toroidális geometria A lineáris berendezést tórusz alakúra alakítva a végeffektusok elkerülhetők. Ekkor egy tórusz alakú plazmagyűrűt kapunk. Driftek! 8

Mágneses összetartás berendezéstípusai Tokamak Sztellarátor Toroidális plazmaáram Helikális tekercsek (1) vákuumkamra, (2) mágneses tekercsek, (3) plazma, (4) plazmaáram, (5) mágneses erővonal, (6) mágneses tengely, (7) radiális irány, (8) toroidális irány, (9) poloidális irány 9

10

11

12

13

Transzport mágnesesen összetartott fúziós plazmákban (véges összetartás) Bár a részecskék közötti ütközések ritkák (a szabad úthossz 10-100 m), mégsem elhanyagolhatók. Klasszikus transzport. Diffúziós folyamat, a lépés nagysága a Larmor sugár. Neoklasszikus transzport = klasszikus transzport+toroidális geometria Anomális transzport Plazma turbulencia 14

Plazma turbulencia https://fusion.gat.com/theory/gyro 15

L-mód H-mód H-mód: high confinement mode Feltételek: Jó fal Megfelelő sűrűség Nagy fűtési teljesítmény 16

ELM-ek 17

Plazmahatároló elemek A plazma szélére kijutó részecskék bombázzák a falat amelynek anyaga szennyezi a plazmát. Kontrollált plazma-fal kölcsönhatás: divertor Tipikus hőterhelés 1-100 MW/m 2 18

Limiter és divertor a JET tokamakban 19

Fúziós technológiák: fűtés, áramhajtás Áram (tokamak): Induktív áramgerjesztés (csak impulzus <10 sec) Mikrohullámú áramhajtás (1 GHz-100 GHz, 1MW) Fűtés: Ohmikus fűtés (kevés a fúzióhoz) Semleges részecske (NBI) Mikrohullámú (alsó hibrid) antenna Ion-ciklotron frekvencia (30 MHz) Elektron-ciklotron frekvencia (100GHz) Teljesítmények: 0.5-10 MW/blokk < 40 MW/berendezés Anyagutánpótlás: gázbeeresztés, NBI pelletek 20

Mérőrendszerek, diagnosztikák 21

Fúziós reaktor energiamérlege A fúziós reaktor energiasokszorozását a Q tényezővel szokás jellemezni: Q P f P ahol P h a külső plazmafűtés teljesítménye, P f a felszabaduló fúziós teljesítmény. h Q=0.64 Q=0.2 A Q=1 pontot break even -nek nevezzük. A reaktor üzemeltetése szempontjából ennek nincs jelentősége. 22

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=. Lawson-kritérium: n e 10 20 sm 3 T i 25keV Amikor ez bekövetkezik, akkor a plazma begyújt (ignition). Az égési pontban a plazma stabil állapotban marad, amíg a gázösszetételt és más körülményeket fenn tudjuk tartani. 23

Fúziós plazma összetartásának módjai A Lawson kritérium két lehetséges, szélsőséges esetet kínál: 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. Tehetetlenségi összetartás (Inertial confinement, ICF). A plazma szabadon tágul, a Lawson kritérium teljesüléséhez egy kritikus sűrűséget kell elérni, rövid ideig. (NIF, https://lasers.llnl.gov/) 24

25

Európai fúziós kutatások ITER tokamak Fusion Roadmap Cadarache, Franciaország Építi EU (F4E), USA, Oroszo., Kína, Dél-Korea, India, Japán Célja 10-szeres energiasokszorozás, reaktor technológiák tesztelése Európai (EURATOM) program Célja 2050 előtt hálózatra elektromos áramot termelni DEMO reaktorral Célzott kutatási projektek 26

