Szabályozott magfúzió

Hasonló dokumentumok
Szabályozott magfúzió

Szabályozott magfúzió

Szabályozott magfúzió

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 2.

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

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 2.

Hogyan hozzuk le a Napot a Földre?

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 1.

Fúziós energiatermelés

Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 3.

Nemlineáris szállítószalag fúziós plazmákban

Bevezetés a fúziós plazmafizikába 3.

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

Fúziós plazmafizika ma Magyarországon

Tokamak és sztellarátor napjainkban

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

Napszelidítés: Energiatermelés Szabályozott Magfúzióval?

A fúzió jövője, az ITER jelene

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

Fúziós kutatások a BME Nukleáris Technikai Intézetében

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

Fúziós plazmafizika ma Magyarországon

2. Plazmafizikai alapfogalmak

2. Plazmafizikai alapfogalmak. Dósa Melinda

A FÚZIÓ JÖVŐJE, AZ ITER JELENE

Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?

Fúziós kutatások az alapoktól napjainkig


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

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Deutériumjég-pelletek behatolási mélységének meghatározása videódiagnosztikával

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

Deutérium pelletekkel keltett zavarok mágnesesen összetartott plazmában

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

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

3. Plazma leírási módszerek, Hullámok

Fúziós energiatermelés

Pelletek ablációjának dinamikai vizsgálata

KÖSZÖNTJÜK HALLGATÓINKAT!

Bevezetés a fúziós plazmafizikába 1.

3. Plazma leírási módszerek, Hullámok. Dósa Melinda

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Elektron mozgása kristályrácsban Drude - féle elektrongáz

Tranziens hullámok fúziós plazmákban

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

DEUTÉRIUMJÉG PELLETEK ÉS FORRÓ PLAZMA KÖLCSÖNHATÁSÁNAK VIZSGÁLATA PhD értekezés

Pelletek térfogatának meghatározása Bayes-i analízissel

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Egyetemi jegyzet február 3.

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

Janecskó Krisztián Eötvös Loránd Tudományegyetem

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

Számítógépes plazmafizika: szuper-részecskéktől a hiper-diffúzióig

Termodinamika (Hőtan)

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

ÚTBAN A JET-TŐL AZ ITER FELÉ

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

ELM-KELTÉS FOLYAMATÁNAK VIZSGÁLATA FAGYASZTOTT DEUTÉRIUM PELLETEKKEL

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

Reakciókinetika és katalízis

Turbulencia tokamakban és tokamak körül

Jegyzet. Kémia, BMEVEAAAMM1 Műszaki menedzser hallgatók számára Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár Dr Madarász János, egyetemi docens.

FIZIKA II. Az áram és a mágneses tér kapcsolata

Az α értékének változtatásakor tanulmányozzuk az y-x görbe alakját. 2 ahol K=10

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Bevezetés a magfizikába

Pelletek és forró plazma kölcsönhatásának vizsgálata

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

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

1. ábra. 24B-19 feladat

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Termodinamikai bevezető

Általános Kémia, BMEVESAA101 Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár. Az anyag Készítette: Dr. Csonka Gábor egyetemi tanár,

Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

Folyadékok és gázok áramlása

3. Plazma leírási módszerek, Hullámok

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

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Theory hungarian (Hungary)

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Turbulencia: Füstoszloptól a H-módig

Diffúzió 2003 március 28

instabilitásokat megelőző prekurzor rezgések statisztikája TDK dolgozat

Időben állandó mágneses mező jellemzése

Tehetetlenségi összetartású, vagy mikrorobbantásos fúzió

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Általános Kémia, BMEVESAA101

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

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

1. SI mértékegységrendszer

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

A gamma-sugárzás kölcsönhatásai

Átírás:

Szabályozott magfúzió Pokol Gergő BME NTI Magfizika 2017. május 4.

