FUZJA LASEROWA JAKO PRZYSZŁE ŹRÓDŁO ENERGII

Transkrypt

1 Konferencja naukowo-techniczna NAUKA I TECHNIKA WOBEC WYZWANIA BUDOWY ELEKTROWNI JĄDROWEJ MĄDRALIN 2013 Warszawa, lutego 2013 roku. Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej FUZJA LASEROWA JAKO PRZYSZŁE ŹRÓDŁO ENERGII Europejski projekt HiPER dotyczący przygotowania infrastruktury dla zademonstrowania efektywnej syntezy laserowej Jerzy Wołowski Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie

2 Reakcja syntezy d-t - surowce i produkty Energia fuzji i rozszczepienia Reakcje fuzji uwalniają znacznie więcej energii niż reakcje rozszczepienia. Reakcje fuzji uwalniaja znacznie wiecej energii niz reakcje rozszczepienia Reakcje fuzji 3.5 MeV 14.1 MeV Deuter z wody morskiej (0.02% wodoru w wodzie to wodór ciezki, czyli deuter) Masową produkcję energii syntezy jąder D i T można uzyskać w gorącej plazmie odpowiednio długo utrzymywanej przed rozlotem. 7% 93% 4.8 MeV MeV Okres połowicznego rozpadu trytu = 12,3 lat. Tryt z litu (lekkiego metalu wystepujacego w skorupie ziemskiej i w wodzie morskiej) Energia uwolniona 26 MWh/g (dla 5000 gospodarstw domowych przez 1 dzien)

3 Zalety i znaczenie opanowania fuzji termojądrowej dla produkcji energii Zalety energetyki termojądrowej: praktycznie nieograniczone zasoby surowców (deuter z wody morskiej i lit dla produkcji trytu w skorupie ziemskiej), nie wytwarza gazów cieplarnianych, znacznie wydajniejsza od tzw. odnawialnych źródeł energii, nie produkuje długożyciowych odpadów radioaktywnych, nie ma zagrożenia wybuchem i rozproszeniem materiałów radioaktywnych. Opanowanie kontrolowanej syntezy t-j dla produkcji energii jest obecnie jednym z najważniejszych i najtrudniejszych zadań światowej nauki i technologii. Ma to doprowadzić do uzyskania nowego, praktycznie niewyczerpalnego źródła energii bezpiecznego dla ludności i środowiska. Prace w tym zakresie są realizowane w dużych ośrodkach badawczych w Europie, St. Zjed. A.P., Japonii i w innych krajach z wielkim nakładem środków.

4 Dwie główne drogi do osiągnięcia efektywnej syntezy t-j Opanowanie kontrolowanej syntezy t-j dla produkcji energii jest realizowane dwoma metodami: z magnetycznym utrzymaniem plazmy MCF z inercyjnym utrzymaniem plazmy za pomocą laserów IFE. MCF magnetyczne utrzymanie plazmy t-j w układach typu tokamak i stellarator: T - temperatura 10 8 C (10 kev) t - czas utrzymania w pułapce magnetycznej ~10 sek n - koncentracja jonów/cm 3 (powietrze ~10 19 cząst./cm 3 ). Badania fuzji w wersji MCF realizowane są w Polsce w ramach asocjacji EURATOM- IFPiLM obejmującą kilkanaście ośrodków. IFE - inercyjne utrzymanie plazmy t-j z wykorzystaniem laserów: T - temperatura 10 8 C (10 kev) t - czas inercyjnego utrzymania skomprymowanege paliwa DT sek n - koncentracja jonów/cm 3 (gęstość ~1000 razy większa niż ciekłego DT). Badania fuzji w wersji IFE realizowane są w Polsce w IFPiLM w projektu HiPER.

5 Wielkie fuzyjne urządzenia przedreaktorowe obecnie budowane i uruchamiane Lab. NIF optymalizacja fuzji laserowej IFE (LNLL, proj. USA). Tokamak ITER (MCF) budowany we Francji (światowy proj. MCF): Wymiary: a = 2 m, R = 6 m Moc: P in. = MW, P fus. = 0,5-1 GW Prąd: do 15 MA, Pole mag. = 5,3 T. HiPER europejski projekt lasera fuzyjnego - pokazany na następnych slajdach. Lab. LMJ budowane dla optymalizacji fuzji laserowej (Bordeaux, proj. Francuski.

