Podstawy Syntezy Jądrowej

Transkrypt

1 Podstawy Syntezy Jądrowej to proces, który jest źródłem energii Słońca i innych gwiazd. Temperatura we wnętrzu Słońca jest rzędu mln K. W tej temperaturze jądra wodoru łączą się ze sobą w hel. We wnętrzu gwiazd zachodzi nukleosynteza - powstawanie pierwiastków cięŝszych: (od He do Fe). Co motywuje do zajmowania się syntezą jądrową? A pierwiastki jeszcze cięŝsze - od Fe (aŝ do uranu) powstają w wybuchach Supernowych. egzoenergetyczne reakcje łączenia jąder lekkich z wydzieleniem energii wiązania Poglądowe objaśnienie energii jądrowej (przypomnienie) energia z syntezy [MeV] -8 E liczba masowa Synteza Ŝelazo Krzywa energii wiązania jąder atomowych energia z wzrost energii wiązania rozszczepienia defekt masy) Rozszczepienie A Potrzebna temperatura okazuje się być rzędu 100 mln K! Takiej temperatury nie wytrzymująścianki Ŝadnego zbiornika Źródło trudności : odpychanie kulombowskie jąder Do realizacji syntezy konieczna wysoka energia zderzeń czyli radykalne podniesienie temperatury W tej temperaturze materia występuje w stanie plazmy - w stanie 100% zjonizowanym (Plazma - gaz swobodnych elektronów i jąder ich pozbawionych) Ale synteza nie zachodzi przy kaŝdym zderzeniu jąder - konieczne jeszcze utrzymanie szansy zderzeń przez dostatecznie długi czas Skuteczne ograniczanie plazmy zapewnić moŝe jedynie odpowiednie pole sił np. grawitacja, magnetyzm lub bezwładność (tj. siły bezwładności)

2 cd. Realizacja syntezy jądrowej wymaga: I. Grzania (zapłonu) plazmy II. Utrzymania (ograniczania) plazmy Źródłem zarówno: grzania i utrzymania (ograniczania) plazmy słonecznej jest grawitacja Na Ziemi źródłem grzania i utrzymania plazmy moŝe być pole magnetyczne a takŝe bezwładność (ściślej: pole sił bezwładności) Model Słońca cd. Ograniczanie polem grawitacyjnym ŹRÓDŁO ENERGII SŁOŃCA zrozumiałe od zaledwie kilkudziesięciu lat! Synteza jąder wodoru w hel Reakcje jądrowe w Słońcu p + p d + e + + ν e e + + e - γ d + p He + γ Synteza zachodzi jedynie w centrum Słońca w temperaturze ~10 7 K i gęstości ~100g/cm He + He 4 He + p Utrzymanie plazmy o takiej gęstości, bilans ostateczny: 4p + e - 4 He + ν e + 6γ + ~8MeV w tak wysokiej temperaturze, wymaga ogromnych ciśnień, których źródłem jest grawitacja stała reakcji p + p ~ lat! wydajność energetyczna Przed 1905 r. (szczególna teoria względności, A.Einstein) energia Słońca była absolutną zagadką. Reakcje jądrowe w Słońcu po raz pierwszy podano w 197r., H.Bethe ~ J/g cd. na Ziemi Realizacja syntezy na Ziemi zmusza do wykorzystania innych reakcji i zjawisk niŝ w Słońcu D + T 4 He + n + Q (17.6 MeV) / E w (n)/ MeV tryt praktycznie nie występuje w naturze trzeba go otrzymywać z reakcji : n + 6 Li 4 He + T + Q (4.8 MeV) ostatecznie Q eff.4 MeV Energia w zasobach litu na Ziemi przekracza energię w złoŝach węgla D + D He + n + /4.0 + E w (n)/ MeV T + p +.5 MeV powstały T łączy się z D wg opisanej obok reakcji z wydzieleniem energii sumarycznej ok.: wydajność energetyczna syntezy D-D ~ J/g zasoby deuteru: 0.0% wag. w naturalnym wodorze 1 l wody = ~00 l benzyny! Q tot = ½ ( ) 17 MeV Warunek Realizacji Syntezy Jądrowej: Plazmę o danej gęstości n (i temperaturze) naleŝy utrzymać odpowiednio długo τ Istnienie minimum wynika z dwóch przeciwstawnych procesów zaleŝnych od temperatury. Z jej obniŝaniem maleje wydajność reakcji syntezy, ze wzrostem rosną straty energii Minimum n τ odpowiada temperaturze ~5keV n τ cm - s Kryterium Lawsona ZaleŜność iloczynu n τ od temperatury n τ = f(e) [m s]

