Mágneses plazmaösszetartás

Az előadások a következő témára: "Mágneses plazmaösszetartás"— Előadás másolata:

1 Mágneses plazmaösszetartás
Pokol Gergő BME NTI MNT Nukleáris Szaktábor 2008. július 10.

2 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Mit kell összetartani? Deutérium + Trícium (+ Hélium) keverék 100 millió °C ! plazma halmazállapot (elektromosan töltött részecskék) MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

3 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Mit kell összetartani? Deutérium + Trícium (+ Hélium) keverék 100 millió °C ! plazma halmazállapot (elektromosan töltött részecskék) Ha szilárd anyaggal érintkezik, az elolvad, a plazma lehűl.  Nem lehet egy-szerűen tartályba zárni. MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

4 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Hogyan lehet összetartani? Szilárd tartályban? MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

5 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Hogyan lehet összetartani? Szilárd tartályban? Sehogy? MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

6 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Hogyan lehet összetartani? Szilárd tartályban? Sehogy: tehetetlenségi összetartás MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

7 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Hogyan lehet összetartani? Szilárd tartályban? Sehogy: tehetetlenségi összetartás Gravitációsan? MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

8 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Hogyan lehet összetartani? Szilárd tartályban? Sehogy: tehetetlenségi összetartás Gravitációsan: csillagok MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

9 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Hogyan lehet összetartani? Szilárd tartályban? Sehogy: tehetetlenségi összetartás Gravitációsan: csillagok Egyéb erőterekkel? MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

10 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Hogyan lehet összetartani? Szilárd tartályban? Sehogy: tehetetlenségi összetartás Gravitációsan: csillagok Egyéb erőterekkel: Magerők Elektromos erőtér Mágneses erőtér MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

11 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Hogyan lehet összetartani? Szilárd tartályban? Sehogy: tehetetlenségi összetartás Gravitációsan: csillagok Egyéb erőterekkel: Magerők Elektromos erőtér? Mágneses erőtér MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

12 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Hogyan lehet összetartani? Szilárd tartályban? Sehogy: tehetetlenségi összetartás Gravitációsan: csillagok Egyéb erőterekkel: Magerők Elektromos erőtér Mágneses erőtér MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

13 Részecskék mágneses erőtérben
Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás Részecskék mágneses erőtérben Forró, híg plazmában a részecskék szabad úthossza nagy (gyakorlatilag ütközésmentes rendszerről van szó). Tekintsük szabad, töltött részecskék mozgását! A körmozgás sugara: (Larmor-sugár) A körmozgás frekvenciája: (ciklorton frekvencia) MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

14 Részecskék mágneses erőtérben
Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás Részecskék mágneses erőtérben A mágneses erővonal mentén szabad mozgás. Az eredő pálya a mágneses erővonalra felcsavarodott spirál alakú. A körmozgás frekvenciája: sugara: MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

15 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Mágneses összetartás, lineáris geometria Ha grad B párhuzamos B-vel, úgynevezett mágneses palackot kapunk, amiben a részecskék az összesűrűsödő erővonalak tartományáról visszaverődnek (a részecskék mágneses momentuma adiabatikusan megmarad). A közel mágneses térrel párhuzamosan mozgó részecskékre nincs hatással  nem elég jó összetartás. MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

16 Mágneses összetartás, toroidális geometria
Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás Mágneses összetartás, toroidális geometria A lineáris berendezést tórusz alakúra alakítva a végeffektusok elkerülhetők. Ekkor egy tórusz alakú plazmagyűrűt kapunk. MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

17 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
A tér görbülete miatt az elektronok és az ionok fel- ill. lefelé driftelnek. A töltésszétválás létrehoz egy függőleges elektromos teret. Az E x B drift az egész plazmát kifelé mozgatja a mágneses téren keresztül. A drift hatása kiküszöbölhető, ha a mágneses erővonalakat helikálisan megtekerjük. Sztellarátorok (külső tekercsekkel) Tokamakok (plazmaárammal) MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

18 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Tokamak Sztellarátor (1) vákuumkamra, (2) mágneses tekercsek, (3) plazma, (4) plazmaáram, (5) mágneses erővonal, (6) mágneses tengely, (7) radiális irány, (8) toroidális irány, (9) poloidális irány MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

19 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
ITER Wendelstein 7-X A jelenleg épülő legnagyobb tokamak (Cadarache) és sztellarátor Greifswald). MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

20 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Plazmahatároló elemek A plazma szélére kijutó részecskék bombázzák a falat amelynek anyaga szennyezi a plazmát. Kontrollált plazma-fal kölcsönhatás: divertor Tipikus hőterhelés MW/m2 MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

21 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Fúziós technológiák: fűtés, áramhajtás Áram (tokamak): 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) Mikrohullámú (lower hibrid) antenna Teljesítmények: MW/blokk < 40 MW/berendezés MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

22 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
A rendkívül komplex fúziós berendezések működését nem lehet teljesen modellezni. Az eddigi berendezések működése alapján empírikus skálatörvényeket állítottak fel az extrapolálásra. Pld. H-mode skálatörvény: τE,th: Energiaösszetartási idő [s] τE,th= W/Pext Ip: Plazmaáram [MA] BT: Toroidális mágneses tér [T] P: Fűtési teljesítmény [MW] ne: Átlag elektronsűrűség [m-3] M: Atomtömeg [AMU] R: Tórusz nagysugár [m] ε: Kissugár/nagysugár κx: Plazma nyúltsága (alakfaktor) További skálatörvények is vannak: Minimális fűtés a H-mode belépéshez Maximális sűrűség (felette diszrupció) Maximális nyomás (felette instabil) MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

23 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Hol tartunk ma? Magfizikai alapok Gyorsítós laborkísérletek Plazmák előállítása, mérése, összetartása Plazmafizikai kísérletek Fúziós technológia: trícium termelés, energetika anyagok JELEN Technológiai kísérletek: ITER, IFMIF, CTF JÖVŐ Demonstrációs erőmű DEMO Kereskedelmi erőmű MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

24 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Az ITER International Thermonuclear Experimental Reactor Cadarache-ban épül Franciaországban. Első plazma 2018-ban (?) Résztvevő államok: EU, Japán, USA, Dél-Korea, Kína, Oroszország, India Min. Q=10 (10x energiasokszorozás) A mérnöki tervek elkészültek (?) Kulcselemeket legyártották/kipróbálták Li-köpeny tesztelése (T-szaporítás) 4∙109 EUR/8 év (1 EUR/év/állampolgár) Reaktor szintű sugár- és hőterhelés α-fűtés MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

25 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
Mikor lesz fúziós erőmű? A standard menetrend: ITER építés ITER kísérletek 10 év év DEMO tervezés DEMO építés 8 év Az EU elkezdte egy Strategic Energy Technology Plan (SET Plan) kidolgozását Ez esetleg lehetővé tenné a DEMO tervezését már az ITER építés alatt DEMO tervezés DEMO építés 5 év év Ennek a tervnek a plusz költsége kb. 100 millio EUR/év (0.25 EUR/év/állampolgár) MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

26 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
További információk Ez az előadás elérhető: Információ az Interneten: BME, mérnök-fizikus szak, nukleáris technika modul MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.

27 Pokol Gergő: Mágneses plazmaösszetartás
MNT Nukleáris Szaktábor, július 10.