Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha
-
Upload
preston-william -
Category
Documents
-
view
47 -
download
0
description
Transcript of Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha
![Page 1: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/1.jpg)
Fyzika plazmatu a termojaderné slučování
Jan Stöckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha
• Potřeba nových zdrojů energie • Princip termojaderné fúze a koncepce elektrárny• Tokamak – perspektivní termojaderný reaktor• Tokamak JET - rekordní výsledky • Projekt ITER• Český podíl na výzkumu jaderné fůze – EURATOM
Jihočeská univerzita, 6.12.2006
![Page 2: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/2.jpg)
(Trvale udržitelný) rozvoj civilizace vyžaduje především výrobu dostatečně velkého množství energie.
V současné době je světová energetická bilance napjatáa zdroje jsou navíc rozděleny nerovnoměrně
20 % populace spotřebovává 80% světové produkceTo se určitě změní (Čína, Indie, Latinská Amerika, Afrika)
Spotřeba energie tedy v budoucnu určitě poroste – co však ZDROJE?
Energie v třetím tisíciletí
![Page 3: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/3.jpg)
Rok 2006: Země má 6 miliard obyvatel
Rok 2060Země bude mít 9 miliard obyvatel
Více obyvatel Více energie
Navíc se rychle rozvíjejí státy jako Čína, Indie, Latinská Amerika ??…
v roce 2060 se světová potřeba energie zdvojnásobí !!!!
![Page 4: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/4.jpg)
The Association for the Study of Peak Oil&Gas, Sweden (2004)
Světové zásoby paliv na bázi uhlovodíků
![Page 5: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/5.jpg)
Pro řešení energetického problému je nutno
•ŠETŘIT•efektivně využíval klasická paliv•hledat nové zdroje energie
Fosilní paliva (uhlí, přírodní plyn) – produkce CO2?Obnovitelné zdroje
– sluneční energie- větrná energie- vodní energie- spalování biomasy
Jaderná energie-návrat ke klasickým ( a rychlým) štěpným reaktorům (problémy - bezpečnost, skladování vyhořelého paliva)
-termojaderné slučování
![Page 6: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/6.jpg)
Lehká jádra (isotopy vodíku)
Proton
Proton+
Neutron(mořská voda)
Proton+
dva neutrony(nestabilní izotop,
poločas rozpadu ~12 let)
![Page 7: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/7.jpg)
Ekin ~ 20 keVT~ 200 mil. K
α částice – 3.5 MeV(ohřev paliva)
neutron – 14.1 MeV(energie využitelná na výrobu elektřiny)
deuteron
triton
Možné řešení energetického problému
Exotermní reakce! – produkty reakce mají 1000x větší kinetickou energii než vstupní palivo
![Page 8: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/8.jpg)
Původ kinetické energie produktů fúze
Hmotnost produktů je menší než hmotnost částic do reakce vstupujících:
Ekin = mc2
m = 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
![Page 9: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/9.jpg)
Slunce
Reaktor
Možné kombinace paliva-Deuterium-Tritium(nejpravděpodobnější)
-Deuterium-Helium 3(je na Měsíci)
- Deuterium-Deuterium
- Proton-Proton(probíhá na Slunci)
![Page 10: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/10.jpg)
Koncept termojaderné elektrárny – rok 2050
Výkon 1-2 GWSpotřeba paliva ~ 1 t D+T/rokOdhadovaná cena 10 miliard Euro
Produkuje minimální množství radioaktivního odpadu.
Výroba tritia v reaktorun + Lithium = tritium + helium
![Page 11: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/11.jpg)
Ekologické aspekty – Zbytková radioaktivita
ITER (2004)
ITERUhelná elektrárna
Uranový odpad
Uranová ruda
Materiál z jaderné elektrárny
Rela
tivně
krá
tký
polo
čas
rozp
adu
![Page 12: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/12.jpg)
Podmínka hoření termojaderné reakce
VnTxP 237 )(105.1
Výkon alfa-částic předávaný palivu o objemu V (aprox. pro T =5 - 20 keV)
EELoss
nTVWP
3
Celkové ztráty (tepelná vodivost,Záření, …)
LossPP
eVsmnT E321105
Lawsonovo kriterium
![Page 13: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/13.jpg)
Při tak vysokých teplotách je palivo ve stavu, který se nazývá plazma
Rychlost jader musí být větší než 20 tisíc km/s!Za normální (pokojové) teploty se jádra (atomy) pohybují pouze rychlostí 1 km/s
abychom jádra paliva urychlili na požadovanou rychlost, je třeba ohřát směs deuteria a tritia na teplotu 200 milionů stupňů !!!!!
