ízená termonukleární fúze

Transkript

1 1) Význam temojadené fúze ízená temonukleání fúze Pet Kadaka V dlouhodobém výhledu, v ádu stovek let, nabízí jadená fúze pavdpodobn jediný udžitelný zdoj elektické enegie v množství potebném k uspokojení svtové spoteby. Slunení, vtná a jiné duhy obnovitelných enegií mohou tvoit vždy jen velmi omezený píspvek do enegetického ozpotu, zásoby fosilních paliv jsou konené. Znovuotevíání díve neentabilních ložisek zvyšuje jejich cenu, opa je potebná nejen po výobu pohonných látek a spalování fosilních paliv pináší diskutované poblémy životního postedí. Elektická enegie získaná jadenou štpnou eakcí, díve považovaná za dlouhodobé ešení enegetické otázky se již netší takové populait, z dvod z ásti politických, z ásti technologických týkajících se skladování vyhoelého paliva s dlouhým poloasem ozpadu. Pestože zvládnutí temojadené fúze je záležitostí dahou, technologicky náonou a v cest stále stojí mnoho výzev, fakt snadné dostupnosti paliva, absence adioaktivního odpadu s dlouhým poloasem ozpadu a výazný pokok v této oblasti jsou dostatené hnací motoy po pokaování výzkumu.[] ) Tokamak Výzkum pobíhá od 50 let dvacátého století. Zpsob udžení temojadené fúze na Zemi je více, potože se ale nejpespektivnji jeví zaízení nazvané tokamak, omezíme se v následujícím textu na nj. Pvní tokamak spatil svtlo svta v sovtském svazu. Pvním velkým úspchem byla zpáva Lva Acimovie a jeho týmu oku 1968 ve svém pokusném zaízení dosáhli teploty plazmatu pes 1000eV! Poté co západ uvil, byly v USA ozvíjené stelaátoy odsunuty na duhou kolej a celý svt se od té doby snaží získat enegii ze zaízení zvaného tokamak z uského tooidalnaja kamea s magnitnymi katuškami tooidální komoa s magnetickými cívkami. Nejnovjším pojektem je mezináodní ITER, spolená pojekt Japonska, evopské unie, Koeji, íny, Indie, Spojených stát a Ruska. Stavba zapoala oku 008 v jihofancouzském Cadaache a pvní plasma je oekávána oku ) Fyzika jadené fúze Reakcí jadené fúze je nkolik, nejvíce se nabízí poton-potonový etzec pobíhající na slunci, kdy se sluováním poton vytváí -ástice a uvoluje enegie 6,7MeV. Tato eakce se ale po pozemské eaktoy nehodí, nebo je beznadjn pomalá. Úsilí vdc se souste uje na eakci deuteon-titonovou: 3 4 H + H He + n Q = + 17,59MeV obázek 1 Pincip udžení plasmatu pomocí magnetického pole v tokamaku [3]

