prezentácia Fúzne raktory.ppt

Termonukleárne reaktory

Komercná jadrová energetika založená na využití neutrónovej retazovej reakcie v štiepnych materialoch dosiahla štádium technickej zrelosti a predstavuje pre najbližšie obdobie jedinú reálnu možnost riešenia energetických potrieb modernej spolocnosti.

Množstvo štiepnych materiálov v prírode, aj ked je velké, je limitované. Urán a tórium sú rozdelené po zemeguli velmi nerovnomerne a štiepne produkty sú svojou podstatou z hladiska vplyvu na životné prostredie rizikové materialy.

Z hladiska dlhodobej perspektívy je preto rozumné hladat dalšie cesty získavania energie. V súcastnosti sa ako reálna alternatíva ukazuje možnost realizácie termonukleárnych reaktorov, založených na využití jadrových reakcii najlahších prvkov pri velmi vysokých teplotách. Po mnohých rokoch nelahkého výskumu fyziky vysokoparametrovej plazmy môžeme takéto zariadenia považovat za velmi slubné, aj ked je potrebné doriešit mnoho zložitých technických otázok.

Fúzne reaktory pracujú na princípe tokamaku, ktorého principiálne základy boli vyvinuté v Rusku niekedy v 60-tych rokoch minulého storocia. Odvtedy prešli tokamaky velkým vyvojom najmä co sa týka konštrukcnej casti. Z hladiska významnosti sú najdôležitejšie dva, experimentálny fúzny reaktor JET a jeho nasledovník ITER, ktorý je zatial vo výstavbe.

Fyzikálny princíp

Jadrové reakcie vhodné pre realizáciu termonukleárnych procesov, majú byt silné exergické jadrové premeny s vysokým úcinným prierezom už pri pomerne nízkych energiách.

V ideálnom prípade by produkty reakcie mali byt nabité castice. Generácia neutrónov, s ktorými sa nepocíta pre dalšie špeciálne využitie, velmi komplikuje prevádzku zariadenia a znehodnocuje ju z ekologického hladiska.

Základné termonukleárne reakcie použitelné pre realizáciu termonukleárnych zariadení sú uvedené v tabulke c.1.1. 1

Základné termonukleárne reakcie Tabulka 1.1.1

Ako vidiet, všetky uvedené reakcie sú sprevádzané tepelným efektom. Avšak tieto reakcie sa môžu uskutocnit iba vtedy, ak jadrám, ktoré sa majú na reakcii zúcastnit, sa dodá energia potrebná na prekonanie potenciálovej bariery. Inými slovami, aby sa jadrá mohli priblížit na vzdialenost, pri ktorej už zacnú pôsobit jadrové sily, musia prekonat sily coulombovského odpudzovania medzi kladnými nábojmi. Vzdialenost pôsobenia jadrových síl medzi jadrami je ˜ 2.10 -5 m. To znamená, že uvedené jadrá sa musia priblížit na vzdialenost medzi ich stredmi ˜ 4.10 -15 m. Pri tejto vzdialenosti výška potenciálovej bariery je asi 400 keV. Dodat potrebnú energiu velkému poctu jadier uvedených izotopov vodíka možno napr. jeho zohriatím na vysokú teplotu, a to 10 8 až 10 9 K. Pri takej vysokej teplote, pri akej prebieha jadrova reakcia syntézy, vodík už nemôže existovat ako neutrálny plyn pozostávajúci z atómov a molekúl, ale iba z jednotlivých pohybujúcich sa jadier a elektrónov. Takýto plyn sa volá vysokoteplotná plazma.

Schematické znázornenie reakcie deutéria trícia

S narastajúcou teplotou sa všetky materiály postupne transformujú z pevného do tekutého a potom do plynného skupenstva. Ak teplota dalej rastie atómy alebo molekuly materiálu nadobúdaju takú výsokú energiu, že už nemôžu existovat v pôvodnéj forme ako jadro a elektrónový obal. Atómy plynu sa rozložia na ich zložky, elektróny a jadrá.

Každodenný príklad plazmového stlpca je neónová trubica, elektrická iskra alebo plazmová ciara v blesku.

