Úvod do termojadené fúze Energie budoucnosti

Obsah prezentace – 4 části: Obecný princip fúzní energetiky Fyzikální princip fúze v magnet. poli Technologický princip tokamaku Současný stav výzkumu fúze

Jak vlastně funguje elektrárna

Jak se získává teplo Udržováním „exotermní chemické reakce“ Jevy v elektronovém obalu atomů Udržováním podmínek pro probíhání jaderných reakcí Jevy v atomových jádrech

Hmota (energie) jádra Hmotnost jádra < Hmotnost protonů a neutronů dohromady Hmota = energie, protože Když z elementárních částic složíme jádro, část hmoty se „ztratí“ proměnou v energii (v teplo)

Hmota (energie) jádra Hmotnost jádra je tedy jiná než osamocených elementárních částic Aby v tom byl větší zmatek – v každém prvku je tenhle rozdíl jiný Znamená to tedy, že u některých jader se muselo anihilovat více hmoty, aby se utvořila

Princip fúzní energie Rozdíl hmotnost/částice mezi různými jádry = nemusíme pouze skládat elem. částice do jader, abychom získali energii Možno použít i jádra – postačí když:

Princip fúzní energie Ve formě kinetické energie produktů

Srovnání s jinými metodami

Srovnání s jinými metodami Cena energie dnes – $ 30 na GJ Cena fúzní energie – $ 0,004 na GJ Zásoby uhlí – 120 let Zásoby ropy – 40 let Zásoby Deuteria – 300 000 000 000 let Zásoby Tritia – 30 000 000 let

Výskyt fúzních reakcí Ve Vesmíru obecně celkem běžně Na Zemi zatím pouze „v laboratoři“ Spomen ako sa utvorili prvky takzsie ako Li

Princip fúzních reakcí Atomové jádro – shluk protonů – částic se stejným nábojem Ty se ale odpuzují elektromagnetickou interakcí Jelikož jádra existují, něco je musí držet pohromadě Tomu něčemu říkame silná interakce Vysvetli 4 zakl. interakcie

Princip fúzních reakcí Elektromagnetická interakce – nekonečný dosah Silná interakce – velmi malý dosah Elementární částice utvoří jádro, pouze jsou-li v dosahu silné interakce – jinak se odpuzují To samé pro fúzní reakce – jádra se musí přiblížit velice blízko k sobě

Princip fúzních reakcí Dosažení fúze jader – překonání potenciálové bariery odpuzování Zdravý selský rozum – mrštit jádry proti sobě dostatečně silně Fyzikálně – bariéra = energie V nóbl řeči:

Princip fúzních reakcí Platí: Jestliže ohřejeme palivo na potřebné teploty, začne probíhat fúze Pak už se bude ohřívat palivo samo – probíhající fúzí Je to jako s ohněm

Potřebné teploty na zapálení Slunce – 15 000 000 °C Reaktor – 150 000 000 °C Důvod – rozdílné hustoty paliva Slunce – 1 000 000 krát více částic než kolem nás Reaktor – 1 000 000 krát méně částic než kolem nás

Takže Zemi (alespoň od nás) nic nehrozí Kontaktem s něčím by se palivo spíš ochladilo Jak budeme pak ale držet palivo uvnitř reaktoru, když se nesmí dotýkat stěn?

Plazma Jiná otázka – co se stane s palivem při takovéto teplotě (už při 10 000 °C)? Projde do čtvrtého skupenství

Plazma Elektrony už nejsou vázány k jádrům, ale volně se pohybují prostorem Plyn jader a plyn elektronů, vzájemně promíchané Zdálky sice neutrální, ale při pohledu zblízka to jsou pouze nabité částice Ty reagují na přítomnost magnet. polí

Plazma Magnetické pole ( ) způsobí:

Plazma Avšak – držet plazma v magnetickém poli není jednoduché Analogie – Udržíme plazma o tlaku pouze několika atmosfér – za termojaderných teplot Tedy než se ohřálo, muselo mít tlak pouze 10-2 Pa – prakticky vakuum

Obecný princip reaktoru V reaktoru je silné magnetické pole a palivo o velice nízké hustotě To po ohřátí projde do stavu plazmatu Magnetické pole zabrání plazmatu, aby se pak ochladilo kontaktem se stěnou reaktoru Plazma v magnetickém poli se dále ohřívá – jak, to si řekneme později

Obecný princip reaktoru Až teplota překročí jistou mez: Energie je uložena do kinetické/tepelné energie produktů Ta je mnohem větší než energie (teplota) původního plazmatu

