RNDr Vladimr Kopeck Dr Sc stav fyziky plazmatu

RNDr. Vladimír Kopecký, Dr. Sc. Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i. e-mail: kopecky@ipp. cas. cz Co je fúze a jak jí dosáhnout Tokamaky Potřebujeme termojaderný reaktor? Projekt ITER Přednosti a úskalí

Co je fúze T (1, 01 Me. V) + p (3, 03 Me. V) D+D D+T D + He 3 (0, 82 Me. V) + n (2, 45 Me. V) He 4 (3, 52 Me. V) + n (14, 06 Me. V) He 4 (3, 67 Me. V) + p (14, 67 Me. V) 1 e. V = 11600 K, 1 ke. V = 11, 6 milionů K Li 6 + n He 4 + T + 4, 8 Me. V, Li 7 + n He 4 + T + n – 2, 47 Mev

Fúzní reaktor Urychlovače - Měření účinných průřezů fúzních reakcí. Urychlovač jako fúzní reaktor? Nevhodné! Většina energie se spotřebuje na coulombovské srážky. Neúspěšné Mionová fúze Elektrolyticky katalyzovaná fúze – studená fúze Termojaderný reaktor Pzt = 3 nk. T / t – ztráty zářením a částicemi Plazma v reaktoru (n, T) Pf - energie ze syntézy Poh – energie pro ohřev částic Výměník a generátor s účinností h Z podmínky nulového zisku energie (Q =výkon/příkonem = 1) nt > Ckr (T), Ckr, d-t (2 × 108 K) = 5 × 1019 s/m 3 obdržíme Lawsonovo kriterium:

Jak splnit Lawsonovo kriterium? nt > 5× 1019 s/m 3 1. extrémní případ: inerciální systémy Hustota zmraženého deuteria = 5× 1028 m-3 t > 10 -9 s Pro dosažení Lawsonova kriteria je třeba terčík stlačit 104 x. K tomu je nutná energie laseru 1 MJ. První vodíková bomba „MIKE“ Laserový systém Gekko XII v Osace

Laser NIF LLNL, USA 2003 1. výstřel, 4 svazky 360 TW, 5 -15 ns, 192 svazků (kolem roku 2008) Cena ~ 2 mld. USD

2. Opačný extrém – velmi dlouhá doba udržení ~ sekundy, t. zv. kvazistacionární udržení. Tomu odpovídá poměrně řídké plazma. (Počet molekul ideálního plynu za normálních podmínek je 2, 7× 10 25 m-3. ) Takové plazma lze izolovat od stěn pouze magnetickým polem. Pohyb nabité částice v magnetickém poli w = q. B/m r = mv/q. B

Termojaderná elektrárna

TOKAMAK toroidalnaja kamera s magnitnymi katuškami Systém vytvořený v Ústavu atomové energie v Moskvě 1951 - A. Sacharov, I. Tamm

Z historie tokamaku 1955 TMP – torus s magnetickým polem a keramickou vakuovou nádobou 1968 T-3, SSSR 10 000°C 70. léta vše se přestavuje na tokamaky 1975 T-10, SSSR 1978 PLT Princeton, USA 60 000°C 1978 T-7, SSSR supravodivé vinutí 1983 JET, Culham, Anglie 1 MA 1987 Mezinárodní spolupráce na projektu ITER 1991 JET Poprvé použita směs D-T, 2 MW, 0. 2 s 1992 TFTR, Princeton, USA 6. 1 MW, 0. 2 s 1994 TFTR 10 MW, 1 s 1997 JET 16. 1 MW, 2 s, Q=0. 62 1998 Dokončen projekt ITER-FDR (6 mld. USD, 1. 5 GW, Q= ) 2001 Dokončen projekt ITER-FEAT (3 mld. USD, 500 MW, Q>10) 2003 Tore Supra, Cadarache, Francie 6 min 21 s, 1 GJ

Modifikace tokamaku Průřez D Divertor Ohřev plazmatu Ohmický ohřev Vysokofrekvenční ohřevy Ohřev neutrálními svazky Neindukční generace proudu

ASDEX – Garching, SRN R = 1, 6 m a = 0, 5 x 0, 8 m I = 2 MA Dodatečný ohřev 27 MW