Základní předpoklad pro slučování jader deuteria a tritia
![Page 14: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/14.jpg)
PLAZMA ve Vesmíru a na Zemi>
99%
ves
mír
u je
v p
lazm
atic
kém
sta
vu
![Page 15: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/15.jpg)
Inerciální a magnetické udržení plazmatuT> 200 mil. K n τ > 1020 m-3 s
• Systémy s inerciálním udržením plazmatu - mikro-výbuchy
n > 1026 m-3 (extrémní hustota plazmatu, komprese)
τ > 10-6 s (dáno rychlostí expanze)
Výkonové lasery • Systémy s kvasistacionárním udržením plazmatu v
magnetické nádobě
n > 1020 m-3 (<< než koncentrace plynu za atmosférického tlaku)
τ > 1 s (dáno tepelnou vodivostí plazmatu a velikostí nádoby)
Tokamaky
![Page 16: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/16.jpg)
miniaturní H-bomba
Klíčový parametr pro zapálení termojaderné reakceHustota plazmatu Doba udržení jeho tepelné energie
n τ > 1020 m-3 s Lawsonovo kriterium
τ > miliardy let
τ > 1- 10 sec
τ > 1 mikrosekunda
![Page 17: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/17.jpg)
Princip tokamaku
• 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
![Page 18: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/18.jpg)
Nutná podmínka pro vytvoření stabilního prstence plazmatu
Toroidální mag. pole
Poloidální mag. pole
Spirálové siločáry mag. pole
![Page 19: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/19.jpg)
Cívky toroidálního magnetického pole
Tokamak - princip činnosti
Prstenec horkého plazmatu (200 milionů stupňů)
Udržován magnetickým polemtoroidálního solenoidu
Elektrický proud prstencemje vytvářen induktivně - sekundární vinutí transformátoru
Prstenec plazmatu je ohřívánprůchodem elektrického proudu
Jádro transfornítoru
Prstenec plazmatu
![Page 20: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/20.jpg)
Cívky toroidálního magnetického pole
Tokamak - základní princip
![Page 21: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/21.jpg)
Co musíme vyřešit pro dosažení kvalitního výbojového režimu v tokamaku
•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!
![Page 22: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/22.jpg)
Ohmický ohřev v tokamacích
Toroidální sloupec plazmatu – sekundární zavit transformátoru(pistolová pájka) - Plazma má konečnou vodivost.
2/3 eplazmaplasmaplazmaOH TIRIP
S rostoucí teplotou ohmický příkon klesá:• účinný pouze do teplot ~ 1-2 keV (~10 – 20 milionů stupňů) • na velkých tokamacích a v reaktoru je ohmický ohřev
zanedbatelný (několik procent)
![Page 23: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/23.jpg)
Jak dosáhnout ultravysokých teplot?
Vstřik svazku neutrálních atomů
Ohmický ohřev průchodem proudu
Ohřev elektro- magnetickou vlnou
Reaktor: Ohřev nabitýmiprodukty jaderných reakcí
(jádra Helia)
![Page 24: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/24.jpg)
Ohřev plazmatu v tokamacích
Základní metoda ohřevu:Ohmický ohřev (OH) – plazma má konečnou vodivost
a tudíž se ohřívá průchodem prouduOhřev 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)
![Page 25: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/25.jpg)
Celková energie W &
Celkový počet částic N
Ohřev P
Zdroj částicrecycling, fuelling, …
Plazma držené magnetickým polem (globální bilance schematicky)
Ztráty nabitých částicdifúze, …
Ztráty Energie tepelná vodivost, vyzařování,…
Detailní popis energetických ztrát je komplikovaný!
![Page 26: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/26.jpg)
Globalní doba udržení energie
Eτ
WP
dt
dW
W - Celková kinetická energie v plazmatuP - Výkon ohřevu
Energie E~ a2/ , podobně Částice p~ a2/D
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1 6 11 16 21 26 31
Time [s]
En
erg
y W
/Wo
)/exp( Et
HEATING ON
E0 PτW
Nezaměňovat s dobou výboje!!
![Page 27: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/27.jpg)
Avšak!!!!• Korficienty difúze D a tepelné vodivosti
jsou ve skutečnosti 100-1000 x větší než se očekávalo na počátku tokamakového výzkumu
• Částice a teplo se transportují napříč magnetickým polem nikoli klasicky (srážky částic), nýbrž důsledkem turbulence plasmatu!
