F úziós plazmareaktorok és a TCV

2009. Február 11. Márki János: Fúziós plazmareaktorok és a TCV 1/33

Fúziós plazmareaktorok és a TCV

Márki János

2009. Február 11, CRPP Lausanne


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


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?


Reakcióhő - nagyságrendek• A nem-megújuló energiaforrások anyagátalakulás révén

termelnek energiát:• Kémiai reakciók (elektronhéj): <1 eV/atom →

100-1000 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!


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


A fúzió alapjai• Reakciók: D-D, D-T, T-T,

He3-He3, D-He3, stb.

D + T He(3.5 MeV) + n(14MeV)

Li + n He + T

Lawson-féle hármasszorzat:

Pv=Etot/τE

Legkönnyebben megvalósítható:


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)...


Mágneses plazmaösszetartás:

- Larmor mozgás a tér mentén

- Hosszú ideig marad egyben

A Lawson-kritérium ( ) teljesítéséhez két megközelítés:

Tehetetlenségi összetartás:

- E =r/c

s

- Nagy sűrűségre lehet összenyomni

A fúzió alapjai


1. A görbületi és a grad B-drift szétválasztja az ionokat és az elektronokat

2. Az ExB drift széthúzza kifelé a plazmagyűrűt

Toroidális geometria -> Driftek

ExB

qB

mvrL

Larmor-mozgás:

Toroidális geometria (eqt 34)

Grad B


Mágneses plazmaösszetartás

Tokamak: a plazmában transzformátorral hajtott áram tekeri a mágneses teret helikális formájúra

Sztellarátor: bonyolult formájú tekercsek a megfelelő teret hozzák létre


A tokamak konfiguráció

• Tokamak konfiguráció (eqt 35)

• Fúziós reaktor működése (e3_31)


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┴


Hol tartunk most?JET

R = 2.96 mt = 20 sP = 30 MWB = 3.45 TQ = 0.62

TCV

R = 0.88 mt = 2 sB = 1.43 TP = 5 MWQ kicsi


Amit a mai berendezések nem tudnak:Alfa részecske fűtésQ>1 energiamérlegTrícium 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

Az ITER kulcsalkatrészeit megépítettékés tesztelték: mágnes, divertor alkatrészek

ITER (”az út”)


ITER

Divertor

Kriosztát

Ember

Szupravezető mágnes

Fusion Power : 500 MWQ Value : >10Major Radius : 6.2 mMinor Radius : 2.0 mPlasma Current : 15 MAMagnetic FieldMaximum : 11.8 TPlasma Center: 5.3 T


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


Megtérülési mutatók• A legújabb átfogó tanulmány:• EFDA Power Plant

Conceptual Study, 2005

4 koncepció:A-C: ”Standard” felépítés különböző hűtési eljárásokkalD: SiC szerkezeti anyagokCost Of Electricity (coe) 3-9 c/kW -> más energiahordozókkal összevethető65-75% a költségnek a tőkeberuházás -> a technológiai fejlődés csökkenteni fogja


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


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


Tipikus TCV lövés (shot)


Lendkerekes generátor

• m = 140 tonna• f = 3600 rpm – 2700

rpm

• Pmax = 100 MW

• E = 138 MJ


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


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)

Teljesítmények:0.5-2 MW/blokk

Fűtés, Áramhajtás

ICRH-antenna

NBI-nyaláb

ECRH-belövő

Diagnosztikák

A JET tokamak diagnosztikai rendszerei

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

Elektromágneses hullámok (1 Hz-100 keV) Egyszerű hurkok, elektromos szondák Spektroszkópia, lézerek Semleges nyaláb szondák:

energiák: termális - MeV Részecske analizátorok

Nagyjából a fizika teljes eszköztára felhasználásra kerül:


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


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)


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

BOLOkamerák

BOLO tomográfia


Tomográfia - orvostudomány


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


TCV vacuumvessel

CameraFOV

Mérési elrendezés

Relay optics(7 Si lenses)

Detector type CMT

FPA size 256 x 256

Spectral range 1.5 - 5.1 μm

Frame rate 880 Hz

Subframe mode 25 kHz @ 16 x 8

Integration time 1 μs -2 ms

• 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)


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)


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


Köszönöm a figyelmet!

F úziós plazmareaktorok és a TCV

Documents

Transcript of F úziós plazmareaktorok és a TCV