Tematika 1. Az atommagfizika elemei 2. Magsugárzások detektálása és detektorai 3. A nukleáris fizika története, a nukleáris energetika születése 4. Az atomreaktor 5. Reaktortípusok a felhasználás módja szerinti csoportosításban 6. Atomreaktorok generációi 7. Magyarországi atomerőművek 8. Mini atomerőművek 9. Reaktorbiztonság, sugárvédelem 10. Atomerőmű balesetek 11. Atomerőmű és környezetvédelem 12. Fúziós erőművek 13. Természetes reaktorok
A magfúzió, avagy a jövő egy lehetséges új energiaforrása
Tartalom Földünk energiafelhasználása Energiaforrásaink (ma és holnap ) A fúzió, a barátságos energiaforrás o o o (plazmafizika) Feltétel a fúzióra módozatok kis sűrűségű, de hosszú élettartamú plazmák tokamakok, sztellarátorok sűrű, de rövid élettartamú plazmák lézerfúzió A lézerfúziós elképzelések Magyar részvétel a fúziós kutatásokban Összefoglalás
Földünk energiafelhasználása Modern társadalom nem létezhet ipari méretű energiatermelés nélkül, mely mindenki számára biztosítja az energiaforrásokhoz való egyenlő hozzáférést. Az emberiség növekvő energiaigényének fedezéséhez egyre több energiaforrás szükséges. Az energiafelhasználás ugrásszerű növekedése a XX. században 2020-ra újabb 25%-kal nő a fogyasztás Okok: o Fejlődő országok energia felhasználása nő o Népesség növekedés o Iparosodás növekedése Magyarország energiafogyasztása: o 3 MWh/év/fő o 3 10 13 Wh/év
Energiaforrásaink Az emberiség energiaforrásai: Ma 3 csoportba sorolhatók: o Fosszilis tüzelőanyagok (domináns) Évmilliók alatt felhalmozott napenergia o Nukleáris hasadóanyagok Atommagok átalakításából nyert energia o Megújuló energiaforrások A napsugárzás ill. Az időjárás által állandóan újratermelt források Holnap o a fúziós reakció, mint ideális energiaforrás o? A világ energiaellátása ma a fosszilis tüzelőanyagokra épül.
Fosszilis tüzelőanyagok Szén: ma már főként erőművekben használják. A Föld szénkészletei több, mint 200 évre elegendőek. (Az USA Energiaügyi Minisztériuma becsült adata.) Olaj: a közlekedés legfőbb energiaforrása, a ma feltárt és hagyományos technikákkal kinyerhető készletek mintegy 30-40 évre biztosítottak. (Az USA Energiaügyi Minisztériuma becsült adata.) Földgáz: A fűtés fő energiaforrása. A készletek kb. 60-70 évre elegendőek. (Az USA Energiaügyi Minisztériuma becsült adata.) A fosszilis energiahordozók felhasználása környezetvédelmi okokból és a készletek kimerülése miatt elkerülhetetlenül csökkenni fog.
Nukleáris hasadóanyagok A mai atomerőművek az urán 235-ös tömegszámú izotópját használják működésükkor. Az urán 235-ös magja neutronok hatására elhasad, és eközben nagy mennyiségű energia szabadul fel. A Földön található urán 235 a becslések szerint legfeljebb 100 évre elegendő. Speciális reaktorokban urán 238-ból és tóriumból további hasadó üzemanyagok termelhetők. Szigorú biztonsági előírások betartása mellett az atomenergia termelés rendkívül olcsó és környezetbarát. A nukleáris erőművekben keletkező erősen radioaktív anyagokat több száz évig biztonságosan kell tárolni ill. Olyan technológiákat kell kidolgozni, amelyekkel ezek átalakíthatók gyorsabban lebomló radioaktív anyagokká transzmutáció.
