Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 1.

Hasonló dokumentumok
Szabályozott magfúzió

Fúziós energiatermelés

Szabályozott magfúzió

Szabályozott magfúzió

Szabályozott magfúzió

Bevezetés a fúziós plazmafizikába 1.

Hogyan hozzuk le a Napot a Földre?

Nemlineáris szállítószalag fúziós plazmákban

Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?

A fúzió jövője, az ITER jelene

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

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

Fúziós plazmafizika ma Magyarországon

Napszelidítés: Energiatermelés Szabályozott Magfúzióval?

Fúziós energiatermelés

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

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 3.

KÖSZÖNTJÜK HALLGATÓINKAT!

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

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

FIZIKA. Atommag fizika

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

A FÚZIÓ JÖVŐJE, AZ ITER JELENE

Fúziós kutatások a BME Nukleáris Technikai Intézetében

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 2.

Hogyan lesz fúziós erőművünk 2050-ben?

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

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

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 2.

FIZIKA. Radioaktív sugárzás

Termodinamika (Hőtan)

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

Általános Kémia, BMEVESAA101

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

Hidrogénfúziós reakciók csillagokban

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Bevezetés a fúziós plazmafizikába 3.

A szilárd testek alakja és térfogata észrevehetően csak nagy erő hatására változik meg. A testekben a részecskék egymáshoz közel vannak, kristályos

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

Bevezetés a magfizikába

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

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

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

Tokamak és sztellarátor napjainkban

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

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

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

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Szabadentalpia nyomásfüggése

Első magreakciók. Targetmag

Légköri termodinamika

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

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Fúziós plazmafizika ma Magyarországon


Az atom szerkezete. Az eltérülés ritka de nagymértékű. Thomson puding atom-modellje nem lehet helyes.

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Rádl Attila december 11. Rádl Attila Spalláció december / 21

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

Az atommag összetétele, radioaktivitás

A gáz halmazállapot. A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

Termodinamikai bevezető

Kémiai reakciók sebessége

Az anyagok lehetséges állapotai, a fizikai körülményektől (nyomás, hőmérséklet) függően. Az anyagokat általában a normál körülmények között jellemző

Rádioaktív anyagok vizsgálata: sugárzás közben sokkal nagyobb energia szabadul fel, mint a hagyományos kémiai folyamatokban (pl. égés).

Mit értünk a termikus neutronok fogalma alatt? Becsüljük meg a sebességüket 27 o C hőmérsékleten!

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

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

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

Fermi Dirac statisztika elemei

Mit sütünk ki mára?! (Napenergia és a Fizika) Dr. Seres István SZIE, Fizika és Folyamatirányítási Tanszék

Fúziós kutatások az alapoktól napjainkig

A 27/2012. (VIII. 27.) NGM rendelet (29/2016. (VIII. 26.) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

A TÖMEGSPEKTROMETRIA ALAPJAI

Fúziós berendezések TBM

Újpesti Bródy Imre Gimnázium és Ál tal án os Isk ola

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

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

EGÉSZTESTSZÁMLÁLÁS. Mérésleírás Nukleáris környezetvédelem gyakorlat környezetmérnök hallgatók számára

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

2. Plazmafizikai alapfogalmak

MAGHASADÁS ÉS MAGFÚZIÓ


Elméleti kérdések 11. osztály érettségire el ı készít ı csoport

Reológia Mérési technikák

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai

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

Termodinamika. Belső energia

Radioaktivitás. 9.2 fejezet

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Elektromosság, áram, feszültség

FIZIKA KÖZÉPSZINTŐ SZÓBELI FIZIKA ÉRETTSÉGI TÉTELEK Premontrei Szent Norbert Gimnázium, Gödöllı, május-június

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

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

TestLine - Csefi tesztje-01 Minta feladatsor

Trícium kalorimetria részvétel egy EFDA tréning programban

1. SI mértékegységrendszer

1. feladat Összesen: 8 pont. 2. feladat Összesen: 11 pont. 3. feladat Összesen: 7 pont. 4. feladat Összesen: 14 pont

Átírás:

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 1. Magfizikai alapok, plazma alapok, MHD, energiamérleg, anyagmérleg Pokol Gergő BME NTI Korszerű nukleáris energiatermelés 201. november 6.

