Termonuklern fze Edita Bromov Pro potebujeme fzi Energie

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, CO 2, 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 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 • Inerciální udržení – Hustota 1031 m 3 – Doba udržení 10 -10 s • Magnetické udržení – Hustota 1020 m 3 – Doba udržení 1 s

Inerciální udržení • • Malá vodíková bomba Lasery stlačí deuteriovou kuličku Kulička imploduje V centru se zažehne fúze 1 mg 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 k. A t = 15 ms Te = 80 e. V

Golem

Děkuji za pozornost Pojďte se podívat na tokamak…