Megújuló energiaforrások Napenergia: A Napból hatalmas mennyiségű energia érkezik a Földre napsugárzás formájában. Energiatermelésre ennek csak egy kis része használható, amely azonban így is mintegy 100-szorosa az egész emberiség energia igényének. o o a.) napelemek b.) napkollektorok (a napsugarakat a csőre fókuszálva a benne áramló folyadék felmelegszik.) energiatudatos építkezés Szélenergia: Ma a leggyorsabban fejlődő megújuló energiaforrás. Csak néhány országban játszik ma számottevő szerepet: Németország 3%, Dánia 14% A nap- és a szélenergia legnagyobb problémái a térben és időben egyenetlen eloszlás és az óriási helyigény.
Megújuló energiaforrások Vízenergia: A legnagyobb mértékben hasznosított megújuló energiaforrás, viszont a világ egész gazdaságosan kiaknázható vízenergia készlete nem lenne képes fedezni az összes szükségleteink 25%-át sem. A gazdaságosan kiaknázható vízenergia készlet 12%-a már foglalt. Csak a fejlődő országokban vannak még jelentős szabad kiaknázható kapacitások.
Megújuló energiaforrások Biomassza: Biomassza energiának a növényekből kinyerhető energiát nevezik, amelyet azok a napsugárzásból merítenek. Magyarországon sokkal jelentősebb, mint bármely más megújuló forrás. Alapvetően kétféle módon hasznosítható: o o Ipari növények termesztése járművek hajtására (repce, napraforgó) Növényi anyagok felhasználása erőművekben (pl. fa, nád)
Megújuló energiaforrások Hullám energia: A tengerek és az óceánok állandó hullámzását kihaszánló energia forrás. Állandó energiát biztosít. Árapály energia: A Hold Földre gyakorolt hatására építő erőmű típus. Szakaszos, de jól tervezhető ciklusokkal bír. Geotermikus energia: A földfelszín alatt rejő lehetőségeket aknázhatja ki. Állandó.
Megújuló energiaforrások Összefoglalás: A megújuló energiaforrások a jövő meghatározó energiaforrásai lehetnek. Jelentőségük, a környezetvédelmi törekvések erősödésével folyamatosan nő, és a jövőben valószínűleg egyre nagyobb szerepet kapnak az energiatermelésben. A megújuló energiaforrások egyedül nem lesznek képesek kielégíteni növekvő energiaigényeinket.
Az ideális energiaforrás Környezetbarát Biztonságos Kis területen állít elő energiát Nagy mennyiségű energiát termel Folyamatos energiaellátást biztosít Olcsó Kimeríthetetlen mennyiségben található meg a Földön Az emberiség által ma használt energiaforrások egyike sem ideális energiaforrás.
Energiatermelés magegyesítéssel A fúziós reakció Az atomerőművekben az anyagban rejlő hatalmas energia felszabadításához nagy tömegű atommagokat több részre hasítanak. Ez a hasadás, vagy más néven fisszió. Létezik egy ezzel ellentétes folyamat, amellyel szintén nagy mennyiségű energia termelhető. Az atommagok protonokból (piros golyók) és neutronokból (fehér golyók) állnak. Ha két kis tömegű atommag elegendően nagy sebességgel ütközik egymásnak, akkor egyesülhetnek, és energia szabadul fel. Ezt az energiát az új atommag gyors részecskék formájában kisugározza.
A fúziós reakció energiamérlege A fúzió végtermékeinek össztömege kisebb a kiinduló magok össztömegeinél. A tömegkülönbségnek megfelelő energia felszabadul a reakció során. Energia Meghatározás: Az atommagok egyesülésével járó folyamatot magfúziónak, röviden fúziónak nevezzük.
