5. Előadás Insabiliás mirrbbanáss fúzió Fúziós nrgia Lézrfúzió övlményi Lézrfúziós sémá I. 1
Valódi lazmarfil flidézés Valódi lézrlazma ölcsönhaásr a sűrűségrfil valahgy így néz i. d hullámhsszú lézrr 1 3 1m n c 1.110 cm. hőmérsél néhány V az össznym szilárdsbn, V nagyságrndű a rnában. arariszius sbsség a hangsbsség v c s ZT n n. / Mi c Gradins, lazma mér: L min c s L, Rff.
3
Paramrius insabiliás lazmában Plazmahullám grjszés: - rznancia abszrció - insabiliás: bső fény mási hullámra bmli B=0 flél: - lrnlazma-hullám - inauszius hullám - szór lrmágnss hullám + Nm aramrius (hidrdinamiai) insabiliás 4
INSTBILITÁS Rznancia abszrció induál Brilluinszórás induál Raman-szórás Ké lazmn bmlás Inauszius bmlás CSTOLÁSI JELENTŐSÉG SŰRŰSÉG 0= ~nc frró lrn 0=szór+ia < nc abszrció csönés 0=szór+ n c /4 frró lrn, abszrció csönés 0=+ ~ nc/4 frró lrn 0=ia+ ~ nc frró lrn (Hcr Baldis) 5
Insabiliás is sűrűségű lazmában Oiailag ria özg. Insabiliás övzményi: - nm rmius fűés, frró lrn lőfűés (rhaing) nm lh a fúzióhz szimmriusan össznymni a ll. - abszrció csön, a fény visszavrődi. Diagnszia: - n>n cr röngnsugárzás (frró lazma sajá fény) - n<n cr iai (sajá nyaláb szórása, róbanyaláb (Thmsn-szórás)) Szórásnál a lgisbb llódás (inhullám) Δω/ω 0 ~10-3. 6
z insabiliás mzgaója: a ndrmrs rő urbulns lazmában l lazmahullám összlbgn a fényhullámmal, zzl az lrms ér nymásában válzása zna. Ez a gradins rő l, az ún. ndrmrs rő, ami insűrűség-fluuációa z. Pl.: Hmgén lazma válasza a nagyfrvnciás érr: E E( x)sin, i. z lrnflyadé válaszá E rndig számíju i, nymásua lhanyaglva: u u u E( x)sin. E-bn lgalacsnyabb rndbn u =u h, ahl m h u E( x)sin, m h E u cs. m 7
8 z lrn gyrs szcillációira iálaglva: h h m m E E u u u u E u,, Bhlysív u h -: ). ( 4 1 x m m E E u Láhaóan az lrnra lyan rő ha, ami a nagynymású hlyről ilöi. Ez a ndrmrs rő: ). ( 4 x m E F Nmlináris rő, nmlináris ölcsönhaás ( indx: időálaglás)
Induál Raman-szórás Manly-Rw rláció: (imulzus- és nrgiamgmaradás frvnciára és hullámszámra) Mivl w > (riius sűrűség!) és a rjdéshz s >, zér 0 s w, 0 s riius sűrűség nnél 4-szr lsz nagybb 0 s w w n 1 4 n c 4n cs m (szór + ln. hullám) 4n m 0 44n m cs Hgyan öréni? E L l szcilláció: E vl m, v L ~ L I Ez n sűrűség-fluuáció l, ami dig gy J=-v L n ranszvrzális áram. W.L. Krur: Th Physics f Lasr Plasma Inracins 9
hullámszám és frvnciá illszdés sén z szór hullám hz lér (E). Ez lbg össz a bső fénnyl, lérhzva a fény-nymás: E EL 8 E / 4. Ez a válzó nymás lödösi a lazmá a nagybb nymású hlyről a isbb nymású hlyr, sűrűség-fluuációa lv. Visszacsalás insabiliás hz lér: is sűrűség-fluuáció ranszvrzális áram is szór fény vább hajja a sűrűség-fluuációa. Szigrú árgyalás: Maxwll-gynl + hidrdinamiai gynl hullámgynl, diszrziós rláció lőr- és háraszórásra. Küszöb a csillaíása figylmb vév haárzhaó mg. (= +i -na a diszrziós gynlb való bhlysíésévl) Raman-szórás az üözés csillaíjá n>0.15n c sén. 10
11 Raman-insabiliás analízis Flélzés: hmgén lazma és c c c c c c 1 4 1 ahnnan 1 4 Culmb méré) nciálra (vr 0 1 ; J E J B E B J részből áll: J ranszvrzális áram, fényhullám + J l lngiudinális áram, lazmahullám, grad Φ ből származi l c c J J J J J 4 1 Ezér 4 0 Mivl 0. 4 : é gynlből 0 : mgmaradás 4 Pissn - gy.: Fl.: n =0, zér a ranszvrzális áram: J =-n u (u az szc. sbsség) mc mc m c u E u u sűrűségválzás lngiudinális.
