Termojaderné slučování v tokamacích Jan Stöckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha • • • • • Co je TOKAMAK? – princip činnosti Proč ? Termojaderná fúze a.

Download Report

Transcript Termojaderné slučování v tokamacích Jan Stöckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha • • • • • Co je TOKAMAK? – princip činnosti Proč ? Termojaderná fúze a.

Termojaderné slučování v tokamacích
Jan Stöckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha
•
•
•
•
•
Co je TOKAMAK? – princip činnosti
Proč ? Termojaderná fúze a koncepce elektrárny
Tokamaky v Evropě - JET
Projekt ITER
Český podíl na tokamakovém výzkumu
Jihočeská univerzita, 24.11. 2008
Co je Tokamak?
Tokamak je (experimentální) zařízení,
umožňující vytvořit prstenec zředěného
ionizovaného plynu (plazmatu) a ohřát
jej na extrémně vysokou teplotu (až 200
milionů stupňů C)
K vytvoření prstence plazmatu se
využívá magnetické pole
Magnetické pole jehož siločáry jsou kružnice
se vytvoří stočenou cívkou (toroidální solenoid)
Nutná podmínka pro vytvoření stabilního
prstence plazmatu
Magnetická siločára musí mít tvar spirály,
která obepíná (obchází) prstenec
Toroidální mag. pole
Poloidální mag. pole
Spirálové siločáry mag. pole
Tokamak
•
Tokamak, zkratka z ruských slov:
toroidalnaya kamera, s magnitnami katushkami
znamená “toroidální komora” s “magnetickými cívkami”
•
•
Navržen: Andrei Sacharov a Igor Tamm
(oba Nobelova cena)
v ústavu I.V. Kurchatova v Moskvě 1950
Tokamak se skládá:
— velký transformátor
— cívky pro vytváření magnetických
siločar ve tvaru kružnice
— prstenec plasmatu, kterým protéká
velký elektrický proud
Tokamak - princip činnosti
Prstenec horkého plazmatu
Jádro transfornítoru
Udržován magnetickým polem
toroidálního solenoidu
Prstenec plazmatu
Cívky toroidálního
magnetického pole
Elektrický proud prstencem
je vytvářen induktivně
- sekundární vinutí transformátoru
Prstenec plazmatu o elektrickém odporu R je navíc ohříván
průchodem elektrického proudu Iplasma . Příkon dodávaný do
prstence plazmatu je
Poh = R.I2 -
Ohmický ohřev plazmatu
Lehká jádra (isotopy vodíku)
Proton
Proton
+
Neutron
Proton
+
dva neutrony
(mořská voda)
(nestabilní izotop,
poločas rozpadu ~12 let)
Jaderná fúze D-T
α částice – 3.5 MeV
(ohřev paliva)
deuteron
Ekin ~ 20 keV
T~ 200 mil. K
triton
neutron – 14.1 MeV
(energie využitelná na výrobu elektřiny)
Exotermní reakce! – produkty reakce mají 1000x větší
kinetickou energii než vstupní palivo
Původ kinetické energie produktů fúze
Hmotnost produktů je menší než
hmotnost částic do reakce vstupujících:
Ekin = Dmc2
Dm = 0.013 amu
E~2.10-12 J
K tomu, abychom získali z jednoho krychlového metru paliva
výkon 1 MW, je třeba uskutečnit v tomto objemu za jednu vteřinu
~ 5.1017 slučovacích reakcí
Podmínka hoření termojaderné reakce
Příkon předávaný palivu alfa-částicemi
musí převyšovat únik tepelné energie
z reaktoru (tepelnou vodivostí plazmatu,
zářením, …).
Tepelné ztráty se charakterizují veličinou
zvanou doba udržení energie tE
(energy confinement time)
P  1 . 5 x10
PLoss 
W
tE
 37

2
( nT ) V
3 nTV
tE
P  PLoss
Lawsonovo kriterium
n t E  5  10
20
3
m s
Tokamak
n ~ 1020 m-3
t ~ 5 sec
T ~ 200 mil C ~ 20 keV
Koncept termojaderné elektrárny
Výkon
1-2 GW
Spotřeba paliva
~ 1 t D+T/rok
Odhadovaná cena 10 miliard Euro
Výroba tritia v reaktoru
n + Lithium = tritium + helium
Li + n => He + T
Lithium z jedné baterie pro laptop a voda v jedné vaně vody
stačí zásobit průměrného Evropana po dobu 30ti let!
