Termojaderná fúze

V rámci projektu „Fyzikou a chemií k technice“ vytvořil prezentaci za GKS Marek Kovář (kovar.ma@seznam.cz). Modifikace a šíření dokumentu podléhá licenci GNU (www.gnu.org).

Úvod

1) Nový zdroj energie?

2) Plazma

3) Termojaderná fúze

4) Kde vzít palivo?

5) Lawsonovo kritérium

6) Inerciální udržení

7) Magnetické udržení

8) Stelarátor

9) Tokamak

10) JET

11) ITER

12) Fúzní ČR

Nový zdroj energie?

Ekonomika EU závisí na energiiEkonomika EU závisí na energii

– ropa na 45 letropa na 45 let

– zemní plyn na 60 letzemní plyn na 60 let

– uhlí na 300 letuhlí na 300 let

Svět hledá výrobu energieSvět hledá výrobu energie

- bez nebezpečného odpadu- bez nebezpečného odpadu

- snadno získatelné suroviny- snadno získatelné suroviny

- nevyčerpatelné zdroje- nevyčerpatelné zdroje

Ekonomika EU závisí na energiiEkonomika EU závisí na energii

– Uran 235 (klasické štěpné reaktory) na 30 letUran 235 (klasické štěpné reaktory) na 30 let

– Uran 238 a Thorium 232 (množivé reaktory) na 30 000 letUran 238 a Thorium 232 (množivé reaktory) na 30 000 let

– Lithium (D+T fúzní reaktory)Lithium (D+T fúzní reaktory)

– v zemi na 30 000 letv zemi na 30 000 let

– v oceánech na 30 000 000 letv oceánech na 30 000 000 let

Plazma

Při zahřívání látky se z původně Při zahřívání látky se z původně elektricky neutrálního prostředí stane elektricky neutrálního prostředí stane směs elektricky nabitých částic.směs elektricky nabitých částic.

Slunce a hvězdy

Při reakcích se vodík mění na Při reakcích se vodík mění na helium a těžší prvky. Teploty helium a těžší prvky. Teploty v centru hvězd dosahují až v centru hvězd dosahují až desítek milionů stupňů.desítek milionů stupňů.

Slunce a ostatní hvězdy čerpají Slunce a ostatní hvězdy čerpají energii ze slučovacích energii ze slučovacích jaderných reakcí. jaderných reakcí.

Termojaderná fúze

Termojaderná fúze

Kde vzít palivo?

DEUTERIUM DEUTERIUM 22HH

- Neradioaktivní izotop vodíku- Neradioaktivní izotop vodíku

- Lze získat z vody (v 1m³ H2O 35g 2D)

TRITIUM TRITIUM 33DD

- Radioaktivní izotop vodíku- Radioaktivní izotop vodíku

- Volně na Zemi není- Volně na Zemi není

- Lze ho vyrobit z lithia- Lze ho vyrobit z lithia

Podmínky pro fúzi

Pro slučování jader je potřeba velká Pro slučování jader je potřeba velká energie tedy teplotaenergie tedy teplota

urychlit částiceurychlit částice

v urychlovačiv urychlovači

1 eV 1 eV ≈≈ 11 60011 600°°CC

Urychlovače

Poprvé v roce 1934 zkusili tito Poprvé v roce 1934 zkusili tito pánové fúzní reakci na principu pánové fúzní reakci na principu

D+DD+D

E. RutherfordE. RutherfordE.T.S.WaltonE.T.S.Walton J.D.CockcroftJ.D.Cockcroft

He He Li H: keV 800 42

42

73 1

1

„„Cockcroft-Walton Cockcroft-Walton machine“machine“

Cavendish Laboratory, Cavendish Laboratory, Cambridge 1932 Cambridge 1932

Studená fúze

Elektrolyticky katalyzovaná fúzeElektrolyticky katalyzovaná fúze

18861886

Graham - objev atomární difuze v atomu Graham - objev atomární difuze v atomu vodíkuvodíku

1989

Dr. B.Stanley Pons a Dr. Martin Fleischmann na Univerzitě v Utahu oznámili, že experiment s tzv. studenou fúzí se povedl.

