Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Jak fungují tokamaky u nás a ve světě? PROČ potřebujeme výzkum tokamakového plazmatu? Termojaderná fúze CO je tokamak? Princip Základní hardware Základní.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Jak fungují tokamaky u nás a ve světě? PROČ potřebujeme výzkum tokamakového plazmatu? Termojaderná fúze CO je tokamak? Princip Základní hardware Základní."— Transkript prezentace:

1 Jak fungují tokamaky u nás a ve světě? PROČ potřebujeme výzkum tokamakového plazmatu? Termojaderná fúze CO je tokamak? Princip Základní hardware Základní diagnostiky tokamakového plazmatu JAK tokamak pracuje? Jaká je budoucnost? JET, ITER, COMPASS VUT Brno, Jan Stockel Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha Vojta Svoboda Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT, Praha

2 (Trvale udržitelný) rozvoj civilizace vyžaduje především výrobu dostatečně velkého množství energie. V současné době je světová energetická bilance napjatá a zdroje jsou navíc rozděleny nerovnoměrně 20 % populace spotřebovává 80% světové produkce To se určitě změní (Čína, Indie, Latinská Amerika, Afrika) Spotřeba energie tedy v budoucnu určitě poroste – co však ZDROJE? Energie v třetím tisíciletí

3 Pro řešení energetického problému je nutno ŠETŘIT !!!! efektivně využíval klasická paliv hledat nové zdroje energie Fosilní paliva (uhlí, přírodní plyn) – produkce CO 2 ? Obnovitelné zdroje – sluneční energie - větrná energie - vodní energie - spalování biomasy Jaderná energie - návrat ke klasickým ( a rychlým) štěpným reaktorům (problémy - bezpečnost, skladování vyhořelého paliva) - termojaderné slučování

4 Lehká jádra (isotopy vodíku) Proton + Neutron (mořská voda) Proton + dva neutrony

5 v > km/s T~ 200 mil. K α částice – 3.5 MeV neutron – 14.1 MeV (energie využitelná na výrobu elektřiny) deuteron triton Exotermní reakce! – produkty reakce mají 1000x větší kinetickou energii než vstupní palivo Slučování jader izotopů vodíku

6 Vodíková bomba - k zapálení jaderné fúze se použila atomová bomba USA1952 (MIKE) SSSR 1953 Slučování jader lehkých prvků je zdrojem energie našeho Slunce a všech hvězd ve vesmíru. Ke slučování dochází velmi pomalu. Tepelná izolace se dosahuje gravitační silou. První vodíková bomba „MIKE“ Termojaderná fúze ve hvězdách a na Zemi

7 Lawsonovo kriterium – musí být splněno, aby energetický výtěžek termojaderné fúze byl kladný, t.j Energie získaná > Energie dodávaná T> 200 mil. K n  τ > m -3 s * τ je klíčová veličina, která se nazývá doba udržení energie (global energy confinement time) Rychlost jader mus í být vět ší než 20 tis í c km/s! Za norm á ln í (pokojov é ) teploty se j á dra (atomy) pohybuj í pouze rychlost í 1 km/s abychom j á dra paliva urychlili na požadovanou rychlost, je třeba ohř á t směs deuteria a tritia na teplotu milionů stupňů !!!!! Při tak vysokých teplotách je směs D-T samozřejmě ve stavu plazmatu. Základní předpoklad pro slučování jader deuteria a tritia

8 Jak ohřát plazma na teploty mil. stupňů po dostatečně dlouhou dobu? Nutná podmínka: Objem ve kterém se plazma nachází je třeba co nejdokonaleji tepelně izolovat!!! Okna otevřena Okna zavřena Okna zavřena+ izolace Venkovní teplota = – 10 o T=0 o T=15 o T=25 o

9 Doba udržení tepelné energie Okna otevřena Okna zavřena Okna zavřena+izolace Topení vypnuto Teplota čas Doba udržení energie Výpočty ukazují, že doba držení energie pro termojadernou fúzi musí být větší než 10 vteřin!! Venkovní teplota

