Transcript Magnetické udržení - Golem

Termonukleární fúze
Edita Bromová
Proč potřebujeme fúzi
•
•
•
•
Energie
Spotřeba elektřiny roste
Zásoby fosilních paliv se zmenšují
Zátěž životního prostředí
– Těžba uhlí, ropy a zemního plynu
– Emise, CO2, jaderný odpad
– Velké plochy fotovoltaiky a větrníků
Co je fúze
• Slučování jader atomů
• Nejznámější je slučování vodíku
• Mohou to být libovolná lehká jádra
Proč fúze uvolňuje energii
Podmínky pro fúzi
• Jádra se musí přiblížit na vzdálenost
10-14 metru
• Musí překonat odpudivé síly
• Vysoká teplota
– Zápalná teplota pro deuterium - tritiovou
fúzi je 150 000 000 Kelvinů
Plazma
Jak vypadá velmi horká hmota
• Plně ionizovaný plyn
• Směs elektronů a iontů
• Čtvrté skupenství hmoty
– Nabité částice vytváří při pohybu
magnetické pole, které ovlivňuje pohyb
jiných nabitých částic
– Velmi složité chování
Plazma
Plazma
Výskyt ve Vesmíru
• 99% hmoty Vesmíru
• Na Zemi vzácné
– Oheň
– Blesky
– Polární záře
– Slunce
Plazma
Oheň
Plazma
Blesky
Plazma
Polární záře
Plazma
Slunce
Plazma pro fúzi
• Fúze musí vydat více energie, než kolik
spotřebovalo vytvoření plazmatu
• Lawsonovo kriterium
n E  0,5 10 m s
20
• Inerciální udržení
– Hustota 1031 m3
– Doba udržení 10-10 s
• Magnetické udržení
– Hustota 1020 m3
– Doba udržení 1 s
3
Inerciální udržení
•
•
•
•
Malá vodíková bomba
Lasery stlačí deuteriovou kuličku
Kulička imploduje
V centru se zažehne fúze
1mg paliva = 75 kg TNT
Inerciální udržení
Palivo
Inerciální udržení
Laser
Inerciální udržení
Komprese paliva
Inerciální udržení
Reakční komora
Inerciální udržení
Akce!
Magnetické udržení
• Nabité částice sledují siločáry
magnetického pole
• Magnetická nádoba
Magnetické udržení
Lineární zrcadlo
• V silnějším magnetickém poli se
dopředný pohyb částice zpomaluje
• Částice se odrazí
• Nelze udržet
všechny částice
Magnetické udržení
Torus
• Uzavřeme siločáry do kruhu a
částice neuniknou!
Magnetické udržení
Torus
• Uzavřeme siločáry do kruhu a
částice neuniknou!
• Toroidální drift
Poloidal
Toroidal
Magnetické udržení
Střižné pole
• Zkroutíme magnetické siločáry jako
ručník
Magnetické udržení
Jak vyrobit střižné pole
• Tokamak – kombinace cívek
toroidálního pole a magnetického
pole proudu tekoucího plazmatem
• Stelarátor – pouze speciálně
tvarované cívky
Stelarátor
• Speciálně tvarované cívky drží
sloupec plazmatu
Stelarátor
Cívky
Stelarátor
Komora
Tokamak
• Toroidalnaja Kamera i Magnitnyje Katuški
• Proud se budí jako sekundární vinutí
transformátoru (pulsní zařízení)
Tokamak
Komora tokamaku
Tvorba plazmatu
•
•
•
•
•
Evakuujeme komoru
Napustíme pracovní plyn (vodík)
Přidáme trochu iontů
Vybudíme proud v plazmatu
Ionty se urychlují, sráží s částicemi a
ionizují je
• Plyn klade odpor (jako každý vodič) a
zahřívá se Jouleovým teplem
Plazma v tokamaku
Plazma v tokamaku
Ohřev plazmatu
• Jouleovo teplo nestačí (se vzrůstající
teplotou klesá odpor plazmatu)
• Mikrovlny
• Neutrální svazky
Tvar plazmatu
• Limiter
• Divertor
Udržení plazmatu
•
•
•
•
Smyčková nestabilita
Stabilizace
Zpětná vazba
Poloidální cívky
Kontinuální provoz
• Tokamak je pulzní
• Elektrárna musí dodávat stálý výkon
• Přepólování transformátoru
• Vlečení proudu
• Přezkový proud
Doplňování paliva
• Vstřelování zmraženého vodíku
Deuterium a tritium
• Deuterium
– Obsaženo ve vodě (1:6000)
– 1 l vody = 300 l benzínu
• Tritium
– Radioaktivní (poločas rozpadu 12,3 let)
– Z lithia neutronovým záchytem přímo v
reaktoru
– Plodivá obálka z lithia
Fúzní elektrárna
Proč už ji dávno nestavíme?
Pár drobností k vyřešení
•
•
•
•
•
Diagnostika
Supravodivé cívky
Materiál první stěny
Nestability plazmatu
Řízení plazmatu
Diagnostika
Co plazma vlastně dělá?
• Základní: proud plazmatem, napětí,
magnetické pole …
• Pasivní: kamery, bolometrie …
• Aktivní: sondy, interferometrie …
Supravodivé cívky
• Supravodivost nastává při -269°C
• Cívky musí být co nejblíže plazmatu
• Nejteplejší a nejchladnější místo na
Zemi jen kousek od sebe
• Materiály, chlazení, konstrukce cívek
První stěna
•
•
•
•
•
Vnitřek komory tokamaku
Vysoká tepelná zátěž
Nepohlcuje tritium
Odolává neutronovým tokům
IFMIF – irradiation facility
Nestability plazmatu
• Turbulence – ochlazování plazmatu
• ELMs – riziko poškození komory,
nutnost omezit energii v jednom
výtrysku
Řízení plazmatu
• Zpětná vazba v reálném čase
ITER
Další krok ve výzkumu fúze
• International Thermonuclear
Experimental Reactor
• Rozpočet 12,8 miliard EUR
• Stavba zahájena 2010
• První plazma 2019
• Fúze uvolní více energie, než bude
třeba na zapálení reakce
ITER
DEMO
První fúzní elektrárna
• 2040
• Japonsko
Co můžete pro fúzi udělat vy
• Staň se vědcem a odborníkem!
• Fyzika a technika termojaderné fúze
(FTTF) - studium fúze na fjfi ČVUT
• Teorie, experiment, technika
• Uplatnění na výzkumných
pracovištích v ČR i zahraničí
Golem
•
•
•
•
•
•
•
Nejstarší funkční tokamak na světě
Jediný dálkově ovládaný
R = 40 cm
a = 10 cm
I = 8 kA
t = 15 ms
Te = 80 eV
Golem
Děkuji za pozornost
Pojďte se podívat na tokamak…