FÚZE A TOKAMAK GOLEM.

Prezentace na téma: "FÚZE A TOKAMAK GOLEM."— Transkript prezentace:

1 FÚZE A TOKAMAK GOLEM

2 Obsah prezentace Úvod do fúze Tokamaky Diagnostiky GOLEMa
Co je to fúze? Tokamaky Princip a stavba Diagnostiky GOLEMa Hugillův diagram Čištění a doutnavý výboj Výstřely na GOLEMovi Analýza fotografií plasmatu Výpočet Hugillova diagramu

3 ÚVOD DO FÚZE

4 Co je to fúze? Jde o reakci, kdy se jádra lehkých prvků spojí a uvolní se energie za vzniku jádra těžšího. Taková reakce se odehrává ve Slunci.

5 Problém! Jádra ale nejdřív musí překonat bariéru coulombovských sil, která zabraňují interakci. Výška bariéry pro 2 protony je zhruba 400keV.

6 Na překonání bariéry lze využít energie například z chaotického tepelného pohybu.
Kinetická energie tepelného pohybu jader pak stačí k "překonání" potenciálové bariéry. Jde o energie řádově několik desítek keV. Při teplotách stovek milionů kelvinů už hmota existuje jen jako ionizované plasma.

7 Reakce jader Energeticky nejvýhodněji probíhá reakce izotopů vodíku deuteria a tritia. Vzniká množství energie, helium a neutron.

8 Tabulka reakcí Reakce Min. potřebný ohřev Energetický výtěžek
D+D→3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 35 keV kWh·g-1 D+D→T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) kWh·g-1 D+3He→4He (3.5 MeV) + p (14.67 MeV) 30 keV kWh·g-1 D+T→4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) 4 keV kWh·g-1 Štěpení U235 kWh·g-1 Hoření vodíku H2+O   H20 kWh·g-1

9 Tokamaky

10 Tokamak Zařízení sloužící k udržení vysokoteplotního plazmatu
Slovo pochází z výrazu toroidální komora v magnetických cívkách Vynalezen v 50. letech 20.st. v SSSR Hlavní rozvoj až v 60. a 70. letech

11 „Princip transformátoru“
Pracovní plyn ohmickým ohřevem přiveden do stavu plazmy Poté je pomocí magnetického pole udržen v komoře

12 2 typy magnetických polí:
a) Toroidální b) Poloidální Tato pole se skládají a určují směr pohybu částic plazmatu

13 Tokamak GOLEM Vyroben v 60. letech v Ústavu atomové energie I. Kurčatova v Moskvě První jméno TM-1-MH Do ČSR přivezen v r na základě Smlouvy o spolupráci a dělbě práce v obl. vysokofrekvenčního ohřevu plazmatu 1977 uveden do provozu v ÚFP AV ČR Přejmenovám na CASTOR (Czech Academy of Sciences TORus)

14 Úkol: Výzkum absorbce vysokofrekvenčních vln a vybuzení proudu pomocí nich
Zde působil až do roku 2006. Během doby svého provozu prošel celkovou rekonstrukcí (vakuový systém, energetika, diagnostika) Nyní je umístěn na FJFI pod jménem GOLEM.

15 Parametry tokamaku CASTOR (GOLEM)
Hlavní poloměr: 0,4 m Poloměr komory: 0,1 m Vedlejší poloměr 8,5 cm Délka výboje: max. 50 ms Toroidální mag. pole 0,5-1,5 T Proud plazmatem 5-17 kA Hustota plazmatu · 1018 m-3 Teplota plazmatu eV

16 Tyto uvedené hodnoty platí pro tokamak CASTOR, GOLEM tak dobrých výsledků zatím nedosahuje

17 Vakuová komora Liner: poloměr 8,5 cm, vyroben z oceli, elektricky izolovaný, vakuum 10-4 Pa Obložení: poloměr 40 cm, vyrobeno z měďi

18 Cívky Cívky primárního vinutí transformátoru: Ohřev plazmatu
Toroidální cívky: Udržují plazma v tokamaku Poloidální cívky: Stabilizace a diagnostika plazmatu Cívky jsou napájeny z kondenzátorů umístěných pod tokamakem

19 Vakuový systém Slouží k měření tlaku (vakua) v komoře
Vytváří potřebné vakuum Rotační pumpa Turbomolekulární pumpa

20 Vodíkový systém Úzce spjal s vakuovým systémem
Dodává do komory potřebný vodík

21 Ovládání GOLEMA Původně ovládací panel Nyní plně ovládán z PC
Při výstřelu se nastavuje: Velikost magnetického a elektrického pole Tlak pracovního plynu Časová prodleva mezi magnetickým polem a ohmickým ohřevem

