Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze1 Úvod do termojaderné fúze Jan Mlynář 8. Inerciální fúze Kritérium pro fúzní zisk, nutnost komprese, účinnost.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze1 Úvod do termojaderné fúze Jan Mlynář 8. Inerciální fúze Kritérium pro fúzní zisk, nutnost komprese, účinnost."— Transkript prezentace:

1 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze1 Úvod do termojaderné fúze Jan Mlynář 8. Inerciální fúze Kritérium pro fúzní zisk, nutnost komprese, účinnost cyklu, drivery (laser, svazky částic, z-pinč), terčíky, přímé a nepřímé zapalování, rychlé zapalování, komora reaktoru, NIF, LMJ, HiPER, elektrárna

2 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze2 Výchozí myšlenky ICF Opakované odpalování termonukleárních mikroexplozí, tak malých, aby jejich energetický výstup bylo možné rozumnými technickými prostředky absorbovat. Odhaduje se, že lze zvládat energii výbuchu max 1 GJ (ekvivalent 250 kg TNT). To odpovídá kulovému terčíku D-T o poloměru 1,33 mm.  cvičení „Inerciální udržení“ – fúzní reakce probíhají, dokud se terčík tepelným pohybem nerozletí (fúze probíhají na rychlejší části tepelného rozdělení!)  odhad, že reakce vyhasnou při nárůstu hořící koule o 25% Teplota hoření kolem 10 keV, doba dána jako ICF = Inertial Confinement Fusion Jaký musí být poloměr terče, aby byla splněno Lawsonovo kritérium?

3 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze3 Podmínka pro energetický výtěžek Opakování : východisko (původního) Lawsonova kritéria kde  je účinnost cirkulace energie v systému (od uvolněné fúzní energie až po ohřev dalšího terčíku) Doba udržení v inerciální fúzi: Dosazení: A například pro optimální teplotu T = 20 keV:  &

4 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze4 Nutnost komprese a to nelze  je nutné zvýšit  kompresí terčíku kompresní poměr („konvergence“) c: dosazením do podmínky pro  r: Např. lze rozumně požadovat (hrubým odhadem  ~ 1%  c ~ 13  r ~ 0,1 mm,  ~ 30 ps Detailnější odhady pro současnou technologii c ~ 30

5 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze5 Komprese terčíku Interakce záření s hmotou terčíku  odpařování povrchu terčíku (ablace)  tlak na povrch terčíku  komprese Hned vyvstávájí problémy s rovnováhou sil - nedodržení směrové rovnováhy sil  terčík odletí - nedodržení homogenity interakce  nestabilita povrchu - také povrch terčíku musí být velmi homogenní! (ve všech případech se uvádí požadavek na chyby < 1%) Terčík anglicky: pellet

6 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze6 Komprese terčíku terčík je ozářen (buď intenzivním světlem laseru, nebo částicemi) povrch terčíku se přemění na plazma a rozpíná se do prostoru objem terčíku je tak stlačován (dochází k implozi) k ohřátí na termonukleární teploty má dojít až v okamžiku maximálního stlačení tj. stlačení musí být rychlejší než tepelná vodivost terčíku v základním modelu má ohřátí způsobit tlaková vlna, spuštěná vhodným časovým průběhem výkonu driveru  hydrodynamická nestabilita se netýká jen povrchu, ale také ohřívaného centra („horkého bodu“) Akcelerace Zvolnění studené a husté DT horký bod ideální R

7 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze7 Komprese terčíku Výkon driveru Energie driveru Oblast hydrodynamických nestabilit Oblast parametrických nestabilit Oblast stability Při kompresi laserem jsou také velké potíže s tím, že centrum před stlačením ohřívají urychlené elektrony. Příliš pomalé stlačení – hydrodynamické nestablility, příliš rychlé stlačení – nelineární parametrické nestability

8 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze8 Komprese terčíku fyzikálně je interakce laseru s terčíkem celkem dobře modelována. Povrch může absorbovat až 90% výkonu, a to zejména pokud má laserové světlo vyšší frekvenci (UV světlo) problematika interakce rtg. záření s terčíkem (nepřímé zapalování, z-pinče) je mladší, ale už se toho taky ví hodně obtíže jsou s modelováním imploze. Je prokázána lineární fáze, následovaná nelineární, saturace a konverze modů kvalitativní shody modelů s experimentem, ale kvantitativně je v experimentech zpravidla rychlejší růst nestabilit.