Szabályozott magfúzió A fúzió fizikájáról Tehetetlenségi összetartás Mágneses összetartás Hol tartunk ma? Fúziós útiterv 2

Magenergia felszabadítása maghasadás 3

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 rendkívül alacsony. 4

3 p Magreakciók 2 3 He (d,n) Hélium 4 He (d,p) (d,n) H D T (d,p) Deutérium Trícium 1 2 n 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) 5

- Megvalósítható-e energiatermelő fúziós reaktor gyorsítóval? - Nem, mert a fúziós reakciók hatáskeresztmetszete sok nagyságrenddel kisebb a Coulomb szórásénál. Energiatermelő fúziós reaktor csak termikus közeggel valósítható meg. (termonukleáris fúzió) 6

A reakció valószínűségét a <σv> reakció rátával adjuk meg, ahol σ a hatáskeresztmetszet, v a sebesség és a < > szimbólum a Maxwell sebességeloszlásra vett átlagot jelenti. Reakciók száma egységnyi idő alatt, egységnyi térfogatban: N= <σv>n T n D A minimálisan szükséges hőmérséklet kb. 10 kev, azaz kb. 100 millió K 7

Trícium kör A deutérium nagy mennyiségben kinyerhető vízből, de a tríciumot tenyészteni kell a reaktorköpenyben: 6 Li + n(termikus) 4 He + T 7 Li + n(gyors) T + 4 He + n A bemenő és a kimenő izotópok is stabilak, és a természetben nagy mennyiségben előfordunak! 8

Mi az a plazma? Ha egy gáz nagyon ritka és/vagy nagyon forró, az elektronok (teljesen vagy részben) leszakadnak az atommagokról. Elektronok és ionok (és semleges részecskék) keveréke jön létre, ez a plazma. 9

Mi az a plazma? Ha egy gáz nagyon ritka és/vagy nagyon forró, az elektronok (teljesen vagy részben) leszakadnak az atommagokról. Elektronok és ionok (és semleges részecskék) keveréke jön létre, ez a plazma. Az Univerzumban a látható anyag legnagyobb része plazma halmazállapotban van: csillagok, napszél, intersztelláris gáz Földi példák: villám, fénycsövek, 10

A plazma tulajdonságai I Tegyük fel, hogy egy adott térfogatban az elektronok elmozdulnak adott x távolságra az ionoktól. Első közelítésben az ionok mozdulatlanoknak tekinthetők. E en e 0 x Az elektronokra a kitéréssel arányos visszatérítő erő hat. Ez harmonikus rezgőmozgást okoz ω pe körfrekvenciával. (Plazmafrekvencia) pe nee m 0 2 e 11

A plazma tulajdonságai II Tegyünk egy egységnyi töltésű próbatöltést a plazmába! Ekkor a plazma elektronjai és ionjai úgy fognak mozogni, hogy a kialakuló erőtér a próbatöltés terét leárnyékolják. Poisson-egyenlet + Boltzmann-eloszlás r rexp( r / ) r 0 D 0 1 4 0 e r De 0kT 2 n e e Debye-hossz A Debye hossznál nagyobb skálákon a plazma elektrosztatikusan semleges. 12

A plazma szűkebb definíciója kvázisemleges (az elektronok és ionok össztöltése lokálisan (első közelítésben) megegyezik) N D D L kollektív (a Debye-térfogaton belül sok részecske van) 4 3 Dn 1 3 ionizált (a plazmarezgés egy periódusa alatt átlagosan nem ütközik semleges atommal) p 1 A plazma komponenseinek sűrűségét az elektromos terek összekapcsolják, de a komponensek sebessége és hőmérséklete különböző lehet! 13

Fúziós reaktor plazma energiamérlege A fúziós reaktor energiasokszorozását a Q tényezővel szokás jellemezni: Q P f P ahol P f a felszabaduló fúziós teljesítmény, P h a külső plazmafűtés teljesítménye. h Q=0.64 Q=0.2 A Q=1 pontot break even -nek nevezzük. A reaktor üzemeltetése szempontjából ennek nincs jelentősége. 14

Fúziós reaktor begyújtása 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=. 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. 15

A begyújtás feltétele Az 50-50 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 3 nkt 2 C( T) Optimális hőmérsékleten ez a Lawson kritérium: n e 10 20 sm 3 T i 25keV Az optimális hőmérséklet körül fúziós hármasszorzat: n e T i 10 21 kevsm 3 16