Vlastnosti plazmy sú velmi odlišné od vlastnosí plynu. Plazma je napríklad elektrický vodivá na rozdiel od plynov ktoré sú velmi dobré izolanty. Plazma je vlastne velké množstvo jadier plynu, teda kladne nabitých iónov a elektronového plynu. Všetky castice v plazme majú elektrický náboj, preto ich môžme ovplyvnovat elektrickým alebo magnetickým polom.

Táto vlastnost je skúmaná vo fúznych zariadeniach, pracujúcich s horúcou plazmou ohranicenou magnetickou klietkou, ktrorá sa stáva vlastne akoby materiálovou stenou.

Obr. Rozdiel medzi plazmou a plynom

Tokamak

Tokamak je toroidný systém, v ktorom je plazma udžiavaná magnetickým polom. Magnetické pole slúži na ohranicenie horúcej plazmy a tvorí pre nu vlastne materiálovu stenu, je vytvárané kombináciou toroidného pola a poloidného magnetického pola. Toroidné magnetické pole je vytvarané vonkajšími cievkami, poloidné pole je generované prúdom pretekajúcim plazmou. Tento prúd sa tiež používa na základné zohriatie plazmy.

Princíp tokamaku je pomerne jednoduchý, ale fyzikálne procesy, ktoré v nom prebiehajú sú pomerne zložité. Základnou podmienkou makroskopickéj stability je, aby toroidné pole bolo silnejšie ako poloidné magnetické pole.

Pre vytvorenie toroidného magnetického pola, ktoré ohranicuje plazmu sú potrebné velké cievky ktorými pretekjú velké prúdy. Cievky toroidného pola sú väcšinou tvorené sústavou jednozávitových cievok, kde jadro toroidného systému tvorí nádoba reaktora a v nej plazma. Polidné pole slúži zároven na základné zohriatie plazmy a súctom s toroidným polom vytvára špirálovité magnetické pole vo vnútri plazmy. Po silociarach tohto magnetického pola sa pohybujú nabité castice plazmy, postupne sa dostávajú do stredu toroidného jadra, kde je najväcšia intenzita magnetického pola a najväcšia hustota jadier deuteria a trícia, pri náhodných zrážkach po prekonaní potenciálovej bariéry sa spájaju a vytvarájú tažšie jadrá a súcasne uvolnia energiu a neutrón.

Principiálna schéma tokamaku

Tepelný prierez plazmov fúzneho reaktora

Vyhrievanie plazmy

Predtým ako sa rozbehne fúzia vo fúznom reaktore sa vo vnútri nachádza neutrálny plyn deutéria a trícia, tento neutrálny plyn treba premenit na plazmu a to tak, že mu dodáme velkú energiu. Ked sa plyn zmení na plazmu, dá sa ovladat megnetickým polom cievok tokamaku. Plazma sa musí dalej prehrievat, až kým nie je zohriata na takú vysokú teplotu, že zacne fúzia lahkých jadier. Ak sa rozbehne fúzia, energia uvolnená z reakcie dalej sama zásobuje plazmový prstenec a ten sa stáva energeticky nezávislý od vonkajšieho zdroja energie, teda od vyhrievania. Tento stav sa nazýva bod zapálenia alebo bod horenia plazmy.

Existuje niekolko teoretických možností ako tento stav dosiahnut, niekolko spôsobov vyhrievania plazmy : - prúdový ohrev (ohmický ohrev)

- vysokofrekvencný ohrev

•  injektovaním neutrálnych castí

•  adiabatická kompresia

•  turbulentný ohrev

Najvýznamnejšie spôsoby externého vyhrievania plazmy sú prvé štyri, ale ani jedna z týchto metód sa nedá použit pocas celého procesu prehrievania, a preto sa musia vždy metódy kombinovat.

Prúdový ohrev

Pri tomto spôsobe prehrievania sa používajú poloidné cievky tokamaku, plazma vo vnútri reaktora sa dá chápat ako sekundárne vinutie transformátora, ktoré je spojené nakrátko. Ak na primárne vinutie privedieme striedavé napätie, bude sa napätie indukovat na sekundárnej strane, toto napätie vytvorí v cievke nakrátko, ktorú predstavuje plazma prúd.

