Fúziós plazmareaktorok és a TCV

Az előadások a következő témára: "Fúziós plazmareaktorok és a TCV"— Előadás másolata:

1 Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Márki János 2009. Február 11, CRPP Lausanne 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

2 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
A Világ energiaigénye 1990: 366 EJ (1 EJ = 10^18 J) 2005: 487 EJ 2030: 732 EJ Jelenleg 85% fosszilis erőforrásokból Az utóbbi 30 évben ezek aránya nőtt a leggyorsabban CO2 kibocsájtás → globális felmelegedés és készletek kimerülése (pl. Olajcsúcs-elmélet) Global warming is finally proven 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

3 Megoldási lehetőségek
Fosszilis erőművek CO2 befogással: műanyagok és gyógyszeripar alapanyag Megújuló energiák: Nap-, Szél-, Vízenergia: nagy potenciál, nem folyamatos forrás (energiatárolás szükséges) Biomassza és bioüzemanyagok (kis energiasűrűség, verseny a mezőgazdasági termeléssel) Nukleáris: Fisszió: Üzemanyagkészlet véges (proliferáció, üzemi balesetek, hulladéktárolás) Fúzió? 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

4 Reakcióhő - nagyságrendek
A nem-megújuló energiaforrások anyagátalakulás révén termelnek energiát: Kémiai reakciók (elektronhéj): <1 eV/atom → kg/személy/év Nukleáris reakciók (atommag): > 1 MeV/atom → 1 g/személy/év Nehéz atomoktól könnyebbek felé → fisszió Könnyű atomoktól nehezebbek felé → fúzió A kötési energia- különbözet kinyerhető! 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

5 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
A fúzió alapjai Fisszió vs. Fúzió (e2_22) Coulomb-erők legyőzése (eqt 24) Termikus közeg ~100 millió ˚C (nap felszíne 6000 ˚C, magja 15 millió ˚C): Plazma halmazállapot Hőmérséklet egység: 1 keV = kB*11600 K 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

6 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
A fúzió alapjai Reakciók: D-D, D-T, T-T, He3-He3, D-He3, stb. Legkönnyebben megvalósítható: D + T He(3.5 MeV) + n(14MeV) Li + n He + T Pv=Etot/τE Lawson-féle hármasszorzat: 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

7 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
A fúzió alapjai Előnyök: óriási energiasűrűség (csak anyag-antianyag reakcióból szabadul fel fajlagosan több) kb. 500 liter vízből és 30 g lítiumból egy európai ember életének energiaigénye lefedhető lenne stabil reakciótermék (He) Nincs láncreakció Nehézségek: 100 millió fokos közeget nehéz tárolni (főleg számottevő gravitáció nélkül)... 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

8 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
A fúzió alapjai A Lawson-kritérium ( ) teljesítéséhez két megközelítés: Mágneses plazmaösszetartás: - Larmor mozgás a tér mentén - Hosszú ideig marad egyben Tehetetlenségi összetartás: - E =r/cs - Nagy sűrűségre lehet összenyomni 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

9 Toroidális geometria -> Driftek
A görbületi és a grad B-drift szétválasztja az ionokat és az elektronokat Az ExB drift széthúzza kifelé a plazmagyűrűt Toroidális geometria (eqt 34) ExB Grad B Larmor-mozgás: 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

10 Mágneses plazmaösszetartás
Tokamak: a plazmában transzformátorral hajtott áram tekeri a mágneses teret helikális formájúra Sztellarátor: bonyolult formájú tekercsek a megfelelő teret hozzák létre 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

11 A tokamak konfiguráció
Tokamak konfiguráció (eqt 35) Fúziós reaktor működése (e3_31) 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

12 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Elszökő hő → Divertor Mágneses tér összetartása nem tökéletes, előbb-utóbb kifelé haladva elérnek egy olyan felületet, ami nem önmagába záródik – villámgyors falba csapódás τ║ << τ┴ 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

13 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Hol tartunk most? JET R = 2.96 m t = 20 s P = 30 MW B = 3.45 T Q = 0.62 TCV R = 0.88 m t = 2 s B = 1.43 T P = 5 MW Q kicsi 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