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 energia termeléshez egy kritikus energiaösszetartási időt kell elérni alacsony sűrűség mellett. 17

Tehetetlenségi összetartás A Lawson-kritériumnak tehetetlenségi összetartás esetén ρr 1 g/cm 2 felel meg. ρ=1 g/cm 3 és r=1 cm mellett 3.5x10 5 MJ energia szabadul fel, ez 85 t TNT energiájának felel meg a folyadék sűrűségének kb. 1000-szeresére kell összenyomni egy ~mm-es kapszulát. Ezt meg lehet próbálni lézerrel (NIF) vagy részecskenyalábbal. https://lasers.llnl.gov/ Cryogenic hohlraum target Silicon arms Heaters 9 mm Thermal sensors 18

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: v v x y t t v A körmozgás frekvenciája: v sin t c cos t c c qb m dv m dt sugara: qvxb r L m v qb Ez a ciklotron/larmor frekvencia. Adott mágneses térnél csak a részecskére jellemző. A keringés iránya a töltés előjelétől függ: az ionok és az elektronok ellentétes irányban mozognak. 19

Térben lassan változó elektromos és mágneses tér esetén válasszuk szét a sebességet időben gyorsan és lassan változó komponensekre! v v v, c d dv dt c dv dt d ion v d v E v B v c electron ExB drift gradb drift Drift: Vezetőcentrum (guiding center) mozgása görbületi drift 20

v E B E B 2 B, Töltésfüggetlen, az egész plazmát a két térre merőlegesen elmozdítja. Driftek v B mv 2qB 2 L 3 B B, Töltésfüggő elektromos teret kelt. v c mv qb 2 2 R 2 R B, gradb drifthez hasonló hatás. 21

Mágneses összetartás, lineáris geometria Ha grad B párhuzamos B-vel, úgynevezett mágneses palackot kapunk, amiben a részecskék az összesűrűsödő erővonalak tartományáról visszaverődnek (mágneses tükörerő). A közel mágneses térrel párhuzamosan mozgó részecskékre nincs hatással veszteségek a végeken+ stabilitási problémák. 22

Mágneses összetartás, toroidális geometria A lineáris berendezést tórusz alakúra alakítva a végeffektusok elkerülhetők. Ekkor egy tórusz alakú plazmagyűrűt kapunk. 23

A tér görbülete miatt az elektronok és az ionok fel- ill. lefelé driftelnek. A töltésszétválás létrehoz egy függőleges elektromos teret. Az E x B drift az egész plazmát kifelé mozgatja a mágneses téren keresztül. A drift hatása kiküszöbölhető, ha a mágneses erővonalakat helikálisan megtekerjük: elektromos rövidzár a plazma alja és teteje között. Sztellarátorok (külső tekercsekkel) Tokamakok (plazmaárammal) 24

Tokamak Sztellarátor (1) vákuumkamra, (2) mágneses tekercsek, (3) plazma, (4) plazmaáram, (5) mágneses erővonal, (6) mágneses tengely, (7) radiális irány, (8) toroidális irány, (9) poloidális irány 25

ITER Wendelstein 7-X A jelenleg épülő legnagyobb tokamak (Cadarache) és sztellarátor Greifswald). 26

Egyensúly A plazma mint kontinuum közeg leírására a magnetohidrodinamika (MHD) alkalmazható. MHD = Hidrodinamika + Maxwell egyenletek Nemlineáris, csatolt, differenciál egyenlet rendszer. Néhány elemi esettől eltekintve analitikusan kezelhetetlen. Alapkonfiguráció a tokamak (toroidálisan szimmetrikus). Ma is kutatások tárgya új egyensúlyi konfigurációk keresése (főleg a sztellarátoroknál). 27

Tömeg kontinuitás-egyenlet: Pokol Gergő: Szabályozott magfúzió MHD egyenletek dm dt V m 0 Impulzus-egyenlet: m dv dt j B p Adiabatikus állapotegyenlet: d dt p m 0 Ohm-törvény: E V B j Amper-törvény: Faraday-törvény: B 0j B E t B 0 28

