Kontrolowana fuzja. Plazma to wysokotemperaturowa mieszanina elektronów i jąder atomowych Uwięzienie plazmy plasma containment, plasma confinement

Transkrypt

1 Kontrolowana fuzja Plazma to wysokotemperaturowa mieszanina elektronów i jąder atomowych Uwięzienie plazmy plasma containment, plasma confinement Grawitacyjne (gwiazdy) Magnetyczne (TOKAMAK, STELLARATOR) Elektrostatyczne (FUZOR, POLYWELL) Inercyjne (Wysokoenergetyczne lasery, Z-PINCH) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 1

2 TOKAMAK Idea zaproponowana przez E. Tamma i A.Sacharowa w Instytucie Kurczatowa w Moskwie. Wykorzystuje siłę Lorentza: Ładunek poruszający się w polu magnetycznym odczuwa siłę działającą prostopadle do kierunku prędkości i do kierunku wektora indukcji pola magnetycznego: W magnetycznym polu jednorodnym cząstki o prędkości równoległej do indukcji nie odczuwają siły Lorentza liniowe tory. Gdy wektor prędkości początkowej jest skierowany prostopadle do indukcji to otrzymujemy stałą (co do wartości) siłę prostopadłą do indukcji i do prędkości tor kołowy. Inne ustawienie początkowej prędkości daje - ruch po linii śrubowej (dokoła kierunku wektora indukcji). W wyniku uwięzienie cząstek w pobliżu początkowego położenia dookoła linii indukcji magnetycznej Reakcje termojądrowe - B.Kamys 2

3 TOKAMAK c.d.1 W 1968 r. w Nowosybirsku zbudowano TOKAMAK T-4, w którym po raz pierwszy udało się wywołać kwazistacjonarnie przebiegającą reakcję fuzji termojądrowej Reakcje termojądrowe - B.Kamys 3

4 TOKAMAK c.d.2 Ruch plazmy zgodnie w liniami sił toroidalnego pola B wytwarza nowe pole ( poloidalne ) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 4

5 TOKAMAK c.d.3 Wypadkowe pole B Reakcje termojądrowe - B.Kamys 5

6 TOKAMAK c.d.4 Schemat budowy TOKAMAKa: cewki po wewnętrznej stronie torusa są gęściej ułożone niż po zewnętrznej (brak symetrii pola w plaźmie) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 6

7 STELLARATOR Aby wyrównać warunki pola w plaźmie zaproponowano zamianę torusa w ósemkę a nastepnie doświadczalnie zmieniano kształt Reakcje termojądrowe - B.Kamys 7

8 STELLARATOR c.d.1 Przykład: Instytut Maxa Plancka w Greifswald ( Wendelstein 7-X ) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 8

9 Elektrostatyczne uwięzienie - FUZOR P.R.Fansworth zaproponował wstrzeliwanie jąder atomowych do obszaru fuzji (próżniowa komora) Jony atomów przyśpieszane przez niewielką różnicę potencjałów, np. 4 kv (jak w lampie kineskopowej) są wstrzeliwane do wnętrza sferycznie ukształtowanych dwu siatek o wspólnym środku -wstępne przyspieszenie Zewnętrzna siatka ma potencjał dodatni a wewnętrzna ujemny różnica potencjałów np. 80 kv właściwe przyśpieszenie Jony przyśpieszone do obszaru centralnego mogą wywołać reakcję termojądrową Reakcje termojądrowe - B.Kamys 9

10 FUZOR c.d.1 Schemat budowy Reakcje termojądrowe - B.Kamys 10

11 FUZOR c.d.2 FUZOR znalazł zastosowanie jako źródło neutronów ale krótki czas życia siatek nie pozwala na zastosowania w energetyce Zdjęcie działającego FUZORA Reakcje termojądrowe - B.Kamys 11

12 POLYWELL (R.Bussard) Łączy magnetyczne i elektrostatyczne efekty Odpowiednio ukształtowane pole magnetyczne chwyta elektrony i wiąże je w chmurę ujemnego ładunku o pożądanym kształcie Elektrony wytwarzają potencjał elektrostatyczny, który może przyśpieszyć jony dodatnie i wywołać ich zderzenia prowadzące do fuzji Nie ma tu niszczących się siatek, których działanie zostało zastąpione przez odpowiednio ukształtowaną chmurę elektronów Reakcje termojądrowe - B.Kamys 12

13 POLYWELL c.d.1 Schemat budowy: elektrony wstrzeliwane działami elektronowymi do próżniowej komory we wnętrzu której jest odpowiednia elektroda wytwarzająca pole magnetyczne, chwytające elektrony Elektrony wytwarzają pole, które przyspieszy dodatnie jony (też wstrzykiwane z zewnątrz) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 13

14 POLYWELL c.d.2 Wstrzeliwane protony i jony boru dają reakcję Reakcje termojądrowe - B.Kamys 14

15 Zalety systemu POLYWELL Fakt, że produktami reakcji są tylko cząstki alfa (nie ma groźnych neutronów) Cząstki alfa mają tak dużą energię, że docierają do zewnętrznej siatki (przy obudowie reaktora) i ładują ją dodatnio co w połączeniu z traktowaniem obudowy jako elektrody ujemnej - można wykorzystać jako źródło stałego potencjału (jak w akumulatorze) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 15