Výhody termojaderné fúze jako zdroje energie
• Fúzní reaktor je inherentně bezpečný
• V reaktoru je minimální množství radioaktivních materiálů
(několik kilogramů tritia)
• Zásoby paliva (deuterium + lithium) vystačí na tisíce let
• Palivo je rovnoměrně rozděleno po celé zeměkouli
• Náklady na dopravu paliva jsou minimální
• Produkt fúzní reakce (helium) - zcela přátelský k životnímu
prostředí
• Fúzní elektrárna neprodukuje skleníkové plyny
• Zbytková radioaktivita konstrukčních částí reaktoru – má
relativně krátký poločas rozpadu
Relativně krátký poločas rozpadu
Ekologické aspekty – Zbytková radioaktivita
Materiál z jaderné elektrárny
Uranová ruda
Uranový odpad
ITER
Uhelná elektrárna
ITER (2004)
Tokamaky - přehled
EURATOM
JET
Německo
ASDEX U, TEXTOR 94
Francie
TORE – SUPRA
Anglie
MAST
Itálie
FT-U, RFX
Španělsko
TJ-II
Švýcarsko
TCV
Česká rep.
COMPASS, CASTOR (Golem)
Portugalsko
ISTTOK
USA
D IIID, ALCATOR C
Japonsko
JT- 60, LHD, + 4 další
Rusko
T-10, TUMAN 3, FT-2
Čína
EAST + ….7 dalších
Jižní Korea
KSTAR
Brazilie, Indie, Egypt, Irán, Libye
~ 35 experimentů s toroidální konfigurací magnetického pole
Co musíme vyřešit pro dosažení kvalitního
režimu v tokamaku-reaktoru
•Rovnováha a tvar průřezu sloupce plazmatu
•Stabilita prstence
•Udržení plazmatu
•Ohřev plazmatu
•Interakce plazma – stěna
•……….
•…

Fyzikální a technologické problémy:
Obrovský teplotní gradient 200 000 000o/m (zřejmě největší v celém vesmíru!)
Obrovská tepelná a neutronová zátěž vnitřní stěny reaktoru!
Ohmický (Jouleův) ohřev plazmatu
Prstenec plazmatu
– je sekundární zavit transformátoru, kterým protéká proud Iplasma
(pistolová pájka)
- má konečný elektrický odpor Rplasma
POH  I
2
plazma
R plasma  I
2
plazma
Te
3 / 2
S rostoucí teplotou plazmatu odpor prstence a tedy i ohmický
příkon klesá:
•
•
je účinný pouze do teplot ~ 1-2 keV (~10 – 20 milionů stupňů)
na velkých tokamacích a v reaktoru je ohmický ohřev
zanedbatelný (několik procent)
Jak dosáhnout ultravysokých teplot?
Dodatečný ohřev plazmatu v tokamaku
Reaktor: Ohřev nabitými
produkty jaderných reakcí
(jádra Helia)
Ohřev elektromagnetickou vlnou
Ohmický ohřev
průchodem proudu
Vstřik svazku
neutrálních atomů
Ohřev plazmatu v tokamacích
Základní metoda ohřevu:
Ohmický ohřev (OH) – plazma má konečnou vodivost
a tudíž se ohřívá průchodem proudu
Ohřev a-částicemi - plazma se ohřívá nabitými produkty
jaderného slučování (reaktor)
Dodatečný ohřev:
Svazky neutrálních atomů (NBI) – (H, D, T) se vstřikují do
plazmatu a předávají svou kinetickou energii iontům plazmatu
Elektromagnetické vlny – se vstřikují do plazmatu speciálními
anténními systémy. Frekvence vlny se vybírá tak, aby byla v rezonanci s
vlastními frekvencemi plazmatu:
ECRH – elektronová cyklotroní frekvence (20-200 GHz)
ICRH - iontový cyklotroní frekvence (20- 200 MHz)
LH - hybridní frekvence (1-10 GHz)
Interakce plazma - stěna
tokamak TORE-SUPRA, Francie
Udržení plazmatu - energetická doba životaškálování s inženýrskými parametry
 0 .5
t E  I p P
1
R
1 . 75
a
 O . 37
Udržení energie se
zlepšuje
se zvětšováním rozměrů tokamaku
s růstem proudu plazmatem
zhoršuje
s růstem příkonu dodatečného ohřevu
Extrémně důležité pro návrh konstrukce budoucích tokamaků
a nakonec i reaktoru!!!!