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 (többfolyadék elmélet + kinetikus tagok) Anomális transzport Kis skálájú instabilitások, plazma turbulencia 29

Teljes kétfolyadék egyenletrendszer ne Kontinuitás-egyenlet: Ve ne ne Ve 0 t Ve Impulzus-egyenlet: mene Ve Ve p t Energia-egyenlet: Kontinuitás-egyenlet: Impulzus-egyenlet: Energia-egyenlet: 3 2 n t Te ne t i V Vi mini t 3 2 i Ti ni t e π e en V e Te pe Ve qe πe : V lezárás elektronokra n i n V V V i i i i i i 0 p i i π i i ez V T p V q π : V lezárás ionokra i i e E Ve B Rei e Q ei E Vi B Rie i i 1 E B ez inivi eneve 0 t 0 Q ie 0 E ez n en i B E t i e B 0 30

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 (többfolyadék elmélet + kinetikus tagok) Anomális transzport Kis skálájú instabilitások, plazma turbulencia 31

Turbulens transzport https://fusion.gat.com/theory/gyro 32

L-mód H-mód H-mód: high confinement mode Feltételek: Jó fal Megfelelő sűrűség Nagy fűtési teljesítmény 33

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 34

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 35

Út a fúziós energiatermeléshez 2017 2020 2030 2050 36

A rendkívül komplex fúziós berendezések működését nem lehet teljesen modellezni. Az eddigi berendezések működése alapján empírikus skálatörvényeket állítottak fel az extrapolálásra. Pld. H-mode skálatörvény: τ E,th : Energiaösszetartási idő [s] τ E,th = W/P ext I p : Plazmaáram [MA] B T : Toroidális mágneses tér [T] P: Fűtési teljesítmény [MW] n e : Átlag elektronsűrűség [m-3] M: Atomtömeg [AMU] R: Tórusz nagysugár [m] ε: Kissugár/nagysugár κ x : Plazma nyúltsága (alakfaktor) További skálatörvények is vannak: Minimális fűtés a H-mode belépéshez Maximális sűrűség (felette diszrupció) Maximális nyomás (felette instabil) 37

Az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) Cadarache-ban épül Franciaországban. Első plazma: 2025. november 25. 12:00 Résztvevő államok: EU, Japán, USA, Dél-Korea, Kína, Oroszország, India Cél: Q=10 (10x energiasokszorozás) Cél: Li-köpeny tesztelése (T-szaporítás) Cél: α-fűtés ~ 20 milliárd EUR 38

ITER 2017 https://www.youtube.com/watch?v=1-xejqkjf_c 39

ITER tokamak pit, 2017 március 40

ITER összeszerelő épület, 2017 január 41

ITER poloidális tér tekercsek készítése, 2017 január 42

ITER helyszín, 2017 január 43

Európai Fúziós Útiterv Cél: pár 100 MW fúziós energia hálózatra termelése 2050 előtt 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 Fusion Roadmap: https://www.euro-fusion.org/wpcms/wp-content/uploads/2013/01/jg12.356-web.pdf 44

Ez az előadás elérhető: www.reak.bme.hu/pokol BME NTI Fúziós csoport: http://www.reak.bme.hu/kutatas/fuziokutatas Információ az Interneten: www.magfuzio.hu, http://www.iter.org (VR!), www.euro-fusion.org, https://lasers.llnl.gov/ BME tantárgyak: - Zoletnik Sándor, Pokol Gergő: Bevezetés a fúziós plazmafizikába, Plasma physics (ősszel indul, fúziós plazmafizikai alapok) - Bencze Attila, Veres Gábor: Bevezetés az elméleti plazmafizikába (ősszel indul, általános elméleti plazmafizika) - Pokol Gergő: Fusion devices (tavasszal indul, tokamakokról, sztellarátorokról) - Fúziós plazmafizika labor - SUMTRAIC kísérleti fúziós plazmafizika nyári iskola (valamelyik fúziós tárgy előkövetelmény) - Egyéb haladó kurzusok EU Masters in Fusion Certificate (FUSENET) 45