Možné přístupy k realizaci termojaderné syntézy

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra fyziky Možné přístupy k realizaci termojaderné syntézy, rezack@fel.cvut.cz Katedra fyziky FEL ČVUT v Praze 6. října 2016 Exkurze Gymnázium Kladno, SPŠ Ostrov na FEL ČVUT v Praze

2 Obsah Úvod Základní pojmy připomenutí Motivace k výzkumu termojaderné fúze Lawsonovo kritérium Různé přístupy k realizaci fúzního zdroje energie Magnetické udržení (Tokamak) Inerciální udržení (Laser) Magnetické a inerciální udržení (Z-pinče) Shrnutí a závěr 2 / 47

3 Základní pojmy Plazma 4. skupenství hmoty Zdroj: Kvazineutrální soubor nabitých částic, který vykazuje kolektivní chování Izotopy Široká škála stavu hmotu v plazmatickém stavu (teplota koncentrace) Pro fúzi: vysoké teploty a hustoty energie Izotopy vodíku: vodík, deuterium, tricium Izotopy lithia Fúze, termojaderná fúze Účinný průřez 3 / 47

4 Plasma, čtvrté skupenství hmoty Různé druhy plazmatu rozdělení podle hustoty a teploty [1]. 4 / 47

5 Izotopy vodíku NuDat 2.6 databáze izotopů [2] 5 / 47

6 Izotopy vodíku a jejich fúzní reakce Izotopy vodíku: Vodík: 1 H, 1H, H, p Deutérium: 2 H, 2H, D, d Tricium: 3 H, T, t Exotermní fúzní reakce s izotopy vodíku D(t,n) 4 He T(t,2n) 4 He D(d,n) 3 He 4 D T He(3.56 MeV) n(14.03 MeV), Q MeV 4 T T He(3.78 MeV) 2n(7.56 MeV), Q MeV 3 D D He(0.82 MeV) n(2.45 MeV), Q 3.27 MeV D(d,p)T D D T(1.01 MeV) p(3.02 MeV), Q 4.03 MeV 6 / 47

7 Fúze Fúze je proces, kde se sloučí lehčí prvky na těžší (ex. další definice, které se např. omezují na reakce, kdy se uvolňuje energie) Slučování Fúze (fusion) Štěpení (fission) 7 / 47

8 Fúze Fúze je proces, kde se sloučí lehčí prvky na těžší (ex. další definice, které se např. omezují na reakce, kdy se uvolňuje energie) 4 D T He(3.56 MeV) n(14.03 MeV), Q MeV m r1 + m r2 m p1 + m p2 Dm = (m r1 + m r2 ) (m p1 + m p2 ) DE = Dm c 2 8 / 47

9 Účinný průřez (cross section) Vyjadřuje pravděpodobnost, že dojde k interakci mezi dvěma jádry Jednotka je barn (b), 1 b = m 2 Totální účinný průřez (závisí na energii E) Diferenciální účinný průřez (závisí na energii E a úhlu ) 9 / 47

10 Termojaderná fúze Rozdíl mezi fúzí a termojadernou fúzí Fúzi můžeme dosáhnout: Zasažením terčových částic urychleným svazkem (beam-target) Realizováno již od 1934 (Oliphant),1936 (Ladenburg) Není to moc složité např. na FEL ČVUT (viz. laboratoř) V principu nelze realizovat s energetickým ziskem! Srážkami částic při velmi vysoké teplotě (thermonuclear) Podstatně složitější než beam-target Zatím nebylo dosaženo s energetickým ziskem (kromě vodíkové bomby) 10 / 47

11 Termojaderná fúze 11 / 47

12 Termojaderná fúze 12 / 47

13 Motivace k výzkumu termojaderné fúze Omezené zdroje pro získávání energie z fosilních paliv vyčerpání základních zdrojů energie (uhlí, ropa, plyn) Příklady odhadů: Uhlí Ropa Plyn Štěpný mat. Řípa [1] ČT [3] ekonomové nevyčerpatelné Zásoby fosilních paliv odhad vyčerpání jednotlivých zdrojů (roky). Emise skleníkových plynů Nemoci lidí Oteplovaní planety 13 / 47

14 Motivace k výzkumu termojaderné fúze Téměř nevyčerpatelné zdroje paliva pro fúzní elektrárny [1] Deutérium Stabilní izotop Množství: 0,015%, tj. 1 / 8700 vodíku Např. deuterium z Máchova jezera by pokrylo spotřebu ČR na 100 let Tricium Nestabilní izotop (T 1/2 = 12,32 let) Lze vyrobit z lithia (obou stabilních izotopů 6 Li, 7 Li) pro tokamak: 14 / 47