Obecný princip reaktoru Jádra He: Nabité částice zachyceny v magnet. poli. Jejich energie dále ohřívá plazma – zapálení plazmatu Neutrony: Nemají náboj – proletí skrz magnet. pole Nepružně se srazí se stěnou – předají jí svou pohybovou energii (ve formě tepla)

Obecný princip reaktoru Teplo z neutronů tak může ohřívat primární kapalinu v elektrárně Zbytek je pak stejný jako v každé jiné elektrárně a my se jím už nezabývame /není pro nás zajímavý

Tokamak Konkrétní princip fúzního reaktoru Ze všech ostatních principů taky nejúspěšnější Jméno – ruská zkratka popisující jeho základní vlastnost (viz. dále)

Magnetické pole tokamaku Pole na udržení plazmatu je generováno proudem v cívkách Ty musí být stočeny do kruhu Jsou namotány kolem komory

Magnetické pole tokamaku Na vnitřní straně komory – cívky blíž k sobě než na vnější – silnější pole To způsobí separaci částic plazmatu – indukci E pole – pohyb plazmatu „ven“ Jestli zkratujeme separované náboje, zabráníme ztrátě udržení

Magnetické pole tokamaku

Magnetické pole tokamaku Proud ve vodiči generuje – Plazma – nabité částice – vodič Proud do plazmatu dostaneme přes transformátor

Ohřev plazmatu Plazma neustále ztrácí energii – sáláním tepla, unikající hmotou atd. Při zapálení jsou tyhle ztráty víc než nahrazeny probíhajícími reakcemi Ty ale probíhají až při 150 000 000 °C Jak takhle ohřát plazma když se neustále ochlazuje?

Ohřev plazmatu Joule-Lenzův zákon: přes plazma teče proud – ohřívá se jako každý jiný vodič Tenhle způsob ale nepostačuje – další metody ohřevu Není problém plazma ohřát (dosáhli jsme už i 500 000 000 °C) Problém je jej udržet

Provoz (našeho) tokamaku Do vakua uvnitř komory napustíme trochu neutrálního plynu (vodíku) Vytvoříme hlavní magnetické pole Elektronová tryska udržuje v malé části plynu lokální náboj

Provoz (našeho) tokamaku Rychlý a silný výboj přes transformátor – náboj se lavinovitě rozšíří do celého objemu Plyn se totiž ohřál srážkami s nabitými částicemi – vzniklo plazma Následuje pomalý výboj – dále ohřívá plazma a generuje helicitní pole

Teď už víte jak funguje tokamak

Prostor pro přestávku (?)

Evropský tokamak JET

Německo TEXTOR Asdex – U

Itálie FTU

Francie Tore Supra

Švýcarsko TCV

Česká Republika COMPASS A taky tokamak GOLEM

USA TFTR DIII – D

USA ALCATOR C-Mod

Japonsko JT – 60U

Ruská Federace T – 10 T – 15

Čína HL-2A EAST (HT7U)

Jižní Korea KSTAR

Indie SST – 1

Jak jsme daleko? Za 50 let – stadium, ve kterém existuje možnost dosažení zapálení plazmatu

ITER – další krok „International Thermonuclear Experimental Reactor“ Druhý nejdražší výzkumný projekt lidstva (dražší než celý CERN) Mezinárodní výzkumná organizace Latinsky „cesta“

ITER – další krok Pro srovnání

ITER – další krok

DEMO – poslední krok

Fúzní elektrárna – cíl

Co ještě zbývá k vyřešení Nevíme, co způsobuje, že plazma v tokamacích přechází do různých režimů Nevíme, proč plazma uniká napříč magnetickým polem rychleji než jsme čekali Musíme objevit materiály, které by vydržely nápor fúzních neutronů A mnoho dalšího – proto „výzkum“ Ne všechno nám vždy vyjde – vznikají „domácí videa“ (ukázka)

Několik fakt na závěr V těchto okamžicích se ITER už staví Za 5-6 let by měly začít experimenty Evropa je na špici fúzního výzkumu Po celém subkontinentu jsou rozesety výzkumné ústavy Každý rok je v nich třeba nahradit 1000 výzkumníků (už 3. generace)

Několik fakt na závěr FJFI „půjčuje“ svůj tokamak studentům z celého světa O unikátnosti tokamaku GOLEM se píše m.j. i na oficiálních stránkách ITER Více info.: golem.fjfi.cvut.cz svoboda@fjfi.cvut.cz markovic6453@gmail.com