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.

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 1.

Hogyan hozzuk le a Napot a Földre?

Fúziós energiatermelés

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 3.

Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?

Nemlineáris szállítószalag fúziós plazmákban

Bevezetés a fúziós plazmafizikába 3.

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

Napszelidítés: Energiatermelés Szabályozott Magfúzióval?

Fúziós plazmafizika ma Magyarországon

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

Tokamak és sztellarátor napjainkban

A fúzió jövője, az ITER jelene

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

Fúziós kutatások a BME Nukleáris Technikai Intézetében

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

2. Plazmafizikai alapfogalmak

2. Plazmafizikai alapfogalmak. Dósa Melinda

Fúziós plazmafizika ma Magyarországon

Fúziós kutatások az alapoktól napjainkig

A FÚZIÓ JÖVŐJE, AZ ITER JELENE

Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?


Deutériumjég-pelletek behatolási mélységének meghatározása videódiagnosztikával

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

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

Deutérium pelletekkel keltett zavarok mágnesesen összetartott plazmában

KÖSZÖNTJÜK HALLGATÓINKAT!

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

Bevezetés a fúziós plazmafizikába 1.

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Fúziós energiatermelés

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

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

Pelletek ablációjának dinamikai vizsgálata

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

Pelletek térfogatának meghatározása Bayes-i analízissel

Tehetetlenségi összetartású, vagy mikrorobbantásos fúzió

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

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

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

ÚTBAN A JET-TŐL AZ ITER FELÉ

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

Elektron mozgása kristályrácsban Drude - féle elektrongáz

Bevezetés a magfizikába

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

ELM-KELTÉS FOLYAMATÁNAK VIZSGÁLATA FAGYASZTOTT DEUTÉRIUM PELLETEKKEL

Pelletek és forró plazma kölcsönhatásának vizsgálata

DEUTÉRIUMJÉG PELLETEK ÉS FORRÓ PLAZMA KÖLCSÖNHATÁSÁNAK VIZSGÁLATA PhD értekezés

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

Egyetemi jegyzet február 3.

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

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

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

Janecskó Krisztián Eötvös Loránd Tudományegyetem

Általános Kémia, BMEVESAA101

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Tranziens hullámok fúziós plazmákban

Termodinamika (Hőtan)

FIZIKA. Atommag fizika

3. Plazma leírási módszerek, Hullámok

A sugárzás és az anyag kölcsönhatása. A béta-sugárzás és anyag kölcsönhatása

Reakciókinetika és katalízis

Rezgőmozgás. A mechanikai rezgések vizsgálata, jellemzői és dinamikai feltétele

A TÖMEGSPEKTROMETRIA ALAPJAI

3. Plazma leírási módszerek, Hullámok. Dósa Melinda

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

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

Fúziós plazmafizikai kutatások Magyarországon és az Európai Unióban

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

Termodinamikai bevezető

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

1. SI mértékegységrendszer

dinamikai tulajdonságai

Turbulencia tokamakban és tokamak körül

Molekuláris dinamika. 10. előadás

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

összetevője változatlan marad, a falra merőleges összetevő iránya ellenkezőjére változik, miközben nagysága ugyanakkora marad.

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

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

Újpesti Bródy Imre Gimnázium és Ál tal án os Isk ola

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika ZH, október 10.. CHFMAX. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

Turbulencia: Füstoszloptól a H-módig

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

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

Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai

Első magreakciók. Targetmag

instabilitásokat megelőző prekurzor rezgések statisztikája TDK dolgozat

Mechanikai rezgések Ismétlő kérdések és feladatok Kérdések

= Φ B(t = t) Φ B (t = 0) t

LÉZERFÚZIÓS KUTATÁSOK: ENERGIATERMELÉS MIKRO- HIDROGÉNBOMBÁKKAL

Az európai fúziós útiterv

Átírás:

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 egyesítése. 10 8 6 Fúzió 4 He 9 Be 16 12 O C 10 B 56 Fe Hasadás 238 U 4 2 2 D 3 T 3 He 6 Li 0 n, 1 H 1 10 100 1000 Atomtömeg A (amu) 2

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. 3

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

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: D-T D-D 3 He-D N= <σv>n T n D A minimálisan szükséges hőmérséklet kb. 10 kev, azaz kb. 100 millió K 5

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! 6

- 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) 7

Mi az a plazma? Ha egy gáz nagyon ritka és/vagy nagyon forró, az elektronok (teljesen vagy részben) leszakadnak az atommagokról. Elektronok és ionok keveréke jön létre, ez a plazma. 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 keveréke jön létre, ez a plazma. Az Univerzumban a látható anyag legnagyobb része plazma halmazállapotban van: csillagok, napszél, intersztelláris gáz Földi példák: villám, fénycsövek, 9

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 10

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 leárnyékolja. Poisson-egyenlet + Boltzmann-eloszlás exp( 0 x / D ) 0 1 4 0 e x De 0kT 2 n e e Debye-hossz A Debye hossznál nagyobb skálákon a plazma elektrosztatikusan semleges. 11

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! 12

P f (MW) Fúziós reaktor plazma energiamérlege A fúziós reaktor energiasokszorozását a Q tényezővel szokás jellemezni: Q P f P h 15 ahol P f a felszabaduló fúziós teljesítmény, P h a külső plazmafűtés teljesítménye. 0 0 Idő (s) 6 A Q=1 pontot break even -nek nevezzük. A reaktor üzemeltetése szempontjából ennek nincs jelentősége. 13