16 Idea elektrowni z reaktorem POLYWELL Reakcje termojądrowe - B.Kamys 16

17 Uwięzienie inercyjne (inertial confinement) Pierwsze zastosowanie bomba wodorowa Naświetlanie niewielkiej próbki 3 H+d laserami wielkiej mocy (1) Fuzja na powierzchni (2) Fala uderzeniowa do i od środka (3) Zderzenie fal w centrum powoduje (4) Zapalenie całego materiału Reakcje termojądrowe - B.Kamys 17

18 Warunki dla inercyjnego uwięzienia Wielka moc naświetlania (nie energia lecz moc) aby powstała fala uderzeniowa: TW (terawat) wielkie urządzenia Równomierność i równoczesność naświetlenia ze wszystkich kierunków np. z dokładnością do 1ps (10-12 s) rozdziela się jedną wiązkę na kilka padajacych z różnych kierunków Unikanie niestabilności plazmy Reakcje termojądrowe - B.Kamys 18

19 Zdjęcie zespołu zasilaczy lasera SHIVA Reakcje termojądrowe - B.Kamys 19

20 Komora reaktora SHIVA - 20 ramion Lawrence Livermore National Laboratory (USA) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 20

21 Komora reaktora NOVA Powiększona w stosunku do SHIVA, lasery większej mocy Reakcje termojądrowe - B.Kamys 21

22 Mikrokapsuła z materiałem do fuzji (d+t) Reakcje termojądrowe - B.Kamys 22

23 Niestabilności plazmy w czasie implozji Zależność czasowa własności plazmy niestabilność Rayleigha- Taylora na zetknięciu dwu cieczy o różnych gęstościach Reakcje termojądrowe - B.Kamys 23

24 Pierwsze próby Laser SHIVA zbyt słabe ogrzanie plazmy Laser NOVA 10 x większa moc ultrafiolet Reaktor NIF (National Ignition Facility) 2009 W NIF wprowadzono pośrednią kompresję ( indirect drive ) polegającą na tym, że promieniowanie X nie pada bezpośrednio na plazmę ale na ścianki próżniowej wnęki ( Hohlraum ) w centrum której znajduje się kapsuła z paliwem Reakcje termojądrowe - B.Kamys 24

25 Indirect drive Przekrój przez kapsułę paliwową Wnęka próżniowa Struktura czasowa impulsu laserowego i temperatury Reakcje termojądrowe - B.Kamys 25

26 Zdjęcie wnęki próżniowej Reakcje termojądrowe - B.Kamys 26

27 Szczegóły konstrukcji Reakcje termojądrowe - B.Kamys 27

28 Fast ignition Rozdzielenie fazy kompresji od fazy ogrzewania Reakcje termojądrowe - B.Kamys 28

29 Kolejne fazy szybkiego zapłonu Początek kompresji Maksymalna kompresja Zapłon Reakcja termojądrowa Reakcje termojądrowe - B.Kamys 29

30 Zdjęcie urządzenia do szybkiego zapłonu Reakcje termojądrowe - B.Kamys 30

31 Wpływ stożka kierującego elektrony Bez stożka Ze stożkiem Reakcje termojądrowe - B.Kamys 31

32 Aktualnie działające urządzenia OMEGA Uniwersytet w Rochester USA GEKKO XII Uniwersytet w OSAKA Japonia HIPER międzynarodowy projekt UE Reakcje termojądrowe - B.Kamys 32

33 Kryterium Lawsona (1957) Warunki przy których zachodzi zapłon plazmy ( ignition ), tzn. reakcja termojądrowa wydziela tyle ciepła, że nie trzeba dostarczać z zewnątrz Oryginalnie: minimalna wartość iloczynu (gęstości elektronów w plazmie i czasu uwięzienia energii energy confinement time ) Czas uwięzienia energii to gdzie E to energia plazmy Częściej kryterium Lawsona wyrażane jest przez minimalną wartość Reakcje termojądrowe - B.Kamys 33

34 Oszacowanie kryterium Lawsona d+t n+α Założenia: Zawartość deuteru i trytu w paliwie taka sama Temperatura wszystkich cząstek taka sama Stąd: n d = n t =0.5 n e Reakcje termojądrowe - B.Kamys 34

35 Kryterium Lawsona c.d Reakcje termojądrowe - B.Kamys 35

36 Kryterium L dla inercyjnego uwięzienia Optymalną temperaturą jest ta, która minimalizuje Ogólnie: gdzie g i f to pewne funkcje Q współczynnik wzmocnienia energii Q=1 - break-even point (moc z reakcji fuzji równa mocy dostarczanej z zewnątrz) Q=nieskończoność - zapłon ( ignition ) moc z reakcji fuzji wystarcza do podtrzymywania reakcji Reakcje termojądrowe - B.Kamys 36

37 Postępy w nowoczesnych technologiach Prawo Moora: liczba tranzystorów w komputerze podwaja się co 2 lata Maksymalna energia przyspieszanych cząstek w nowoczesnych akceleratorach podwaja się co 3 lata Iloczyn (w kryterium Lawsona) w TOKAMAK-ach podwaja się co 1,8 roku Reakcje termojądrowe - B.Kamys 37