15 Lawsonovo kritérium 15 / 47

16 Lawsonovo kritérium J. D. Lawson (vytvořeno: prosinec1955, odtajněno: duben 1957) [4] Podmínka pro to, aby termojaderná reakce vyprodukovala více energie než je potřeba k: Vytvoření a ohřevu plazmatu Náhradě ztrát zářením Náhradě ztrát způsobené únikem částic z plazmatu Požadavky na: Teplotu plazmatu T Hustotu (koncentraci) plazmatu n Dobu udržení plazmatu t E 16 / 47

17 Lawsonovo kritérium 17 / 47

18 Lawsonovo kritérium Většinou se uvádí pro danou (dosažitelnou) teplotu plazmatu podmínka na součin nt E dva možné přístupy pro reaktor: magnetické / setrvačné udržení Př. pro D(t,n) 4 He reakci o teplotě plazmatu 25 kev ( K): nt E cm 3 s Následující grafy zobrazují Lawsonovo kritérium pro D(d,n) 3 He a D(t,n) 4 He reakci R je podíl energie vzniklé a dodané je účinnost návratu energie (počítáno pro 33 %) Lawsonovo kritérium splněno pro R > 2 R / 47

19 Lawsonovo kritérium 1 ev = K Lawsonovo kritérium pro D(t,n) 4 He reakci Lawsonovo kritérium pro D(d,n) 3 He reakci 19 / 47

20 Přístupy k realizaci fúzního zdroje energie 20 / 47

21 Přístupy k realizaci fúzního zdroje energie Magnetické udržení (Tokamak: ITER celkem $ 20 mld.) Inerciální udržení (Laser: NIF celkem $ 3,5 mld.) Magnetické a inerciální udržení (Z-pinče: MagLIF ročně $ 5 mil.) Další možné přístupy (spadají jak do mag. tak inerc. udržení) Stelarátory (LHD, W7-AS, TJ-II, ) Magnetická zrcadla (MFTF-B, ) Staged Z-pinch a mnoho dalších 21 / 47

22 Magnetické udržení (Tokamak) Podmínka nt E > něco bude dosažena: malou koncentrací plazmatu cm 3 dlouhou dobou udržení > 1s TOrodialnaja KAmera i MAgnitnyje Katuški Torodiální komora Transformátorový efekt, rotační transformace Spirálové pole kombinace torodiálního a polodiálního pole Výzkum hlavně v Evropě, Rusku, Japonsku (částečně v USA) Velký mezinárodní projekt ITER 22 / 47

23 Magnetické udržení (Tokamak) stát R (m) a (m) B (T) I (MA) Q ITER [5 ] Mezinárodní 6,2 2 5,3 17 proj. 10 JET EU 2,96 1, ,65 JT-60 Japonsko 3,4 1 4,5 5 ekv. 1,25 COMPASS ČR 0,56 0,2 2,1 T 400 ka - Některé tokamaky světa základní parametry 23 / 47

24 Tokamak ITER Společný projekt mnoha států: 28 států EU, Švýcarsko, Indie, Japonsko, Čína, Korea, Rusko, USA Dlouhá historie celého projektu popsána např. v [1, 5] 1986: Dohoda o společném návrhu ITERu 1988: Zahájení projekčních prací 1998: Finální návrh, Q =, $ 6 mld., USA odstupuje (později se vrací) 2001: Finální návrh 2, Q = 10, $ 3 mld. 2007: Zahájení stavby v Cadarache (Francie) plán 2025: První plazma v ITERu plán 2032: První D-T reakce 24 / 47

25 Tokamak ITER 25 / 47

26 Tokamak ITER 26 / 47

27 Inerciální udržení (Laser) Podmínka nt E > něco bude dosažena: velkou koncentrací plazmatu > cm 3 krátkou dobou udržení < 10 9 s Výzkum hlavně v USA, dále Francii, Japonsku Různé přístupy k fúzi na laserech Direct drive, polar drive Indirect drive Fast ignition, shock ignition Indirect drive (nepřímý ohřev) jednotlivé fáze 27 / 47

28 Inerciální udržení (Laser) Laboratoř Počet svazků Energie (kj) Délka pulsu (ns) Výkon (TW) NIF [6] LLNL (USA) LMJ CEA (Francie) GEKKO XII ILE (Japonsko) OMEGA LLE (USA) , PALS ÚFP a FÚ (ČR) 1 1,2 0,4 3 Některé lasery světa základní parametry 28 / 47

29 Laser NIF Největší fúzní projekt na světě (celkem $ 3,5 mld.) Přesto je to záležitost pouze USA (vojenský výzkum) Stále jsou vládou na NIF podporovány 2 programy na ICF fúzi Polar drive (přímý ohřev jen v polárních oblastech) Indirect drive (nepřímý ohřev) Velké problémy celého projektu NIF nesplnilo očekávání 29 / 47