A fúzió, a barátságos energiaforrás I. Deutérium-trícium fúziós reakció D + T 4 He(3.52 MeV) + n(14.1 MeV) (1eV = 1,6 10-19 J)
Fúzió A csillagok energiaforrása A fúzió az a nukleáris kölcsönhatás, amely a csillagok (pl. a Nap) belsejében energiát termel. A csillagokban a fúziós reakciók során hidrogénből hélium és más nehezebb elemek keletkeznek. A Napban a fűtőanyagot a tömegvonzás fűti fel és tartja csapdában megteremtve ezzel a fúzió feltételeit. A világegyetemben évmilliárdok óta működnek természetes fúziós reaktorok.
A fúziós energiatermelés a Földön is megvalósítható? Igen. A Földön is lehetne olyan berendezést fúziós reaktort építeni, amely képes atommagokat egyesíteni ls abból energiát termelni. A fúzió 3 feltétele kell teljesüljön a Földön: A Földön a Naphoz képest elenyésző tömegű fúziós anyag használható. Ezt a Föld saját tömegvonzása nem képes összetartani, ezért más csapdát kell alkalmazni és a Napnál kb. 10-szer magasabb hőmérsékletet kell elérni.
A fúzió üzemanyaga a deutérium és a trícium
Mennyi kiinduló anyag kellene? Magyarország egy év i v illamosenergia szükségletének biztosításához kb 10 millió tonna szénre lenne szükség. Egy Magyarország teljes v illamosenergia igényét fedező fúziós erőmű 1 év i működéséhez mindössze 150 kg deutérium és mintegy 230 kg trícium lenne szükséges.
Hol találunk deutériumot? A vízmolekula két hidrogén és egy oxigén atomból áll. Bolygónk vizeiben minden hatezredik hidrogén atom deutérium. Az óceánok, tengerek és folyók évmilliókig elegendő mennyiségű deutériumot rejtenek. Tengervízben és óceánok vizében több millió évre rendelkezésre áll.
Hol találunk tríciumot? A trícium radioaktív anyag. Felezési ideje 12 év. Ezért a Földön csak rendkívül kis mennyiségben fordul elő. Lítium Lítiumból előállítható több millió évre rendelkezésre áll. A fúziós reakcióban keletkező neutron segítségével előállítható viszont lítiumból, amely viszont hatalmas mennyiségben található a földkéregben és a tengerekben.
Egy fúziós erőmű vázlata
A fúziós erőmű elve A tervek szerint a deutérium-trícium fúziós reakció során keletkező neutronok a reaktor körüli lítium tartalmú köpenyben nyelődnek el. A lítiummal törtent reakció eredményeképpen trícium keletkezik, amit visszatáplálnak a reaktorba. A fúziós erőmű tehát önmaga termeli meg üzemanyagát. A köpenyben elnyelődött energiával vizet forralnak, majd gőzturbinát hajtanak meg. A fúziós erőmű kiinduló és végterméke sem radioaktív anyag
A fúziós energiatermelés biztonságos A fúziós erőművekben egyszerre kevesebb, mint 1 gramm üzemanyag vesz majd részt a reakcióban és az egész berendezésben sem található néhány száz grammnál több trícium. Ez a mennyiség még akkor is elhanyagolható kockázatot jelent az élő környezetre, ha teljes egészében kikerül a reaktorból.
A fúziós energiatermelés biztonságos Hibás reaktor működés esetén a reakció néhány másodperc alatt véget ér, így a fúziós erőművekben soha nem történhet megszaladásos reaktor baleset. Az elképzelhető legsúlyosabb baleset esetén sem kell kitelepíteni senkit. A fúziós erőművek alaptermészetükből fakadóan biztonságosak
A fúziós energiatermelés környezetbarát Nincs CO2 kibocsátás. Nincs károsanyag kibocsátás. Nem keletkeznek évezredekig sugárzó hulladékok. A fúziós reaktorokban is keletkeznek radioaktív anyagok. A reakció során létrejött neutronok ugyanis radioaktívvá teszik a reaktor egyes szerkezeti elemeit. Ezek aktivitása azonban néhány évtized alatt annyira lecsökken, hogy újrafelhasználhatóvá válnak.
