Termojaderná fúze - perspektivy a úskalí RNDr. Vladimír Kopecký, DrSc. Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. e-mail: kopecky@ipp.cas.cz Co je fúze a jak jí dosáhnout Tokamaky Potřebujeme termojaderný reaktor? Projekt ITER Přednosti a úskalí

Co je fúze D + T He4 (3,52 MeV) + n (14,06 MeV) D + He3 He4 (3,67 MeV) + p (14,67 MeV) D + D T (1,01 MeV) + p (3,03 MeV) He3 (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 1 eV = 11600 K, 1keV = 11,6 milionů K Li6 + n He4 + T + 4,8 MeV, Li7 + n He4 + T + n – 2,47 Mev

Fúzní reaktor Urychlovače - Měření účinných průřezů fúzních reakcí. Urychlovač jako fúzní reaktor? Nevhodné! Většina energie se spotřebuje na coulombovské srážky. Neúspěšné Mionová fúze Elektrolyticky katalyzovaná fúze – studená fúze Termojaderný reaktor Plazma v reaktoru (n, T) Pzt = 3nkT / t – ztráty zářením a částicemi Pf - energie ze syntézy Výměník a generátor s účinností h Poh – energie pro ohřev částic Z podmínky nulového zisku energie (Q =výkon/příkonem = 1) obdržíme Lawsonovo kriterium: nt > Ckr (T), Ckr,d-t (2 × 108 K) = 5 × 1019 s/m3

Jak splnit Lawsonovo kriterium? nt > 5×1019 s/m3 1. extrémní případ: inerciální systémy Hustota zmraženého deuteria = 5×1028 m-3 t > 10-9 s Pro dosažení Lawsonova kriteria je třeba terčík stlačit 104x. K tomu je nutná energie laseru 1 MJ. Laserový systém Gekko XII v Osace První vodíková bomba „MIKE“

360 TW, 5-15ns, 192 svazků (kolem roku 2008) Laser NIF LLNL, USA 2003 1.výstřel, 4 svazky 360 TW, 5-15ns, 192 svazků (kolem roku 2008) Cena ~ 2 mld. USD

2. Opačný extrém – velmi dlouhá doba udržení ~ sekundy, t. zv. kvazistacionární udržení. Tomu odpovídá poměrně řídké plazma. (Počet molekul ideálního plynu za normálních podmínek je 2,7×1025 m-3.) Takové plazma lze izolovat od stěn pouze magnetickým polem. Pohyb nabité částice v magnetickém poli w = qB/m r = mv/qB

Termojaderná elektrárna

Systém vytvořený v Ústavu atomové energie v Moskvě TOKAMAK toroidalnaja kamera s magnitnymi katuškami Systém vytvořený v Ústavu atomové energie v Moskvě 1951 - A.Sacharov, I.Tamm

Z historie tokamaku 1955 TMP – torus s magnetickým polem a keramickou vakuovou nádobou 1968 T-3, SSSR 10 000 000°C 70. léta vše se přestavuje na tokamaky 1975 T-10, SSSR PLT Princeton, USA 60 000 000°C 1978 T-7, SSSR supravodivé vinutí 1983 JET, Culham, Anglie 1MA 1987 Mezinárodní spolupráce na projektu ITER 1991 JET Poprvé použita směs D-T, 2 MW, 0.2 s 1992 TFTR, Princeton, USA 6.1 MW, 0.2s 1994 TFTR 10 MW, 1s 1997 JET 16.1 MW, 2s, Q=0.62 1998 Dokončen projekt ITER-FDR (6 mld. USD, 1.5 GW, Q=) 2001 Dokončen projekt ITER-FEAT (3 mld.USD, 500 MW, Q>10) 2003 Tore Supra, Cadarache, Francie 6 min 21 s, 1 GJ

Vysokofrekvenční ohřevy Ohřev neutrálními svazky Modifikace tokamaku Průřez D Divertor Ohřev plazmatu Ohmický ohřev Vysokofrekvenční ohřevy Ohřev neutrálními svazky Neindukční generace proudu

