A fúziós atomerőművek fotonukleáris folyamatainak sugárvédelmi aspektusai Veres Árpád MTA Izotópkutató Intézet, H-1525 Budapest, P.O.B. 77
Az előadás témakörei 1. Fontosabb fénylézer fejlesztések 2. Fúziós plazmabezárási modellek 3. Lézerrel hajtott fúziós erőművek főbb egységei 4. Nukleáris folyamatok fúziós erőműi hatásai és sugárvédelmi aspektusaik
1. Fontosabb fénylézer fejlesztések 1960. Theodore Mainman Fénylézer Foton E: 1,5-3 ev 1961. Lev Rivlin: γ-lézer koncepció. Grézer Foton E: 10 4-10 6 ev 3,6 ns 6, 0 h Két újítás forradalmasította a lézer alkalmazását: 1979. Lézerfény fókuszálása plazmába. Ez, a gyorsítótér gradiens nagymértékű növekedését eredményezte. 99 Tc kev 1994. Lézerimpulzus időtartamának nyújtása, összenyomása. Ez, a GWcm -2 intenzitásoknál csökkentette a drága erősítőoptika súlyos károsodását. 181 142 0
Plazmába lézerfényt fókuszálva a gyorsítóenergia óriási mértékben megnövekszik. T. Tajima, J. M. Dawson: Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979). 10 18 Wcm -2 lézer 100 GeV/m gradiens gyorsítóteret kelt. (Hagyományos gyorsítók gyorsítóterének felső korlátja: 20 MV/m)
CPA Chirped Pulse Amplification. (nyújtás-rövidítés) M. D. Perry, G. Mourou: Science 274, 917, (1994). Femto-szekundomos impulzus-összenyomó (csörpölt) tükrök. Szipőcs R. Ferencz K. Spielman Ch. Krausz F. Optic Letters 19, 201-203, (1994).
Az I > 10 22 W/cm 2 intenzitású lézerek két fontos gyakorlati alkalmazási lehetősége: Fúzió az ionok direkt lézergyorsításával Az ionok egy 10 22 Wcm -2 intenzitású lézerplazma terében oszcillálva, ~ 80 kev ütközési energiát érnek el (DT fúzió csúcsa s tot ~ 5 barn 100 kev). Fúziós erőmű. Direkt kölcsönhatás az atommaggal Az elektromos tér oszcillációja a mag protonenergiáját 10 24 Wcm -2 intenzitásnál 2,5 kev-el tolja el, ami az atommag bomlásához vezet. Nukleáris hulladékcsökkentés.
2. Fúziós plazmabezárási modellek A plazmafűtőanyag (nagy sűrűség és magas hőmérséklet) bezárásának elérési módszerei: Gravitációs bezárás asztrofizikai környezet. Mágneses bezárás (Tokamak). A plazmában levő Lorentz-térerőn át a külső mágnes tér gátolja a forró plazma kialakulását. Kis részecskesűrűség: 10 18-10 22 m -3 Nagy lineáris méret: 0,1-10 m. Inerciális bezárás (lézer). Nincs gát. A bezárás és a részecske tehetetlenségi (inercia) ideje azonos. Részecskesűrűség: 10 31-10 33 m -3. Kis plazmasugár: 1-100 μm. htpp://rmki.kfki.hu/~zoletnik Fúziós energia és technológia
Kapszula (hohlraum) és a DT cseppecske (UCRL-5200-01-11, December 30, 2001) Indirekt fúzió, a kapszulát fűtik fel 2-3 millió K -ra a gyújtáshoz Direkt fúzió: 2 mm Ø gömb; Be-Cu héj (sárga körgyűrű), 0,2 mm DTjég (zöld körgyűrű), sűrűsége: 0,25g/cm 3, belső DT-gáztér (fehér körlap), sűrűsége: 10-4 g/cm 3. Néhány mikrométerre összenyomás utáni gyújtás (jobboldali kép).
A gyors direktfúzió animációja Belövés kompresszió gyújtás robbanás (ns-ps) Szimmetrikus kis-e lézerek lökéshullámai 1000x-ére nyomják a gömbsűrűségét. Hőmérsékletét több tízmillió fokra emelve. Egy erősebb lézer gyújtja a fúziót, s az óriási hőenergiát a hűtőközegek árammá alakítják. A módszer világrekord szintre, emeli a fúziósenergia előállítását és tizedére csökkenti a költségeket.
3. Lézer-fúziós erőművek főbb egységei. KOYO-F reaktor-modul keresztmetszeti nézete (Norimhatsu et al. FT/P5-39 ) 32 összenyomó, egy gyújtólézer, és két target belövő. A TD golyócska, középen, 150 nagyítású. 1 blokk: 916 MW th 300 MW e, 4 blokk: 1200 MWe. Folyékony Li, (V-4, Cr-4, Ti szerkezeti anyag),
High Power laser Energy Research facility (HiPER) 2007; 10 ps, 70 kj, 4 PW, kisteljesítményű összenyomó lézerek. Program ind.: 2007. Konstrukciós fázis. 2011/12 év, koncepció ellenőrzése. Költség: 1/10 NIF. Erősítés: NIF 20/4 kj, Q = 5; HiPER: 25000/270 kj Q ~ 90. Résztvevők, Európa 10 ország (28 int.): UK (6); Cseh (2); Francia (3); Görög (3); Lengyel (1); Német (5); Olasz (3); Orosz (2); Portugál (2); Spanyol (1). Amerika: USA (2); Kanada (1). Ázsia: Japán (1); Dél Korea (1); Kína.