9 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze9 Proveditelnost ICF, zapálení Horké a husté plazma se brání implozi: - vysoký tlak ztěžuje kompresi (P fermi ~ r 5/3 ) - energie uniká (např. brzdné záření ~ n e 2 T 1/2 ) - energie se vypotřebuje na kompresi - vnitřně nestabilní systém Považuje se za jisté, že v USA prokázali proveditelnost ICF v osmdesátých letech v rámci „Halite-Centurion programme“. Podléhá utajení, neboť terčík byl zapálen jaderným výbuchem. Zapálení: V ICF definováno jako spuštění termojaderného hoření v centru terčíku, které se rozšíří na podstatnou část paliva. Neříká nic o tom, jaký je užitečný výstup (fúzní zisk) terčíku! (Bez zapálení je ovšem nicotný.)

10 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze10 Účinnost cyklu detailněji fúzní zisk Konverze na teplo Konverze na elektřinu Konverze v driveru Podpůrné systémy Užitečný výstup Cirkulující energie

11 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze11 Fúzní zisk detailněji Uvolněná fúzní energie: Fúzní zisk G: ... faktor zesílení v důsledku toho, že v systému jsou díky  -produktům fúze nadtepelné částice Fúzní zisk lze rozepsat takto: Povšimněte si, že kde odpovídá totálnímu spálení paliva E I...dopadající energie driveru heating efficiency fuel burn ratio fusion gain

12 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze12 Základní části IFE elekrárny Provoz má čtyři hlavní části: - driver, čili zapalovač, tj. zdroj pro kompresi a zapalování terčíků - komoru reaktoru, tj. místo se absorbuje energie explozí - materiálové technologie včetně výroby terčíků - tepelné výměníky, turbíny a energetická část Obtíže:- dosažení zapálení a dostatečného fúzního zisku - požadavek vysoké frekvence mikroexplozí (několik Hz proč? ) - cirkulující energie, zejména účinnost driverů - palivový cyklus (výroba tritia, výroba levných terčíků) - namáhání komory Výhody: - všechny výhody termonukleární fúze - snadná kontrola výstupního výkonu (pomocí frekvence explozí) IFE = Inertial Fusion Energy

13 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze13 Základní části IFE elekrárny

14 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze 14 Drivery: laser Obecně: výhoda koncentrované energie, zvládnutá fokalizace. Není zvládnuté efektivní čerpání a opakovací frekvence. Potřebuje nákladné optické prvky, které nemají velkou životnost (polopropustná zrcadla, násobení frekvence, shlazování koherence…). Vyžaduje vakuum (příliš koncentrovaná energie na průchod vzduchem) NIF Rutherford Appleton lab

15 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze15 Drivery: laser - Plynové lasery (iodový, KrF) Jednoduchá údržba laserujícího média, potenciálně možná vysoká opakovací frakvence. Potíže: iodový má velkou vlnovou délku (1,3  m), KrF OK (250 nm) ale velmi krátká doba života excitovaného stavu - Pevné lasery – neodymový laser V současnosti se považuje za dané, že prvním driverem, díky kterému dojde k zapálení, bude laser s neodymovým sklem. Díky dlouholetému vývoji dosahuje tento laser vysoké a koncentrované energie a jeho světlo lze transformovat na kratší vlnové délky (z 1,06  m se generuje třetina tj 350 nm). Potíž: velmi neefektivní čerpání, ~0,1%, zlepšení možné při čerpání pomocí LED

16 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze16 Drivery: laser Nova NIF