1 Thá a fényhullám rjdés lírhaó: n m c 4 rbléma: nagy amliudójú ( L ) fényhullám szórása is amliudójú n fluuáción: L L n m c n n n fény, hzzalér a szór z ranszvrzális áram, 4 ; sűrűségfluuáció mghaárzása: ndrmrs rő ag a. a, 1 ranszv.) (lngiudinális 0 nm mc m mc nm c m n n L L L u u u u B u E u u u u Állagynl: /n 3 = cns. Linarizálás: u L =u, n=n +n, = L +, Φ is icsi Ez bhlysív lső rndbn:
13 L L c m n n v v n n v c m m n n u u 3 rmius) ( /div 3 / 0 Elrnsűrűség-fluuáció az lrmágnss hullám haására. Ez az gynl acslju össz az -ra vn. hullámgynll: CSTOLÁS Ebből aju a diszrziós rláció a Raman-insabiliásra, Furir rafó: s nagyn nmrznán lhanyaglva,,,, ar, Ha (Bhm - Grss) 3,,,,,, 4, ), cs( 0 0 1 0 0 0 0 BG mc n BG L n n v n n n m c x iüszöbölésévl aju a diszrziós rláció:
14,, 1, 1 4 s BG c D D D v Köv.: z insabiliás növdésé hára- és ldalszórás sén a lőjl adja ) (, 4 ) ( BG BG s BG v c Maximum ar van, ha a szór fény is rznáns, azaz 1 4 ahl, innn 0, BG BG s BG v i c Ebből a is mghaárzhaó, l. visszaszórás sér. Maximum ar van, ha 1 1 c Ez az jlni, hgy n<<n cr /4 = és n=n cr /4 = özö válzi.
Előrszórás is sűrűség sén lh, <<ω /c. Er a disz. rl. mindé agja lh özl rznáns: D, ( / c), vs c ω ω i Ha van üözés csillaíás üszöb (lazma inhmgniás) Pl. nagy Z (u), Z=50, T=V, n/n cr =0. v i =.4*10 13 s -1 Ebből I h =5*10 14 W/cm Kis rndszámú anyag vésbé üözéss alacsnyabb üszöb Ha a hullám imgy a régióból, ar nvció dminál, nvív üszöbről bszélün. régió hssza: d L dx ln n Kövzmény: Lngiudinális hullám gyrsíja az lrna. 1 15
Raman-szórás ísérl Elég hsszú (fúziós) lazmánál a Raman-szórás jlnény lh. 16
lző frró lrn öbb % nrgiá vihn l, és a fúziós aszulá lőfűhi. 17
z lrn-in üözés csillaíjá a Raman-insabiliás, csöni a szórás. Jó szn a fúzióna! 18
Ké lazmn bmlás ( insabiliás) lézrfény é lrnlazma-hullámmá bmli (1,) frvncia- és hullámszám-illszés fléli: 0 1, 0 1 Mivl 1 és özl vanna -hz, zér az insabiliás szinén n c /4 örüli, ahl 3 c 0 ~ 0 z illszés széls hullámszám-srum ngd mg. 1 0 19
csal gynl r is = +i -na a diszrziós gynlb való bhlysíésévl ahaó mg. növdés hmgén lazma sén: v s 0 4 0 Nagy hullámszám haárs: >> 0 max =1/4 0 v s (hasnlóan a Raman-hz) n c /4-nél. Inhmgén lazmában (a Raman-ól lérőn) hőmérsélfüggő, visznylag alacsny üszöb. l lazmahullám összlbgés jó élda a ndrmrs rőr, a sűrűség mrdbbé szi z az insabiliás (rfil sning). 0
Kísérl: Thmsn szórás CO lézrlazmán szór fény, mindé irányban haladó hullámn szóródi, amly 1.8 ill. 13.6 nm-rl lóda l, az llnző irány szrin. 1
mrőlgs irányú lazmnn szór hullám
3/ 0 misszió a insabiliás övzmény Másdlags flyama, nhéz blől övzés lvnni! 3