Ked elektrický prúd prechádza cez elektricky vodivú plazmu, generuje v nej teplo cez jej odpor ako v platnickovom varici. Táto metóda ma svoj nedostatok v tom, že s rastúcou teplotou klesá elektrický odpor plazmy, takže je použitelná iba pre pociatocné ohriatie.

Schematické znázornenie prúdového ohrevu

Vysokfrekvencný ohrev

Vysokofrekvencný ohrev funguje na približne rovnakom princípe ako mikrovlnná rúra. Ked sa elektro-magnetické vlnenie vhodnej frekvencie vyžiari do plazmy, plazma ciastocne absorbuje energiu z pola a pretransformuje ju cez pružné zrážky do ostatných castíc. Otácvý pohyb iónov a elektrónov okolo magnetických silociar poskytuje primeranú rezonanciu. Orbitálna frekvencia ionov je medzi 10 až 100 MHz a lahších elektrónov medzi 60 až 150 GHZ.

Principiálne znázornenie vysokfrekvencného ohrevu

Vyhrievanie neutrálnymi casticami

Neutrálne castice s vysokou energiou su injektované do plazmy, casticiam plazmy odovzdávajú svoju energiu cez pružné zrážky cím sa znižuje energia neutrálnych castic a zvyšuje sa energia castíc plazmy. Ekvivalentom teploty je energia to znamená, ža ak stúpa energia castíc plazmy stúpa aj teplota plazmy. Neutrálne castice s vysokou energiou vznikajú v urýchlovaci po neutralizácii. Ióny produkovanév iónovom zdroji sú urýchlené v urýchlovaci na vysokú energiu. Rýchle ióny nemôžu preniknut cez magnetické pole toroidných cievok, preto musia byt zneuralizované na neutralizátore.

Vyhrievanie injekciou neutrálnych castíc

Adiabatická kompresia

Pri adiabatickéj kompresii dochádza k prudkému stlaceniu plazmy co spôsobý prudký nárast tlaku a vnútornej enrgie plazmy. Plazma sa stlaca pomocou toroidných cievok tokamaku impulzným zýšením prúdu pretekajúcim cievkami.

Tento spôsob ohrevu sa používa ako posledný po dostatocnom predohriatí plazmy a spôsobý zapálenie samotného plazmového prstenca. Samotný prúd potrebný na stacenie plazmy je obrovský, zavisí od velkosti tokamaku a od enrgie, ktorú treba plazme dodat, ale v princípe sa pohybuje okolo jednotiek MA. Z toho vychádzajú aj konštrukcné požiadavky na cievky toroidného vynutia tokamaku.

Palivo fúzneho reaktora

Palivom fúzneho reaktora by mal byt plyn deuteria a trícia co sú izotopy vodíka, reakcia deuterium – trícium (T-D) sa realizuje najlahšie, pretože má výhodný úcinný prierez už pri energiach rádovo desat keV. Deutérium sa líši od vodíka iba tým, že má v jadre o jeden neutrón viac a teda je o jeden neutrón tažší. Deutérium sa nachádza aj volne v prírode v morskéj vode a používa sa pre výrobu tažkej vody pre tažkovodné reaktory. Trícium je však materiál, ktorý sa umele vyrába pri jadrových procesoch a je radioaktívny s polcasom rozpadu 12,4 roka a s energiou žiarenia 18 keV. Ako izotop vodíka sa od vodíka líši tým, že má o dva neutróny viac.

Problém s tríciom je vo fúnom reaktore vyriešený tak, že si ho reaktor sam vyrába. Okrem plynu deuteria a trícia sa v reaktore nachádza aj lítium v takzvanéj plodiacej vrstve. Ak lítium zachytí neutrón premení sa na a – aktívne lítium, ktore sa s príslušným polcasom rozpadu rozpadá na a – casticu a trícium.