Nagy mennyiségű energia kis területen A fúziós erőművek nagyteljesítményűek. -- GW Az üzemanyag mindenhol bőségesen rendelkezésre áll, elvileg tetszőleges számú fúziós erőmű építhető. Különösen alkalmas alaperőműveknek. Kis területet iglnyelnek, így felépítésük nem jár jelentős környezeti változással. Mennyibe kerülne a fúziós energia? Mai számítások szerint az nem lenne drágább a napjainkban elterjedt energiaforrásoknál. A fúziós erőművek alkalmasak arra, hogy a jövő energiatermelésének alapját szolgáltassák
A fúziós energiatermelés jellemzői Környezetbarát Biztonságos Kis területen nagy mennyiségű energiát termel Folyamatos energiaellátást biztosít Olcsó Alapanyagai kimeríthetetlen mennyiségben találhatók meg a Földön.
A fúziós üzemanyag üzemi halmazállapota - plazma
Plazmafizika kulcs a fúzióhoz Plazma a negyedik halmazállapot Első def. 1923., Langmuir: ionizált gáz Def.(1): Pozitív, negatív és semleges részecskéket tartalmazó gáz. Def.(2): Töltött és semleges részecskék kvázineutrális gáza, amelyek kollektív viselkedést mutatnak. Elektronok, ionok egymástól függetlenül mozognak modellek (gázközelítés, elektrodinamikai egyrészecske modell, hidrodinamikai modell, kétfolyadék modell) Plazmák az ismeretlen ismerősök, ugyanis égen és a földön egyaránt gyakoriak. A leggyakrabban előforduló halmazállapot.
Plazma A deutérium-trícium keveréket mintegy 100 millió C-ra kell hevíteni ahhoz, hogy beinduljun a fúzió. Ilyen magas hőmérsékleten a gáz atomjairól leszakadnak az elektronok, és az anyag ún. Plazmaállapotba kerül. A plazmát alkotó részecskék az elektronok és az atommagok elektromos töltéssel rendelkeznek. A plazma elektromosan töltött részecskékből áll.
Plazmák...
És még plazmák
Plazmafizika a fúzió kulcsa A plazma rendkívül bonyolult viselkedésű anyag. A töltött részecskék áramlása elektromos és mágneses tereket kelt, melyek befolyásolják a plazma mozgását. A fúziós reaktorok építésének a kulcsa, hogy meg kell érteni azokat az összetett fizikai folyamatokat, melyek a plazmában lejátszódnak. A plazmák mozgásának kiszámítása a klasszikus fizika legbonyolultabb problémái közé tartozik. A világ legnagyobb teljesítményű számítógépein futó programokkal ma már a jelenségek nagy részét tudják modellezni. Sok dolog még ma sem tisztázott.
Mit kell tehát tudnia egy fúziós erőműnek? A fúziós reakció csak egybentartott, 100 millió C-os plazmában indul be. Ilyen magas hőmérsékletű anyag semmihez sem érhet hozzá, mert pl. azonnal lehül vagy tönkreteszi azt amihez hozzáér. A fúziós erőműnek a következő feladatokat kell megoldania: o o o o o Az üzemanyagot 100 millió C-ra hevíteni A plazmát elszigetelni a környezetétől A keletkező melléktermékeket eltávolítani Biztosítani a plazma üzemanyag utánpótlását A felszabaduló fúziós energiát elektromos energiává alakítani Az összes feltétel egyidejű teljesítése rendkívül nehéz feladat.
A plazma összetartása a plazma mágneses térrel összetartható Az elektromosan töltött plazma részecskékre hatással van a mágneses tér. Az egyébkent rendezetlen mozgást végző részecskék mágneses térben annak erővonalai körül spirális pályán mozognak.
A plazma összetartása a plazma mágneses térrel összetartható A mágneses tér jelenléte lehetővé teszi, hogy a plazma részecskéit mágneses terek segítségével a mágneses tér erővonalaira felfűzzük. Az első fúziós berendezések ezt az elvet felhasználva hengeres alakúak voltak. A henger belsejében helyezkedett el a plazma, a mágneses teret a henger körüli elektromágneses tekercsekkel hozták létre.