3 cd. Wymogi Realizacji Ograniczanie plazmy polem magnetycznym Zjawisko skurczu strugi prądu cd. Zasada działania reaktora syntezy typu Tokamak Transformer core NiezaleŜnie od znaku cząstki (jonu) kierunek siły od własnego pola magnetycznego prądu jest "dośrodkowy" - zapewnia ograniczanie plazmy i v r B r B r F r + F r B r v r Energy Storage Stwarza to moŝliwość ograniczania plazmy przez wykorzystanie własnego pola magnetycznego prądu wyładowania Model reaktora termojądrowego ITER Synteza z ograniczaniem bezwładnościowym (Inertial Confinement Fusion ICF) Z kryterium Lawsona wynika moŝliwość osiągnięcia realizacji syntezy takŝe dla bardzo krótkich czasów trwania sprzyjających temu warunków n τ f(t) n τ cm - s = 10 cm s por. 10 cm - gęstość cząsteczkowa wody Niezbędna jest więc skrajnie silna kompresja paliwa syntezy (D+T) Np. pod działaniem impulsu z "drivera" laserowego Ale ciśnienie wywierane przez fotony jest za małe (są zbyt lekkie), nawet choć ich energia moŝe być duŝa. Niezbędną siłę dostarczyć moŝe zmiana pędu większej masy. Stąd pomysł wykorzystania odrzutu cięŝszego materiału tzw. ablatora ogrzanego energią pierwotnego impulsu. Tą drogą gęstość i temperatura mogą osiągnąć warunki zapłonu.

4 Synteza z ograniczaniem bezwładnościowym cd. Kompresja paliwa syntezy Impuls z "drivera" (np. laserowego) Paliwo (D+T) Ablator Udar dociera do centrum pastylki koncentryczne wiązki gęstość i temperatura osiągają warunki zapłonu (ilustracja idei) Powstanie i odrzut korony plazmowej, a stąd koncentryczna fala udarowa korona warstwa gorąca (grzanie adiabatyczne) Paliwo (jeszcze przed kompresją) rozwój reakcji syntezy na skutek grzania cząstkami α (neutrony praktycznie unoszą całą energię z układu ) Problemy Syntezy Jądrowej: 1. Bilans Energii rozmiar urządzenia nakłady kapitałowe. Problemy Materiałowe Uszkodzenia Radiacyjne koszty eksploatacyjne tj. zuŝycie materiałów Ad 1. Wzmocnienie mocy w plazmie: Plasma Q Ad. 1) produkcja gazów (H,He) ) DPA (Displacement per atom) ) Tryt Problem Energetyki Jądrowej (rozszczepieniowej) Zamknięty cykl paliwowy powstawanie transplutonowców Rozwiązaniem: the Fusion-Fission Hybrid Rozmiary Tokamak PWR układ Mirror 10 m Tokamak (PPCS) Properties of Fusion-Driven Systems cd. Fission fraction in the total power of FDS systems vs. k 1.0 P fi P tot G n =.0 At such increase in the system power a decrease in the plasma Q (energy gain) proves possible AGH UST PWR Contribution of fission into the total power proves dominant at relatively low k k k s ~ 1m Mirror Gas Dynamic Trap

5 D-T Neutron Yield Reduction in Fusion-driven Systems for Fixed System Power vs. k 1.0 N hyb N fu G n = ν = G n =1.5 G n = 1.5 Ν hyb (D-T component) ν =.5 G n = ν =.5 G n =1.5 G n = ν = k eff Thanks to fissions the fusion component can be reduced by factor of several tens. Thus, the neutron induced damage can be reduced in the layers directly exposed to the radiation from plasma: first wall, divertor and also in the adjacent zones. In addition to the above the consumption of tritium is reduced by the same factor. Neutron Induced Radiation Damage cd. Cross-sections for gas production and neutron spectra cd. fission fusion Neutron spectra (at birth) 10 1 n(e) [arb. units] 10 0 In addition: Be and semiconductor 10-1 materials (electronics) are particularly 10 sensitive to - neutron induced 10 radiation - damage [MeV g] Power density per source neut Distribution of Nuclear Heating FW γ + x,α neut sum Fusion reactor Fuel zone 1 Fuel zone sum Fusion-Driven Incinerator Fuel zone neut Refl./ shield γ + x, α R [cm] 10 Both Systems: Pure Fusion and Fusion-Driven Incinerator are of the same power Nuclear heating in Fusion-driven System as compared with the one in Fusion Reactor is much more uniform CONCLUSIONS The proposed fusion-driven transmutation concept provides a feasible way of radical reduction in necessary plasma Q of the fusion reactor to levels achievable in much smaller systems. It has been demonstrated that also the radiation damage can be radically softened in the Fusion-driven System. E.g. the DPA and Plasma-Wall can be reduced at least by one order of magnitude whereas the gas production by factor of several tens. Similarly the tritium questions /breeding, inventory, reprocessing/ can be also effectively relaxed in the above option. Summarising, the development of Fusion can be significantly facilitated by its alliance with Fission. The Hybrid concept of Fusion may be also considered as an intermediate step towards pure Fusion.

6 Dziękuję za uwagę