Termonukleární fúzeTermonukleární fúze

Jitka Brabcová a Zdeněk VondráčekJitka Brabcová a Zdeněk Vondráček

Termonukleární fúzeTermonukleární fúze

Dobrý den, v dnešní přednášce budeme prezentovat Dobrý den, v dnešní přednášce budeme prezentovat základy termonukleární fúze, zařízení pro základy termonukleární fúze, zařízení pro termonukleární fúzi a zaměříme se na některé termonukleární fúzi a zaměříme se na některé aspekty termonukleární fúze ve hvězdách.aspekty termonukleární fúze ve hvězdách.

Termonukleární fúzeTermonukleární fúze

● Obecný přehledObecný přehled● Metody udržení palivaMetody udržení paliva● SonoluminiscenceSonoluminiscence● Důležité reakceDůležité reakce● Lawsonovo kritériumLawsonovo kritérium● Tokamak, StellaratorTokamak, Stellarator

Obecný přehled TFObecný přehled TF

● TF “lehkých” prvků uvolňuje obrovské množství TF “lehkých” prvků uvolňuje obrovské množství energie energie

● Jedná se tedy o exotermickou reakci (Slunce)Jedná se tedy o exotermickou reakci (Slunce)● U “těžkých” prvků jde o endotermickou reakci U “těžkých” prvků jde o endotermickou reakci

(Supernova)(Supernova)

Obecný přehled TFObecný přehled TF

● Množství energie uvolněné při TF je větší něž u Množství energie uvolněné při TF je větší něž u chemických reakcí chemických reakcí

● Například ionizační energie získaná přidáním Například ionizační energie získaná přidáním elektronu do jádra vodíku je 13.6 eV zatím co elektronu do jádra vodíku je 13.6 eV zatím co energie uvolněná při D-T reakci je 17 MeV energie uvolněná při D-T reakci je 17 MeV

Způsob udržení paliva Způsob udržení paliva

● GravitačníGravitační Jedna z metod splňující Lawsonovo kritérium, Jedna z metod splňující Lawsonovo kritérium,

vyžaduje však velké množství hmoty (Slunce)vyžaduje však velké množství hmoty (Slunce)● MagnetickáMagnetická

Plazma je velice dobrým vodičem, proto je zde Plazma je velice dobrým vodičem, proto je zde možnost tzv. mirror nebo toroidal confinement možnost tzv. mirror nebo toroidal confinement (Tokamak)(Tokamak)

● InerciálníInerciální Např. Vodíková bomba, nebo kontrolovaná TF za Např. Vodíková bomba, nebo kontrolovaná TF za

pomocí laserového, iontového nebo elektronového pomocí laserového, iontového nebo elektronového paprsku nebo Z-pinchepaprsku nebo Z-pinche

Z-PinchZ-Pinch

● Způsob udržení plazmy využívající Způsob udržení plazmy využívající procházejícího proudu v plazmě k vytvoření procházejícího proudu v plazmě k vytvoření magnetické pole které ji stlačímagnetické pole které ji stlačí

● Z-pinch v Sandia National laboratoriesZ-pinch v Sandia National laboratories

Druhy Termojaderné fúzeDruhy Termojaderné fúze

● Studená fúzeStudená fúze Také se označuje jako mezony katalyzovaná fúzeTaké se označuje jako mezony katalyzovaná fúze SonoluminiscenceSonoluminiscence Fransworth-Hirsch fusorFransworth-Hirsch fusor Antihmotou inicializovaná fúzeAntihmotou inicializovaná fúze Pyroelektrická fúzePyroelektrická fúze

● Horká fúzeHorká fúze Jinak také “klasická” TF za extrémních teplot a obřích Jinak také “klasická” TF za extrémních teplot a obřích

tlakůtlaků

SonoluminiscenceSonoluminiscence

● Projevuje se v kapalináchProjevuje se v kapalinách● Kapalina bombardovaná neutrony (14.3 MeV) Kapalina bombardovaná neutrony (14.3 MeV)

vytváří bublinky o průměru 100 nm až 1 mmvytváří bublinky o průměru 100 nm až 1 mm● Následným vysláním zvukových vln (19.3 kHz) Následným vysláním zvukových vln (19.3 kHz)

je vyvolána kavitace spolu se světelným efektem je vyvolána kavitace spolu se světelným efektem a zvýšením teploty v bublince až 11 000Ka zvýšením teploty v bublince až 11 000K

SonoluminiscenceSonoluminiscence

Důležité reakceDůležité reakce

● Astrofyzikální reakční vazbyAstrofyzikální reakční vazby● Kritéria a kandidáti pro pozemní reakciKritéria a kandidáti pro pozemní reakci

Astrofyzikální vazbyAstrofyzikální vazby

● Nejdůležitějším fúzním procesem v přírodě je ve Nejdůležitějším fúzním procesem v přírodě je ve SlunciSlunci

● Ve hvězdách velikosti Slunce a menší je obvykle Ve hvězdách velikosti Slunce a menší je obvykle proton-protonová vazba proton-protonová vazba

● V těžších hvězdách je obvyklejší tzv. CNO V těžších hvězdách je obvyklejší tzv. CNO cyklus cyklus

Proton-Protonová vazbaProton-Protonová vazba

Proton-Protonová vazbaProton-Protonová vazba

Proton-Protonová vazbaProton-Protonová vazba

● Jedná se o fúzi 4 protonů při které znikne jedna Jedná se o fúzi 4 protonů při které znikne jedna α α částice a uvolní se 2 pozitrony a 2 neutrina + E částice a uvolní se 2 pozitrony a 2 neutrina + E

