Plazma czwarty stan materii

Transkrypt

1 Plazma czwarty stan materii Dariusz Twaróg IFJ PAN, Zakład Fizyki Transportu Promieniowania (NZ 54) Seminarium WFiIS AGH

2 Plan:. Plazma 4 stan materii. Kontrolowana Synteza Termojądrowa 3. Tokamaki, parametry i budowa 4. Oddziaływanie plazma-materia 5. Projekt ITER

3 Plazma 4 stan materii α= Stopień jonizacji g πm gdzie: β = g e i e gn h 3 β/p + β / p ( kt ) 5 ev j exp kt g e =, g i / g n = ciężary statystyczne: 09 < n[m 3 ] < 0 n[m 3 ] α < T [ K ] < T [K ] 0 0

4 Plazma podstawowe własności ni Z i (min. ~0% cząstek naładowanych + gaz neutralny). Quasi-neutralność: ne = i. Rozmiar obłoku plazmowego musi być dużo większe od promienia Debyea L >> λd T gdzie: λd = n [ m] T w [kev] 6 dla: T =0[ kev ], n = 0 0 [ m 3 ] otrzymujemy λd = [m]

5 Plazma - występowanie Obserwujemy około 4,83% materii we wszechświecie z czego 93,67% znajduje się w stanie Plazmy!!!

6 Plazma - występowanie

7 Efekt tunelowy Vp Energia potencjalna: V p = ZZ q 4πε 0 r r rm 5 zasięg silnych oddziaływań jądrowych: rm 0 [m ] r Prawdopodobieństwo przejścia: P exp rm D +T 3 He n MeV D + D T + p MeV...50% 3 (m / )[V ] ( r ) V dr p inc 0.68[ MeV ] Efekt 0.76[ MeV ] tunelowy + 3 D + D He + 0 n +.45MeV...50% 0[keV ]

8 Kontrolowana Synteza Termojądrowa D +T 3 He n MeV 3 + D + D T + p MeV...50% D +D He3 + 0 n +.45MeV...50% D + He 3 He 4 + p MeV reakcja D+T wydaje się być najłatwiejszą do zrealizowania The triple product : współczynnik Q: [ ntτ E > 5 0 kevsm 3 ] dla reaktora: Q ł 5

9 Metody utrzymania plazmy. Grawitacyjne. Elektrostatyczne [ 3 3. Inercyjne ntτ E > 5 0 kevsm ] 4. Magnetyczne

10 Zamknięte pułapki magnetyczne - Tokamak Igor Tamm & Andrei Sakharov w oparciu o koncepcję Oleg Lavrentyev projektują pierwszy Tokamak T (956r.) pole magnetyczne: BT 0 BP, BT ~ / R B niskie ciśnienie: nk (Te + Ti ) << πµ0, β << p = j B[ Nm 3 ]

11 Zamknięte pułapki magnetyczne - Tokamak JET Joint European Torus, Culham, Anglia (983r.) duży promień R.96 [m] Mały promień r.5 [m] objętość plazmy 00 [m3] natężenie prąd 4.8 [MA] pole toroidalne 3.45 [T] moc fuzji 6. [MW] czas utrzymania >60 [s] współczynnik Q triple product [kevsm ] [ wymagana wartość ntτ E > 5 0 kevsm 3 Zalety: prostota konstrukcji, duża objętość pułapkowanej plazmy Wady: niskie ciśnienie plazmy, niestabilności MHD i kinetyczne, praca w trybie impulsowym ]

12 High Level Mode 98r. w tokamak ASDEX zaobserwowano przejście z modu L do H (dwukrotnie dłuższy czas utrzymania, temp. i koncentracja). Występowanie modu H jest uwarunkowane jest pojawieniem się tzw. Internal Transport Barrier (ITB) obszaru w którym fluktuacje gęstości są silnie redukowane. ExB velocity shear pomaga zredukować turbulencje, są one stabilizowane przez tzw. shear rate Er = p v P BT + vt BP eni Z i ωexb = dv ExB dr Dane eksperymentalne pokazują iż wartość ωexb jest blisko ~3 razy różna od liniowego tempa wzrostem większości z niestabilnych modów J.Jaquinot et. al, Plasma Phys. Control. Fusion, 4 (999), A3.