10 Tepelná izolace plazmatu pro kontinuální hoření fúze pomocí magnetického pole Plazma bez magnetického pole nabité částice se pohybují chaoticky všemi směry Plazma v magnetickém poli nabité částice se pohybují po spirále kolem magnetické siločáry. Ideální konfigurace magnetického pole siločáry vyplňují těleso ve tvaru "pneumatiky", jsou uzavřené do sebe a nikde neprotínají stěnu. Takovou konfiguraci má zařízení, které se nazývá TOKAMAK v němž se podařilo ohřát plazma na teplotu 200 milionů stupňů

11 Jak pracuje tokamak? Tokamak se skl á d á ze tř í z á kladn í ch komponent Velký transform á tor Prstenec plazmatu, který představuje jeden z á vit sekund á rn í ho vinut í C í vky pro udržen í a tepelnou izolaci prstence pomoc í magnetick é ho pole Electrický proud I, který se vytv á ř í v plazmatu pomoc í transform á toru ohř í v á prstenec plazmatu výkonem P ohmic = I 2 R plasma (Ohmův z á kon) vytv á ř í tzv poloidaln í magnetick é pole => nutn é pro stabilitu prstence Pozor! Tokamak je vždy pulzn í zař í zen í (neboť transform á tor)

12 Historie tokamaku Idea kolem roku 1950 : Andrei Sacharov Igor Tamm (oba Nobelova cena) Zkratka z ru š tiny: TOroidalnaya KAmera, s MAgnitnami Katushkami ( “ toroid á ln í komora ” s “ magnetickými c í vkami ” ) Prvn í tokamak T-1 zkonstruoval Lev Arcimovič, a A. Javlinski v ú stavu I.V. Kurchatova v Moskvě kolem roku 1950

13 Tokamaky na světě (vybudov á no ~ 175 zař í zen í ) EURATOMJET – Největší na světě Germany ASDEX U, TEXTOR 94 France TORE – SUPRA GB MAST ( spherical ) Italy FT-U Switzerland TCV Czech COMPASS, GOLEM (CASTOR) Portugal ISTTOK USA D IIID, ALCATOR C-mod, HBT-EP Japan JT- 60 Russia T-10, TUMAN 3, FT-2, GLOBUS ( spherical ), T11-M CanadaSTORM-1M China EAST, HT-7, J-TEXT, HL-2A South KoreaKSTAR India Aditia, SINP, (SST-1 under construction ) BrazilETE ( spherical ), TCABR, NOVA-Unicamp IranIR-T1 V současnosti je ~ 32 různých tokamaků v provozu: Velký poloměr m, toroidální mag. pole T, proud MA délka výboje 0.01 – ~300 sec a různá magnetická konfigurace

14 Tokamak Vakuový systém a plynové hospodářství (pro vyčerpání komory tokamaku a její napuštění pracovním plynem před výbojem) Zdroje elektrické energie (napájení jednotlivých vinutí tokamaku) Základní diagnostiku Ovládací systém A/D převodníky (k zaznamenání experimentálních dat) Hardware potřebný pro generaci tokamakového plazmatu

15 Příprava nádoby tokamaku k provozu Vyčerpání nádoby na mBar (10 -6 Pa) turbomolekulární či cryo vývěvou Ohřev nádoby na o C Čistění vnitřní stěny doutnavým výbojem Nádoba naplněna vodíkem či heliem (~ 1 Pa), elektroda (anode) je zasunuta dovnitř a je na ní přiloženo kladné napětí (~ +500 V). Zapálí se výboj mezi anodou a komorou. Vnitřní stěna (katoda) je bombardována kladnými ionty a moleculy adsorbované na vnitřní stěně komory se uvolňují (desorpce) a odčerpávají se vývěvou.

16 Energetické zdroje pro malý tokamak (schematicky) Baterie kondenzátorů 1 Cívky toroidálního magnetického pole Pro vytváření toroidálního magnetického pole Spínač 1 (tyristor) Primární vinutí transformátoru Pro průraz pracovního plynu a generaci proudu Spínač 2 (tyristor) Baterie kondenzátorů 2 Elektrickou energii potřebnou pro pulsní provoz tokamaku je nutné nahromadit – typicky se používají baterie kondenzátorů 2 kV/ 1 MJ 2 kV/ 0,04 MJ Spínač 2 se spíná se zadaným časovým zpožděním vůči spínači 1