22 Diagnostika Golema

23 Co měříme Délka pulzu Toroidní magnetické pole Proud plazmatem
Napětí na závit Náboj plazmatu Výkon ohmického vytápění Centrální teplota plazmatu Doba udržení Bezpečnostní faktor Hustota plasmatu

24 Délka pulzu Celková doba udržení plazmatu
měření času započne ve chvíli, kdy velikost proudu plazmatem překročí 500A V průběhu času se porovnává proud plazmatem s počátečním proudem v plazmatu Ve chvíli, kdy proud plazmatem klesne pod 500 A, je počítání ukončeno Doba životnosti plazmatu kolem 4 ms

25 Toroidní magnetické pole
Program vyhodnotí, kdy bylo maximální a to vypíše

26 Napětí na závit Napětí na sekundárním závitu transformátoru (tedy napětí komory) Program nám vyhodí průměrnou hodnotu

27 Proud plazmatem Obecná rovnice
Vakuový výstřel – zjistím odpor komory a vlastní indukci komory Výstřel s plazmatem – měříme celkový proud Proud komorou při výstřelu s plazmatem dostaneme z rovnice

28 Náboj plazmatu

29 Výkon ohmického vytápění
Z jednoduché známe rovnice

30 Centrální teplota plazmatu
Složitější odvození rovnice [1]

31 Doba udržení průměrná doba, kterou částice (nebo energie) stráví v plazmatu energie uniká ven tepelným prouděním, vedením tepla i zářením rozdíl od délky pulzu!

32 Hustota plazmatu Vypočtena ze stavové rovnice

33 Bezpečnostní faktor Je to číslo, které udává počet oběhů magnetické siločáry v toroidním směru na 1 otočení magnetických siločar ve směru poloidálním Čím menší, tím větší pravděpodobnost disrupce Obecně je za hraniční q považováno q<3. Dle toho konstrukce tokamaků

34 Hugillův diagram Graf závislosti Normalizovaný proud a hustota
Znázorňuje hranici, kdy v tokamaku ještě bude vznikat plazma a kdy bude docházet k disrupcím Normalizovaný proud se zvyšuje s napětím elektrického pole Normalizovaná hustota klesá se zvyšováním napětí magnetického pole Velká pomoc pro nastavení výstřelu

35 ČIŠTĚNÍ KOMORY A VÝBOJ

36 Čištění tokamaku Čištění zahřátím komory (cca 70 – 80°C)
Čistění vnitřní stěny doutnavým výbojem Nádoba naplněna vodíkem, elektroda (anode) je zasunuta dovnitř a je na ní přiloženo kladné napětí (~ +500 V). Dojde k výboji mezi anodou a komorou. Vnitřní stěna je bombardována kladnými ionty a molekuly absorbované na vnitřní stěně komory se uvolňují a odčerpávají se.

37 Doutnavý výboj Doutnavý výboj nastává v plynu za nízkého tlaku, zhruba 1 Pa  Pa. Pokud do plynu zavedeme elektrický proud, dojde k ionizaci.

38 ANALÝZA FOTOGRAFIÍ

39 Co je vlastně na snímcích?
Na následujících fotografiích je vidět okýnkem vnitřek komory ozářený plasmatem.

40 (f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 16.8 C

41 (f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 16.7 C

42 (f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 15.8 C

43 (f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 14.3 C

44 (f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 13.8 C

45 (f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 11.6 C

46 (f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 10.7 C

47 (f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 5.3 C

48 Graf s daty naměřenými při výstřelech pro dané fotografie

49 Poděkování Rádi bychom poděkovali Ing. Vojtěchu Svobodovi CSc. za pomoc v projektu. Také děkujeme kolegům z maďarské univerzity BUTE za inspiraci.

50 Reference [1] J. Brotánková, Studium horkého plazmatu v experimentálních zařízení typu tokamak, disertační práce, Karlova univerzita, Praha, 2009 [2] G. McCracken, P. Stott, Fúze, energie vesmíru, Mladá fronta, Praha 2006 [3] Ústav fyziky a plasmatu, dokumentace Tokamak TM – 1- MH [4] Tokamak golem, [5] Jana Brotánková, Study of high temperature plasma in tokamak-like experimental devices. PhD thesis, Charles University in Prague, 2009 [6] Edita Dufková, Bolometrická měření celkového vyzářeného výkonu vysokoteplotního plazmatu tokamaku CASTOR, ČVUT v Praze, 2008 [7] [8] Weinzettl, Vladimír. Termojaderná fúze. [Online] [9] ITER,

51 Světové zásoby na bázi uhlíku
Bonus Světové zásoby na bázi uhlíku Převzato od: The Association for the Study of Peak Oil&Gas, Sweden (2004)

52 Konec