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



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

1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) JET 11) ITER

Složení hvězdy. Hvězda - gravitačně vázaný objekt, složený z vysokoteplotního plazmatu; hmotnost 0,08 M ʘ cca 150 M ʘ, ale R136a1 (LMC) má 265 M ʘ

Relativistická dynamika

Monitorovací indikátor: Počet nově vytvořených/inovovaných produktů Akce: Přednáška, KA 5 Číslo přednášky: 19

Studium produkce neutronů v tříštivých reakcích a jejich využití pro transmutaci jaderného odpadu

Možné přístupy k realizaci termojaderné syntézy

Jaderná fyzika. Zápisy do sešitu

Prvek, nuklid, izotop, izobar

Elektrické vlastnosti pevných látek

Fyzika (učitelství) Zkouška - teoretická fyzika. Čas k řešení je 120 minut (6 minut na úlohu): snažte se nejprve rychle vyřešit ty nejsnazší úlohy,

O symetrii tokamaku. Vtomto článku opustíme tematiku konkrétních. Jan Mlynář. 50 let UFP AV ČR

Vzdělávání výzkumných pracovníků v Regionálním centru pokročilých technologií a materiálů reg. č.: CZ.1.07/2.3.00/

Průřezové téma - Enviromentální výchova Lidské aktivity a životní prostředí Zdroje energie I.

Lineární urychlovače. Jan Pipek Dostupné na

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Petr Kulhánek České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická, katedra fyziky

Fyzika - Kvarta Fyzika kvarta Výchovné a vzdělávací strategie Učivo ŠVP výstupy

Ideální krystalová mřížka periodický potenciál v krystalu. pásová struktura polovodiče

5.8 Jak se změní velikost elektrické síly mezi dvěma bodovými náboji v případě, že jejich vzdálenost a) zdvojnásobíme, b) ztrojnásobíme?

Interakce laserového impulsu s plazmatem v souvislosti s inerciální fúzí zapálenou rázovou vlnou

Zadání bakalářské/diplomové práce

vysokoteplotního plazmatu na tokamaku GOLEM

Historie detekčních technik

Využití metod atomové spektrometrie v analýzách in situ

Referát z Fyziky. Detektory ionizujícího záření. Vypracoval: Valenčík Dušan. MVT-bak.

Kontrolní otázky k 1. přednášce z TM

CZ.1.07/1.1.30/

Studium kladného sloupce doutnavého výboje pomocí elektrostatických sond: jednoduchá sonda

Radioterapie. X31LET Lékařská technika Jan Havlík Katedra teorie obvodů

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika

Typy interakcí. Obsah přednášky

Rozměr a složení atomových jader

Projekty do předmětu MF

I. Statické elektrické pole ve vakuu

Jaderná energie Jaderné elektrárny. Vojtěch Motyčka Centrum výzkumu Řež s.r.o.

Základy magnetohydrodynamiky. aneb MHD v jedné přednášce?! To si snad děláte legraci!

1 Měření na Wilsonově expanzní komoře

Svět a poptávka po energii

Vítězslav Stýskala TÉMA 2. Oddíl 3. Elektrické stroje

Vítězslav Stýskala TÉMA 2. Oddíl 3. Elektrické stroje

Fotoelektrický jev je uvolňování elektronů z látky vlivem dopadu světelného záření.

Boulení stěn při normálovém, smykovém a lokálním zatížení (podle ČSN EN ). Posouzení průřezů 4. třídy. Boulení ve smyku, výztuhy stěn.

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

VLIV STŘÍDAVÉHO MAGNETICKÉHO POLE NA PLASTICKOU DEFORMACI OCELI ZA STUDENA.

5 Měření absorpce ionizujícího záření v závislosti na tlaku vzduchu

Termonukleární fúze Autoři: Matěj Oliva, Valeriyj Šlovikov, Matouš Verner Datum: Místo: Temešvár Jarní škola mladých autorů

Aplikovaná optika. Optika. Vlnová optika. Geometrická optika. Kvantová optika. - pracuje s čistě geometrickými představami

Plastická deformace a pevnost

12/40 Zdroj kmitů budí počátek bodové řady podle vztahu u(o, t) = m. 14/40 Harmonické vlnění o frekvenci 500 Hz a amplitudě výchylky 0,25 mm

Osnova. Stimulovaná emise Synchrotroní vyzařování Realizace vyzařování na volných elektronech FLASH XFEL

Kapacita. Gaussův zákon elektrostatiky


Vytápění BT01 TZB II cvičení

Úlohy 22. ročníku Mezinárodní fyzikální olympiády - Havana, Cuba

2 MECHANICKÉ VLASTNOSTI SKLA

9. Umělé osvětlení. 9.1 Základní veličiny. e. (9.1) I =. (9.6)

Světlo v multimódových optických vláknech

Charakteristika jaderných (nukleárních) reakcí

10.1 Úvod Návrhové hodnoty vlastností materiálu. 10 Dřevo a jeho chování při požáru. Petr Kuklík

v rámci mezinárodní skupiny "Energie a transmutace"