13 Plazma w polu magnetycznym w poprzek pola magnetycznego: D De,i + (ωe,iτei ) De,i (ω τ ) e,i ei Plazma jest ośrodkiem turbulętnym!!! D / B DB kte 6eB D = [m s ] dla T=00[eV], B=[T]: R.J.Fonck et. al, Phys. Rev. Letters, 70 (993), DB = 6.5[m s ]

14 Limiter, Divertor D L szerokość warstwy SOL: λn = C cs w pobliżu SOL: D [m s ], stąd: dla JET: L 30[m ], TLCFS 00[eV ], cs 05 [ms ] λn.7[cm ], gęstość energii: < 5[ MW / m ]

15 Edge Localised Modes ELMsy (obecnie znanych jest ich 5 rodzajów) pobierają od do 7% energii i cząstek, w tokamaku JET pojedyncze wyładowanie: ~ 0.5 [ MJ / m ]

16 Wpływ neutronów na pierwszą ściankę bezpieczna wartość strumienia neutronów dla materiałów nadprzewodzących ~ 0 [n / sm ] chłodzenie i produkcja trytu: 3 Li 6 + n He 4 +T MeV 3 Li 7 + n He 4 +T 3 + n.5mev

17 Wpływ neutronów? Spodziewane uszkodzenia radiacyjne: ~00 dpa/y (displacement pre atom) w obecnych elektrowniach jądrowych wynosi on ~0 dpa/y

18 International Fusion Material Irradiation Facility - IFMIF (EU, Rosja, USA, Japonia) 40[MeV] deuterony, natężenie prądu deuteronów I =50[mA] Spodziewane uszkodzenia radiacyjne ~00 dpa/y (displacement pre atom)

19 Diagnostyka plazmy. Poszukiwanie metod za pomocą których można uzyskać stabilną plazmę, poznanie niestabilności MHD.. Określenie czasu utrzymania oraz współczynników transportu. 3. Badanie i kontrola poziomu zanieczyszczeń. 4. Badanie fluktuacji w celu określenie ich wpływu na transport. 5. Rozwój metod ogrzewania plazmy.

20 International Thermonuclear Experimental Reactor Genewa listopad985 (Francja, W. Brytania, ZSRR, USA), Japonia, Chiny (003), Korea Południowa (003), Indie (005), Kazachstan (?), Kanada (003-wycofanie) Cadarache (8 czerwca 005) >0 mld Euro (EU 4/, Japonia /, USA, Rosja, Korea,Chiny, Indie /)

21 duży promień R 6. [m] mniejszy prom. r.0 [m] objętość plazmy 840 [m3] natężenie prądu 5.0 [MA] pole toroidalne 5.3 [T] moc fuzji 500 [MW] czas zapłonu >400 [s] współczynnik Q >0 ITER - parametry

22 ITER parametry i zadania praca w tzw. H - high confinement mode masa całkowita 3000 ton w skład konstrukcji wchodzą: 440 Blanket modules 54 Divertor cassettes 8 cewek nadprzewodzących, każda o masie 360 ton Be W CFC Cele: - osiągnięcie tzw. steady - state plasma Q~5, Q(max.)~0 - utrzymanie tych warunków przez około 500[s] - rozwój technologii niezbędnych do budowy i użytkowania przyszłej elektrowni termojądrowej (magnesy nadprzewodzące, zdalna kontrola i obsługa reaktora) - rozwiązanie problemów wynikających z obecności Trytu - rozpoznanie problemów związanych z duża wartością strumienia neutronów

23 Czym będzie DEMO?. Duży bootstrap current, prąd indukcyjny tylko w fazie zapłonu lub do modyfikacji profilu gęstości prądu. Paliwo D,T lub D, He3