Jaderná fúze. Jednotka pro globální spotřebu energie 1Q = J 2000 Q ročně (malá hustota)

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Jaderná fúze. Jednotka pro globální spotřebu energie 1Q = 1.05 10 21 J 2000 Q ročně (malá hustota)"

Štěpánka Horáčková
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Jaderná fúze Problém energie Jednotka pro globální spotřebu energie 1Q = J Slunce zem Světová spotřeba energie 2000 Q ročně (malá hustota) do Q/rok Σ Σ Q 40 Q Zásoby uhlí ~100 Q, zásoby ropy ~11 Q Sluneční elektrárna problém s malou hustotou energie Celková energie generovaná za dobu života η = Spotřeba energie na výstavbu U orbitálních stanic je problém dosáhnout η >1 Obecně pro nízkou koncentraci energie je nízká teplota výhodou sluneční ohřev vhodný, ne ale výroba páry FU 1

004 Q/rok Σ 1850 1950 - Σ 1950 2050-4 Q 40 Q Zásoby uhlí ~100 Q, zásoby ropy ~11 Q Sluneční elektrárna problém s malou hustotou energie Celková

2 Vazebná energie na nukleon Pro malá Z Pro velká Z fúze štěpení Fúzní reakce má malý účinný průřez krát menší než účinný průřez pro elastické srážky (σ f ~ 10 6 σ e ) Energii tedy nelze vyrábět pomocí svazku urychlených iontů energie se mění na teplo bez výrazného fuzního výtěžku Fúzní reakce DT reakce má nejnižší práh D + T 4 He + n MeV ( 4 He - α částice) 340 GJ/g paliva 1 g DT paliva 4.5 g 235 U 10 t uhlí εα mn ε = m ε n α a tedy α = 3.5 MeV, ε n = 14.1 MeV T v přírodě není, ale lze ho vyrobit z Li n + 6 Li 4 He (2.1 MeV) + T (2.7 MeV) ` n + 7 Li 4 He + n + T 2.47 MeV Li v plášti reaktoru T - β rozpad τ 1/2 = 13.5 roku FU 2

práh D + T 4 He + n + 17.6 MeV ( 4 He - α částice) 340 GJ/g paliva 1 g DT paliva 4.5 g 235 U 10 t uhlí εα mn ε = m ε n α a tedy α = 3.5 MeV, ε n = 14.

3 Vysoká energie neutronu 1. stěna problém + problém stínění reaktoru + radioaktivní odpad DD reakce jen pomalé neutrony, ale vyšší práh a menší energetický výtěžek T + p + 4 MeV D + D 3 He + n MeV Reakce s 3 He D + 3 He 4 He + p + 18,3 MeV (jen nabité produkty, ale 3 He na zemi není, je na měsíci) Neutrony jen od DD reakce a od sekundárního T Bezneutronová fúze (3. generace zápalná teplota > 100 kev) H+ B= 3 He+ 8.7MeV H+ V žádná radioaktivita 3Li= 2He+ 2He+ 4Me I pro DT reakci nutná vysoká teplota T i ~10 kev Alternativa mionová katalýza fúze Mion 207x těžší než elektron, jinak velmi podobné vlastnosti, zmenšení potenciální bariery v mezomolekule DTμ, fúze probíhá při pokojové teplotě FU 3

27 MeV Reakce s 3 He D + 3 He 4 He + p + 18,3 MeV (jen nabité produkty, ale 3 He na zemi není, je na měsíci) Neutrony jen od DD reakce a od sekundárního T Bezneutronová fúze (3.

