Úvod do termonukleární fúze

Prezentace na téma: "Úvod do termonukleární fúze"— Transkript prezentace:

1 Úvod do termonukleární fúze
Pavla Nikolovová Lukáš Paluzga Michal Franta

2 Úvod do termonukleární fúze
Energetická situace ve světě Obecný princip jaderné fúze Princip fúze s inerciálním a magnetickým udržením Zařízení pro výzkum fúze a její realizaci Fúze a její budoucnost (?)

3 Rostoucí poptávka po energii
zásadní důležitost energie pro moderní průmyslovou společnost společnost závisí na spolehlivém a bezpečném zásobování energií poptávka se každoročně zvyšuje asi o 2% faktory ovlivňující zvyšující se poptávku po energii: růst populace výkonnost ekonomiky technický pokrok

4 Současná situace problémy současné energetiky: vyčerpání zásob
ekologické faktory politické konflikty jedním z nejhlavnějších úkolů následujícího století je nahradit fosilní paliva alternativními zdroji energie problémy využití obnovitelných technologií: nákladnost velká spotřeba stavební plochy a materiálů závislost na proměnlivých přírodních podmínkách

5 Výhody termonukleární fúze
Termojaderná fúze je jednou z možných náhrad za fosilní paliva, nabízející bezpečný a k životnímu prostředí šetrný prostředek výroby energie. dlouhodobá využitelnost: palivo je hojně a rovnoměrně rozloženo v prakticky nevyčerpatelném množství efektivita při menších objemech paliva jaderné reakce mají o 7 řádů větší energetický výtěžek než má spalování libovolného paliva

6 Výhody termonukleární fúze
Termojaderná fúze je jednou z možných náhrad za fosilní paliva, nabízející bezpečný a k životnímu prostředí šetrný prostředek výroby energie. Šetrnost k životnímu prostředí: nedochází k znečisťování atmosféry skleníkovými plyny palivo pro fúzi není radioaktivní fúzní jaderné reakce primárně neprodukují žádné radioaktivní izotopy pouze sekundárně v konstrukčním materiálu

7 Princip jaderné fúze: E = Dmc2
vazebná energie jádra je asi krát větší než vazebná energie elektronů v atomovém obalu množství získané energie jsou výraznější při reakcích fúzních než při reakcích štěpných štěpení: uvolnění energie ~1-2 MeV na nukleon vznik produktů, které jsou dlouhodobě vysoce radioaktivní fúze uvolnění energie ~ 4-6 MeV na nukleon vznik 1-3 neradioaktivních částic

8 Termonukleární fúze účinný průřez - vyjadřuje energetickou bilanci a pravděpodobnost reakce odpudivá coulombická bariéra jader (~102 keV): fúze probíhá díky tunelovému jevu s malou pravděpodobností i při energiích nižších(~101 keV) teploty ~ °C  plazma

9 Termonukleární fúze v praxi nejlépe využitelná: D + T  43He + n + 17,6 MeV dva principy: inerciální a magnetická fúze

10 Lawsonovo kritérium L= nET  ckrit.
rovnováha mezi výkonem uvolňovaným fúzí a výkonem sloužícím k ohřevu paliva L= nET  ckrit. n … hustota plazmatu E … doba udržení energie T … teplota plazmatu D+T: ckrit.~5*1021 s.keV.m-3

11 Možnosti realizace Inerciální udržení (ICF): Magnetické udržení (MCF):
(Inertial Confinement Fusion) Palivo se udržuje „na místě“ vlastní setrvačností Ohřev pomocí laserů či svazků iontů n ~ 1031 m-3 t ~ s Magnetické udržení (MCF): (Magnetic Confinement Fusion) Palivo se udržuje magnetickým polem Ohřev pomocí ohmického ohřevu, svazky částic, vlnami n ~ 1020 m-3 t ~ 5 s