Korszerű nukleáris energiatermelés Fúziós előadások Nov. 6. PokolG: Magfizikai alapok, plazma alapok, MHD, energiamérleg, anyagmérleg Nov. 20. PokolG: Fúziós berendezések típusai, részegységek, diagnosztika Nov. 27. PokolG: Mai berendezések, JET, W7-X (Házi feladat határdő!) Dec. 4. PokolG: A fúziós energiatermelés jövője, ITER, DEMO Dec. 11. KissB: Tríciumtermelés, környezeti hatások, sugárvédelem, fúziós berendezések anyagai, Szupravezető tekercsek üzeme és biztonsága, hőelvezetés, hőtechnika (TBM) 2

Energiatermelés kötési energiából Példa: 1 GW-os erőmű anyagszükséglete Napi energiatermelés: 8 10 1 J/nap Az atomhéj energiája Felszabaduló energia: 0.1 ev/atom 10-20 J/atom Energiasűrűség: 10 7 J/kg Napi anyagszükséglet: 10 6 kg/nap Az atommag energiája Felszabaduló energia: 1 MeV/atom 10-1 J/atom Energiasűrűség: 10 14 J/kg Napi anyagszükséglet: 10-1 kg/nap 1 ev = 1.6 10-19 J ~ 1.16 10 4 K

Kötési energia B/A (MeV/nucl) Pokol Gergő: Fúzió 1. 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 28 U 4 2 2 D T He 6 Li 0 n, 1 H 1 10 100 1000 Atomtömeg A (amu) 4

Kötési energia B/A (MeV/nucl) A szóbajövő magfizikai folyamatok jól ismertek gyorsítós kísérletekből: 2 p H Fúziós magreakciók D He (d,n) Hélium 4 He (d,p) (d,p) (d,n) Deutérium Trícium 1 2 D + T 4 He(.52 MeV) + n(14.1 MeV) D + D He(0.82 MeV) + n(2.45 MeV) D + D T(1.01 MeV) + p(.02 MeV) D + He 4 He(.66 MeV) + p(14.6 MeV) T n 10 8 6 4 2 n, 1 H 2 D Fúzió 0 1 Atomtömeg A 5 T 4 He He

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 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 Pbe1 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! 6

A reakciók hatáskeresztmetszete termikus közegben A reakció valószínűségét termikus közegben a rátaegyüttható jellemzi: sv s( v) vfm ( T, v) dv ahol s a hatáskeresztmetszet és v a sebesség. Egy részecske n sűrűségű közegben másodpercenként átlagosan sv n reakciót szenved el. Legkönnyebben a D-T reakciót lehet megvalósítani! 7

D-T reakció kiinduló anyagai Minden 6000-edik hidrogén mag deutérium, vízből nagy mennyiségben kinyerhető. A trícium radioaktív, csak nyomnyi mennyiségben fordul elő. 2 p H D He (d,n) Hélium 4 He (d,p) (d,p) (d,n) Deutérium Trícium 1 2 T 6 Li (n, a ) Lítium 7 Li (n, a n) 4 n A tríciumot tenyészteni kell lítiumból! 6 Li + n(termikus) 4 He + T 7 Li + n(gyors) T + 4 He + n 8

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 ~0.2 mw/kg (emberi test: 1. W/kg). 9

Fúziós reaktor energiamérlege A fúziós reaktor energiasokszorozását a Q tényezővel szokás jellemezni: Q P f P h ahol P h a külső plazmafűtés teljesítménye, P f a felszabaduló fúziós teljesítmény. A Q=1 pontot break even -nek nevezzük. A reaktor üzemeltetése szempontjából ennek nincs jelentősége. 10