6Li + n ? 7Li ? a + T

Lítium a hélium sa odseparuje a trícium sa použije pri fuzii v reaktore.

Po vyhorení plazmového prstenca zostane v reaktore zmes deutéria, trícia a hélia. Zmes sa odcerpá odseparuje sa helium, deutérium a trícium sa vracia spät do reaktora. Neutróny vznikajúce pri fúzii nemajú naboj a preto ich nemôžeme ovplivnovat magnetickým polom. Neutróny odnášajú z rekacie väcšinu energie vo forme svojej rychlosti. Enrgia neutrónov vznikajúcich pri fúzii deutéria a trícia je okolo 14 MeV.

hore

Prvá stena reaktora

Prvá stena fúzneho reaktora by mala byt z materialu, ktorý ma dobrú tepelnú vodivot a dobre odoláva radiacnému poškodenie rýchlimi neutrónmi pre velkých neutrónových tokoch. Materiál s týmito vlastnostami ešte nieje vyvinutý. V dnes existujúcich reaktoroch sa pre prvú stenu reaktora požíva med, mednaté zliatiny prípadne zliatiny hliníka.

Rez fúzným reaktorom

Medené bloky pre prvú stenu reaktora

Takto narušená kryštálová mriežka výrazne mení makroskopické vlastnosti daneho materiálu, mení sa tepelná vodivost, medza klzu, medza pevnosti medza krehkého lomu. Najklúcovejšia vlastnost pre fúzny reaktor je tepelná vodivost, táto s poškodením kryštálovej mriežky výrazne rastie co zhoršuje odvod tepla vyvinutý pri fúzii.

Cast divertora fuzneho reaktora

V súcasných fúznych reaktoroch sa tento problém rieši tak, že sa jednoducho vnutorná prvá stena odstráni a dajú sa tam nové medené bloky. Na vymenu medených blokov sa používajú rozne robotické systémi. Toto riešenie je pre dlhodobú prevádzku fúzneho reaktora ako energetického zdroja absolútne nepoužitelné, takže prvá stena zostáva aj daléj najvážnejší problém fúznych reaktorov.

Výskumné fúzne raktory

Výskumné fúzne reaktory sa vo svete stavajú od konca 60 – tych rokov minulého storocia. Výjom fúnych reaktorov sa zaoberá takmer každá ekonomicky prosperujúca krajina. Takéto fúzne reaktory slúžia najmä na skúmanie vysokoparamtrovej plazmy a na vývoj materiálov pre stavbu reaktora.

Tabulka najvýznamnejšich fúzných reaktorov

Doteraz najväcší fuzny reaktor, ktorý bol postavený je projekt JET. Tento projekt bol financovaný zo zdrojov európskej únie. Tento fúzny reaktor je postavený v Anglicku. Paramentre JET-u su uvedené v tabulke.

hore

JET

hore

ITER

Vo svete bolo postavených niekolko experimentálnych fúznych reaktorov. Najväcší európsky projekt JET slúžil na skúmanie vlastností plazmy a materiálov použitých na konštrukciu reaktora. Európsky JET by mal byt posledný krok k prvému demonštracnému energetickému reaktoru, ktorým by mal byt ITER.

ITER je velký medzinárodný projekt financovaný a podporovaný Kanadou, Európou, Japonskom a Ruskom. Vedci z týchto krajín pracujú v spolupráci na vývoji doposial najväcšieho fúzneho reaktora, ktorý by mal byt prvým demonštracným energetickým reaktorom na báze fúznych technológií. ITER by mal demonštrovat vedeckú a technologickú realizovatelnost energetickej fúzie pre mierové úcely. Charakteristikou energetickej úcinnosti je energetický multiplikacný koeficient Q, ktorý je pomerom medzi energiou ktorú reaktoru dodáme a energiou ktorú z reaktora dostaneme. ITER by ako prvý mal mat multiplikacný koeficient Q väcší ako 1. Dokonca je v pláne dosiahnut Q=10. Ak by ITER splnil ocakávania, dalo by sa hovorit o novom a efektívnom energetickom zdroji, ktorého zásoby paliva sú prakticky nevycerpatelné.