• Koeficienty D a tepelné vodivosti jsou úměrné velikosti turbulentních polí.
• Turbulence existuje ve všech tokamacích (přebytek energie v omezeném objemu!!!
ŘEŠENÍ: maximalizace E~ a2/ • Zvětšit rozměry tokamaku• Snížit úroveň turbulence plazmatu
![Page 28: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/28.jpg)
Tokamaky v provozuEURATOM JETNěmecko ASDEX U, TEXTOR 94, (W-7X)Francie TORE – SUPRAAnglie MAST, COMPASS-DItálie FT-U, RFXŠpanělsko TJ-IIŠvýcarsko TCVČeská rep. CASTORPortugalsko ISTTOKUSA D IIID, ALCATOR CJaponsko JT- 60, LHD, + 4 dalšíRusko T-10, TUMAN 3, FT-2Čína HT-6, + ….5 dalšíchBrazilie, Indie, Korea, Egypt, Irán, Libye
~ 35 experimentů s toroidální konfigurací magnetického pole
![Page 29: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/29.jpg)
Proud plazmatem I < 7 MA
Toroidální pole B < 3.45 T
Doba pulsu t>30 s
JET Joint European Torus
Největší fungující tokamak na světě
Stavba zahájena 1975Zakončeno 1983Provoz (alespoň) do 2010
6 m
![Page 30: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/30.jpg)
JET pohled do výbojové komoryV roce 1997 produkoval špičkově termojadernou energii o výkonu 16.1 MWPoměr fúzního a dodávaného výkonu Qtot= 0.940.17 .
![Page 31: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/31.jpg)
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!
![Page 32: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/32.jpg)
Antény pro dodatečný ohřevJET
DIVEROR
Iontový cyklotronní ohřev
Dolně hybridní vlna
![Page 33: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/33.jpg)
Komora tokamaku se během provozu postupně aktivuje neutronovým tokem a triciem ve stěnách
Robot pro opravy poškozených dílůuvnitř komorytokamaku JET
![Page 34: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/34.jpg)
Energetická doba života-škálování s inženýrskými parametry
37.75.15.01 OpE aRPI
Udržení se zlepšuje se zvětšováním rozměrů a růstem prouduUdržení se zhoršuje s růstem příkonu dodatečného ohřevu
Extrémě důležité pro konstrukci budoucích tokamaků (ITER, DEMO) a nakonec i reaktoru!!!!
![Page 35: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/35.jpg)
Interakce plazmatu se stěnou komoryUdržení plazmatu v tokamacích není ideální!! Tepelné ztráty (cca 1 až 10 MW-m2) je nezbytně nutné kontrolovaně uchladit.
Chlazení – tak aby T< 1200o
Vhodné materiály – grafit, CFC, Berilium, Wolfram
Vhodná magnetická konfigurace magnetického pole na okraji – nutno omezit průnik atomů materiálu stěn (rozprašování) do plazmatu
Dva způsoby magnetické konfigurace:LIMITER – clona v jednom poloidálním řezu nebo po obvodu toruDIVERTOR – oblast na spodní části toru, která odvádí energii
pomocí speciální konfigurace magnetického pole.
![Page 36: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/36.jpg)
Poloidální limiter – clona, která odděluje horké plazma od stěny
Používán v tokamacích první generaceVýhoda – jednoduchá konstrukceProblém – tepelná energie plazmatu dopadá na relativně malou plochu, potíže s chlazením
Poslední uzavřený magnetický povrch definovánLIMITERem
![Page 37: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/37.jpg)
Tokamak s toroidalním limiterem
TORE SUPRA, CEA Cadarache, Francie
Toroidální limiter zhotovený z uhlíkových kompozitů (CFC)Složený z několika stovek "prstů", každý z nich je individuálně chlazený
Limiter ohřátý na teplotuvyšší než 1000o
![Page 38: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/38.jpg)
Tokamak s toroidálním limiteremTORE-SUPRA, Francie
![Page 39: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/39.jpg)
Interakce plazmatu se stěnou komoryDivertor
V moderních tokamacích • oblast na spodní části toru, • která odvádí energii pomocí
speciální konfigurace magnetického pole.
• zhotoven z těžko tavitelných materiálů (grafit, wolfram,..)