JET
Joint European Torus
6m
Největší fungující
tokamak na světě
Stavba zahájena
Zakončeno
Provoz (alespoň) do
1975
1983
2014
Proud plazmatem
I < 7 MA
Toroidální pole
B < 3.45 T
Doba pulsu
t>30 s
Rekordní parametry
Dosaženy na dvou tokamacích,
TFTR (USA) a JET (EURATOM),
které doposud jako jediné pracovaly se
skutečnou palivovou směsí D-T
Ohřev - částicemi představuje již 15% z celkového
příkonu potřebného k ohřevu plazmatu!
V roce 1997 produkoval špičkově
termojadernou energii o výkonu
16.1 MW
Poměr fúzního a dodávaného
výkonu
Qtot= 0.940.17 .
JET pohled do výbojové komory
Nezbytné kroky na cestě k fúzní elektrárně
Je nevyhnutelné:
• Postavit velký tokamak (~3x větší než JET);
• Zabezpečit kvazikontinuální provoz (500 – 1000 s);
• Dosáhnout fúzní výkon alespoň 10 x větší než výkon potřebný k
ohřevu plazmatu .
aby se vyjasnila:
• Fyzika plazmatu, v němž dominuje ohřev α částicemi (možné nové
nestability, transportní bariéry, ……);
• Technologie první stěny reaktoru při extrémní tepelné zátěži až 20
MW/ m2 (chlazení, nové materiály, životnost……);
• Technologie blanketu (separace tritia, …..);
Co je to ITER?
dříve International Termonuclear Experimental Reactor)
nyní ITER je latinsky CESTA (směrem k fúzní elektrárně)
Programový cíl
• Prokázat vědecké a technologické využití fúzní energie pro mírové účely, tak aby bylo
možno zkonstruovat elektrárnu v letech 2030-2050.
Technické cíle
• Prokázat vysoký energetický zisk (Q = 10) po dobu 400 sek při použití palivové směsi DT
• Prokázat energetický zisk (Q = 5) v dlouhých pulsech delších než 1000 sek.
• Testovat důležité technologie v reaktorových podmínkách
• Testovat jednotlivé komponenty při vysokých neutronových tocích
• Demonstrovat bezpečnost fúze a její kompatibilitu s životním prostředím
International Termonuclear Experimental Reactor ITER
Proud plazmatem
Magnetické pole
(supravodivý magnet)
Objem plazmatu
15 MA
5.3 T
Fúzní výkon
Doba hoření
500 MW
>400 s
840 m3
Fúzní výkon bude 10x větší než výkon
potřebný k ohřevu plazmatu Q > 10
12 m
ITER
Centrální Solenoid
supravodič
Blanket Modul
421 ks
Vakuová nádoba
9 sectorů
Cryostat
Cívky Toroidálního mag.
pole
18 ks, supravodič
Cívky Poloidálního mag.
pole
6 ks, supravodič
Podpůrná konstrukce
24 m high x 28 m dia.
Port Plug
6 pro ohřev
3 pro blanket
2 pro dálkovou
manipulaci
zbývající pro
diagnostics
Kryogenní pumpy
8 ks
Divertor 54 ks výměnných
kazet
Současný stav projektu ITER
Partneři
• EURATOM, Japonsko (50%) + USA, Rusko, Čína, Korea, Indie a Kazachstan
• Cena cca 5 miliardy EUR
V současné době
• Projekt je hotov
• Vytvořena právnická osoba převezme zodpovědnost za projekt na dobu 40 let
• Započetí stavby během 2008 (nejaderná část) , 2009 (experimentální hala)
První plazma za 9 let (2018), bude v provozu dalších 25 let
• Místo – CEA Cadarache nedaleko Marseille, Francie
• Probíhá dělba zakázek mezi jednotlivé partnery
• Probíhá licenční proces ve Francii (do roku 2009)
Plánuje se tzv. Broader approach – rekonstrukce japonského tokamaku, urychlovač
pro materiálové testy (IFMIF) – Japonsko – ústupky japonské straně
Další krok k fúzní elektrárně – DEMO
Evropský koncept
• Velikost podobná ITERu
• Fyzikální problémy vyřešeny
• Výzkum směřován na technologie
• Produkuje elektrickou energii
• Ekonomické aspekty provozu
• vnitřní stěna z wolframu
• Kvazistacionární provoz
•stavba kolem roku 2030
Hlavní problém
Obrovské neutronové toky během
kvazistacionárního provozu představují
velkou radiační zátěž pro první stěnu
-materiály !!!!