Induál Brilluin-szórás (SBS) 0 = ia + s ia << 0 Ez is az iailag ria lazmában mh végb. S nrgia, aár a lézrnrgia 0-40%-a is visszaszóródha, gyngív az abszrció. disz. rl. az SRS-hz hasnló lvzés uán: v s 1 1 i i vs i 4 D, D, ω,, ν i : inhullám E i E s, maximum, ha mindé hullám rznáns Hmgén lazma: = (visszaszórás), γ>>c s (gyng csalás) c s 1 i v Üözéss csillaíás: i i c s Pl.: λ=0.35μm, I=10 14 W/cm n=0.5n cr, T=V γ=.510 1 1/s, τ~0.4s v s i i Ál. alacsny üszöb, Z=50-r 10 13 W/cm. v 4 4
Induál Brilluin-szórás (SBS). Sűrűség-, sbsség-gradins za üszöb: x(π) (Rsnbluh) L v 1 cs v x x 1 v v s 16 L v n n cr Pl. 0.5 n cr, T =V, L v =1000λ sén I h =10 14 W/cm (ldalszórásra isbb) Mgj.: Nagy Z sén az üözéss abszrció lnymhaja az SBS- isbb innziásn. ns övéshz ljs lazmadinamia ll. Ál. a Raman szórással alrnaívan jlnzi, ál. izárjá gymás. ár 0-40% nrgia-iszórásér is fllős lh. sűrűség-fluuáció mgbcsülhő vl, δn/n~15%- is mgfigyl. Rsn, 1979 Nd glass, u dis 5
Önfóuszálás, filamnáció Nm igazán aramrius flyama, a nyaláb zdi innziás-mdulációja növszi a rjdés flyamán. Önfóuszálás, ha a ljs nyalábra. Törésmuaó: n Lc n 1 L nc 1 Ozhaja: ndrmrs rő (SBS) (0 fri sűrűségrurbáció) rmius filamnáció (T) rlaiviszius ömgnövdés 6
Hazai ísérl lvgőbn ns lézrrl (Bas, Földs, Sörli) lazma iszórás és abszrció z. D: z iai nglyn ésllés uán innziás-növdés figylhő mg. 7
Trmius önfóuszálás lazma zíció válzau a róba-nyalábhz és. rmius önfóuszálás üszöbinnziása I h ~1/r z a mchanizmus, nm a ndrmrs. Már 50 W innziásn mgfigylhő. 8
Miből lh nrgiá rmlni? Lézrfúzió Enrgiarmlés - Naból a Földr érző nrgia mgcsalásával - Köési nrgiából Nanrgia-hasznsíás Mi lln a magyar nrgiafgyaszási szüségl nalml való mgrmléséhz? Évs nrgiafgyaszás: 3MWh/év/fő, azaz a ljs: 310 13 Wh/év Naállandó a földályán: 1.4W/m, 000 nasüéss óra Erdő haásf (légör+nalm): b. 10% Trül: 9.3 10 10 m, hasznsíhaó nanrgia:.610 16 Wh/év. Thá E na =1000 E, azaz a rül 1 zrléé 100 m - lln rr használni. 9 Zlni (www.rmi.fi.hu)
Nanrgia nm használhaó lsőrndű nrgiafrrásén szél-, víz-, hullám-nrgia szinén a nanrgia gyfaja hasznsíása. Trülilg ncnrálabba, d rülilg és időbn is nagyn gynln az lszlás. naról érző nrgia dir hasznsíása ign nagy rül igényl, drága is. Köési nrgiából ll inább nrgiá rmlni! 30
Enrgiarmlés öési nrgiából! Vizsgálju gy 1 GW-s rőmű műödésén lhőségé (nana 3600 4 10 9 J 8 10 13 J ): z amhéj nrgiájából: Tiiusan 1 V/am 10-19 J/ 10-7 g= 10 8 J/g 10 5 g/na fűőanyag ll az nrgiaszüséglhz z ammag nrgiájából: Tiiusan 1 MV/am 10 6 10-19 J/ 10-7 g= 10 14 J/g 10-1 g/na anyagszüségl 31
Magnrgia fisszióból és fúzióból magnrgia flszabadíásána é lhségs módja: nhéz mag hasíása (fisszió) és önnyű mag gysíés (fúzió). mag hasíására snán ració lézi, a mag gysíésé az lrszaius aszíása aadályzza, zér nincs snán ració. Fisszió Snán ració is van Nm igényl zdi bf nrgiá Láncració Fúzió Nincs snán ració Jlnős zdi nrgiabfés ll Nincs láncració (raciórmé nm vszn rész a racióban) 3