6 Konwencjonalna synteza laserowa z centralnym zapłonem paliwa DT Lasera oświetla sferyczną tarczę z paliwem DT Plazma ekspandując komprymuje paliwo DT (efekt rakietowy ) Gęstość paliwa DT ~1000 gcm -3 Zapłon paliwa DT w centrom przy temp. ~100 mln stopni K. Stosując impuls lasera NIF o energii 1,5 MJ (3 harmoniczna lasera Nd 351 nm) o czasie trwania kilku nsek można uzyskać 150 kj promieniowania X zaabsorbowanego w mikrotarczy. Gęstość i temperatura gorącej plazmy DT ~1 g/cm 3 i < 5 kev. Wydzielona energii fuzji wyniesie ok. 20 MJ. Sprawność E las. / E fus. > 15. Direct Drive Struktura mikrotarczy stosowanej do badań fuzji laserowej (przykład) Indirect Drive

7 Laser NIF i target typu Hohlraum stosowane w LNLL (USA) do badania syntezy laserowej z tzw. napędem pośrednim (indirect drive) Laser NIF (National Ignition Facility) ma 192 wiązki. Generuje impulsy o długości fali 1054 nm (1-sza harmoniczna), czasie trwania kilku nsek, energii do 3 MJ i mocy do 500 TW. Impuls 3-ej harmonicznej (351 nm) ma energię do 1,5 MJ. Promieniowanie X w tarczy Hohlraum absorbowana w mikrotarczy 150 kj. Target typu Hohlraum

8 Laserowa syntezy t-j z szybkim zapłonem Wielowiązkowy laser o dużej energii (3w, kj, 5-10 ns) wstępnie komprymuje sferycznie kapsułkę z deuterem i trytem (DT). I mpuls lasera wielkiej mocy (3w, kj, ~10 ps, setki PW), generuje impuls szybkich elektronów lub jonów, który lokalnie inicjuje reakcję syntezy we wstępnie skomprymowanej gęstej plazmie DT. Energia wiązki cząstek przekazana do paliwa DT wynosi kj a gęstość mocy ~10 20 W/cm 2.

9 Laserowa syntezy t-j z zapłonem silną falą uderzeniową Wielowiązkowy laser o dużej energii (3w, ~200 kj, ~10 ns, 50 TW) wstępnie komprymuje sferycznie kapsułkę z deuterem i trytem (DT). Intensywny krótki impuls wielkiej mocy na końcu impulsu komprymującego (3w, ~100 kj, 500 ps, 200 TW) generuje silną falę uderzeniową inicjującą zapłon paliwa DT w centrum tarczy Silna zbieżna fala uderzeniowa generowana impulsem wielkiej mocy. DT Hot spot Rozbieżna fala uderzeniowa rozchodząca się od gorącego centrum.

10 HiPER Projekt europejskiej infrastruktury laserowej dla energetyki termojądrowej i badań podstawowych Project HiPER European High Power Laser Energy Research Facility, Preparatory Phase Study Grant Agreement No.: Europejski Projekt HiPER jako jedyny w świecie przygotowuje infrastrukturę dla IFE z szybkim zapłonem z użyciem laserów działających z dużą częstością repetycji (z dużą mocą średnią) wymaganą dla reaktora t-j). Projekt koncepcyjny infrastruktury HiPER Układ HiPER ma zademonstrować efektywność IFE w skali czasowej lat, DWA CELE BUDOWY INFRASTRUKTURY HiPER: demonstracja efektywnej inercyjnej (laserowej) syntezy termojądrowej realizacja badań ekstremalnych stanów materii.

11 Wykorzystanie infrastruktury HiPER dla rozwoju najnowszych kierunków badań i zastosowań (nie-energetycznych) Badania relatywistycznych oddziaływań laser-materia, Badania generacji szybkich jonów i relatywistycznych elektronów, Wytwarzanie i zastosowania femto- i attosekundowych impulsów promieniowania X, Laserowo-plazmowa symulacja zjawisk i obiektów astrofizycznych, Mikro- i nano-inżynieria materiałowa wykorzystujące intensywne strumienie elektronów i jonów, Wzbudzanie reakcji jądrowych strumieniami cząstek i promieniowaniem gamma, Wytwarzanie intensywnych wiązek protonów dla potrzeb medycyny nuklearnej, Rozwój nowoczesnych metod i urządzeń pomiarowych.

12 Udział IFPiLM w realizacji Projektu HiPER (Pakiety Robocze: WP9, WP10 i WP12) IFPiLM mógł się podjąć realizacji zadań objętych Projektem HiPER dzięki dotychczasowemu doświadczeniu i dorobkowi naukowymu w zakresie badań laserowo-plazmowych i fuzji laserowej. Zadania w WP9 i WP10: FUSION Opracowanie syntezy laserowej w wersjach protonowego szybkiego zapłonu i zapłonu silną falą uderzeniową. Zadania w WP12: FUNDAMENTAL SCIENCES Opracowanie programu badań dla układu HiPER: - laserowego przyspieszania jonów - symulacja zjawisk astrofizycznych z użyciem strumieni plazmowych generowanych laserem.

13 Najważniejsze korzyści wynikające z uczestnictwa Polski w Projekcie HiPER Zwiększenie uczestnictwa Polski w europejskich programach dotyczących rozwoju energetyki t-j w wersji IFE. Wzmocnienie pozycji polskich zespołów w konkursach o granty europejskie w obszarze badań plazmy i fuzji laserowej oraz w staraniach o kontrakty technologiczne. Rozwój dziedzin pośrednio związanych z badaniami laserowo-plazmowymi, takich jak np. optoelektronika, technologie materiałowe, diagnostyka i terapia medyczna, nowe metody pomiarowe i inne.

14 Dziękuję za uwagę!