12 Princip ICF Ozáření (heating): pelet vletí do spalovací komory (hohlraum), kde je prudce zahříván laserem, svazkem částic, apod. Komprese (compression): obal peletu se prudce rozpíná směrem dovnitř, kde stoupá teplota a tlak Zapálení (ignition): hustota 1000x větší než kapaliny, teplota ~ 100 mil. °C - v jádru započala termonukleární reakce Hoření - fúze (fusion): termonukleární reakce se rychle šíří směrem od středu peletu Exploze (explosion): pelet exploduje - do této chvíle držen pohromadě pouze vlastní setrvačností

13 Princip ICF

14 Princip ICF pelet - skořápka z tzv. ablátoru naplněná D-T směsí (1 mg ~ 100kg TNT) ozáření, tedy i komora, musí být symetrické, aby nedošlo k deformaci peletu... velké nároky na spalovací komoru: teplota 2.5 mil. °C tepelný tok 400TW / cm2 hotraum - komora vyplněna plynem o nízkém atomovém čísle - „vyhlazuje“ energetický tok

15 ICF: UCB - NOVA chamber

16 ICF: Gekko XII laser (Osaka)

17 Princip MCF (Magnetic Confinement Fusion)
Plasma je v zařízení udržováno magnetickým polem (Lorentzovou silou) n ~ 1020 m-3 pulzní režim: např. tokamaky kontinuální režim: např. stelarátory Lineární a toroidální (prstencovité) uspořádání

18 MCF - lineární uspořádání: magnetické zrcadlo
princip: narůstající intenzita mag. pole odráží částice zpět problém: velké energetické ztráty na koncích

19 MCF: NASA Marshall Magnetic Mirror

20 MCF - toroidální uspořádání: tokamak
z ruštiny: ТОк, КАмера и МАгнитные Катушки (*1951 Andrej Sacharov, Igor Tamm) nejperspektivnější zařízení pro řízenou termonukleární fúzi tvar prstence, magnetické siločáry jsou v rámci zařínení uzavřené částice se pohybují po šroubovici kolem mag. siločar dokolečka

21 MCF - tokamak

22 MCF - tokamak vlivem odstředivé síly částice driftují v radiálním směru - nutnost přidat další, stáčivé, magnetické pole v poloidálním směru (v rovině malého řezu komory) - toto pole přidává sám proud v plazmatu výsledné magnetické pole má tedy tvar do sebe stočené šroubovicce

23 MCF - tokamak

24 MCF - pinč se zpětným polem (Reversed Field Pinch)
intenzita toroidálního a poloidálního magnetického pole je srovnatelná díky velké poloidální složce (tj. siločáry jsou hodně stáčivé) indukuje proud v plazmatu vlastní toroidální složku, která je v obráceném směru

25 Pinč: MST (Madison)

26 MCF - stelarátor (Stellarator)
magnetické pole šroubovicového tvaru je indukováno rozsáhlou sadou cívek, které jsou stočené

27 Možnosti realizace fúze
Inerciální udržení (ICF): (Inertial Confinement Fusion) Palivo se udržuje „na místě“ a vcelku vlastní setrvačností Ohřev peletu pomocí laserů či svazků iontů n ~ 1031 m-3 t ~ s pulzní režim Magnetické udržení (MCF): (Magnetic Confinement Fusion) tokamaky, pinče, stelarátory plazma se udržuje magnetickým polem n ~ 1020 m-3 t ~ 5 s možnost kontinuálního režimu

28 Děkujeme za pozornost, trpělivost a případné dotazy
J. Ongena, G. Van Oost: Controlled Thermonuclear Fusion ČEZ: Ovládnutí energie hvězd V. Weinzettl: Tokamak - termojaderná energie pro 3. tisíciletí F. Chen: Úvod do fyziky plazmatu T. Hamacher: Challenges of the energy supply for the 21st century Lukáš Paluzga, Pavla Nikolovová, Michal Franta