Magfúziós ració szóbajövő magfiziai flyama jól ismr gyrsíóval végz ísérlből: D-T ració: D + T 4 H(3.5 MV) + n(14.1 MV) D-D n ració: D + D 3 H(0.8 MV) + n(.45 MV) D-D ració: D + D T(1.01 MV) + (3.0 MV) D-H ració: D + 3 H 4 H(3.66 MV) + (14.6 MV) 33
Lh- gyrsíóval fúziós nrgiá rmlni? Gyrsísu fl az gyi mag, és lőjü ni a másina! mag lőször szóródna gymás Culmb-rébn, és így nrgiá adna á gymásna. Mivl a Culmb-szórás haásrszmsz sal nagybb, min a fúzióé, zér az nrgia s üözés srán szészóródi a célárgy ammag özö (rmalizálódi). rmalizáció uán lnn idő racióra, d rra az nrgia már úl icsi. Fúziós nrgiá rmlni csa rmius özgbn lh. ració viszn jól anulmányzhaó gyrsíóval. 34
Haásrszmsz Ració valószínűség rmius özgbn: <v> ráa 1 részcs n sűrűségű özgbn másdrcnén N= <v> n ració sznvd l, a haásrszmsz, v a sbsség. Lgönnybbn a DT ració a mgvalósíhaó, visznylag lgalacsnyabb hőmérséln lgnagybb haásrszmsz. 10 V10 8 hőmérséln ll összarani, azaz 100 millió fn. Kiinduló anyag (D-T): D s van, T ria T lőállíhaó Li-ból fúziós nurnal: 6 Li+n(rmius) 4 H+T 7 Li+n(gyrs) 4 H+T+n Zár cilus, minimális rícium mnnyiség. Rövid bmlásidjű rmé. 35
Fúziós lazma összarása lavőn é fő ljárás van, mindővl az ún. Lawsn-riérium ll ljsíni (n>10 0 sm -3 ) 1. Mágnss fúzió: lazma sűrűségé az alalmaz mágnss ér szabja mg. z nrgiarmléshz gy riius nrgia-összarási idő ll lérni: ama, szllarár. Visznylag is sűrűség.. Thlnségi összaráss vagy mirrbbanáss fúzió (inrial cnfinmn fusin): Fúziós aszulá lézrvagy részcsnyaláb fűi, slg gy ún. Z-incs isülésbn lz röngn-sugárzás. ülső héj lrbbanásával (abláció) a raéa-ffus, azaz a hlnség nymja össz. Rövid idő, nagy sűrűség. 36
Fúziós flél (ICF) n: időgység alai rmnuláris ració Maxwll-lszlásra álaglva: dn d N D N T v 1 ND NT N0 n légési ráa (burn fracin): d N 0 1 d v n N 0 Fl.: égés ala a haásrszmsz állandó, Df.: nrgia összarási idő. Ingrálva: 1 N0 v 37
Ha a riulási hullám (égésr) rjdési sbsség c s r 3c s 1, N 0 v r 6c s r r 6( g / cm D-T ració sén a c s /<v> arány 0 és 40 V özö özl nsans. Ezér ) Lawsn riérium. Nagy hzam (r=3g/cm ) sén 33% ég l. 38
Mra hzam ll? Mivl a lézr és az össznymás haénysága alacsny, a rarhz nagy hzam, lgalább 100-szrs nrgianyrség ll a argn. 39
Mi ll az össznymáshz? Gömb összömg: M 4 r 3 3 4 3 3 r. Thá a ömg az ad r- hz 1/ -l sálázódi. Flyadésűrűség: 0.1 g/cm 3, hhz öbb, min.5g DT ll. Ez 310 14 J- azaz 70 ilnná adna. D mrimálva 400g/cm 3 -r gy r/ vasag, r sugarú gömbhéj már 5 mg ömg sén adna r=3g/cm -. Ez 610 8 J nrgiá adna. 5-6 ilyn imulzus másdrcnén 1 GW rőműr jó. Thá nagy sűrűség ll!! fűéshz viszn s rmius nrgia ll. blső nrgia 5V hőmérséln: 3 b 4 T / D T / 8 m m 610 J g 40