Za „pokojové teploty“ s použitím elektrod z palladia a platiny ponořených do těžké vody uvolnili teplo a vedlejší produkty.

Buňka studené fúze u amerického námořního Buňka studené fúze u amerického námořního prostoru a námořní války centrum prostoru a námořní války centrum

systémů, San Diego, CA (2005)systémů, San Diego, CA (2005)

Lawsonovo kritérium

Pro syntézu Pro syntézu 22D s D s 33T při teplotě iontů T při teplotě iontů TTii ≈ 0,5 * 10≈ 0,5 * 1088°°C platí:C platí:

Kritérium publikoval v tajném Kritérium publikoval v tajném dokumentu v roce 1955 a v roce dokumentu v roce 1955 a v roce 1957 již oficiálně ve vědeckém 1957 již oficiálně ve vědeckém časopisučasopisu

sm n -3 E

20105,0

J.D.LawsonJ.D.Lawson

Inerciální udržení

s1110 Ohřátí 1 mg D-T směsi na 30 keV Ohřátí 1 mg D-T směsi na 30 keV → fúzní výkon 340 MJ ≈ výbuch → fúzní výkon 340 MJ ≈ výbuch

75kg TNT75kg TNT

-3m n 3210

ρρ = = 200 g*cm200 g*cm-3-3

Světelné svazky laseru míří na Světelné svazky laseru míří na terčík termojaderného palivaterčík termojaderného paliva

Laser OMEGA, Rochester, Laser OMEGA, Rochester, USAUSA

60 TW, 0,5–3 ns, 40 svazků60 TW, 0,5–3 ns, 40 svazků

Lasery

Rayleigh-Taylorova nestabilitaRayleigh-Taylorova nestabilita

- Zkoumáno v letech 1883 - 1950- Zkoumáno v letech 1883 - 1950

- Při urychlování hustšího - Při urychlování hustšího prostředí do řidšího dochází ke prostředí do řidšího dochází ke zvětšování styčné plochy zvětšování styčné plochy (fraktální struktura)(fraktální struktura)

G.I.TaylorG.I.Taylor

Lord RayleighLord Rayleigh

D-T kapsle (D-T kapsle (≈ ≈ 2mm)2mm)

Magnetické udržení

Magnetická zrcadla (USA) nebo pasti (SSSR)Magnetická zrcadla (USA) nebo pasti (SSSR)

- Otevřená magnetická nádoba

- Na koncích zhuštění siločar

- Nabité částice se odráží (ne vždy!)

GOL-3-II v novosibirském Budkerově Ústavu jaderné fyziky

Pinče

- slučování jader ve vláknu

tzv. z-pinč

- vláknem prochází proud → silné magnetické pole

Smyčková nestabilita

Z-machine, Sandia, USA

Pole stlačuje plazma k ose na potřebnou hustotu a teplotu.

Stelarátory

Chyběl účinný počáteční Chyběl účinný počáteční ohřev Joulovým teplem =ohřev Joulovým teplem =>> problém s ohřevem plazmatuproblém s ohřevem plazmatu

NSTX PPPL,NSTX PPPL,

USA 1999USA 1999

Tokamak

TOroidalnaja KAmera i MAgnitnyje KatuskiTOroidalnaja KAmera i MAgnitnyje Katuski(na základě úvah seržanta Rudé armády O.L.Lavrentěva z roku 1926)(na základě úvah seržanta Rudé armády O.L.Lavrentěva z roku 1926)

1957 A.D.Sacharov a I.E.Tamm19681968 potvrzení výzkumu západními vědci potvrzení výzkumu západními vědci

→ → rozvoj výzkumurozvoj výzkumu

Tokamak – ohřev plazmatu

2IRP

teplo Jouleovo

Tři metody vnějšího ohřevuTři metody vnějšího ohřevu

1) Absorpce 1) Absorpce elektromagnetického vlněníelektromagnetického vlnění

2) Nástřel neutrálních atomů 2) Nástřel neutrálních atomů vodíku s vodíku s EE až stonásobku až stonásobku teploty plazmatuteploty plazmatu

3) 3) Ohmický

Tokamak - komora

Limiter a divertor → odvod nečistot, zplodin termojaderné reakce a nespáleného paliva