4 μ Problémy počet syntéz na 1 μ τ1/2 2.2 μs, 0.8% μ zůstane vázáno na α částici energie na generaci μ je dnes 6 GeV (ač m μ c 2 = 105 MeV), je třeba ji zmenšit na 1.5 GeV intenzita zdroje μ/s - v budoucnu lze očekávat dosažení této intenzity E TS = ¼ n 2 σv ε S τ 1 ( 4 v S ) E Q TS = E E B + p E B ztráty zářením = α B n 2 T 1/2 τ E p energie plazmatu = 2(3/2 n k B T) η (E TS +E B +E p ) E p + E B Q 1/η -1 = 1/(1/3)-1 = 2 Volba η = 1/3 Lawson n T Q = τ σ ε f ( nτ, T) 1/2 3kT+ α T nτ = T = 10 kev ( K) B B n τ cm -3 s Lawsonovo kritérium 2 základní možnosti n ~ cm -3, τ ~ 1 s magnetické udržení n ~ cm -3, τ ~ 10-9 s - inerciální udržení FU 4

1/2 τ E p energie plazmatu = 2(3/2 n k B T) η (E TS +E B +E p ) E p + E B Q 1/η -1 = 1/(1/3)-1 = 2 Volba η = 1/3 Lawson n T Q = τ σ ε f ( nτ, T) 1/2 3kT+ α T nτ = T = 10

5 Magnetické udržení (stabilita, ohřev) Uzavřené systémy (kink ) o Stelarátory rovnovážná konfigurace, vnější šroubovité vodiče na obr. schéma Wendelstein 7X o Tokamaky transformátor, kde plasma funguje jako sekundár, silný vnitřní proud, ohřev, udržení (poloidální pole) 5 velkých tokamaků (0.5 2 G$) 80. léta TFTR USA, JET EU(UK), JT-60 (Japonsko), TORE Supra (Francie), T-15 (Rusko) Ohmický ohřev (~T -3/2 ), dodatečný ohřev (neutrální atomy paliva, centimetrové vlny) ITER mezinárodní projekt - Cadarache (Francie) 10 G o Multipóly o Zařízení s relativistickým svazkem (Astron) FU 5

6 Magnetická zrcadla jednoduchá jsou nestabilní - baseballová cívka lepší Pinč (pinch) 2 2 o z-pinch nkbt = ε 0 c B /2 tlaková rovnováha I B = 2 2π rε c pole proudu 0 Benettova podmínka pinče I 2 = N k B T (N = π r 2 n) nestability hlavně zaškrcení (sausage instability) mikropinče o θ- pinč lineární, toroidální překvapivě hodně stabilní Největší z-pinč - Z-machine (Sandia Nat. Lab., USA) produkuje > 1 MJ v rentgenovém záření, puls ~100 ns systém drátků tvořích stěnu válce komprimující se kavita, uvnitř terčík, nepřímo hnaná inerciální fúze FU 6

mikropinče o θ- pinč lineární, toroidální překvapivě hodně stabilní Největší z-pinč - Z-machine (Sandia Nat. Lab.

7 Inerciální fúze (mikrovýbuch) Počet reakcí fúze v 1 objemu n d n = NDNT σ v d t v t = 0 n = 0 N D = N T = N 0 /2 N0 ρ n() t = Ψ() t N0 = 2 m 2 N0 dψ N = 0 σ v 1 2 dt 4 d dt ( Ψ ) 2 Ψ 1 Ψ 2,5 p 1 N0 1 N0 = σ v 1= σv τ 1 Ψ 2 1 Ψ 2 FU 7

8 Doba udržení R Ψ ρr σ v ρr τ = = 3cs 1 Ψ 5mp 3cs HB při T i = 20 kev je H B = 6.3 g/cm 2 ρr Ψ= ρr+ H B H B Ψ= 1 ρr = 3 gcm / 3 2 Mikrovýbuch 1 mg zreaguje 340 MJ (odpovídá ~75 kg TNT) M ( ρr) 3 4π 4π = 3mg= ρr = ρ 200g/cm 3 3 ρ DT 3 ( ρsolid 0.25 g / cm ) ter 17.6 MeV 17.6 MeV η max Ψ Ψ = 580 Ψ kt 6 5keV 2 B velké ρ sférická kumulace (? symetrie, stabilita) 2 FU 8

~75 kg TNT) M ( ρr) 3 4π 4π = 3mg= ρr = ρ 200g/cm 3 3 ρ 3 3 2 DT 3 ( ρsolid 0.