Laser Inertial Fusion Energy, LIFE program (8 laboratórium, 4 egyetem, 6 vállalat, US)*
Néhány berendezés és erőmű látképe NIF, LLNL, USA LMJ, CESTA, Bordeaux, France SG-III, Menyang, CAEP, Kína KOYO-F, Japán Erőmű OMEGA-EP, LLE, Rochester US ISKRA-5" laser kamra, Orosz O.
4. A nukleáris folyamatok fúziós erőműi hatásai és sugárvédelmi aspektusaik. 3 H( 2 H,n,γ) 4 He (3,5) +n (14,1) + γ (16,7) MeV g(16,7 MeV) 3/2 + -0,9 MeV Q=17,6 MeV n(14,1 MeV) α(3,5 MeV) 4 He n 5 He γ (16,7 MeV) 3/2 - G g /G n = 2 10-5 : 100 000 reakcióból 2 γ 16,7 keletkezik
1000 MW th erőmű Y n, Y g, Y n,g és Y fn hozamainak becslései: Alapadatok, 1 DT: Q = 17,6 MeV = 2,73 10-12 Ws; Γ γ /Γ n =2 10-5 ; s[ 12 C(n,g) 13 C] 10-4 s[ 13 C(g,n) 12 C] (tükörreakció). Y n = 10 9 MW/ 2,73 10-12 Ws = 3,66 10 20 n/s Y g = 2 10-5 3,66 10 20 = 0,73 10 16 g/s (16,7 MeV) Y n,g = 10-4 3,66 10 20 = 3,66 10 16 g/s (>10 MeV) ~ 4,4 10 16 g/s Y fn = 10 12-10 14 n/s (a g-abszorpció ~3 %-a kelt fotoneutronokat)
Trícium keletkezése a fúziós reaktor PbLi eu ( 7 Li 92,5% ; 6 Li 7,5% ) hűtőfolyadékában Magreakciók: 7 Li(n, n a) 3 H; n ef = 3,9MeV s ef = 3,28 10-25 cm 2 = 0,328 barn. Y ITER : 2-3 kg T/év, DEMO: 4-10 kg T/év 6 Li(n,a) 3 H; s = 950 barn, ami termikus neutronokra, 100 kev-ig 1/v szerint változik. A rezonanciaérték 240 kev-nél van. Potenciális probléma: 70-100 t/év T-t tartalmazó nehézfém hulladék is keletkezik. Lítium-7 n Lítium-6 n Hélium-4 Trícium n Hélium-4 Trícium
1000 MW e fúziós erőmű trícium, deutérium igényei és költségeik T és D igény/év: 10 9 Ws 365 86400 = 3 10 16 J; 1 mol TD:6 10 23 1,76 10 7 1,6 10-19 =1,6 10 12 J 3 10 16 /1,6 10 12 ~ 2 10 4 mol ~ 60 kg T; 40 kg D Trícium kínálati árak: L. J. Wittenberg UWFDM-871, (1991). A fúziós reaktorokban Li-al termelt T ára: 260-1420 /g. Scott Wilms, LANL 2003. Atomreaktorokban: Régi DOE ár: 10 000 /g; A 2003-s Kanadai ár: 30 000 /g; A várható USA ár: 100 000-200 000 /g. 60 kg T ára: 12 M ; 40 kg D ára: 52 000. 1 kwó áram DT költsége =0,033 = 3,3 cent.
A kanadai CANDU reaktorok által termelt trícium készletek valószínű alakulása. T(kg) 30 25 20 15 10 5 0 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 év Fenti 22 CANDU reaktor mellett további 12 más típusú reaktor is termel tríciumot.
USA T-termelésének a rövid története 1953-55: Csak atomreaktorokban folyik T-termelés 1976-88: Új termelési módszerek keresése. 1979: Three Mile Island reaktor baleset 1986: Csernobil katasztrófa. 1987: N, C típusú reaktorok leállítása. 1988: K, L, P típusú reaktorok leállítása. 1889: K-reaktor (Pu) felújítása, új MHTG, HWR, LWR reaktorok tervezése 1990: MHTG és HWR reaktort választották. 1991: Katonai választás, csak a K-reaktor. 1992-ben 1,5 Mrd $-t költöttek, az NPR program helyett. 1993: K-reaktor törölve. 1995: APT elsődleges választás és a CLWR támogatása. 2003: Az elérhető T mennyisége: 18,5 kg 2011: A termelés a START II. dátumok szerint újraindul.
Összefoglalás Bemutattuk, hogy a lézerrel hajtott fúziós erőművek rutinszerű elterjedésének nincsenek műszaki akadályai. A szerkezeti anyagok megválasztása, a trícium kellő mértékű biztosítása még komoly erőfeszítést igényel. De a fúziót követő másodlagos folyamatok nyomon követése is számos sugárvédelmi problémát felvet. Egyik főfeladat a DT fúzió foto-nukleáris effektusainak sugárvédelmi ellenőrzési módszereinek a kidolgozása. A személy és környezetvédelemben különösen a trícium nyomon követése, folyamatos mérése, az ínkorporáció bizonylatolása a másik fontos feladat. Kívánatos lenne az is, hogy a kereskedelmi fúziós erőművek - ma 10-15 évre prognosztizált - várható megjelenésekor már ezekben a kérdésekben is jól képzett szakember gárdával rendelkezzünk.
Szeretném remélni azt is, hogy a HiPER lézer programot megvalósító konzorciumban, a 7 EUtagállam (Cseh, Francia, Görög,Olasz, Portugál, Spanyol és UK.) mellett hazánk is szerephez jut. Remélem, hogy fiatal sugárvédelemi kutatóink részt vesznek még számos itt nem említett részlet feltárásában, s így is segítik a környezet védelemét, a tisztább lézerrel hajtott, fúziós erőművek minél hathatósabb fejlesztésével. Köszönöm a figyelmüket