A plazma összetartása a plazma mágneses térrel összetartható A hengerszerű első fúziós berendezéseknél a plazma részecskék, és így a plazma gyorsan beleütköznek a tároló henger végébe és emiatt a plazma gyorsan lehül. Az első fúziós berendezések ezt az elvet felhasználva hengeres alakúak voltak. A henger belsejében helyezkedett el a plazma, a mágneses teret a henger körüli elektromágneses tekercsekkel hozták létre. Végekbe ütköző plazma részecskék lehülés a plazma elveszíti magas hőmérsékletét nem teljesül a fúzió szükséges feltétele. Fúziós reakciót nem lehet ilyen egyszerű tartályban létrehozni.
Új ötlet! Toroidális berendezések születése A henger alakú berendezéseknél fellépő részecske hülés és energia veszteség elkerülhető, ha a hengert gyűrűvé hajlítjuk. Más szóval tóruszt hozunk létre. A külső elektromágneses tekercseket a hengerhez hasonlóan a gyűrű köré építik. Ekkor a keletkező mágneses tér is gyűrű, más néven tórusz alakú. Működő mégneses tér esetén a tórusszá görbült terek alakját a plazma is felveszi.
Egy újabb probléma A görbült mágneses tér miatt a részecskék letérnek az erővonalakról. Attól főggően hogy a plazma részecskéi negatív vagy pozitív töltésűek, a részecskék függőlegesen felfelé vagy lefelé (a mágneses tér irányítottsága is szereppet játszik) elhagyják a plazmát. Tehát: az elektronok az egyik, míg az ionok a másik irányba sodródnak. A berendezés tetejéhez sodródott elektronok. A berendezés aljára sodródott ionok
Van megoldás erre a problémára! Ha a mágneses erővonalakat a tóruszban felcsavarjuk, akkor a plazma összetarthatóvá válik, azaz kifelé semleges töltés eloszlási képet mutat. A megcsavart erővonalak összekötik a plazma alját és tetejét és kiegyenlítik a részecskék szétválását.
Hogyan csavarhatjuk fel a mágneses teret a berendezésben? A mágneses teret kétféleképpen csavarhatjuk fel: Az egész berendezés felcsavarásával. A plazmában hajtott elektromos árammal. SZTELLARÁTOROK TOKAMAKOK A mai, a plazma mágneses összetartásán alapuló fúziós berendezések ilyen csavart mágneses terű, gyűrű alakú szerkezetek.
A tokamak Transzformátor tekercs Mágneses tér erővonala A tokamakot orosz tudósok fejlesztették ki az 1960-as években. Ebben a berendezésben körbefutó elektromos áramot indukalnak a plazmagyűrűben. Az indukált elektromos áram mágneses tere hozzáadódik a tekercsek mágneses teréhez. (Egymásra szuperponálódott mágneses terek.) A szuperponált tér csavarodó térszerkezetet eredményez. Függőleges tér tekercsek Plazma áram Plazma Toroidális tér tekercsei
A tokamak Plazmaáramot legegyszerűbben a tokamak köré épített transzformátorral kelthetünk. Ilyen módon az áramot csak rövid ideig impulzus üzemmódban lehet fenntartani. A tokamak egy egyszerű geometriájú forgásszimmetrikus, alapvetően impulzus üzemű berendezés. Plazmaáramot elektromágneses hullámokkal is lehet kelteni. Ebben az esetben a tokamak folytonos üzemmódban is működhet. A TEXTOR tokamak Jülich, Németország
A sztellarátor A sztellarátoroknál csak külső tekercset használnak a csavart mágneses tér kialakításához. Sokféle sztellarátor típus van, a tekercsek alakját különböző szempontok figyelembe vételével tervezik meg. Pl. A rajzon látható sztellarátor 5 egyforma modulból áll, melyekben bonyolult alakú tekercsek hozzák létre a tér csavarodását.