CNO cyklusCNO cyklus

● Carbon – Nitrogen – Oxygen (Bethe- Carbon – Nitrogen – Oxygen (Bethe- Weizsäckerův) cyklus Weizsäckerův) cyklus

● 2C + 1H 2C + 1H → → 13N + γ 13N + γ +1.95 MeV+1.95 MeV● 13N 13N → → 13C + e+ + νe 13C + e+ + νe +2.22 MeV+2.22 MeV● 13C + 1H 13C + 1H → → 14N + γ 14N + γ +7.54 MeV+7.54 MeV● 14N + 1H 14N + 1H → → 15O + γ 15O + γ +7.35 MeV+7.35 MeV● 15O 15O → → 15N + e+ + νe 15N + e+ + νe +2.75 MeV+2.75 MeV● 15N + 1H 15N + 1H → → 12C + 4He 12C + 4He +4.96 MeV +4.96 MeV

CNO cyklusCNO cyklus

Kritéria a kandidáti pro pozemni Kritéria a kandidáti pro pozemni reakcireakci

● Musí být exotermickáMusí být exotermická● Musí obsahovat nízké nukleonové čísloMusí obsahovat nízké nukleonové číslo● Musí mít 2 reaktantyMusí mít 2 reaktanty● Musí mít 2 a více produktůMusí mít 2 a více produktů● Musí udržovat protony a neutronyMusí udržovat protony a neutrony

Lawsonovo kritériumLawsonovo kritérium

● Jedná se o obecné hodnocení systémů definující Jedná se o obecné hodnocení systémů definující podmínky které je potřeba ve fúzním reaktoru podmínky které je potřeba ve fúzním reaktoru navozenít k zažehnutí termonukleární fúzenavozenít k zažehnutí termonukleární fúze

● Přesné znění je volně k nahlédnutí na : Přesné znění je volně k nahlédnutí na : http://www.jet.efda.org/pages/content/news/2005/http://www.jet.efda.org/pages/content/news/2005/yop/dec05-aere-gpr1807.pdfyop/dec05-aere-gpr1807.pdf

TokamakTokamak

● Původně ruský vynálezPůvodně ruský vynález● “ “тороидальная камера в магнитных тороидальная камера в магнитных

катушках”катушках”● “ “toroidal'naya kamera v magnitnykh toroidal'naya kamera v magnitnykh

katushkakh”katushkakh”● Toroidní komora v magnetických cívkáchToroidní komora v magnetických cívkách● Sestrojen 1950 Igor Yevgenyevich Tamm a Sestrojen 1950 Igor Yevgenyevich Tamm a

Andrei Sakharov Andrei Sakharov

TokamakTokamak

Tokamak - ITERTokamak - ITER

Tokamak vlastnostiTokamak vlastnosti

● Charakteristický svou rotační simetriíCharakteristický svou rotační simetrií● Ionty a elektrony jsou udržovány v centru Ionty a elektrony jsou udržovány v centru

rotující rozžhavené plasmy rotující rozžhavené plasmy● Operační teplota v plazmy bývá v tokamacích Operační teplota v plazmy bývá v tokamacích

okolo 100 000 000 okolo 100 000 000 ºCºC

TokamakTokamak

StellaratorStellarator

● Zařízení pro udržení horké plazmy magnetickým Zařízení pro udržení horké plazmy magnetickým polem za účelem řízené TFpolem za účelem řízené TF

● Magnetické pole je generováno výhradně Magnetické pole je generováno výhradně vnějšímy cívkamivnějšímy cívkami

● Byl vynalezen Lymanem Spytzerem v roce 1951Byl vynalezen Lymanem Spytzerem v roce 1951

StellaratorStellarator

Stellarator - konfiguraceStellarator - konfigurace

● TorsatronTorsatron Stellarator s nakonfigurovanými souvislými Stellarator s nakonfigurovanými souvislými

šroubovitými cívkamišroubovitými cívkami● HeliotronHeliotron

Konfigurace využívající spirálovitou cívku udržující Konfigurace využívající spirálovitou cívku udržující plazmu spolu s cívkami poloidálního pole, cívky plazmu spolu s cívkami poloidálního pole, cívky toroidálního pole mohou být použity k ovládání toroidálního pole mohou být použity k ovládání magnetických povrchových vlastnostímagnetických povrchových vlastností

● HeliasHelias

Na konecNa konec

V dnešní přednášce jsme prezentovali základy V dnešní přednášce jsme prezentovali základy termonukleární fúze, zařízení pro termonukleární termonukleární fúze, zařízení pro termonukleární fúzi a zaměřili jsme se na některé aspekty fúzi a zaměřili jsme se na některé aspekty termonukleární fúze ve hvězdách.termonukleární fúze ve hvězdách.

Použité zdrojePoužité zdroje● http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusionhttp://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion● http://en.wikipedia.org/wiki/Lawson_criterionhttp://en.wikipedia.org/wiki/Lawson_criterion● http://www.allaboutall.info/article/Thermonuclearhttp://www.allaboutall.info/article/Thermonuclear● http://en.wikipedia.org/wiki/Sonoluminescencehttp://en.wikipedia.org/wiki/Sonoluminescence● http://www.techmind.org/sl/http://www.techmind.org/sl/● http://www-phys.llnl.gov/N_Div/sonolum/http://www-phys.llnl.gov/N_Div/sonolum/● www.tutorgig.com/ed/thermonuclearwww.tutorgig.com/ed/thermonuclear● http://www.questia.com/library/encyclopedia/http://www.questia.com/library/encyclopedia/

cold-fusion.jsp?l=C&p=7cold-fusion.jsp?l=C&p=7● Aktuální k 3.1. 2007Aktuální k 3.1. 2007

Děkujeme za pozornostDěkujeme za pozornost