Vedení tepla v MKP. Konstantní tepelné toky. Analogické úlohám statiky v mechanice kontinua

Rychlostní a objemové snímače průtoku tekutin

Koronové a jiskrové detektory

Jaderná energetika (JE)

2 Primární zdroje energie. Ing. Petr Stloukal Ústav ochrany životního prostředí Fakulta technologická Univerzita Tomáše Bati Zlín

Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta aplikovaných věd

ŠROUBOVÉ SPOJE VÝKLAD

II. VNITŘNÍ ENERGIE, PRÁCE A TEPLO

Standardní model a kvark-gluonové plazma

Dvě strany jedné mince - Dvě strany jedné mince - jaderná fyzika pomáhá v lékařství a technologie jaderných zbraní

ŠROUBOVÝ A PROSTOROVÝ POHYB ROTAČNĚ SYMETRICKÉHO TĚLESA

Je jaderná fúzní energie obnovitelný zdroj energie? Ing. Slavomír Entler

Laserové technologie v praxi II. Úvodní přednáška. Bezpečnost práce s lasery. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Experimentální metody EVF II.: Mikrovlnná

VOLBA TYPU REGULÁTORU PRO BĚŽNÉ REGULAČNÍ SMYČKY

ATOM VÝVOJ PŘEDSTAV O SLOŽENÍ A STRUKTUŘE ATOMU

Měřicí a řídicí technika Bakalářské studium 2007/2008. odezva. odhad chování procesu. formální matematický vztah s neznámými parametry

2.1.2 Jaký náboj projde proudovodičem, klesá-li v něm proud z 18 A na nulu tak, že za každou sekundu klesne hodnota proudu na polovinu?

ELEKTRICKY VYHŘÍVANÉ ODĚVY A ODĚVNÍ SOUČÁSTI

Geometrická optika. Aberace (vady) optických soustav

VYUŽITÍ URYCHLOVAČŮ. Přehled urychlovačů

Jak poznávat nejjemnější strukturu hmoty (urychlovače a detektory)

VESMÍR. za počátek vesmíru považujeme velký třesk před 13,7 miliardami let. dochází k obrovskému uvolnění energie, která se rozpíná

Přednášky z lékařské přístrojové techniky

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 4: Balmerova série vodíku. Abstrakt

2. Pasivní snímače. 2.1 Odporové snímače

Struktura atomů a molekul

12 Prostup tepla povrchem s žebry

Vliv plazmatické předúpravy na adhezní vlastnosti textilií

Měření povrchového napětí kapaliny metodou maximální kapky

REGULOVANÉ PŘEPLŇOVÁNÍ VOZIDLOVÝCH MOTORŮ

FYZIKA 4. ROČNÍK. Kvantová fyzika. Fotoelektrický jev (FJ)

A Large Ion Collider Experiment

Věra Keselicová. červen 2013

Soubor příkladů z fyziky pro bakalářskou fyziku VŠB TUO prof. ing. Libor Hlaváč, Ph.D.

Pro zředěné roztoky za konstantní teploty T je osmotický tlak úměrný molární koncentraci

Transkript:

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) do 1850 0.004 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 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

Vazebná energie na nukleon Pro malá Z Pro velká Z fúze štěpení Fúzní reakce má malý účinný průřez - 10 6 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 + 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 = 14.1 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

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 + 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. generace zápalná teplota > 100 kev) H+ B= 3 He+ 8.7MeV 11 4 5 2 6 3 4 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

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 5 10 14 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 (1.16 10 8 K) B B n τ 10 14 cm -3 s Lawsonovo kritérium 2 základní možnosti n ~ 10 14 cm -3, τ ~ 1 s magnetické udržení n ~ 10 23 cm -3, τ ~ 10-9 s - inerciální udržení FU 4

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

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 = 2 10 7 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

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

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 3 3 2 DT 3 ( ρsolid 0.25 g / cm ) ter 17.6 MeV 17.6 MeV η max Ψ Ψ = 580 Ψ 190 4 3 kt 6 5keV 2 B velké ρ sférická kumulace (? symetrie, stabilita) 2 FU 8

Tenká slupka s poměrem tloušťky stěny d k poloměru R d/r ~ 10 100 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

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

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, 4 10 9 $, 10 ns, tvarovaný impuls aplikace: zbraně; vysoký tok neutronů materiály, HEDP podobný laser LMJ nedaleko Bordeaux dokončení 2011-12 FU 11

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