A sztellarátor A sztellarátorok alapvetően folytonos működésű, bonyolult geometriájú berendezések. A plazmafizika és a számítástechnika fejlődésével egyre jobb és jobb konfigurációk születnek, amelyek a tokamakokon szerzett tapasztalatokat is hasznosítják. A sztellarátorok ma még kisebb teljesítményűek mint a tokamakok, de több kedvező tulajdonságuk miatt érdemesek a kutatásra.
A plazma mágneses összetartásán alapuló fúziós reaktor felépítése
Berendezés elemei: Vákuumkamra A vákuumkamra választja el a mágneses térrel összetartott plazmát a környezetétől. A vákuumkamra belső falát speciális hőálló téglákkal borítják, amely elviseli a részecskék és a plazma sugárzása által szállított óriási hőt, és ellenáll a fúziós reakcióból származó neutronoknak is.
Berendezés elemei: Divertor A plazmából folyamatosan el kell távolítani a keletkező héliumot és egyéb szennyezőket. Ezt a célt szolgálja a berendezés alján található divertor, ahol a plazma hideg szélét gázzá alakítják és elszívják.
Berendezés elemei: A mágneses teret keltő tekercsek Egy fúziós berendezésben a Föld mágneses terénél százezerszer erősebb tér tartja össze a plazmát. Ehhez szupravezető tekercseket használnak, melyekben az elektromos áram veszteség nélkül folyik. A szupravezető tekercsek -270 C-on üzemelnek. Ezért az egész berendezést erre a hőmérsékletre kell hűteni. Így az a fura helyzet áll elő, hogy a 100 millió C-os plazmát egy -270 C-os reaktor veszi körül. A szupravezető tekercsek technikája jól ismert, évtizedek óta alkalmazzák.
Berendezés elemei: A mágneses teret keltő tekercsek A toroidális tekercsek a vákuumkamrát körülölelve egyenletesen oszlanak el. Működés közben a tekercsek között óriási erők ébrednek, ezért erős tartószerkezetet kell alkalmazni.
Berendezés elemei: A mágneses teret keltő tekercsek A közpopnti tekercs a vákuumkamra közepén helyezkedik el. Szerepe a plazmaáram gerjesztése.
Berendezés elemei: A plazma fűtése 1. Ahhoz, hogy a fúziós reakcióhoz szükséges 100 millió C-ot elérjük, a plazmát fűteni kell. A plazmában folyó elektromos áram ahogy szilárd vezetők esetében a vezetéket- melegíti a plazmát. Ennek a fűtésnek vannak bizonyos korlátai, ugyanis a hőmérséklet növekedésével csökken a plazma ellenállása, ami a fűtés hatásfokának csökkenéséhez vezet. Elektromos árammal a plazma hőmérséklete csak néhány tízmillió C-ig növelhető.
Berendezés elemei: A plazma fűtése 2. A plazma hőmérsékletének további növeléséhez különböző kiegészítő fűtő berendezések szükségesek. A.) semleges nyalábbal, nagyenergiájú belőtt atomokkal. B.) mikrohullámú antennákkal C.) rádiófrekvenciás fűtőberendezéssel Kiegészítő berendezésekkel a 100 millió C elérhető.
A plazma saját fűtése A fúziós reakcióban hélium keletkezik, amelyek a kibocsátott energia 20%-át hordozzák.ezeket a részecskéket is összetartja a mágneses tér a plazmával együtt. Így a plazma fűtésére felhasználhatók. Amikor a hélium ionok fűtőteljesítménye meghaladja a plazma hőveszteségét, a plazma begyújt és önfenntartóvá válik. Ezután a reaktor nem igényel külső fűtést. Ez a folyamat nem vezethet robbanáshoz. A plazma állandó hővesztesége megakadályozza a korlátlan hőmérséklet emelkedést.
