Előadás menete Magfúzióból nyerhető energia és az energiatermelés feltétele Fúziós kutatási ágazatok Hőmérséklet és sűrűségmérés egyik módszere plazmafizikában a Thomson szórás
Fúziós kutatás célja A nap energiatermelő folyamatának előállítása földi körülmények között Nettó energiatermelés megvalósítása Olcsó nagy mennyiségű villamos áram előállítása környezetkímélő módszerrel
Magfúzióból származó energia Magok kötési energiája: (Z+N)*m n m mag Energia termelő folyamat a fúziós kutatásban: D + T 4 He + n + 17.6 MeV 1 gramm üzemanyag ~ 10 2 giga joule energia
Energiatermelés feltétele: Lawson kritérium Energiatermeléshez szükséges a plazmát begyújtani break-even pont átlépése szükséges, ennek feltétele Lawson kritérium kielégítése: ntτ~3 10 21 kev s m 3 D-T fúzió T~10keV(~10 8 K)
Fúziós kutatás Inerciális fúzió Lawson kritérium: nagy sűrűség NIF Mágneses összetartású fúziónak 2 ága Lawson kritérium: elegendő sűrűség, hosszú összetartási idő Tokamak Stellarátor
Inerciális fúzió I Vákuum kamrában pellet, fagyott D-T keverék Fúzios folyamat menete: Lézerrel fűtjük a pellet külső burkát (gömb szimmetrikusan) Lerobban ez a külső burok ami által összenyomódik a pellet, ezred részére, sűrűsége ρ ~ 200 g cm 3 Lökéshullámok begyújtják a pellet közepét Termonukleáris égés terjed szét a pelletben
Inerciális fúzió II NIF(National Ignition facility) USA 2013 szeptember, pellet által elnyelt energiát meghaladta a termelődött energia
Plazmafizika alapjai Töltött és semleges részecskékből álló kvázi neutrális gáz mely kollektív viselkedést mutat ( elektromos és mágnese terek hatására) Az anyag leggyakoribb formája az univerzumban A hőmérséklet és az ionizáltság foka közötti összefüggést a Saha egyenlet adja: n i n n 2 = 2.4 10 15 T2 3 e n n U i kt
Magas hőmérsékletű plazmafizika Kisebb sűrűség (ρ~10 20 ), hosszabb összetartási idő, magas hőmérséklet (T~10keV) Kísérleti eszköz: tokamak, tórusz alakú vákuumkamra Plazma összefogása: mágneses terekkel Képen: ASDEX-Upgrade tokamak belseje, közepese méretű tokamak Németország
Mágneses tér konfigurációja Adventi koszorúra emlékeztető nettó mágneses tér Erős toroidális irányú tér, plazma összetartására Poloidális irányú mágneses tér Mágneseken kívül plazma áram Centrális szolenoid toroidális irányú áramot indukál, transzformátor primer és szekunder tekercse Részecskék fluxusfelületeken mozognak
Mágneses tér konfigurációja II A plazma kis sugara r a torusz keresztmetszetének a sugara, nagy sugara R a torusz sugara Erőhatások a plazma részecskéire Inhomogén mágneses tér gradb Centrifugális erő Erő hatására részecskék drift sebessége: v D = 1 q Az F v B = μ q FxB B 2 = μ B erőre a drift sebesség: Bx B B 2
Hőmérsékletprofil Plazma D alakú Szennyeződések kivezetése A fluxus felületekre merőleges keresztmetszet mentén növekszik a hőmérséklet Pedestal-top piros karikánál, transzport gát Gyors hőmérséklet és sűrűségnövekedés innentől
Anyag utánpótlás Jelenlegi módszerek Gáz befújás szilárd D-T pellet belövése Pelletek Néhány mm 3 nagyságúak Képes behatolni a plazma közepéig Fontos szempontok sebesség, tömeg
Plazma fűtésének módszerei Ohmikus fűtés, a centrális szolenoid álltal indukált áram felfűti a plazmát Fűtési teljesítmény P = 4π 2 a R η r j 2 r rdr 0 Elérhető hőmérséklet (3 4) kev tipikus plazmaáram (2 15) MA, limitált Semleges részecskenyaláb Mágneses összenyomás Elektron és ion ciklotron frekvenciák gerjesztése
ITER Kisérleti termonukleáris reaktor Várható elkészülés 2019 Fontosabb paraméterek Mágneses tér B ~ 5T Hőmérséklet T ~ 14 kev Várható energiatermelés E=500 MW összetartási idő τ=480 s
Stellaratorok Feltaláló Lyman Spitzer 50-es 60-as évek populáris fúziós kísérleti berendezése Fix mágneses tér, pontos geometria szerint kell körbevinni a mágneseket nehéz megépíteni Részecskék mozgása bonyolult pályán történik bonyolult matematikai apparátus Gyengén teljesítettek Reneszánszát éli Fejlődő technika, szuperszámítógépek Wendelstein 7-X, HSX kísérletek
Thomson szórás I Plazmafizikában fontos: hőmérséklet és sűrűség mérésére használható Fény rugalmas szóródása elektromos töltésen (Compton szórás kis energiás változata) Fény elektromos és mágneses komponense Lorentz erővel hat a részecskére Mágneses erőhatás elhanyagolható, ħω mc 2 Elektromos tér periodicitása miatt a töltött részecske periodikus mozgást végez Gyorsul, így elektromágnese sugárzást emittál
Thomson szórás II A Thomson szórás hatáskeresztmetszete: ς = 8π 3 q 2 4πε 0 mc 2 2 Elektronra a hatáskeresztmetszet: ς e = 6.65 10 29 m 2 A szórt fény hullámhosszának doppler kiszélesedése a részecske hő mozgásának az eredménye
Thomson szórás III A töltött részecskék sűrűsége a szórt fény intenzitásának méréséből kapható meg Az elektronok sebessége a Maxwell-féle sebességeloszlást követi a hullám intenzitása ekkor I s ~ m e n 2πT e e meω 2k 2 Te e A mérési pontokra illesztett profil a már ismert ábrán látható
Összefoglalás Inerciális fúzió Egyenlőre kevés energiát termel Stellarátor Reneszánszát éli Tokamak Épülő kísérleti reaktor JET: befektet energia 65%-át visszanyerték
Köszönöm a figyelmet!