• Dokonalé chlazení
Magnetická konfigurace tokamaku s divertorem
Moderní koncepce
Separatrix
X-point
Scrape-offlayer
Divertorplates
![Page 40: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/40.jpg)
Interakce plazmatu se stěnou – Divertormoderní koncepce
ASDEX-Upgrade, Německo magnetický povrch
![Page 41: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/41.jpg)
Alternativní koncepce udržení plazmatuSférický tokamak START, Anglie
![Page 42: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/42.jpg)
Konfigurace magnetického pole ve stellaratoru
Stellarator W-7X bude dokončen 2010 v Greisfwaldu (SNR)
Spirálovost magnetických siločar lze dosáhnout i bez induktivně buzeného proudu:• Dodatečná vinutí• 3D konfigurace cívek pro toroidální magnetické poleNevýhoda: extrémně náročné náročné na přesnost konstrukce Výhoda: stacionární provoz reaktoru zaručen!
![Page 43: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/43.jpg)
Complex shape, high accuracy
good insulation; paschen proof
void-free casted casings
high overall quality also in classical technologies
Large structure with many openings
3-D shapeComplex weldedStructure withoutdistortionHigh heat fluxes
Compound material
High accuracy in machining
Wendelstein 7-X
CriticalPositioningNo weldingdistortions
key parametersmajor radius: 5.5 mminor radius: 0.53 mnon-planar coils: 50planar coils: 20induction on axis: < 3Theating power 15 - 30 MWpulse length: 30 minenergy turn around: 18 GJ
machine mass: 725 tcold mass: 425 t
Goal: demonstration of principle reactor suitability of the optimised stellarator
![Page 44: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/44.jpg)
Projektovaná délka výboje 30 min, příkon 30 MWvyžaduje dokonalý (avšak velmi komplikovaný systém vodního chlazení
![Page 45: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/45.jpg)
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, …..);
![Page 46: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/46.jpg)
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 ≥ 0.5 MW/m2 a střední
zátěži (fluence) ≥ 0.3 MWa/m2
• Demonstrovat bezpečnost fúze a její kompatibilitu s životním prostředím
![Page 47: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/47.jpg)
Proud plazmatem 15 MAMagnetické pole 5.3 T(supravodivý magnet)Objem plazmatu 840 m3
Fúzní výkon 500 MWDoba hoření >400 s
Fúzní výkon bude 10x větší než výkon potřebný k ohřevu plazmatu Q > 10
International Termonuclear Experimental Reactor ITER
12 m
![Page 48: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/48.jpg)
ITER
Divertor 54 ks výměnných kazet
Centrální Solenoidsupravodič
Cívky Toroidálního mag. pole18 ks, supravodič
Cívky Poloidálního mag. pole6 ks, supravodič
Podpůrná konstrukce
Blanket Modul421 ks
Vakuová nádoba9 sectorů
Cryostat
24 m high x 28 m dia.
Port Plug6 pro ohřev3 pro blanket2 pro dálkovou manipulacizbývající pro diagnostics
Kryogenní pumpy8 ks
![Page 49: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/49.jpg)
Současný stav projektu ITERPartneři• EURATOM, Japonsko (50%) + USA, Rusko, Čína, Korea a Indie ( a 10%) • Cena cca 3,85 miliardy EUR
V současné době• Projekt je hotov• Vytváří se právnická osoba převezme zodpovědnost za projekt na dobu 40 let)• Započetí stavby během 2006 (nejaderná část) , 2008 (experimentální hala)
doba stavby cca 7-8 let (2015), bude v provozu dalších 25 let• Místo stavby vybráno - Cadarache, jižní Francie
Momentálně:• Konstituují se řídící orgány • Probíhá dělba zakázek mezi jednotlivé partnery• Licenční proces ve Francii (do roku 2008)
Plánuje se tzv. Broader approach – rekonstrukce japonského tokamaku, urychlovač pro materiálové testy (IFMIF) – Japonsko – ústupky japonské straně
![Page 50: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/50.jpg)
Evropská koncepce fúzní elektrárny DEMO (model C)
•Produkuje elektrickou energii •vnitřní stěna z wolframu•kvazistacionární provoz•obrovské neutronové toky -velká radiační zátěž•stavba kolem roku 2030
![Page 51: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/51.jpg)
Vyroben v Moskvě1958V provozu v ÚFP Praha od1977Rekonstrukce (nová komora)1985EURATOM1999 - 2006
CASTOR -Czech Academy of Sciences TORus
![Page 52: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/52.jpg)
Srovnání velkého a malého tokamaku
CASTOR Joint European Torus
Objem plazmatu 0.1 m3 50 m3
Magnetické pole ~ 1.5 Tesla ~ 3.5 Tesla
Proud plazmatem 0.01 MA 5.0 MA
Délka pulzu 0.05 s 30 s
Teplota plazmatu 2 mil K 100 mil K
Roční rozpočet ~ 0.5 MEuro ~ 50 MEuro
Obsluha (fyziků + techniků) ~ 20 ~ 300
![Page 53: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/53.jpg)
Otázka• Může malý experiment jako CASTOR přispívat k termojadernému
výzkumu a soutěžit s velkými experimenty jako JET, ASDEX Upgrade, TORE Supra s multi - milionovým rozpočtem?