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=. 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. 14

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 15

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. 16

Tehetetlenségi összetartás Egy magára hagyott gömb hangsebességgel tágul. N, r r cst, 3 0 4r 3 A sűrűség felére csökken c s r 4 0 c S p idő alatt. Ebből kiszámítható, hogy 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. Korlátozni kell a teljes felszabaduló energiát. Praktikus megfontolásokból E max 50 MJ, azaz ρ 100 g/cm 3. Ez kb. 100x a folyékony D-T keverék sűrűsége! 17

Az ICF kapszula összenyomását a felület erős ablálásával oldják meg. Ezt meg lehet próbálni lézerrel vagy részecskenyalábbal. Indirekt hajtás (Indirect drive) Direkt hajtás (Direct drive) 18

Nagyon fontos az egyenletes összenyomás, mert az egyenetlenségek Rayleigh Taylor instabilitást keltenek. Központi begyújtás (central ignition) Gyors begyújtás (fast ignition) 19

National Ignition Facility - begyújtás 2012-ben nem sikerült - most szegényített urán Hohlraum + TD https://lasers.llnl.gov/ 20

Mi kellene egy ICF erőműhöz? 50-100-szoros energiasokszorozás a targetben 10-30%-os hatásfokú meghajtás 5-10 Hz-es működés évente 100 millió target gyártása, legfeljebb 25 cent/db áron Ettől nagyon messze vagyunk! 21

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 exp( t i c Ha E=0, ) dv m dt q( E vxb) A körmozgás frekvenciája: c qb m sugara: 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. 22

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 v d v E v B v c ExB drift gradb drift Drift: Vezetőcentrum (guiding center) mozgása görbületi drift 23

Driftek v E E B 2 B, Töltésfüggetlen, az egész plazmát a két térre merőlegesen elmozdítja. v B mv 2qB 2 L 3 B B, Töltésfüggő elektromos teret kelt. v c 1 qb 2 mv 2 R Rˆ B, gradb drifthez hasonló hatás. 24

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. 25

Mágneses összetartás, toroidális geometria A lineáris berendezést tórusz alakúra alakítva a végeffektusok elkerülhetők. Ekkor egy tórusz alakú plazmagyűrűt kapunk. 26

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) 27

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 28

ITER Wendelstein 7-X A jelenleg épülő legnagyobb tokamak (Cadarache) és sztellarátor Greifswald). 29

Egyensúly A plazma mint kontinuum közeg leírására a magnetohidrodinamika (MHD) alkalmazható. MHD = Hidrodinamika + Maxwell egyenletek Nemlineáris, csatolt, parciális 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). 30

Stabilitás m=0, kolbász (sausage) instabilitás m=1, hurok (kink) instabilitás m=2, filamentációs instabilitás Az instabilitások elnyomására toroidális mágneses teret használunk. 31

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 video 32

Kontrollált plazma-fal kölcsönhatás: divertor Tipikus hőterhelés 1-100 MW/m 2 Pokol Gergő: Szabályozott magfúzió Plazmahatároló elemek A plazma szélére kijutó részecskék bombázzák a falat amelynek anyaga szennyezi a plazmát. 33

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 34

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) 35

Hol tartunk ma? Magfizikai alapok Plazmák előállítása, mérése, összetartása Fúziós technológia: trícium termelés, energetika anyagok Gyorsítós laborkísérletek Plazmafizikai kísérletek Technológiai kísérletek: ITER, IFMIF, CTF, JT-60SA JELEN JÖVŐ Demonstrációs erőmű DEMO Kereskedelmi erőmű 36

Az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) az út Cadarache-ban épül Franciaországban. Első plazma 2021-ben (?) Résztvevő államok: EU, Japán, USA, Dél-Korea, Kína, Oroszország, India Cél: Q=10 (10x energiasokszorozás) Cél: Li-köpeny tesztelése (T-szaporítás) Cél: α-fűtés A mérnöki tervek elkészültek Kulcselemek gyártás alatt 13 10 9 EUR/10 év 37

ITER helyszín - Cadarache 38

Pokol Gergő: ITER, út a fúziós energiatermelés felé ITER helyszín 2009 Fúziós berendezések, 2011. március 31. 39

Pokol Gergő: ITER, út a fúziós energiatermelés felé ITER poloidális tér tekercs szerelő épület 2011 március Fúziós berendezések, 2011. március 31. 40

Pokol Gergő: ITER, út a fúziós energiatermelés felé ITER poloidális tér tekercs szerelő épület 2011 november Fúziós berendezések, 2011. március 31. 41

Pokol Gergő: ITER, út a fúziós energiatermelés felé ITER tokamak épület 2013 tavasz Fúziós berendezések, 2011. március 31. 42

Mikor lesz fúziós erőmű? Mikor lesz fúziós erőmű helyzet 2013-ban 2030 Korea 2050 EU 43

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/newsline, https://lasers.llnl.gov/ BME tantárgyak: - Zoletnik Sándor, Pokol Gergő: Bevezetés a fúziós plazmafizikába (ősszel indul, fúziós plazmafizikai alapok) - Bencze Attila, Veres Gábor: Bevezetés az elméleti plazmafizikába (ősszel indul, általános elméleti plazmafizika) - Pokol Gergő: Fúziós nagyberendezések (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) 44