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) 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 1
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 2
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 3
TOKAMAK c.d.2 Ruch plazmy zgodnie w liniami sił toroidalnego pola B wytwarza nowe pole ( poloidalne ) 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 4
TOKAMAK c.d.3 Wypadkowe pole B 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 5
TOKAMAK c.d.4 Schemat budowy TOKAMAKa: cewki po wewnętrznej stronie torusa są gęściej ułożone niż po zewnętrznej (brak symetrii pola w plaźmie) 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 6
STELLARATOR Aby wyrównać warunki pola w plaźmie zaproponowano zamianę torusa w ósemkę a nastepnie doświadczalnie zmieniano kształt 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 7
STELLARATOR c.d.1 Przykład: Instytut Maxa Plancka w Greifswald ( Wendelstein 7-X ) 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 8
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 9
FUZOR c.d.1 Schemat budowy 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 10
FUZOR c.d.2 FUZOR znalazł zastosowanie jako źródło neutronów ale krótki czas życia siatek nie pozwala na zastosowania w energetyce Zdjęcie działającego FUZORA 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 11
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 12
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) 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 13
POLYWELL c.d.2 Wstrzeliwane protony i jony boru dają reakcję 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 14
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) 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 15
Idea elektrowni z reaktorem POLYWELL 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 16
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 17
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 18
Zdjęcie zespołu zasilaczy lasera SHIVA 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 19
Komora reaktora SHIVA - 20 ramion Lawrence Livermore National Laboratory (USA) 1978 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 20
Komora reaktora NOVA Powiększona w stosunku do SHIVA, lasery większej mocy 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 21
Mikrokapsuła z materiałem do fuzji (d+t) 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 22
Niestabilności plazmy w czasie implozji Zależność czasowa własności plazmy niestabilność Rayleigha- Taylora na zetknięciu dwu cieczy o różnych gęstościach 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 23
Pierwsze próby Laser SHIVA 1978 - 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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 24
Indirect drive Przekrój przez kapsułę paliwową Wnęka próżniowa Struktura czasowa impulsu laserowego i temperatury 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 25
Zdjęcie wnęki próżniowej 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 26
Szczegóły konstrukcji 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 27
Fast ignition Rozdzielenie fazy kompresji od fazy ogrzewania 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 28
Kolejne fazy szybkiego zapłonu Początek kompresji Maksymalna kompresja Zapłon Reakcja termojądrowa 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 29
Zdjęcie urządzenia do szybkiego zapłonu 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 30
Wpływ stożka kierującego elektrony Bez stożka Ze stożkiem 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 31
Aktualnie działające urządzenia OMEGA Uniwersytet w Rochester USA GEKKO XII Uniwersytet w OSAKA Japonia HIPER międzynarodowy projekt UE 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 32
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 33
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 34
Kryterium Lawsona c.d. 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 35
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 36
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 2012-06-07 Reakcje termojądrowe - B.Kamys 37