17 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze17 Svazky částic jako drivery Výhody: levné, účinné (20-30%), trvanlivé (žádná optika) a potenciál dosáhnout vysoké opakovací frekvence. Obtíže: zatím velmi daleko od požadované hustoty energie (o tři řády). Nedaří se dostatečně fokalizovat. Fokusující elementy budou muset být blízko k terčíku. lehké ionty: k dosažení ablace musí mít svazek vysoký proud (přes 10 MA pro energie iontů ~30 MeV). Vede k obrovským obtížím s prostorovým nábojem. těžké ionty: vychází lépe (kolem 60 kA pro energie iontů ~ 8 GeV). Považuje se za perspektivní řešení pro reaktory poté, co lasery prokáží principiální proveditelnost ICF (inertial confinement fusion) - lineární urychlování, komprese svazku během urychlení - RF urychlování s akumulačně-kompresním prstencem

18 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze18 Drivery – svazky částic U.S. projekt HIFS – VNL (Heavy Ion Fusion – Virtual National Laboratory) Etapy: 1) experimenty s vysokým proudem 2) demonstrace technologie urychlovače a terčíku 3) integrovaný experiment (včetně zaostřování a fyziky interakcí) 4) demonstrační reaktor

19 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze19 Drivery: z-pinč Výhody: jednodušší, účinnější, nadějné výsledky Obtíže: zejména nejasné, jak dosáhnout potřebné opakovací frekvence. W drátky pěna z-pinč jako driver, tj. je z materiálu s vysokým Z (vytváří hodně rentgenového záření), terčík se vkládá Angara-5, Triniti, Troitsk u Moskvy podobný je GIT 12 v Tomsku

20 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze20 Z-machine Sandia National Laboratories: Z machine, předělaná z PBFA-II (experiment s lehkými ionty) dosáhla překvapivě dobrých výsledků v rentgenovém záření: 290 TW, 1,8 MJ. Imploze DD terčíku: pozorovány fúzní neutrony a konverze c ~ 13 (2003 ), rekordní teplota 3,7 miliard stupňů (2006)

21 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze21 Terčíky Drastické požadavky: přesnost kulového tvaru i tloušťky musí být kolem 1%, hrubost povrchu pod 1  m. ve skutečnosti větší než v našem úvodním odhadu, protože jsou duté. Větší terčík – silnější imploze, ale náchylnější k nestabilitám. Obal z lehkého Z (kvůli ablaci, např. plasty), někdy následováno vysokým Z (stínění paliva) naplněn palivem (zmražená směs DT a páry). Umí se vyrábět jen pomocí velmi pomalých procesů (permeace). V elektrárně musí terčíky vydržet rychlé zavádění do komory V elektrárně by jeden terčík neměl stát víc než asi 30 centů. (dnes stojí kolem 2500 $) Poznámka: volba vyššího Z vede spíše k přeměně energie zapalovače na energii rentgenového záření, než na pohybovou energii částic.

22 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze22 Terčíky - složení Experimenty: Současné obvyklé řešení :

23 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze23 Přímé a nepřímé zapalování Motivace k nepřímému zapalování: Potřeba vysoké symetrie a homogenity záření, a výhodnější interakce záření s povrchem při kratších vlnových délkách (tj vyšší tlak na terčík). V dutině (hohlraum) vzniká homogenní rentgenové záření (proto vysoké Z, např. zlato). Stačí méně laserových paprsků. Nevýhody: další snížení účinnosti konverze, komplikovanější konstrukce (dražší), parametrické nestability Přímé zapálení Nepřímé zapálení terčík svazky laserů dutina

24 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze24 Nepřímé zapalování

25 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze25 Nepřímé zapalování

26 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze26 Nepřímé zapalování svazky Místo otvorů pro laser jsou speciální zátky které se stanou zdrojem rtg. Záření. Uvnitř se ustaví záření odpovídající 4 MK. Při vyšší hustotě výkonu driveru je vyšší účinnost konverze, protože povrch terčíku zůstává vhodně polarizován (graf) Těžší svazek = lepší přenos energie, proto se zkouší molekulární svazky svazky Účinnost přeměny energie Tloušťka stěny (mm) Hustota výkonu (10 19 W/g)