Model divertoruModel divertoru

JET

Joint European TorusJoint European Torus

- v anglickém Culthamu poblíž Oxfordu- stavba 1973 - 1983- 1991 – D-T směs - 1991 – D-T směs ≈ 1,7 MW při ≈ 1,7 MW při

teplotě paliva 200 000 000teplotě paliva 200 000 000°°CC- 1997 – výkon 16 MW- 1997 – výkon 16 MW

JET

ITER

= cesta (latinsky)- parametry - parametry

– – objem plazmatu 837 mobjem plazmatu 837 m33

- proud plazmatu 15 MA- proud plazmatu 15 MA- výkon 500 MW- výkon 500 MW

- očekává se větší výkon než příkon a - očekává se větší výkon než příkon a možná i hoření termojaderné reakcemožná i hoření termojaderné reakce

- lokalita: nedaleko jihofrancouzského - lokalita: nedaleko jihofrancouzského CadaracheCadarache

ITER

ITER – rozmístění budov

CASTOR

1977 – předání tokamaku z 1977 – předání tokamaku z Kurčatova ústavu v Moskvě AV ČSR Kurčatova ústavu v Moskvě AV ČSR Ústavu fyziky plazmatu v PrazeÚstavu fyziky plazmatu v Praze

2000 – otevření 2000 – otevření laserového laserového sytému PALSsytému PALS

2005 – AV ČR ÚFP 2005 – AV ČR ÚFP přijímá nabídku přijímá nabídku na převzetí na převzetí tokamaku tokamaku Compass-DCompass-D

COMPASS-D

Kv 3Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3stavba budovytransport tokamakucentrální zdroj energievývoj a instalace výkonové elektronikykontrola plazmatu pomocí zpětné vazbyvakuový systémřízení a sběr datbezpečnostní systémysystémy dodatečného ohřevu

2006 2007 2008 2009

• PodzimPodzim 2004 2004 – COMPASS-D oficiálně – COMPASS-D oficiálně nabídnoutnabídnout UKAEA do ÚFP AV ČRUKAEA do ÚFP AV ČR

• Červenec 2005Červenec 2005 – přijato rozhodnuti o re- – přijato rozhodnuti o re-instalaci tokamaku COMPASS-D v ÚFP, instalaci tokamaku COMPASS-D v ÚFP, podána žádost o podporu vlády ČR.podána žádost o podporu vlády ČR.

• Záři 2005Záři 2005 – začátek příprav návrhu pro – začátek příprav návrhu pro preferenční podporu EURATOMupreferenční podporu EURATOMu

• Říjen 2005Říjen 2005 – usneseni vlády ČR o – usneseni vlády ČR o podpoře přesunu COMPASS-Dpodpoře přesunu COMPASS-D

• Červenec 2006Červenec 2006 – EURATOM udělil – EURATOM udělil preferenční podporu projektupreferenční podporu projektu

DEMO

= „demonstrační = „demonstrační projekt“projekt“

- dostavení za 30 – 35 let

- tritiová soběstačnost- tritiová soběstačnosta výroba elektřiny a výroba elektřiny ve velkém měřítkuve velkém měřítku

- směr k první fúzní - směr k první fúzní elektrárně !!!elektrárně !!!

Schéma termojaderné elektrárny

Reference

• Přednášky během evropské výstavy FusionExpo 2007 v Praze na FJFI Přednášky během evropské výstavy FusionExpo 2007 v Praze na FJFI • Termojaderná syntéza pro každého (M. Řípa, J. Mlynář, V. Weinzettl, Termojaderná syntéza pro každého (M. Řípa, J. Mlynář, V. Weinzettl,

F. Žáček) F. Žáček)• Propagační materiály EFDA (European Fusion Development Propagační materiály EFDA (European Fusion Development

Agreement)Agreement)• Výzkum fúze – Volba energie pro budoucnost, EURATOMVýzkum fúze – Volba energie pro budoucnost, EURATOM• server.ipp.cas.cz/~vwei/index_c.htmlserver.ipp.cas.cz/~vwei/index_c.html• www.ipp.cas.cz/tokamak/czwww.ipp.cas.cz/tokamak/cz• jet.efda.orgjet.efda.org• iter.orgiter.org• www.efda.orgwww.efda.org