Odpověď: ano, ale
• Relevantní program fyzikálního výzkumu • Vyhovující financování, dobrou technickou podporu,…..)• Silná mezinárodní spolupráce (EURATOM)• Těsný kontakt se studenty (diplomové a PhD práce,..)
![Page 54: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/54.jpg)
EURATOM (část Rámcového Programu)
Koordinuje výzkum jaderné fúze v EU • Contract of Association
Koordinuje lokální výzkum – 21 tzv. Asociací
(EU, Švýcarsko, ČR, Maďarsko, Rumunsko, Lotyšsko
Bruselská centrála financuje 20% doložených výdajů
• European Fusion Developement Agreement (EFDA) provozuje JET, koordinuje vývoj nových technologií¨a ITER
• Staff Mobility Agreement
Zabezpečuje výměnu vědců mezi jednotlivými Asociacemi
Celkem 700 milionů EUR v 6 Rámcovém programu,
z toho 200 milionů na ITER
![Page 55: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/55.jpg)
Česká republika – asociovaná do EURATOMu od 1999 - Association EURATOM/IPP.CR
Konsorcium sedmi institucí koordinované Ústavem fyziky plazmatu AV ČR
Fyzikální výzkum Tokamak CASTOR, teorie/modelování, srážové procesy•Ústav fyzikální chemie, AV CR•Matematicko-fyzikální fakulta, UK•Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, ČVUT
Vývoj nových technologií (pro ITER) Cyklotron, ozařování ve štěpném reaktoru, materiálový výzkum•Ústav jaderné fyziky, AV CR•Ústav jaderného výzkumu, a.s. Řež•Ústav aplikované mechaniky a.s, Brno
Celkem - 80 profesionálů a techniků
![Page 56: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/56.jpg)
Fyzikální Program
Vývoj nových diagnostických metodSoft X-Ray spectroscopy
Pokročilé elektrické sondy
Interakce vln s plazmatem Generace rychlých částic
Šíření elektromagnetických vln
VzděláváníDiplomové & PhD práce
Letní škola
Fyzika okrajového plazmatuTurbulence, Elektrická poleInterakce Plazma - stěna
![Page 57: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/57.jpg)
Plazmové stříkání wolframuOzařování Hallových senzorů
ITER blanket ozařování
Svařování vakuové nádoby pro ITER Numerické simulace
Nuclear Data (IFMIF)
Mechanické testy panelů první stěny pro ITER ve spolupráci s průmyslovou sférou
(Škoda Výzkum, Vítkovice)
Ústav fyziky plazmatu, AV ČR
Ústav jaderného výzkumu
Vývoj nových technologií
Ústav jaderné fyziky, AV ČR
Fakulka jaderná a fyzikálně inženýrskáČVUT
Ústav aplikované mechanikyBRNO
![Page 58: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/58.jpg)
* Tokamak velmi moderní konstrukce* Magnetická konfigurace podobná jako na ITERu (10x menší)* Relevantní fyzikální program* Cena cca 400 mil Kč – nabídnut zdarma ÚFPAvšak:nutné další investice (nová budova, nové napájecí zdroje, navýšení počtu pracovníků, …) – první plazma 31.12.2008
COMPASS-D COMPASS-D vv Culham Laboratory, UKCulham Laboratory, UK
![Page 59: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/59.jpg)
COMPASS-D je sice relativně malý tokamak, ale má geometrií (magnetickou konfiguraci) podobnou ITERu
Prů
řez
prst
ence
pla
zmat
u
![Page 60: Fyzika plazmatu a termojaderné slučování Jan St ö ckel, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, Praha](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022062308/56812b50550346895d8f7189/html5/thumbnails/60.jpg)
Závěr• Fyzikové jsou přesvědčeni, že ekonomicky výhodný
a ekologicky přijatelný reaktor na bázi magnetického udržení plazmatu lze vybudovat do 2050 (tokamaky JET, TFTR, JT-60).
• Klíčové rozhodnutí – postavit ITER
• Stávající vědecký, technologický a průmyslový potenciál ČR umožní naše pokračování ve fúzním výzkumu a zapojení do projektu ITER.