2 Po uvolnní této enegie je však teba jáda piblížit dostaten blízko k sob, aby se uplatnila jadená síla a vytvoila ze dvou jade jádo nové. Tomuto pibližování však bání odpudivá Coulombovská síla: 1 q1q F = 4πε Po spojení dvou poton (Slunce) iní asi 360keV, po D-T eakci je pibližn 410keV [1]. Po bližší pedstavu je možné tento údaj pepoítat na teplotu podle vztahu: 0 Ek = kt Teplota je pak ádu 10 9 K. Díky tunelování ástic enegetickou baiéou a existenci nemalého potu ástic s ychlostí vtší než je stední ychlost pak po bh temojadené fúze v pozemském eaktou staí teplota pouze nkolik desítek kev stovky milión K. Pi takto vysoké teplot už látka existuje jen ve stavu pln ionizovaného plazmatu, tj. smsi holých atomových jade a volných elekton, neboli tvtého skupenství hmoty. Udžení plazmatu v tokamaku funguje díky tzv. Loenzov síle, kdy na náboj pohybující se v magnetickém poli psobí síla kolmá ke smu pohybu a magnetickým siloaám. V tokamaku se skládá magnetické pole tooidální tvoené cívkami okolo vlastní nádoby a pole poloidální, tvoené indukcí poudem samotného plazmatu. 4) Konstukce tokamaku Jáda helia vzniklá eakcí tvoí popel, zneišují D-T sms a poto musí být odstanna. Rychlé neutony jsou zachyceny v lithiovém plášti kde plní dvojí funkci. Jednak dalšími jadenými pocesy geneují další titium po bh eakce, dále pi svém zpomalování uvolují teplo, kteé slouží k tvob páy po následující paní tubínu a samotnou výobu elektické enegie.[] Po ilustaci uvažujme vakuový systém tokamaku JET. JET je akonym po Joint Euopean Tous, zaal pacovat na poátku 80 let. Samotná vakuová nádoba JET má tva tooidu v podob písmene D, vnitní pm je,6m a vnjší 3m, výška je 4,m. Tous má celokovové dvojité stny s množstvím pístupových pot. Posto mezi stnami umožuje cikulaci hokého helia po vypékání (degasing). Plocha vnitní stny je 1000m a objem tou je 189m 3. Do tou ústí vstup ze komo (C) o pmu 1,m. Komoy obsahují tubomolekulání pumpy (T) se vstupy o pmu 400mm oddlené celokovovými ventily. Celková efektivní epací ychlost v tou je 6000ls -1. epání od atmosféického tlaku do hodnot asi 0,1mba využívá nkolik epacích stanic, každou s epací ychlostí 000m 3 h -1 a tvá mén než hodiny. Stna tou je odplynna obázek - schéma tokamaku JET []

3 zahátím na 500 C poudním hokého helia v postou mezi stnami, bhem samotného bhu je pak udžována na teplot 300 C. Tlak H O, CO, CH 4 a C H 4 je ádu 10-9 mba a menší, tlak vodíku je asi 10-7 mba. Vyšší tlak vodíku je akceptovatelný, potože tous je zptn zaplnn velmi istou smsí deuteia a titia až do tlaku 10-1 mba. Samotný pulsní bh eaktou je pomn damatická záležitost. Dochází k indukci velkých tooidálních poud, 5MA i více, na stuktuu psobí velké mechanické síly magnetického pvodu a pokud se plasma dotkne stny v míst, kteé k tomu není uené, dochází až k poažení malého otvou.[] 5) Ohívání plazmatu V bžícím fúzním eaktou je ást enegie vzniklé eakcí použita na udžení teploty plasmy. Nicmén k nastatování eaktou je poteba zahát plasmu na pacovní teplotu pes 10keV (více než 100 milion C). K tomu se používá nkolik zpsob založených na odlišných fyzikálních pincipech[3]: a) Ohmické zahívání Potože je plasma elektický vodi, je možné zahát jej indukováním poudu. Ve skutenosti indukovaný poud geneuje poloidální magnetické pole a je tedy v každém pípad nezbytný. Indukování poudu pobíhá postupným zvyšováním poudu vinutím tou, plasma se pak chová jako sekundání závit tansfomátou. Tento poces je pochopiteln pulsní a postail by pouze k pulsnímu povozu eaktou. Navíc se stoupající teplotou plazmatu klesá jeho ezistivita a maximální teplota dosažitelná tímto zpsobem je tak asi jen 0-30 milion C. K dosažení vyšších teplot je teba dalších zpsob ohevu[3]. b) Magnetická kompese Plyn mže být podle Gay-Lussacova zákona zahát stlaením. Podobným zpsobem plasma mžeme zahát pokud jej ychle stlaíme pomocí magnetického pole. V tokamaku se tak dje posunutím plazmatu do místa s vtší intenzitou magnetického pole (do stedu) [3]. c) Vstikování neutálního papsku Jedná se o metodu vzniklou v 70 letech a její myšlenka je pomn jednoduchá: Uychlené neutální atomu jsou schopny pekonat magnetické pole tokamaku a postým pedáním kinetické enegie ohívají plyn v eaktou. Typické hodnoty injekních enegií se pohybují mezi 50keV a 130keV. Po sovnání stední teplota plazmatu je asi 15keV. Geneování ychlých neutálních atom pak pobíhá ve tech kocích[4]: geneování iontového svazku o enegii nkolika MeV (ITER) neutalizování iont tanspot neutálních atom do tou d) Mico wave heating Iontová a elektonová cyklotonová ezonance používají elektomagnetických vln o zných fekvencích k dodání enegie plazmatu. V podstat se jedná o stejný pincip, jaký využívá bžná domácí mikovlnná touba. Pi iontovém cyklotonovém ezonanním ohívání (ICRH) je enegie penášena svazkem elektomagnetického záení o fekvencích 0 až 80MHz. Po ICRH je poteba geneáto, penosové vedení a anténa v samotném tou.

