vysokoteplotního plazmatu na tokamaku GOLEM

Transkript

1 Měření základních parametů vysokoteplotního plazmatu na tokamaku GOLEM J. Krbec 1 1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská U3V Fyzika přátelsky / Aplikované přírodní vědy

2 Termojaderná fúze

3 Historie Co je zdrojem energie na slunci? Termonukleární fúze

4 Historie Co je zdrojem energie na slunci? Albert Einstein - ekvivalence hmoty a energie Termonukleární fúze

5 Historie Co je zdrojem energie na slunci? Albert Einstein - ekvivalence hmoty a energie Francis Aston - hmotnostní spektrometrie Termonukleární fúze

6 Historie Co je zdrojem energie na slunci? Albert Einstein - ekvivalence hmoty a energie Francis Aston - hmotnostní spektrometrie Arthur Eddington - pozorování slunce Termonukleární fúze

7 Historie Co je zdrojem energie na slunci? Albert Einstein - ekvivalence hmoty a energie Francis Aston - hmotnostní spektrometrie Arthur Eddington - pozorování slunce Termojaderná fúze

8 Co je fúze? Slučování jader atomů

9 Fúzní reakce Ekvivalence hmoty a energie: E = mc 2 (1) Zákon zachování energie: m = Zm p +(A Z)m n m (2) Příklad: přeměna deuteria na helium hmotnost deuteronu m D = 2,01363u, helia m He = 4,002602u m = 2 m D m He = 4,02726u 4,002602u = 0,0246u zhruba 0.5 % přeměněno na energii

10 Typy reakcí 1 H 1 H 1 H 1 H ν ν 1 D + D T + p He 3 + n 2 H 1 H 1 H 2 H 2 D + T He 4 + n 3 D + He 3 He 4 + p 4 T + T He 4 + 2n γ 3 He 3 He γ 5 p + Li 6 He 4 + He 3 6 p + B 11 3 He 4 1 H 1 H γ ν Gamma Ray Neutrino 4 He Proton Neutron Positron

11 Možnosti využití fúze? Zdroj energie Spotřeba energie vzrůstá Zásoby fosilních paliv se zmenšují Snížení zátěže na životní prostředí Těžba uhĺı, ropy a zemního plynu Emise CO 2, jaderný odpad, jaderné zbraně Velké plochy fotovoltaiky a větrníků

12 Podmínky pro fúzi Jádra se musí přibĺıžit na vzdálenost metru Musí překonat odpudivé síly Coulombův zákon F E = 1 Q 1 Q 2 4πǫ 0 r 2 Vysoká teplota zápalná teplota pro D-T fúzi je Kelvinů

13 Plazma Jak vypadá velmi horká hmota Ionizovaný plyn Dvě složky: ionty a elektrony Čtvrté skupenství hmoty Velmi složité chování Nabité částice vytváří při pohybu magnetické pole, které ovlivňuje pohyb jiných nabitých částic Velmi složité chování

14 Plazma Výskyt ve Vesmíru 99% viditelné hmoty ve vesmíru. Na zemi vzácné

15 Plazma Oheň

16 Plazma Blesky

17 Plazma Aurora

18 Plazma Slunce

19 Plazma Parametry plazmatu: teplota, hustota

20 Plazma pro fúzi Fúzní reakce musí vydat více energie než jaké jsou energnetické ztráty plazmatu Lawsonovo kritérium nτ E > m 3 s Inerciální udržení: hustota m 3, doba udržení s Magnetické udržení: hustota m 3, doba udržení 1 s Parametry zařízení: doba udržení

21 Tři způsoby udržení plazmatu Gravitační udržení

22 Tři způsoby udržení plazmatu Magnetické udržení

23 Tři způsoby udržení plazmatu Inerciální udržení

24 Tři způsoby udržení plazmatu Inerciální udržení

25 Tři způsoby udržení plazmatu Inerciální udržení

26 Tři způsoby udržení plazmatu Inerciální udržení

27 Geometrie udržení plazmatu Sférická

28 Geometrie udržení plazmatu Válcová

29 Geometrie udržení plazmatu Toroidální

30 Geometrie udržení plazmatu Toroidální

31 Toroidální geometrie Tokamaky Kombinace cívek toroidálního pole a magnetického pole proudu tekoucího plazmatem. Stelarátory Pouze speciálně tvarované cívky. Proud plazmatem je nežádoucí.

32 Tokamak

33 Stelarátor Geometrie stelarátoru

34 Stelarátor Cívky generující magnetické pole

35 Stelarátor Tvar komory

36 Palivo pro tokamak Deuterium Obsaženo ve vodě 1: l vody (0.3 gramu deuteria) = 300 l benzínu Tritium Radioaktivní (poločas rozpadu 12,3 let) Výroba z lithia neutronovým záchytem přímo v reaktoru Plodivá obálka z lithium Trojný součin ntτ E > m 3 s kev

37 Trojný součin

38 Fúzní elektrárna Proč už ji dávno nestavíme?

39 Fúzní elektrárna Proč už ji dávno nestavíme? Nedořešené otázky pro velké zařízení Diagnostika Supravodivé cívky Materiál první stěny Nestability plazmatu Řízení plazmatu

40 Tokamak ITER Internation Thermonuclear Experimental Reactor

41 Další krok - DEMO rok 2040