History of fusion research in Czech Rep.
IPP Prague founded in 1959
• Interaction of RF waves with magnetized plasmas
• Interaction of electron beams with magnetized plasmas
Linear experiments
ELMAN a VF-1
L.A Arcimovich
Godfather of tokamaks (and H-bomb) visited IPP Prague in 60th
He received a small-bore rifle plus box of bullets as a gift
CASTOR -Czech Academy of Sciences TORus
Vyroben v Moskvě
1958
V provozu v ÚFP Praha od
1977
Rekonstrukce (nová komora)
1985
EURATOM
1999 - 2007
Studium okrajového plazmatu
(turbulence), široká
mezinárodní spolupráce, cca
200 publikací, cca 20 PhD a
diplomek
Předán FJFI ČVUT a uváděn znovu do provozu pro výukové účely
(přejmenován na GOLEM)
COMPASS-D v Culham Laboratory, UK
* Tokamak velmi moderní konstrukce
* Magnetická konfigurace podobná jako na ITERu (10x menší)
* Relevantní fyzikální program
* Cena cca 400 mil Kč – nabídnut zdarma ÚFP
COMPASS je sice relativně malý tokamak, ale má
geometrií (magnetickou konfiguraci) podobnou ITERu
COMPASS v ÚFP Praha
•
Cíle projektu:
Plazma s Te=Ti 20 mil C (2 keV)
Detailně studovat plasma na okraji prstence
Vývoj nových diagnostických metod
Tréning
Nový systém dodatečného ohřevu plazmatu svazkem
neutrálních atomů
....
První plazma koncem 2008
2009 – optimalizace výbojového režimu
2010- Dodatečný ohřev plazmatu NBI
Power supplies - schematically
Of about 60 MW is required to drive current pulses of pre-defined shape and
amplitude. But, only ~1 MW is available!
For TF coils (~90 kA), breakdown, plasma current, equilibrium,
shaping and additional heating systems
Energy
storage
Tranformer
Thyristor rectifier
6 kV => 600 V (pre-programmable)
High
Linkboard current
cables
COILS
For fast control of the plasma position in
the vertical and horizontal directions
Grid
Fast amplifiers (feedback controlled)
Digital
feedback
control
Sensors
of plasma
position
The PS complex is manufactured and commissioned by a single Czech company
Flywheel – generators
~7m
generator
Flywheel
Energy is stored in mechanical
motion of rotating cylinder (>20
tons flying wheel) and it can be
extracted within ~3 seconds
Drive
TF coils
PF coils +
Additional heating
Start up
~ 40 min
Recharge
~ 15 min
Rotation speed
1700 - 1300/min
Power
47 MVA (35 MW)
Frequency
85 Hz - 65 Hz
Usable energy
45 MJ
Total mass
52 tons
el. drive
200 kW
International collaboration
COMPASS project is open to all EURATOM Associations. At the moment:
UKAEA
Assistance in transfer of the COMPASS & diagnostics, commissioning
HAS
Edge plasma diagnostics (Li, He beams, fast camera, ..) (contract)
IST
CODAS & Reflectometry (contract)
CEA
FOM
RMP modelling
Design of HR Thomson Scattering
EURATOM Associations -Austria, RFX Padova, IPPLM Poland, Belgium, Romania and
Bulgary
+ Russian Federation (Budker & Ioffe Institutes)
expressed their interest to participate in future experiments on:
Edge plasma physics, developing of diagnostics, modeling, plasma wall interaction and
material studies
TRAINING - SUMTRAIC
Závěr
• Fyzikové jsou přesvědčeni, že ekonomicky výhodný a ekologicky
přijatelný reaktor na bázi magnetického udržení plazmatu v
tokamacích lze vybudovat do roku 2050 (tokamaky JET, TFTR, JT-60).
• Klíčové rozhodnutí bylo zahájit projekt ITER
• Stávající vědecký, technologický a průmyslový potenciál ČR umožní
naše pokračování ve fúzním výzkumu a zapojení do projektu ITER.