4 6) Blíže o elektonovém cyklotonovém ezonanním ohívání (ECRH) Jak vlastn funguje ECR? Pomn postý fyzikální nápad se pokusíme objasnit v následujících bodech: na náboj q pohybujíci se ychlostí v v magnetickém poli o indukci B psobí loentzova síla F L : FL = qv B elekton se bude pohybovat po tajektoii s polomem, kteý uíme z ovnosti loentzovy síly a síly dostedivé: FL = qv B a Fd = qv B = = qb je zejmé, že polom kivosti tajektoie se bude zvtšovat s ostoucí ychlostí elektonu úhlový kmitoet elektonu pohybujícího se v magnetickém poli je dán vztahem: ωce = qb f qb q CE = = B m π m π m pokud budeme na takovýto elekton psobit vhodn oientovaným elektickým polem o fekvenci f CE, bude v ezonanci uychlován zychlující elekton se pohybuje po ozbíhavé spiále a i v slabém elektickém poli je možné jej uychlit na velmi velké ychlosti, podmínkou je ovšem dostaten nízký tlak po zajištní potebné stední volné dáhy elektonu postednictvím sážek uychlených elekton s jády dochází ke zvýšení enegie jade v plazmatu a tedy ohevu Pi ECRH dochází k ohívání elekton v plazmatu pomocí svazku elektomagnetického záení o fekvenci 100 až 00 GHz (v závilosti na intenzit magnetického pole, u tokamak jednotky Tesla). Rezonanní fekvence elekton závisí na intenzit magnetické pole podle vztahu: f = 8 GHz / T Potože intenzita magnetického pole v tokamaku klesá úmn 1/R, je možné pomocí ECRH zahívat plasma jen v požadované oblasti a to s pesností v ádu centimet. Toho je možné využít napíklad po minimalizování stu nkteých nestabilit vedoucích k ochlazování plazmatu. Opoti ICRH má ECRH další výhodu elektomagnetická vlna mže být penášena vzduchem a zdoj tak mže být daleko od plazmatu, což zjednodušuje jak návh zaízení, tak jeho údžbu. Jako zdoj slouží gyotony, po ITER nap. gyoton o výkonu 1MW pacující na fekvenci 170GHz a délkou pulsu až 500s[5].

5 7) Shnutí temonukleání fúze je ešením enegetické otázky budoucnosti, a to díky v podstat nevyepatelným zásobám paliva a pakticky nulovému dopadu na životní postedí ze všech koncepcí po udžení temonukléání fúze na Zemi se nejpespektivnjí jeví zaízení zvané tokamak, nejnovjší ITER plánuje spuštní eakce s kladnou enegetickou bilancí v píštích deseti letech po udžení eakce je teba pacovat s velmi nízkými tlaky, vtší hustota plazmatu vede k nestabilit a následnému ychlému chladnutí zpsoby ohevu plazmatu se vyvíjejí, indukní ohev joulovým teplem se již píliš nepoužívá, plazma v dnešních tokamacích je ohíváno injekcí neutálního papsku a cyklotonové ezonance ohev pomocí ECR je umožnn vývojem dostaten výkoných zdoj, gyoton nového typu cyklotonových ezonanních mase výhodou ECRH je velmi úzce vymezená postoovost daná pomnnou intenzitou magnetického pole v tokamaku, ECR nastává pouze pi splnní ezonanní podmínky q fce = B π m 7) Použitá liteatua [1] Weinzettl, V. Analýza entgenového záení metodou filt na tokamaku CASTOR. Univezita Kalova Paha, Matematicko-fyzikální fakulta, Ke Kalovu 3, Paha ; kateda jadené fyziky, V Holešovikách, Paha 8, s. Vedoucí diplomové páce ing. V. Piffl [] Chambes, A. Moden vacuum physics [3] [4] [5]