ASDEX – Garching, SRN R = 1,6 m a = 0,5x0,8 m I = 2 MA Dodatečný ohřev 27 MW

TFTR – Princeton Plasma Physics Laboratory R = 2,5 m a = 0,85 m B = 6,0 T I = 3,0 MA PNS = 39,5 MW PICR = 14,4 MW 1993 D–T plasma (89 % D, 11 % T) N = 1020 m–3, Ti = 510 mil. K, PD-T = 10,7 MW

JET (Joint European Torus ) – Culham, UK R = 2,96 m a/b = 1,25 / 2,10 m t = 20 s B = 3,45 T I = 4,8–7 MA PNS = 25 MW PICR = 32 MW PDHR = 12 MW

JET (Joint European Torus )

JET (Joint European Torus ) D–T plazma 1991 PDT = 1,7 MW 1997 EDT = 21,7 MJ PDT = 16,1 MW Q = 65% t = 3,5 s

Jak se blížíme k cíli

NE ALE Potřebujeme termojaderný reaktor už nyní ? Máme i jadernou energii ze štěpení ALE 1. Fosilní paliva jsou důležitá surovina pro uhlíkovou chemii a je tedy škoda je pálit. 2. Ochrana životního prostředí. 3. Obnovitelné zdroje nejsou časově konstantní a uchování elektrické energie je problém.

ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor Navázal na INTOR Smlouva podepsána v roce 1987 Rozhodnutí o jeho realizaci ve Francii v Cadarache přijato 2005

ITER - Projektované parametry R = 6,2 m; a = 2,0 m, b/a = 1,6; I = 15 MA; B = 5,3 T; T = 8 keV; n = 1020 m-3; Pfuz = 0,5 GW; neutr. zátěž = 0,5 MW / m2; t > 400 s; Q > 10 Výstavba: 10 let; 2,755 miliard USD Experimantální provoz: 20 let, provozní náklady: 188 milionů USD ročně, celkem 3.76 miliardy USD. Cíle: Zapálení reakce Přechod do stacionárního režimu Ověření koncepce první stěny a plodící obálky Případně samovolné hoření

Perspektivnost: Téměř nevyčerpatelný zdroj energie: Přednosti a úskalí Perspektivnost: Téměř nevyčerpatelný zdroj energie: 1 litr vody obsahuje 1/30 g deuteria 1 litr vody odpovídá 300 litrům benzínu Vnitřní bezpečnost: malá náplň paliva při tlaku 0.1 Pa řádově gramy přerušení reakce při porušení reaktoru teplotní stabilita Nejaderný odpad: He Radioaktivita: druhotná v materiálech konstrukce, lze ji omezit výběrem materiálu se vznikem pouze krátce žijících izotopů

1. Nedořešené fyzikální problémy Úskalí 1. Nedořešené fyzikální problémy Nestability disrupce ELM – relaxační okrajová nestabilita pilové kmity hustoty turbulence po zapálení reakce He „popel“ – odstraňování přes divertor změna vlastností plazmatu Doplňování paliva injekce tablet – lokální změna parametrů Nečistoty

2. Materiálové a technologické problémy První stěna: 1 MW/m2, ocel (austenitická, martensitická), vanad, C, B, Be Divertor Blanket: výroba T, množení n, chlazení Supravodivé vinutí – odstínění od toku neutronů Diagnostika – vliv neutronů Řízení plazmatu v reálném čase Ekonomika

Rozšiřující literatura 1. G. McCracken, P. Stott: “Fúze. Energie vesmíru“, Mladá fronta, edice Kolumbus, 2006 2. M. Řípa, V. Weinzettl, J. Mlynář, F. Žáček: „Řízená jaderná syntéza pro každého“, ÚFP AV ČR a ČEZ. Praha 2005 3. J. Mlynář: „ITER – cesta ke zvládnutí řízené termonukleární fúze“, Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, 49 (2004) 2, 129 – 150 4. V. Weinzettl:“Čistá energie tokamaků“, Vesmír 77 (1998) 4, 207 – 211 5. J. Mlynář: „Lesk a bída termojaderné syntézy“, Vesmír 77 (1998) 4, 207 – 211 6. V. Kopecký: „Zapálíme Slunce na Zemi?“, Astropis, Speciál 2007, 32 – 37 7. http://www.iter.org/ 8. http://www.efda.org/