Ondřej Kudláček Princip tokamaku

O čem to bude Ohřev plazmatu Udržení plazmatu Palivový cyklus Lawsonovo kritérium

Základní schéma

Magnetické pole Toroidální cívky Proud plazmatem Složené šroubovité pole

Fúzní reakce D + T => He( 3,5 MeV ) + n( 14,1 MeV)

Podmínky pro fúzi K fúzi dvou jader dojde při vzájemné vzdálenosti 10-15 m Potřebná energie na jednu částici při čelní srážce je 360 keV, tj teplota asi 4,2·109 K Udržení této teploty dnes nemožné

Ale stejně to jde… Maxwellovo rozdělení- I v plazmatu o nižší teplotě jsou částice s dostatečnou energií pro fúzní reakci

Doba udržení energie Ohřáté plazma má nějakou tepelnou energii Ve chvíli vypnutí ohřevu začne energii ztrácet Doba udržení τ je čas, za který by plazma ztratilo veškerou energii, pokud by jí ztrácelo stejnou rychlostí jako při vypnutí ohřevu τ hodně závisí na vlastnostech tokamaku

Ohřev plazmatu Primární ohřev: Indukovaný proud Sekundární ohřev: 1) Elektromagnetickými vlnami 2) Urychlenými částicemi

Primární ohřev Komora tokamaku- sekundární vynutí transformátoru o jednom závitu Indukovaný proud(např. JET 4,8 MA) Úplná ionizace plazmatu => R jde k nule Proud v primárním vynutí nemůže růst do nekonečna, tj. i proud v sekundárním vynutí je omezen => další proudový ohřev neúčinný

Vlnový ohřev Antény o obrovském výkonu(několik MW) Vlnová délka volena podle toho, kde chceme plazma ohřát

Rychlé neutrály1 Do plazmatu jen neutrály- magnetické pole Neutrál nelze urychlit

Rychlé neutrály2

Rychlé neutrály3 Na JETu energie kolem 200 keV, na ITERu až 1 MeV Ionizovány až uprostřed komory

Neutrály-JET

Ohřev reakcí 20 % ( He, 3,5 MeV ) energie vzniklé reakcí zůstane v plazmatu V budoucnu jediný ohřev

Stěna reakční komory Nesmí přijít do styku s plazmatem protože: 1)Destrukce stěny 2)Příměs

Udržení plazmatu Částice se dostávají na okraj komory- difúze Nesmí se dostat na stěnu Divertor- odchýlí částice na okraji komory

Divertor Vlastní magnetické pole Částice dopadají tam , kde je to uzpůsobeno „Zpomalovací plyn“, kryogenní pumpy

Divertor- JET

Palivový cyklus Problémy se skladováním, výrobou a přepravou tritia Deuterium běžně dostupné z vody Řešení: Výroba přímo v reaktoru z lithia Rovnice: 6Li + n => T + He 7Li + n => T + He + n

Technická realizace Magnetické pole nedrží v plazmatu neutrony Kolem komory slitina lithia Při reakci Li a n vznikne ve slitině bublinka s He a T, případně unikne další n Poměr 6Li a 7Li tak aby vznikalo právě tolik T kolik je spotřebováno Slitina na závěr přetavena

JET V Culhamu(GB) Jediný pracuje s D-T směsí Dříve byl schopen ještě TFTR(USA), demontován

Ztrátové módy Plazma v tokamaku má dva ztrátové módy L-mode: kratší doba udržení Poté, co dodáme určité množství energie přejde L-mode do H-mode- výrazně delší doba udržení Dodnes není známá příčina tohoto jevu

Vnitřní energie plazmatu Předpokládejme, že je v komoře tokamaku směs 50% D a 50% T Hustota částic n = nD + nT + ne Počet elektronů ne = nd + nT Střední kinetická energie jedné částice je Ek

Potřebný ohřev Celkovou vnitřní energii E můžeme vyjádřit jako n · Ek Když celkovou vnitřní energii vydělíme dobou udržení, dostaneme výkon, který musíme kontinuálně dodávat

Rychlost reakce Rychlost reakce σ·v je veličina, která udává pravděpodobnost, že se jedna konkrétní částice srazí s konkrétní druhou částicí za jednu sekundu a při srážce dojde k jaderné fúzi Ideální teplota pro DT reakci je přibližně 50 keV, tj. asi 550 mil.K

Rychlost reakce - graf

Fúzní výkon Předpokládejme, že je nT částic T v klidu a nalétává na ně nD částice deuteria. Při jedné fúzní reakci se uvolní Ef= 17,6 MeV energie. Při splnění těchto předpokladů bude fúzní výkon

Lawsonovo kritérium Lawsonovo kritérium udává, kdy bude fúzní výkon větší než výkon ohřevu, tj. podíl Pf / Pl > 1 Pracujeme s při optimální teplotě 50 keV, rychlost reakce při ní má hodnotu přibližně 10-21 Po dosazení dostaneme, že součin n·τ > 2,3·1019 Hodnoty se v literatuře liší

Děkuji za pozornost