14 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
ITER (”az út”) Az ITER kulcsalkatrészeit megépítették és tesztelték: mágnes, divertor alkatrészek Amit a mai berendezések nem tudnak: Alfa részecske fűtés Q>1 energiamérleg Trícium termelés Li-ból Egy kutatóreaktor, ami a döntő lépés lenne egy működő, energiatermelő reaktor felé: I T E R (International Thermonuclear Experimental Reactor) Résztvevők: EU, Japán, Oroszo., USA, Kína, Dél-Korea, India Mérnöki tervek készen vannak Legalább Q=10 Trícium-fejlesztés teszt, reaktor divertor,reaktor sugárterhelés kb. 10* 109 EUR, 10 év építés Start: 2017 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

15 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
ITER Fusion Power : 500 MW Q Value : >10 Major Radius : 6.2 m Minor Radius : 2.0 m Plasma Current : 15 MA Magnetic Field Maximum : 11.8 T Plasma Center: 5.3 T Kriosztát Szupravezető mágnes Divertor 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV Ember

16 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Kihívások (ITER) Óriási hőterhelés a divertorban (és a vákuumkamrában amúgy is): 10 MW/m2 állandó, 100 MW/m2 baleseti hőfluxus Trícium-szennyezettség: robotok végzik a karbantartást Tricium lerakódás a grafitban (co-deposition) Felaktiválódás (EUROFER) az erős 14 MeV-es neutronfluxustól 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

17 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Megtérülési mutatók A legújabb átfogó tanulmány: EFDA Power Plant Conceptual Study, 2005 4 koncepció: A-C: ”Standard” felépítés különböző hűtési eljárásokkal D: SiC szerkezeti anyagok Cost Of Electricity (coe) 3-9 c/kW -> más energiahordozókkal összevethető 65-75% a költségnek a tőkeberuházás -> a technológiai fejlődés csökkenteni fogja 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

18 TCV (Tokamak à Configuration Variable)
Fő erősség: szabadon változtatható plazmaalak ECRH: elektron-ciklotron fűtés (legnagyobb fajlagos teljesítmény itt van, ITER girotron tesztelés – 2MW) Plazmavezérlés (több diagnosztika jeleinek feldolgozásával megvalósított valós-idejű digitális irányítás) Mágneses rendszerek 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

19 Tipikus kísérlet (TCV)
A toroidális kamrában állandóan nagyvákuum van (~ 10-7 mBar) Mágneses tér felépül a lendkeres generátorról Gáz (semleges) beengedése egy szabályozott szelepen keresztül Transzformátor létrehoz egy elektromos teret, a létrejövő Townsend-lavina ionizálja a kamrában levő gáz nagy részét Az ionizált gázt (a plazmát) a mágneses terek bezárják a kamra közepén, a szabályozórendszer a megfelelő formájú teret kialakítva végigviszi a kisülést, majd a végén a belső falnak támasztva ismét kialszik Mágneses tér leépül Vákuumpumpa kiszívja a maradék gázt + glimm kisülés 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

20 Tipikus TCV lövés (shot)
2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

21 Lendkerekes generátor
m = 140 tonna f = 3600 rpm – 2700 rpm Pmax = 100 MW E = 138 MJ 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

22 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Fűtés, Áramhajtás A fő fűtési mechanizmus az Ohmikus fűtés: P = U*I = R * I2 Fő probléma: R↓ ahogy T↑, egy forró plazma vezetőképessége meghaladja az aranyét! Kiegészítő fűtésre van szükség! Transzformátor inherensen impulzus-üzemű -> Áramhajtáshoz is kell folyama-tos üzemmódban működő egyéb eszköz 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

23 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Fűtés, Áramhajtás Áram: Induktív áramgerjesztés (csak impulzus <10 sec) Mikrohullámú áramhajtás (1 GHz-100 GHz, 1MW) Fűtés: Ohmikus fűtés (kevés a fúzióhoz) Semleges részecske (NBI) Ion-ciklotron frekvencia (30 MHz) Elektron-ciklotron frekvencia (100GHz) NBI-nyaláb ICRH-antenna ECRH-belövő Teljesítmények: 0.5-2 MW/blokk 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