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=. 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. 11

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 nkt 2 C( T) Optimális hőmérsékleten ez a Lawson kritérium: n e 10 20 sm T i 25keV Az optimális hőmérséklet körül fúziós hármasszorzat: 10 n e T i 21 kevsm 12

Trícium szaporító köpeny A tríciumot a reaktor körüli köpenyben lehet előállítani lítiumból. Ez a trícium szaporító köpeny (Tritium Breeding Blanket, TBM). A trícium radioaktív (b-bomló), és vízként bejuthat az élő szervezetbe, ezért egy zárt ciklusú fúziós erőműben a trícium mennyiségét minimalizálni kell! A fúziós reakcióban nem keletkeznek radioaktív izotópok! Az erős neutronsugárzás miatt a reaktor szerkezeti anyaga felaktiválódik, de ez speciális anyagválasztással minimalizálható. 1

Mi az a plazma? Ha egy gáz részecskéinek átlagos kinetikus energiája (esetükben ~10 kev) nagyobb, mint az alkotó elemekben lévő elektronok kötési energiája (H: 1.6 ev), az elektronok (teljesen vagy részben) leszakadnak az atommagokról. Elektronok és ionok (és esetleg semleges részecskék) keveréke jön létre, ez a plazma. Az Univerzumban a látható anyag legnagyobb része plazma halmazállapotban van, és számos földi alkalmazás is van. 14

Árnyékolás: Tegyünk egy egységnyi töltésű próbatöltést a plazmába! Ekkor a plazma elektronjai és ionjai úgy fognak mozogni, hogy a kialakuló erőtér a próbatöltés terét leárnyékolja. A plazma tulajdonságai Ionizációfok: A plazma elektronok, ionok és semleges atomok keveréke. Sohasem 100%-ban ionizált, lehet erősen vagy gyengén ionizált. Debye-hossz H De 0kT 2 n e e 15

A plazma definíciója kvázisemleges (az elektronok és ionok össztöltése lokálisan megegyezik) D L kollektív (a Debye-térfogaton belül sok részecske van) N D 4 Dn 1 ionizált (nem túl sok a semlegesekkel való ütközés) A plazma komponenseinek sűrűségét az elektromos terek összekapcsolják, de a komponensek sebessége és hőmérséklete különböző lehet! 16

A plazma elméleti leírása Kinetikus elmélet: A plazmarészecskék statisztikai eloszlására írjuk fel a Boltzmann-egyenleteket. A különböző részecskepopulációkra felírt egyenletek között az elektromos és mágneses tér forrásegyenletei adják a csatolást. Többfolyadék elmélet: Ha az eloszlásfüggvények közelítik a Maxwell-eloszlást, az egyes részecskepopulációk egymásba ágyazott folyadékokként írhatók le: kontinuitás egyenlet, Navier- Stokes-egyenlet, állapotegyenlet. A csatolást az elektromos és mágneses tér forrásegyenletei adják. Magnetohidrodinamika (MHD): Ha a folyadékok egyensúlyban vannak, egyetlen vezető, semleges folyadékként is leírható a plazma. 17

Tömeg kontinuitás-egyenlet: Pokol Gergő: Fúzió 1. MHD egyenletek dm dt V m 0 Impulzus-egyenlet: m dv dt j B p Adiabatikus állapotegyenlet: Ohm-törvény: Amper-törvény: d dt p m 0 E V B j B j 0 =0 : ideális MHD Faraday-törvény: B E t B 0 18

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 energiatermeléshez egy kritikus energiaösszetartási időt kell elérni alacsony sűrűség mellett. 19

Mit kell tudni egy fúziós erőműnek? Megfelelően magas ion hőmérsékletet: T i 25 kev Jó hőszigetelés és/vagy nagy sűrűség: n e 10 20 sm Jó összetartás a keletkező a-részecskékre. Nem túl jó összetartás a lelassult a-részecskékre. Óriási felületi és térfogati hőterhelések kezelése. 20

21