Út a fúziós energiatermeléshez helyzet 2014-ben 27

Cél: pár 100 MW fúziós energia hálózatra termelése 2050 előtt Fusion Roadmap (2012 vége) Küldetések: 1. Plazma üzemállapotok 2. Hőelvezető rendszerek 3. Neutronsugárzásnak ellenálló anyagok 4. Trícium önellátás 5. Inherens biztonság 6. DEMO tervezése 7. Költséghatékony technológiák 8. Sztellarátorok 28

1. Plazma üzemállapotok Cél: Reaktor-kompatibilis plazma üzemállapotok kifejlesztése Állandósult állapotú tokamak üzemmód (DEMO: több órás kisülések) Magas lesugárzott energiahányad, ugyanakkor jó összetartás Eszközök: ITER egyik fő feladata JET: impulzus üzemmód JT-60SA: állandó üzemmód Kis és közepes méretű tokamakok (ASDEX Upgrade): teljes volfrám fal 29

2. Hőelvezető rendszerek Cél: Divertor hőterhelés kezelése Eszközök: Alap elképzelés: lecsatolt plazma üzemállapot (ELM-eket nem szereti) TCV tokamak: hópehely divertor MAST Upgrade: szuper-x divertor Folyékony fém divertor Divertor Tokamak Test berendezés (nem biztos!) 30

3. Neutronsugárzásnak ellenálló anyagok Cél: Ideális szerkezeti anyag keresése: erős, nem aktiválódik, magas hőmérsékleten is szilárd, bírja a neutronokat Eszközök: Ferrites-martenzites acélok: EUROFER ODS acélok IFMIF-szerű kisebb berendezés (IFMIF későn lenne) Együttműködések fúzión kívül IFMIF: International Fusion Material Irradiation Facility (EU, Japán): http://www.ifmif.org 31

4. Trícium önellátás 32

Milyen köpeny modulok hozhatóak létre? Az előzőek alapján egy köpeny modulnak tartalmaznia kell: - szaporító anyag (szilárd vagy folyékony) - neutronsokszorozó (szilárd vagy folyékony) - hűtőközeg (He, víz, folyékony fém) - szerkezeti anyag Köpeny modul tervezési kritériumok: - megfelelő mennyiségű trícium előállítása - acélszerkezet megfelelő hűtése - komponensekben a megengedett hőmérséklet limitek biztosítása - magas hűtőközeg kilépő hőmérséklet biztosítása - könnyen cserélhető 33

Az ITER TBM portjainak kialakítása Port cella: Trícium kivonó rendszer He hűtőkör LiPb kör szállítórendszer rugalmas csőrendszer pajzs 2 TBM 34

5. Inherens biztonság Cél: Passzív biztonsági filozófia érvényesítése a kezdetektől Eszközök: ITER nukleáris engedélyeztetése kapcsán már bizonyítani kellett az inherens biztonság meglétét Kevés anyag a reakciótérben Hiba esetén azonnal leáll Vákuumkamra az esődleges mérnöki gát Mélységi védelem Trícium-kezelésben kell fejlődni! ITER Vacuum Vessel Pressure Suppression System 35

6. DEMO tervezése Cél: ITER építés tapasztalatai alapján DEMO rendszerszintű tervezés és részrendszerek fejlesztése. Eszközök: ITER tapasztalatok Fűtések hatásfokának javítása Leállási idők minimalizálása nagy cserélhető elemekkel. Távvezérelt karbantartás, fórrókamrák Szeparációs vákuumszivattyú 36

7. Költséghatékony technológiák Cél: Energiaár versenyképességét javító technológiák. Eszközök: Magashőmérsékletű szupravezető technológia alkalmazása Erőműméret csökkentése Magas hőmérsékletű hűtőkör Beruházási költségek optimalizálása Fűtés hatásfokának javítása kevesebb visszatáplált energia 37

