Jak fungují tokamaky u nás a ve světě? Jan Stockel Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha stockel@ipp.cas.cz Vojta Svoboda Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT, Praha svoboda@br.fjfi.cvut.cz 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, 15.10.2009

Energie v třetím tisíciletí (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?

Pro řešení energetického problému je nutno ŠETŘIT !!!! efektivně využíval klasická paliv hledat nové zdroje energie Fosilní paliva (uhlí, přírodní plyn) – produkce CO2? 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

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

Slučování jader izotopů vodíku α částice – 3.5 MeV deuteron v > 20 000 km/s T~ 200 mil. K triton neutron – 14.1 MeV (energie využitelná na výrobu elektřiny) Exotermní reakce! – produkty reakce mají 1000x větší kinetickou energii než vstupní palivo

Termojaderná fúze ve hvězdách a na Zemi 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. Vodíková bomba - k zapálení jaderné fúze se použila atomová bomba USA 1952 (MIKE) SSSR 1953 První vodíková bomba „MIKE“

Základní předpoklad pro slučování jader deuteria a tritia Rychlost jader musí být větší než 20 tisíc km/s! Za normální (pokojové) teploty se jádra (atomy) pohybují pouze rychlostí 1 km/s abychom jádra paliva urychlili na požadovanou rychlost, je třeba ohřát směs deuteria a tritia na teplotu 100 - 200 milionů stupňů !!!!! Při tak vysokých teplotách je směs D-T samozřejmě ve stavu plazmatu. Lawsonovo kriterium – musí být splněno, aby energetický výtěžek termojaderné fúze byl kladný, t.j Energie získaná > Energie dodávaná T> 200 mil. K n  τ > 1020 m-3 s * τ je klíčová veličina, která se nazývá doba udržení energie (global energy confinement time)

Jak ohřát plazma na teploty 100-200 mil Jak ohřát plazma na teploty 100-200 mil. stupňů po dostatečně dlouhou dobu? Nutná podmínka: Objem ve kterém se plazma nachází je třeba co nejdokonaleji tepelně izolovat!!! Venkovní teplota = – 10o Okna otevřena Okna zavřena Okna zavřena+ izolace T=0o T=15o T=25o

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

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

Jak pracuje tokamak? Tokamak se skládá ze tří základních komponent Velký transformátor Prstenec plazmatu, který představuje jeden závit sekundárního vinutí Cívky pro udržení a tepelnou izolaci prstence pomocí magnetického pole Electrický proud I, který se vytváří v plazmatu pomocí transformátoru ohřívá prstenec plazmatu výkonem Pohmic = I2Rplasma (Ohmův zákon) vytváří tzv poloidalní magnetické pole => nutné pro stabilitu prstence Pozor! Tokamak je vždy pulzní zařízení (neboť transformátor)

( “toroidální komora” s “magnetickými cívkami”) Historie tokamaku Zkratka z ruštiny: TOroidalnaya KAmera, s MAgnitnami Katushkami ( “toroidální komora” s “magnetickými cívkami”) Idea kolem roku 1950 : Andrei Sacharov Igor Tamm (oba Nobelova cena) První tokamak T-1 zkonstruoval Lev Arcimovič, a A. Javlinski v ústavu I.V. Kurchatova v Moskvě kolem roku 1950

Tokamaky na světě (vybudováno ~ 175 zařízení) EURATOM JET – 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 Canada STORM-1M China EAST, HT-7, J-TEXT, HL-2A South Korea KSTAR India Aditia, SINP, (SST-1 under construction) Brazil ETE (spherical), TCABR, NOVA-Unicamp Iran IR-T1 V současnosti je ~ 32 různých tokamaků v provozu: Velký poloměr 0.4-4 m, toroidální mag. pole 0.5-4 T, proud 0.01-4 MA délka výboje 0.01 – ~300 sec a různá magnetická konfigurace

Hardware potřebný pro generaci tokamakového plazmatu 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)

Příprava nádoby tokamaku k provozu Vyčerpání nádoby na 10-8 mBar (10-6 Pa) turbomolekulární či cryo vývěvou Ohřev nádoby na 150 - 250o 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.

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

Základní diagnostika nutná k provozu tokamaku 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 ………..

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

Napětí na závit R E tor = Uloop/2pR dy/dt – magnetic flux Uloop = - dy/dt dIprim/dt 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: E tor = Uloop/2pR

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

Počáteční fáze výboje v tokamaku Vakuová nádoba Tokamaku se naplní pracovním plynem (vodík, deuterium). Typický tlak je ~ 10-50 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.

Plně ionizované plazma zaplňuje nádobu (za 0.1-10 ms – závisí od velikosti tokamaku) Hustota nabitých částic roste exponenciálně v čase Elektrony se urychlují v toroidálním směru a ionizují molekuly pracovního plynu Volné elektrony se objeví v nádobě přeionizace nebo kosmické pozadí

Tokamak GOLEM http://golem.fjfi.cvut.cz/ 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. http://golem.fjfi.cvut.cz/ Velký poloměr prstence 0.4 m Malý poloměr nádoby 0.1 m Malý poloměr limiteru (plazmatu) 0.085 m Maximální toroidální magnetické pole 0.25 Tesla Maximální proud plazmatem 5 kAmp Doba výboje ~ 5 ms

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

Rozložení základních diagnostik Uloop, Btor, Iplasma, Radiation Současný stav tokamaku GOLEM (říjen 2009) 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 Rozložení základních diagnostik Uloop, Btor, Iplasma, Radiation Avšak, tokamak GOLEM má jednu unikátní vlastnost: Je to jediný tokamak na světě, který lze ovládat na dálku přes Internet (remote handling) !!! http://golem.fjfi.cvut.cz/current/

Moravský tokamak http://www.tokamak.cz/

Prague GOLEMs 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. Similarly, golems are often used today in metaphor as entities serving man under controlled conditions but hostile to him in others.

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