H sar igniin fn mlí mrsszióhz 6.510 4 J ll, d az 5mg 5V-r való fűéséhz 310 6 J. Ha a mirrbbanás haásfa l. 5%-s, ar hhz 610 7 J mghajóra van szüség. Ez brzaszó s, az 1/3 égési haásf sén csa 10-szrs lnn a hzam. Fl ll használni a magracióban lző -részcsé nrgiájá! Mivl E =3.5MV, az nrgia 0%-á z viszi l. Ezzl ll fűni! Mgldás: Egy özni frró flban ll bgyújani, ahnnan az égés a örülvvő sűrű fűőanyagban öréni, amly az részcsé és a hővzés fű fl. Elég a ljs ömg %-val bgyújani, amin flfűéséhz lég 610 4 J, azaz a mrsszióval gyü összsn 1.510 5 J, ami.510 6 J mghajó jln. Er a hzam ~00 lsz. Era lézr a NIF! 41
Bgyújás frró flban 4
mghajás raéalv Mgmaradási él, flélzv, hgy a iflé áramlás sbsség a rnában a hangsbsség, az m() ömg (g/cm ) gyrsul v() sbsségr, azaz az m() a fűőanyag ömg: dv( ) m( ) d m( ) z m P a, dm ( d m0 d 0 ) 0 dv d m0 m Pa m (flélzv, hgy dm/d nsans) gynl ingrálva aju a raéa-gynl: Pa m0 v( ) ln m m( ) 43
Sabiliás Paramér: asc rai a zdi R/R5-35 nvrgncia-arány zdi/mrimál sugár C r 30-40 iius sbsség: 3-410 7 cm/s zdi g gyrsulás g rurbációja a rbbanásr a gömbszimmriáól való lérés z: 1 R g g r g C r 1 Ez lgyn isbb a végső r sugár ngydénél! g v g v 4 C r 1 1 Gyrsulás és szimmria 1%-nál hmgénbb ll lgyn a ljs idő ala. 44
NIF lézr (19 nyaláb MJ) hly 45
Nd-üvg lézr 46
NIF amra 47
Tllr Ed a NIF-nél 48
Fúziós haás nmlináris, aramrius ölcsönhaás szr csönhő, ill. nrllálhaó az innziás rlázásával, valamin rövid hullámhsszú lézr válaszásával (frvncia-sszrzás, KrF lézr). szimmrius össznymás viszn mgnhzíi a nm aramrius, flyadé-insabiliás. - összvrhi a hidg DT- a özéső frró flal Ez: - Rayligh-Taylr insabiliás: ha nhéz flyadé szün a önnybbr vagy ha önnybb flyadéal gyrsíun nhzbb. - Richmyr-Mshv: ha löéshullám halad á ülönböző sűrűségű flyadé nm gészn sima haárán. - Klvin-Hlmhlz: ha árhuzamsan áramló flyadé sbsség ülönbözi a na flül mnén. 49
Rayligh-Taylr insabiliás Sa szrin a lézrs fúzió az RT insabiliásról szól, z a lgnagybb llnség. hidg, sűrű aszulá a lváló frró, híg lazma nymja össz. RT insabil, a zdi is rurbáció xnnciálisan növdn. végső llassulásr DT és az ő löő anyag özö úgyszinén. Klasszius analízis: szinuszs rurbáció x. növdés g, /, wd - szám Szimuláció: R gömbhéj: 3R a lggyaribb rurbáció blációs gyrsíás a gömbhéj fléig: g /=R/. Er a rurbáció időbli növdés: x( ) x R / R 50
Ezér bár a nagy R/R arány dvz a gyrsíásna az RT insabillá váli. Gömbszimmrius aszulá: nm hullámhszról, hanm l=r/ módusról bszéln. Vszélys: 3R lr/3r Ezér is ll a mgvilágíás szimmriája 1%-nál jbb lgyn. Védzés: nyaláb simíási chniá 19 nyaláb van a NIF-bn! 51