Berendezés elemei: Köpeny A fúziós reakcióban keletkezett nagy sebességű neutronok hordozzák a felszabadult fúziós energia 80%-át. Az energiatermeléshez mozgási energiájukat át kell alakítani hőenergiává. Ezt a feladatot a jövő fúziós erőműveiben a vákuumkamra falára erősített úgynevezett köpeny modulok látják el. A köpenyben olyan anyag található, mely a becsapódó neutronok energiáját elnyeli, ettől felmelegszik, és átadja a hőjét a köpenyen keresztülvezetett csövekben áramló hűtőközegnek. Ez egy hőcserélőben vizet forral, amely áramtermelő gőzturbinát hajt.
Berendezés elemei: Köpeny A köpeny másik fontos feladata a trícium termelés. A köpenyben lítium található, mellyel a becsapódó neutronok reagálnak. A reakció eredményeként trícium, a reaktor üzemanyaga keletkezik, mely visszavezethető a plazmába.. A köpeny feladata tehát a nukleáris energia átalakítása és a trícium utánpótlás biztosítása.
Hol tartunk ma? Az elmúlt 50 évben mind méret, mind teljesítmény tekintetében hatalmas fejlődésen mentek keresztül a fúziós berendezések. A Q = 1 (a fúziós teljesítmény eléri a plazma fűtésére fordított teljesítményt) még nem érhető el. Amit már elértek: o o o A fúziós reaktor megvalósításához szükséges hőmérsékletet és sűrűséget. A fűtési teljesítmény 55%-át fúziós reakcióban néhány másodpercen keresztül. Fúziós plazma manipulálásához és méréséhez szükséges technikákat. Amit a mai berendezések még nem tudnak: o o Túl kicsik ahhoz, hogy a plazma veszteségeit a hélium fűtése pótolja. Nem tudjuk tesztelni a reaktor egyes komponenseit (pl. A trícium szaporító köpenyt.). A mai fúziós berendezések célja nem energiatermelés, hanem fizikai kísérletek az energiatermelő reaktor kifejlesztése irányában.
Múlt, jelen, jövő
Európai összefogás
Mérföldkövek a lézerplazmák történelmében Def.: A lézernyalábok által keltett plazmákat lézerplazmáknak nevezzük. 1963: lézerplazma levegőben rubinlézer fókuszálásakor (Maker, Terhune, Savage) 1963: lézeres termonukleáris fúzió ötlete (Basov, Krokhin) 1985: röntgenlézer (Matthews, Hagelstein ) 1992: asztrofizika (dasilva) 1994: gyors begyújtás elve (Max Tabak) 1995: relativisztikus gyors ionok, pozitronok, elektronok
A fúziós reakció feltételei Lawson-kritérium: n > 10 20 m -3 s r = 3 g/cm 2 Ha n nagy és kicsi: Mikrorobbantásos fúzió Lézerfúzió Lézerplazma erőmű (NIF) n > 10 20 m -3 s Ha n kicsi és nagy: Mágneses összetartású fúzió Tokamakok (JET, ITER), Sztellarátorok (Vendelstein)
Direkt összenyomású lézerfúzió Izobár osszenyomás ill. pellet fűtés Nagyfokú szimmetria követelmények o NIF: 192 lézernyaláb, 1-2 óránként 1 lövés Nagy pumpáló energia ill. teljesítmény o PW lézerek, hosszú impulzushosszal (10ps) Tehetetlenségi összetartású lézerfúzió
Az izochor fűtés, a gyors begyújtásos fúzió alapja Ultrarövid lézerimpulzus plazmát kelt A lézerenergia a szkín-réteg előtt elnyelődik. Forró elektronok (MeV) keletkeznek A gyors elektronok fűtik a céltárgyat A folyamat alatt a plazmának nincs ideje kitágulni izochor fűtés
Direkt gyors begyújtásos lézerfúzió I. Izochor fűtés o MeV-os gyors elektronok mint külső szikra gyújtják be a fúziót. Kisebb szimmetria követelmények Kisebb pumpáló energia szükséges 1: 2: 3: 4:
Direkt gyors begyújtású lézerfúzió II. I = 10 16 W/cm 2, 10 ps Arany kúp o o o o Rövid impulzust eljuttatja a fűtőanyaghoz Szétválasztja a rövid impulzust és a keltett elektronnyaláb terjedését a pellettől Csak a gyors elektronok találkoznak a plazmával begyújtva azt Osaka, 2001., 40TW, 20J
Indirekt pumpálású lézerfúzió A céltárgy egy belül üreges, pl. arany tartóban helyezkedik el A pumpáló nyalábok a tartót lövik meg Emittált, homogén röntgensugárzás (konverzió 60-80%) Előny: kisebb szimmetria elvárások NIF-ben is.