9 Tenká slupka s poměrem tloušťky stěny d k poloměru R d/r ~ uvnitř DT-plyn nebo DT-led Fáze inerciální fúze Ablace Imploze a komprese Zapálení (jiskra) malá část paliva ρ > 100 g/cm 3, T > 5 kev (central hot spot ignitron) Šíření vlny termojaderného hoření Zdroje energie (drivery) Lasery - nejrozvinutější, drahé, malá účinnost dlouhé λ energie do rychlých elektronů, ne do tepla používá se 3-harmonická Nd laserů (pro IFE diodové čepání), KrF laser Lehké ionty - laciné, vysoká η, transport, fokusace Z-Pinch Z-machine Sandia National Laboratory, USA Těžké ionty perspektivní nelze zkoušet na malém zařízení FU 9

nejrozvinutější, drahé, malá účinnost dlouhé λ energie do rychlých elektronů, ne do tepla používá se 3-harmonická Nd laserů (pro IFE diodové čepání), KrF

10 Typy inerciální fúze Přímá (přímo hnaná) - energie driverů působí ablací vysoká účinnost η špatná stabilita Nepřímá (nepřímo hnaná) - energie driveru se transformuje na rtg záření a to působí ablací vysoká stabilita malá účinnost vývoj zbraní Fast ignition v obou schématech možné, rychlé dodání energie stlačenému palivu, většnou se předpokladá, že energii dodá piko- či femtosekundový (CPA) laserový puls Energie laseru se musí předat elektronům či iontům, které ohřejí stlačené palivo, výhodné přiblížit oblast absorpce k stlačenému palivy (terč se zlatým kuželem) FU 10

rychlé dodání energie stlačenému palivu, většnou se předpokladá, že energii dodá piko- či femtosekundový (CPA) laserový puls Energie laseru se

11 Experimentální zařízení (Nd-lasery) Nova 60 kj v λ/3 (LLNL) ~ 3 ns nepřímá (< 10 svazků) - rozebrána Omega 45 kj v 60 svazcích (Univ. Rochester) přímá Dnes Omega EP pro fast ignitron (do provozu 2008) NIF ve stavbě dokončení 2009 (LLNL) 1.8 MJ, $, 10 ns, tvarovaný impuls aplikace: zbraně; vysoký tok neutronů materiály, HEDP podobný laser LMJ nedaleko Bordeaux dokončení FU 11

Rochester) přímá Dnes Omega EP pro fast ignitron (do provozu 2008) NIF ve stavbě dokončení 2009

12 Další aplikace interakce výkonových laserů X zdroj X-ray laser astrofyzikální model (modelování astrofyzikálních jevů v laboratoři) atomová fyzika v extrémních podmínkách fyzika vysokých hustot energie (HEDP - high energy density physics) Reaktor pro inerciální fúzi ~ 10 m Li-stínění odvod energie stínění množení T první konstrukční stěna vysoký tok n na obr. studie HYLIFE-II (HIF elektrárna) FU 12

energie (HEDP - high energy density physics) Reaktor pro inerciální fúzi ~ 10 m Li-stínění odvod

Podobné dokumenty

Jaderná fúze. Jednotka pro globální spotřebu energie 1Q = 1.05 10 21 J 2000 Q ročně (malá hustota) Σ 1850 1950 - Σ 1950 2050 -

Jaderná fúze. Jednotka pro globální spotřebu energie 1Q = 1.05 10 21 J 2000 Q ročně (malá hustota) Σ 1850 1950 - Σ 1950 2050 - Jaderná fúze Problém energie Jednotka pro globální spotřebu energie 1Q = 1.05 10 21 J Slunce zem Světová spotřeba energie 2000 Q ročně (malá hustota) Zásoby uhlí ~100 Q, zásoby ropy do 1850 0.004 Q/rok