17 Musíme měřit (alespoň): Toroidalní magnetické pole Napětí na závit Proud plazmatem Vyzařování plazmatu (alespoň ve viditelné oblasti spektra) Pozice plazmatu uvnitř nádoby Hustotu plazmatu Elektronovou a iontovou teplotu ……….. Základní diagnostika nutná k provozu tokamaku

18 Toroidalní magnetické pole Signal se musí integrovat, abychom získali Btor buď pomocí analogového integrátoru or numerickou integrací měřeného signálu Měří se závitem, který obepíná prstenec

19 Napětí na závit Napětí na závit (loop voltage) se měří závitem umístěným podél prstence plazmatu. Toroidalní electrické pole, které urychluje nabité částice v toroidálním směru (a generuje proud plazmatem) je jednoduše: d  /dt – magnetic flux Uloop = - d  /dt E tor = U loop /2  R dI prim /dt R

20 Proud prstencem plazmatu Proud plazmatem se měří induktivně pomocí Rogowského pásku (toroidalní solenoid obcházející prstenec). Výstupní signál se musí opět integrovat!

21 Vakuová nádoba Tokamaku se naplní pracovním plynem (vodík, deuterium). Typický tlak je ~ mPa V nádobě se vygeneruje malé množství volných elektronů – UV lampa nebo elektronová tryska (předionizace) - kosmické pozadí Aktivují se energetika (nabití kondenzátorových baterií pro generaci toroidálního magnetického pole a časově proměnného proudu v primárním vinutí transformátoru) Sepnou se příslušné spínače (tyristory) Toroidalní magnetické pole se vytvoří uvnitř nádoby tokamaku. Primárním vinutím začíná protékat časově proměnný proud, který generuje uvnitř nádoby toroidální elektrické pole. Počáteční fáze výboje v tokamaku

22 Elektrony se urychlují v toroidálním směru a ionizují molekuly pracovního plynu Plně ionizované plazma zaplňuje nádobu (za ms – závisí od velikosti tokamaku) Hustota nabitých částic roste exponenciálně v čase Volné elektrony se objeví v nádobě přeionizace nebo kosmické pozadí

23 Tokamak CASTOR, který pracoval v ÚFP AV ČR více než 30 let byl nedávno přesunut na Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT a nachází se blízko starého židovského hřbitova. Proto byl nově pokřtěn jako GOLEM. Tokamak GOLEM Velký poloměr prstence0.4 m Malý poloměr nádoby0.1 m Malý poloměr limiteru (plazmatu) m Maximální toroidální magnetické pole 0.25 Tesla Maximální proud plazmatem5 kAmp Doba výboje~ 5 ms

24 Inženýrské schéma tokamaku GOLEM Obvod pro generaci toroidálního magnetického pole Obvod pro generaci toroidálního elektrického pole (generace proudu a ohmický ohřev) Čerpací systém Plynové hospodářství Měření tlaku Ohřev komory tokamaku

25 Současný stav tokamaku GOLEM (říjen 2009) Rozložení základních diagnostik Uloop, Btor, Iplasma, Radiation Tokamak není prozatím v plném provozu. Doposud chybí: Energetika pro vytváření vertikálního magnetického pole Zpětnovazební systém pro řízení polohy prstence plazmatu v komoře Předionizace Soubor diagnostických metod není kompletní Přesto se dosahuje tokamakového výboje, i když je výboj relativně krátký, plazma chladné a nestabilní Avšak, tokamak GOLEM má jednu unikátní vlastnost: Je to jediný tokamak na světě, který lze ovládat na dálku přes Internet (remote handling) !!!

26 Moravský tokamak

27 The word golem is used in the Bible to refer to an embryonic or incomplete substance: Psalm 139:16 uses the word גלמי, meaning my unshaped form. The Mishnah uses the term for an uncultivated person.BiblePsalm Mishnah Similarly, golems are often used today in metaphor as metaphor entities serving man under controlled conditions but hostile to him in others. Prague GOLEMs

28 The Association for the Study of Peak Oil&Gas, Sweden (2004) Světové zásoby paliv na bázi uhlovodíků 2009


Stáhnout ppt "Jak fungují tokamaky u nás a ve světě? PROČ potřebujeme výzkum tokamakového plazmatu? Termojaderná fúze CO je tokamak? Princip Základní hardware Základní."

Podobné prezentace


Reklamy Google