Targettartó indirekt pumpálású fúzióhoz, Hohlraum-target (NIF)
Mekkora hozam kell? Nagy hozam ( r=3g/cm 2 ) esetén 33% ég el. Mivel a lézerek és az összenyomás hatékonysága alacsony, a reaktorhoz legalább 100-szoros energianyereség kell a céltárgyon. Mikrorobbantásos fúzióban a hozam kb. 200.
National Ignition Facility Lawrence Livermore National Laboratory (California, USA) 192 nyaláb 2 MJ Az épület
A Nd-üveg lézer tükör
A target vákuumkamra 192 lézernyaláb részére belépő ablakok 2 ember emberfeletti méretek
Teller Ede a NIF nél.
Magyar részvétel a fúziós kutatásokban Lézerplazma, lézerfúzió o RMKI SZTE HILL o Dr. Földes István o Prof. Szatmári Sándor o Dr. Rácz Ervin o Kísérleti plazmafizika o Felharmonikusok keltése, terjedési és polarizációs tulajdonságaik vizsgálata o Izochor fütés kísérletek o Gyors elektron detektálás lyukkamerával (MPQ) Euratom, Magyar Euratom Fúziós Szövetség Támogatásával Kb. 30 magyar kutató dolgozik fúziós területen ebből kb. 20 a KFKI RMKI-ban Fúzió mágnesesen összetartott plazmákban o RMKI, Euratom o Dr. Zoletnik Sándor o Tokamakoknál (JET, ASDEX Upgrade), sztellarátoroknál (IPP) o Pellet kísérletek o Lézeres diagnosztikák (blowoff) o Szimulációk (turbulenciák) o Li-nyaláb diagnosztika
Harmonikusok keltése és vizsgálata 248nm, 600fs, 15mJ keltő lézerimpulzus 2,5μm fókuszátmérő 5 10 17 W/cm 2 intenzitás 2ω, 3ω, 4ω keltés mind P-, mind S-pol. lézernél Diffúz harmonikus szórás Harmonikusok polarizációja keveredik Ok: plazma kritikus felületének fodrozódása Magyarázat: Rayleigh-Taylor instabilitás modulálja a lézerplazma kritikus felületét (a fénynyomás+plazmatágulás hatására) Izochor fűtés vizsgálata (Dr. Rácz Ervin és kollégáinak mérési eredményei) Magasan ionizált Si vonalak 50-100eV csak izochor fűtésből származhat Magasabb röngen energiákhoz kristályspektrométer kell
Összefoglalás Földünk növekvő energiaigénye mindenképp új, kimeríthetetlen, barátságos energiaforrás szükségességét vonja maga után. Ez lehet a magfúzió. A magfúziós energiaforrás körüli kutatások a plazmafizikusok érdeklődési körének középpontjában állnak. Fúziós elképzelések (lézeres vagy mágnesesen összetartott) Lézerfúziós módozatok (direkt-, gyors-, indirekt begyújtás) Magyar részvétel a fúziós kutatásokban