8. Sztellarátorok Cél: HELIAS sztellarátor technológia fejlesztése. Eszközök: W7-X (Greifswald) kihasználása W7-X eredményektől függ a jövő DEMO nem lesz sztellarátor, de később lehet sztellarátor erőmű Heliotron fejlesztések Japánnal Kompakt sztellarátor fejlesztések USA-val 38

Fúziós útiterv ütemezése Határozott tervek, projektek 2014-2018 időszakra (Horizon 2020): előkészületek az ITER kihasználására, DEMO koncepcionális tervezés Tervek a folytatáshoz 2019-2020 időszakra (Horizon 2020) 2020-2030 ITER kihasználása, DEMO tervezés 2030-2050 DEMO építés, üzemeltetés Fusion Roadmap: http://www.efda.org/wpcms/wp-content/uploads/2013/01/jg12.356-web.pdf 39

Magyar vonatkozások Minden nagy nemzetközi szervezetben részt veszünk: Fusion for Energy, EUROFUSION, FUSENET Minden projekt nemzetközi csapatban zajlik (EU, Távol-Kelet, USA) Koordinátor: MTA Wigner FK RMI Kutatóhelyek: BME, MTA EK, ATOMKI, SZE, 40

Gyors ionok és kölcsönhatásaik Kritikus téma az alfa-fűtés (és egyéb fűtések) hatásfoka miatt ASDEX Upgrade tokamakon tanulmányozzuk Diagnosztika tervezés, üzemeltetés Gyorsion-veszteség detektorok az ASDEX Upgrade tokamakon Adatfeldolgozás: Idő-frekvencia analízis, sok diagnosztika összehasonlítása Egyéb tranziens események vizsgálata is: ELM, fűrészfog, 41

Elfutó elektronok modellezése Elméleti számítások és numerikus szimulációk Elfutó elektronok kölcsönhatása rezonáns plazmahullámokkal Elfutó elektronok keletkezésének modellezése plazmaösszeomlásokban Elfutó elektronok transzportjának modellezése Integrált tokamak modellezés 42

Atomnyaláb-emissziós modellezése, tervezése Modellezés a RENATE programcsomaggal Teljes rendszer modellezése: nyaláb-plazma kölcsönhatás, optika Cél a tervezés és interpretáció segítése Optikai tervezés az Atomfizika Tanszékkel együttműködve Mechanikai tervezés MTA Wigner FK-val együttműködve COMPASS, ITER, KSTAR, ASDEX Upgrade, EAST rendszerek, 43

ITER plazmaközepi töltéscsere diagnosztika tervezése Atomnyaláb-plazma kölcsönhatást megfigyelő optikai diagnosztika Nemzetközi konzorcium, BME a második legnagyobb partner: Funkcionális tervezés Neutron- és gammatranszport számítások Periszkóp hűtésének szimulációja Wigner FK, Optimal Optik Kft. BME alvállalkozója: Periszkóp optikai tervezés, vezérlések 44

Egyéb fúziós technológiai fejlesztések, számítások Kamerák sugárkárosodása (pl. W7-X sztellarátor) Detektorrendszerek tervezése (pl. köpeny modulok diagnosztikája) Sugárvédelmi számítások (pl. ITER forrókamra) Hűtőkörök termohidraulikai modellezése és tervezése (pl. ITER) DEMO tríciumszaporítás modellezése 45

Kapcsolat BME NTI: Pokol Gergő, pokol@reak.bme.hu MTA Wigner FK: Veres Gábor, veres.gabor@wigner.mta.hu BME tárgyak: Fúziós nagyberendezések, Korszerű nukleáris energiatermelés Fusion Roadmap: Ajánlott irodalom http://www.efda.org/wpcms/wp-content/uploads/2013/01/jg12.356-web.pdf Magyar EURATOM Fúziós Szövetség honlapja: http://magfuzio.hu ITER: http://www.iter.org/ ITER Newsline: http://www.iter.org/newsline F4E: http://fusionforenergy.europa.eu/ EFDA: http://www.efda.org 46