Úvod do termonukleární fúze Pavla Nikolovová Lukáš Paluzga Michal Franta

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 (?)

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

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

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

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

Princip jaderné fúze: E = Dmc2 vazebná energie jádra je asi 10 000krát 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

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 ~100 000 000 °C  plazma

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

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

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 ~ 10-10 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

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

Princip ICF

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

ICF: UCB - NOVA chamber

ICF: Gekko XII laser (Osaka)

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

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

MCF: NASA Marshall Magnetic Mirror

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

MCF - tokamak

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

MCF - tokamak

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

Pinč: MST (Madison)

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

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 ~ 10-10 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

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 2002