30 Laser NIF 30 / 47

31 Laser NIF 31 / 47

32 Magnetické a inerciální udržení (Z-pinče) Podmínka nt E > něco bude dosažena: velkou-střední konc. plazmatu: cm 3 krátkou-střední dobou udržení: s Prvenství Z-pinčů: Nejvýkonnějšími a nejúčinnějšími zdroji rentgenového záření Poměrně levné zařízení (vzhledem k tokamakům a laserům) Účinnost desítky % (30 % Z v SNL): energie z baterie do plazmatu Místem s největší změřenou teplotou ve vesmíru 1937 Název pinch použil prvně L. Tonks pro samosmršťující se plazma 32 / 47

33 Z-machine (ZR-machine) v SNL Generátor proudového pulsu [7] Upgrade Z ZR (2006-7) proud až 26 MA rychlý nárůst ~90 ns dnes až 350 TW Několik fúzních exp. Deuterium gas-puff Ozáření ICF peletu MagLIF 33 / 47

34 Z-machine (ZR-machine) v SNL 34 / 47

35 Z-machine (ZR-machine) v SNL 35 / 47

36 Z-pinče: projekt MagLIF Myšlenka (MagLIF koncept): S. A. Slutz 2010 V roce 2013 první komplexní experimenty projektu MagLIF [8] Výboj mezi elektrodami jako klasický Z-pinč Plynné deuterium (+ kryogenní směs D-T), metalický liner Magnetické pole 10 až 30 T (10 T v roce 2015) Předionizace laserem (diagnostický laser Z-Beamlet v SNL, 2 kj v r. 2015) Koncept MagLIF jednotlivé fáze. 36 / 47

37 Z-pinče: projekt MagLIF M. Gomez, S. Slutz, A. Sefkow na Z. D. Sinars a zátěž pro MagLIF. 37 / 47

38 Z-pinče: plánovaná aparatura Důvod: Potřeba dosažení většího proudu Neutronový zisk na Z-pinčích I 4 (MagLIF v r. 2015) Již existují plány na nové zařízení Z 300 / Z 800 : 48 MJ, 870 TW, 48 MA / 130MJ, 890 TW, 65 MA Průměr zařízení 35 m / 52 m Technologie LTD 38 / 47

39 Shrnutí a závěr 39 / 47

40 Nejkratší cesta k fúzní elektrárně? Zatím nevíme, jaká ze tří výše uvedených cest to bude Nejzodpovědněji, se zdá (subjektivní pohled), kráčí USA 2015, 2020 zpráva pro kongres určí, jakou se dají cestou v ICF Indirect radiation drive on NIF (laser) Polar direct drive on NIF (laser) Magnetically driven implosions on Z (Z-pinče) Neúspěchy na NIF ve většině fúzních projektech Úspěchy na MagLIF 40 / 47

41 Dosáhne lidstvo fúzní elektrárny? 41 / 47

42 Dosáhne lidstvo fúzní elektrárny? Jednou určitě ano! protože si lidstvo, vždy když mu začalo jít o krk, poradilo. Otázkou ale zůstává, kdy se tak stane Ing. Dana Drábová, Ph.D. předsedkyně Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB) 42 / 47

43 Fúzní aparatury v ČR (Praze) Z-pinčová aparatura PFZ-200 na FEL ČVUT v Praze (exkurze) Prague Asterix Laser Systém (PALS) [9, 10] Plný výkon v roce 1991 (Německo) Přesunut do ČR spuštěn v roce 2000 PALS laserová místnost 43 / 47 PALS interakční komora

44 Fúzní aparatury v ČR (Praze) Tokamak COMPASS v ÚFP AV ČR [10] 2004 nabídka tokamaku z UKAEA 2008 první plasma v tokamaku v ÚFP od 2012 využívání tokamaku pro vědecký výzkum COMPASS COMPASS vnitřek interakční komory 44 / 47

45 Cíle přednášky Rozdíl mezi fúzí / termonukleární fúzí Ukázat možné přístupy k termojaderné fúzi Tokamaky Lasery Z-pinče Upozornit na možnosti exkurzí v Praze Poukázat na zdroje informací 45 / 47

46 Použitá literatura [1] M. Řípa a kol.: Řízená termojaderná fúze pro každého, ÚFP AV ČR, [2] NuDat 2.6 databáze izotopů, [3] Fokus Václava Moravce, U konce s energií, , [4] J.D. Lawson, Some Criteria for a Power producing thermonuclear reactor, Technical report, Atomic Energy Research Establishment, Harwell, [5] ITER, [6] National Ignition Facility (NIF), [7] SNL Z-machine, [8] W. Gibbs, Triple-threat method sparks hope for fusion, Nature 505, leden [9] Prague Asterix Laser System, (PALS), [10] Ústav fyziky plazmatu, [11] Skupina silnoproudých výbojů, FEL ČVUT, 46 / 47

47 Soutěžní otázka V jakém roce lidstvo zvládlo první termonukleární fúzní reakci s energetickým ziskem? 47 / 47

48 Děkuji za pozornost! 48 / 47