TFTR – Princeton Plasma Physics Laboratory R = 2, 5 m a = 0, 85 m B = 6, 0 T I = 3, 0 MA PNS = 39, 5 MW PICR = 14, 4 MW 1993 D–T plasma (89 % D, 11 % T) N = 1020 m– 3, Ti = 510 mil. K, PD-T = 10, 7 MW

JET (Joint European Torus ) – Culham, UK R = 2, 96 m a/b = 1, 25 / 2, 10 m t = 20 s B = 3, 45 T I = 4, 8– 7 MA PNS = 25 MW PICR = 32 MW PDHR = 12 MW

JET (Joint European Torus )

JET (Joint European Torus ) D–T plazma 1991 PDT = 1, 7 MW 1997 EDT = 21, 7 MJ PDT = 16, 1 MW Q = 65% t = 3, 5 s

Jak se blížíme k cíli

Potřebujeme termojaderný reaktor už nyní ? NE Máme i jadernou energii ze štěpení ALE 1. Fosilní paliva jsou důležitá surovina pro uhlíkovou chemii a je tedy škoda je pálit. 2. Ochrana životního prostředí. 3. Obnovitelné zdroje nejsou časově konstantní a uchování elektrické energie je problém.

ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor Navázal na INTOR Smlouva podepsána v roce 1987 Rozhodnutí o jeho realizaci ve Francii v Cadarache přijato 2005

ITER - Projektované parametry R = 6, 2 m; a = 2, 0 m, b/a = 1, 6; I = 15 MA; B = 5, 3 T; T = 8 ke. V; n = 1020 m-3; Pfuz = 0, 5 GW; neutr. zátěž = 0, 5 MW / m 2; t > 400 s; Q > 10 Výstavba: 10 let; 2, 755 miliard USD Experimantální provoz: 20 let, provozní náklady: 188 milionů USD ročně, celkem 3. 76 miliardy USD. Cíle: Zapálení reakce Přechod do stacionárního režimu Ověření koncepce první stěny a plodící obálky Případně samovolné hoření

Přednosti a úskalí Perspektivnost: Téměř nevyčerpatelný zdroj energie: 1 litr vody obsahuje 1/30 g deuteria 1 litr vody odpovídá 300 litrům benzínu Vnitřní bezpečnost: malá náplň paliva při tlaku 0. 1 Pa řádově gramy přerušení reakce při porušení reaktoru teplotní stabilita Nejaderný odpad: He Radioaktivita: druhotná v materiálech konstrukce, lze ji omezit výběrem materiálu se vznikem pouze krátce žijících izotopů

Úskalí 1. Nedořešené fyzikální problémy Nestability disrupce ELM – relaxační okrajová nestabilita pilové kmity hustoty turbulence po zapálení reakce He „popel“ – odstraňování přes divertor změna vlastností plazmatu Doplňování paliva injekce tablet – lokální změna parametrů Nečistoty

2. Materiálové a technologické problémy První stěna: 1 MW/m 2, ocel (austenitická, martensitická), vanad, C, B, Be Divertor Blanket: výroba T, množení n, chlazení Supravodivé vinutí – odstínění od toku neutronů Diagnostika – vliv neutronů Řízení plazmatu v reálném čase Ekonomika

Rozšiřující literatura 1. G. Mc. Cracken, P. Stott: “Fúze. Energie vesmíru“, Mladá fronta, edice Kolumbus, 2006 2. M. Řípa, V. Weinzettl, J. Mlynář, F. Žáček: „Řízená jaderná syntéza pro každého“, ÚFP AV ČR a ČEZ. Praha 2005 3. J. Mlynář: „ITER – cesta ke zvládnutí řízené termonukleární fúze“, Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, 49 (2004) 2, 129 – 150 4. V. Weinzettl: “Čistá energie tokamaků“, Vesmír 77 (1998) 4, 207 – 211 5. J. Mlynář: „Lesk a bída termojaderné syntézy“, Vesmír 77 (1998) 4, 207 – 211 6. V. Kopecký: „Zapálíme Slunce na Zemi? “, Astropis, Speciál 2007, 32 – 37 7. http: //www. iter. org/ 8. http: //www. efda. org/