24 Diagnosztikák Nagyjából a fizika teljes eszköztára felhasználásra kerül: Elektromágneses hullámok (1 Hz-100 keV) Egyszerű hurkok, elektromos szondák Spektroszkópia, lézerek Semleges nyaláb szondák: energiák: termális - MeV Részecske analizátorok A legtöbb paramétert (ne, ni, Te, Ti, Ip, Zeff, E, …) a modern berendezéseken ma már meg tudjuk mérni, de ehhez ~100 ember koordinált munkájára van szükség A JET tokamak diagnosztikai rendszerei

25 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Diagnosztikák Thomson-szórás: Te, ne Lézernyaláb (50 Hz) megvilágítja a plazmát Az útjába eső elektronok izotróp módon szórják a fényt Szűk látószögű optikai kábelekkel nézve lokális mérést ad Intenzitás -> ne Doppler-kiszélesedés -> Te 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

26 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Diagnosztikák DNBI (diagnostic neutral beam injection) A gerjesztést egy semleges nyaláb végzi Töltéscsere (CX) után a plazmában levő szénionok meghatározott hullámhosszú fotonokat bocsájtanak ki (Doppler-shift révén plazmaforgás, kiszélesedésből Ti) 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

27 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Diagnosztikák Tomográfia Különböző hullámhosszú sugárzásokat több különböző látószögből felvesszük, majd számítógépes algoritmussal a mérések alapján az eredeti sugárzási mintázatot visszafejtjük (MPX, BOLO, XTOMO, AXUV, Hard-X) Hasonló eljárás, mint a CT, PET és MRI esetén, csak sokkal nagyobb a diagnosztizált térfogat BOLO tomográfia BOLO kamerák 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

28 Tomográfia - orvostudomány
2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

29 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
ELMek Legjobb plazmaösszetartás: ún. H-mód konfigurációban Az ugyanakkora mágneses térben létrehozható nagyobb plazmanyomás ára: Edge Localised Mode (ELM) ELM: kvázi-periódius jelenség, amely akár 15% Eplasma –t is kivetheti Ezek az események extrém hőterhelést okozhatnak a divertoroknál és a vákuumkamra falán, megrövidítve a berendezés élettartamát the onset of an instability: total stored energy from the plasma edge 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

30 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Mérési elrendezés IR fotonfluxus mérése  digitális jel Feketetest kalibráció alkalmazása  látszólagos hőmérséklet  megbecslése  igazi felszíni hőmérséklet A hőmérséklet térbeli és időbeli változásából + a lerakódott réteg egyszerű modellje  hőfluxus PIR (THEODOR 2D kód = a hővezetési egyenlet inverz megoldása) Relay optics (7 Si lenses) TCV vacuum vessel Detector type CMT FPA size 256 x 256 Spectral range μm Frame rate 880 Hz Subframe mode 25 16 x 8 Integration time 1 μs -2 ms Camera FOV 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

31 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Fúzió Magyarországon Oktatás Mérnök-fizikus szak BME, fizikus szak ELTE speciális előadások: Bevezetés a fúziós plazmafizikába Bevezetés az elméleti plazmafizikába Fúziós berendezések Plazmadiagnosztika SUMTRAIC – Kísérleti plazmafizikai nyári iskola (Prága, Budapest, ...) Részvétel európai fúziós kísérletekben ASDEX Upgrade (München) TEXTOR (Jülich) JET, MAST (Oxford) CASTOR -> COMPASS (Prága) W7-X (Greifswald) 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

32 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Fúzió Magyarországon Különböző kutatási témák (RMKI-KFKI): Li – nyaláb diagnosztika fejlesztése, turbulencia mérése (JET,TEXTOR) Zonális áramlások vizsgálata (CASTOR) ELM dinamika (ASDEX?) Gyors gázbelövő tervezése és gyártásának koordinálása, diszrupciók és szennyezőtranszport vizsgálata (TCV) Pellet-transzport modellezése BES diagnosztika (JET, COMPASS) Különböző mérnöki előkészítő feladatok az ITER-hez és a DEMO-hoz 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV

33 Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV
Köszönöm a figyelmet! 2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV