FÚZE A TOKAMAK GOLEM

Obsah prezentace Úvod do fúze Tokamaky Diagnostiky GOLEMa Co je to fúze? Tokamaky Princip a stavba Diagnostiky GOLEMa Hugillův diagram Čištění a doutnavý výboj Výstřely na GOLEMovi Analýza fotografií plasmatu Výpočet Hugillova diagramu

ÚVOD DO FÚZE

Co je to fúze? Jde o reakci, kdy se jádra lehkých prvků spojí a uvolní se energie za vzniku jádra těžšího. Taková reakce se odehrává ve Slunci.

Problém! Jádra ale nejdřív musí překonat bariéru coulombovských sil, která zabraňují interakci. Výška bariéry pro 2 protony je zhruba 400keV.

Na překonání bariéry lze využít energie například z chaotického tepelného pohybu. Kinetická energie tepelného pohybu jader pak stačí k "překonání" potenciálové bariéry. Jde o energie řádově několik desítek keV. Při teplotách stovek milionů kelvinů už hmota existuje jen jako ionizované plasma.

Reakce jader Energeticky nejvýhodněji probíhá reakce izotopů vodíku deuteria a tritia. Vzniká množství energie, helium a neutron.

Tabulka reakcí Reakce Min. potřebný ohřev Energetický výtěžek D+D→3He (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) 35 keV 27 000 kWh·g-1 D+D→T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) 22 000 kWh·g-1 D+3He→4He (3.5 MeV) + p (14.67 MeV) 30 keV 94 000 kWh·g-1 D+T→4He (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) 4 keV 98 000 kWh·g-1 Štěpení U235 24 000 kWh·g-1 Hoření vodíku H2+O   H20 0.0044 kWh·g-1

Tokamaky

Tokamak Zařízení sloužící k udržení vysokoteplotního plazmatu Slovo pochází z výrazu toroidální komora v magnetických cívkách Vynalezen v 50. letech 20.st. v SSSR Hlavní rozvoj až v 60. a 70. letech

„Princip transformátoru“ Pracovní plyn ohmickým ohřevem přiveden do stavu plazmy Poté je pomocí magnetického pole udržen v komoře

2 typy magnetických polí: a) Toroidální b) Poloidální Tato pole se skládají a určují směr pohybu částic plazmatu

Tokamak GOLEM Vyroben v 60. letech v Ústavu atomové energie I. Kurčatova v Moskvě První jméno TM-1-MH Do ČSR přivezen v r. 1976 na základě Smlouvy o spolupráci a dělbě práce v obl. vysokofrekvenčního ohřevu plazmatu 1977 uveden do provozu v ÚFP AV ČR Přejmenovám na CASTOR (Czech Academy of Sciences TORus)

Úkol: Výzkum absorbce vysokofrekvenčních vln a vybuzení proudu pomocí nich Zde působil až do roku 2006. Během doby svého provozu prošel celkovou rekonstrukcí (vakuový systém, energetika, diagnostika) Nyní je umístěn na FJFI pod jménem GOLEM.

Parametry tokamaku CASTOR (GOLEM) Hlavní poloměr: 0,4 m Poloměr komory: 0,1 m Vedlejší poloměr 8,5 cm Délka výboje: max. 50 ms Toroidální mag. pole 0,5-1,5 T Proud plazmatem 5-17 kA Hustota plazmatu 10-40 · 1018 m-3 Teplota plazmatu 100-300 eV

Tyto uvedené hodnoty platí pro tokamak CASTOR, GOLEM tak dobrých výsledků zatím nedosahuje

Vakuová komora Liner: poloměr 8,5 cm, vyroben z oceli, elektricky izolovaný, vakuum 10-4 Pa Obložení: poloměr 40 cm, vyrobeno z měďi

Cívky Cívky primárního vinutí transformátoru: Ohřev plazmatu Toroidální cívky: Udržují plazma v tokamaku Poloidální cívky: Stabilizace a diagnostika plazmatu Cívky jsou napájeny z kondenzátorů umístěných pod tokamakem

Vakuový systém Slouží k měření tlaku (vakua) v komoře Vytváří potřebné vakuum Rotační pumpa Turbomolekulární pumpa

Vodíkový systém Úzce spjal s vakuovým systémem Dodává do komory potřebný vodík

Ovládání GOLEMA Původně ovládací panel Nyní plně ovládán z PC Při výstřelu se nastavuje: Velikost magnetického a elektrického pole Tlak pracovního plynu Časová prodleva mezi magnetickým polem a ohmickým ohřevem

Diagnostika Golema

Co měříme Délka pulzu Toroidní magnetické pole Proud plazmatem Napětí na závit Náboj plazmatu Výkon ohmického vytápění Centrální teplota plazmatu Doba udržení Bezpečnostní faktor Hustota plasmatu

Délka pulzu Celková doba udržení plazmatu měření času započne ve chvíli, kdy velikost proudu plazmatem překročí 500A V průběhu času se porovnává proud plazmatem s počátečním proudem v plazmatu Ve chvíli, kdy proud plazmatem klesne pod 500 A, je počítání ukončeno Doba životnosti plazmatu kolem 4 ms

Toroidní magnetické pole Program vyhodnotí, kdy bylo maximální a to vypíše

Napětí na závit Napětí na sekundárním závitu transformátoru (tedy napětí komory) Program nám vyhodí průměrnou hodnotu

Proud plazmatem Obecná rovnice Vakuový výstřel – zjistím odpor komory a vlastní indukci komory Výstřel s plazmatem – měříme celkový proud Proud komorou při výstřelu s plazmatem dostaneme z rovnice

Náboj plazmatu

Výkon ohmického vytápění Z jednoduché známe rovnice

Centrální teplota plazmatu Složitější odvození rovnice [1]

Doba udržení průměrná doba, kterou částice (nebo energie) stráví v plazmatu energie uniká ven tepelným prouděním, vedením tepla i zářením rozdíl od délky pulzu!

Hustota plazmatu Vypočtena ze stavové rovnice

Bezpečnostní faktor Je to číslo, které udává počet oběhů magnetické siločáry v toroidním směru na 1 otočení magnetických siločar ve směru poloidálním Čím menší, tím větší pravděpodobnost disrupce Obecně je za hraniční q považováno q<3. Dle toho konstrukce tokamaků

Hugillův diagram Graf závislosti Normalizovaný proud a hustota Znázorňuje hranici, kdy v tokamaku ještě bude vznikat plazma a kdy bude docházet k disrupcím Normalizovaný proud se zvyšuje s napětím elektrického pole Normalizovaná hustota klesá se zvyšováním napětí magnetického pole Velká pomoc pro nastavení výstřelu

ČIŠTĚNÍ KOMORY A VÝBOJ

Čištění tokamaku Čištění zahřátím komory (cca 70 – 80°C) Čistění vnitřní stěny doutnavým výbojem Nádoba naplněna vodíkem, elektroda (anode) je zasunuta dovnitř a je na ní přiloženo kladné napětí (~ +500 V). Dojde k výboji mezi anodou a komorou. Vnitřní stěna je bombardována kladnými ionty a molekuly absorbované na vnitřní stěně komory se uvolňují a odčerpávají se.

Doutnavý výboj Doutnavý výboj nastává v plynu za nízkého tlaku, zhruba 1 Pa - 1000 Pa. Pokud do plynu zavedeme elektrický proud, dojde k ionizaci.

ANALÝZA FOTOGRAFIÍ

Co je vlastně na snímcích? Na následujících fotografiích je vidět okýnkem vnitřek komory ozářený plasmatem.

(f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 16.8 C

(f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 16.7 C

(f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 15.8 C

(f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 14.3 C

(f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 13.8 C

(f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 11.6 C

(f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 10.7 C

(f/13, 15s, ISO-400, 55mm) Plasma total charge: 5.3 C

Graf s daty naměřenými při výstřelech pro dané fotografie

Poděkování Rádi bychom poděkovali Ing. Vojtěchu Svobodovi CSc. za pomoc v projektu. Také děkujeme kolegům z maďarské univerzity BUTE za inspiraci.

Reference [1] J. Brotánková, Studium horkého plazmatu v experimentálních zařízení typu tokamak, disertační práce, Karlova univerzita, Praha, 2009 [2] G. McCracken, P. Stott, Fúze, energie vesmíru, Mladá fronta, Praha 2006 [3] Ústav fyziky a plasmatu, dokumentace Tokamak TM – 1- MH [4] Tokamak golem, http://golem.fjfi.cvut.cz [5] Jana Brotánková, Study of high temperature plasma in tokamak-like experimental devices. PhD thesis, Charles University in Prague, 2009 [6] Edita Dufková, Bolometrická měření celkového vyzářeného výkonu vysokoteplotního plazmatu tokamaku CASTOR, ČVUT v Praze, 2008 [7] http://golem.fjfi.cvut.cz [8] Weinzettl, Vladimír. Termojaderná fúze. [Online] http://server.ipp.cas.cz/~vwei/fusion/fusion_c.htm. [9] ITER, www.iter.org

Světové zásoby na bázi uhlíku Bonus Světové zásoby na bázi uhlíku Převzato od: The Association for the Study of Peak Oil&Gas, Sweden (2004)

Konec