27 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze27 Rychlé zapalování Méně náročné na energii komprese – tlak je před rychlým zapálením menší (bod c) než jaká odpovídá klasickému zapálení (bod b) vyhloubí se kanál pomocí nelineárních sil generují se rychlé částice, které zapálí střed Oblast zapálení zapálení Vyhloubení kanálu Zapálení

28 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze28 Rychlé zapalování Produkce neutronů stoupla z10 4 na 10 7 Konverze energie laseru na teplo 20%-30% 2006 American Physical Society award for “Excellence in Plasma Physics” Potíže: - původně nebyly vhodné lasery - neví se, zda nepřevládnou nestability Naděje: - velký fúzní zisk při nízké vstupní energii - optimum kolem 600 kJ, nikoli 3 MJ - levnější elektřina (5-6 centů za kWh místo 8) - jedinečná fyzikální tematika  HiPER project

29 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze29 Komora reaktoru Vakuová, aby se energie driveru dostala k terči dostatečně pevná k absorbci výbuchu, tj. k absorpci záření (rentgenové a gama), rychlých iontů, alfa částic, neutronů a úlomků pomocí absorbce nebo zpomalení částic v komoře přetváří kinetickou energii částic na teplo chladicího média. přepokládané místo vzniku tritia pro výrobu terčíků vhodnou volbou materiálu lze docílit účinnosti transformace energie v komoře větší než jedna (např. výroba tritia uvolňuje energii) Nova NIF

30 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze30 National Ignition Facility (NIF)

31 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze31 National Ignition Facility (NIF)

32 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze32 Laser Mégajoule (LMJ)

33 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze33 Laser Mégajoule (LMJ)

34 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze34 Laser Mégajoule (LMJ) LMJ interaction chamber (having been already moved in the building) LMJ building in 2006

35 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze35 Laser Mégajoule (LMJ) v roce 2011

36 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze36 Laser Mégajoule (LMJ)

37 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze37 The HiPER Project Civilian High Power laser Energy Research facility Místo: GB Plán byl , teď bez podpory chtělo by 850 M€ 40 laser beams Dlouhý puls: 5 ns Energie imploze 200 kJ Krátký puls: 10 ps PW beamline 70 kJ Výhledově: 150 PW, 30 fs OPCPA beam; 2 EW, 15 fs driver - nelineární kvantová elektrodynamika - gravitační & kvantová teorie pole - fyzika urychlovačů na vysoké energií (TeV) Cíl: do pěti let demonstrovat zapálení pomocí laseru Pružný výzkumný program: - vlastnosti materiálů za extrémních podmínek - ultra-relativistické urychlování částic - jaderná fyzika & rozptyl neutronů - laboratorní astrofyzika Zatím neschváleno mezi 9 zeměmi které pracují na detailním projektu je i ČR Obsahuje české video!

38 Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze38 Projekt ELI Extreme Light Infrastructure Místo: ČR (Beamlines) Maďarsko (Attosecond) Rumunsko (Nucl. Phys.) Parametry: Výzkumný program: - rychlé ICF zapálení, výzkum HED hmoty - ultra-relativistická fyzika plazmatu - attosekundová věda - urychlování částic na extrémní energie (TeV elektronové & 10 GeV iontové svazky) Aplikace: - relativistická mikroelektronika - částicová radioterapie - studie stárnutí materiálů - attosekundové UV, VUV a SXR zdroje - měření s attosekundovým rozlišením naše část:


Stáhnout ppt "Úvod do termojaderné fúze8: Inerciální fúze1 Úvod do termojaderné fúze Jan Mlynář 8. Inerciální fúze Kritérium pro fúzní zisk, nutnost komprese, účinnost."

Podobné prezentace


Reklamy Google