Plasma Focus a Synteza Termojądrowa

Prezentacja na temat: "Plasma Focus a Synteza Termojądrowa"— Zapis prezentacji:

1 Plasma Focus a Synteza Termojądrowa
Marek Scholz Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy

2 Wprowadzenie W jakim układzie możemy produkować energię z syntezy jądrowej ? Dla jonów deuteru (d):

3 Prosty układ wiązka-tarcza stałociałowa
Zysk energetyczny

4 Prosty układ wiązka-tarcza plazmowa
Zysk energetyczny n, T

5 Prosty układ wiązka-tarcza plazmowa
Zysk energetyczny n, T

6 Prosty układ wiązka-tarcza plazmowa
n, T Jak nagrzać plazmę ? Jak utrzymać plazmę ?

7 Idea utrzymania gorącej plazmy
Rodzaje utrzymania plazmy: grawitacyjne, elektrostatyczne, inercyjne, magnetyczne.

8 Z-pinch Z-pinch jest prostym układem do magnetycznej kompresji i utrzymania plazmy

9 Równania Maxwell’a – równwnia magnetostatyki
Relacja Bennett’a Załóżmy: wielkości w równaniach są funkcjami tylko zmiennej r zaniedbywalne efekty na elektrodach Równania Maxwell’a – równwnia magnetostatyki Anoda Równowaga sił Katoda

10 Relacja Bennett’a Całkowanie przez części przy założeniu, że dla promienia pinchu I=Ip, p(a)=0 Anoda Ciśnienie gazokinetyczne: Przy założeniu quasineutralności i równości temperatur: Katoda

11 Przy założeniu dużej przewodności cieplnej plazmy:
Relacja Bennett’a Przy założeniu dużej przewodności cieplnej plazmy: Anoda Dla plazmy wodorowej: Katoda

12 Plazma w pinch-u Z-pinch jest prostym układem do magnetycznej kompresji i utrzymania plazmy Anoda Ważne (interesujace) parametry plazmy: promień pinchu maksymalna gęstość plazmy rozkład prądu Dlaczego te parametry są ważne ? Mogą decydować o: potencjalnych zastosowaniach stabilności układu Katoda Parametry, które możemy kontrolować eksperymentalnie: prąd plynący w plazmie gęstość liniową

13 Jak dużą temperaturę możemy osiągnąć ?
Anoda Dla plazmy wodorowej: Dla : Katoda Wydawało się niesamowite, że można otrzymać taką temperaturę plazmy w prostym układzie Z-pinch

14 Eksperyment Energia emitowanych neutronów powinna być izotropowa Dla :
Dla plazmy deuterowej: Energia emitowanych neutronów powinna być izotropowa

15 Pierwsze eksperymenty
Pierwsze obserwacje neutronów z liniowego Z-pinchu (synteza DD): I.V. Kurchatov, J. Nucl. Energy, 4,(1957),193 S. Bergelund, at al, J. Nucl. Energy, 4,(1957),213 J.W.Gardner, Nuovo Cimento, 10, (1957) yn za małe – T za niska Energia emitowanych neutronów z syntezy DD nie była izotropowa – emitowane neutrony nie pochodzą z reakcji termojądrowej O.Anderson, et al., Phys Rev, 109,(1958), 612

16 JAK POZBYĆ SIĘ WPŁYWU NIESTABILNOŚCI ?
T za niska Energia emitowanych neutronów nie jest izotropowa JAK POZBYĆ SIĘ WPŁYWU NIESTABILNOŚCI ?

17 Wytworzyć plazmę zdala od izolatora
Z-pinch Plasma Focus Filipova Plasma Focus Mathera Skrócić impuls prądu – mniej czasu na rozwój niestabilności Generator Marxa Linia Formująca Długi impuls Krótki impuls

18 Jak działa Plasma Focus ?
Przyspieszenie warstwy prądowej Kompresja i rozpad pinch-u Skala czasu rzędu ns Skala czasu rzędu s

19 Energia w Plasma Focus I C L0 R0 Lp(t) Rp(t)

20 Plasma Focus PF-1000

21 Plasma-Focus PF-1000U PF-1000 2 MA peak current 6 s quarter period
25 kV charging voltage 400 kJ stored energy Anode: 22,6 cm diameter 46 cm length Cathode: 40 cm diameter Cathode consists 12 rods (diam. 8 cm) Alumina insulator: 8,5 cm lenght Deuterium gas: 2 – 4 hPa Yn  1011 – 1012 DD neutrons

22 Eksperyment Energia emitowanych neutronów powinna być izotropowa
Dla plazmy deuterowej: Energia emitowanych neutronów powinna być izotropowa

23 Problem z załamaniem Yn od I4
PF Prawo skalowania Nie udało się przekroczyć 1012 neutronów z reakcji D-D ~ dla W~500 kJ (Los-Alamos, Limeil, Frascati) Problem z załamaniem Yn od I4 PF-1000, 1,95 MA, Y 61011 n/shot, E=480 kJ PF-1000, 1,8 MA, Y 31011 n/shot, E=480 kJ

24 Główne punkty programu
Wyjaśnienie zjawisk fizycznych prowadzących do załamania się prawa skalowania Zrozumienie zjawisk fizycznych zachodzących w implodującej plazmie i mających wpływ na szybkość reakcji jądrowych w pinch-u

25 Diagnostyki dla skalowania
Pas Rogowskiego (47 kA/V) 4 sondy dI/dt równomiernie rozmieszczone w kolektorze Liczniki srebrne do pomiaru neutronów Pojemnościowy dzielnik napięciowy (4 kV/V)

26 Sondy magnetyczne do pomiaru prądu Ip
K. Mitrovanov i S. Krauz, Kurczatov Institute

27 Sygnały z sondy magnetycznej
V= 23 kV, P = 2,66 mbar, Yn=1.0x1011

28 Sygnały z sondy magnetycznej
V= 24 kV, P = 2,66 mbar, Yn=1.5x108

29 Maksymalny prąd płynący w pobliżu osi elektrod PF-a - Iprobe (40 mm)
PF-1000U prawo skalowania Maksymalny prąd płynący w pobliżu osi elektrod PF-a - Iprobe (40 mm)

30 Energia emitowanych neutronów powinna być izotropowa
PF-1000U prawo skalowania Poseidon, Universitat Stuttgart Energia emitowanych neutronów powinna być izotropowa H. Schmidt, et al.; IEEE TPS, 34, (2006), 2363

31 Setup designed and built by Dr Marian Paduch, IPPLM Warsaw
Interferometria dla PF-1000U PF-1000, 2MA, 6s 16 frame Mach-Zehnder interferometer Delays of frames in ns 60 120 180 10 70 130 190 30 90 150 210 40 100 160 220 Setup designed and built by Dr Marian Paduch, IPPLM Warsaw

32 system of mirrors and prismas
Interferometry – PF-1000U 16 interferogramów w jednym wyładowaniu (M. Paduch, E. Zielinska) ewolucja pinch-u podczas emisji HXR i neutronów films mirrors dignostic beam reference beam system of mirrors and prismas 0, 10, 30, 40, 60, 70, 90, 100, 120, 130, 150, 160, 180, 190, 210, 220 ns

33 Interferometria – PF-1000U (s. 8584, 39 ns)
1) Reconstrucja prążków – określenie gęstości (Prof. T. Piszarczyk, T. Chodukowski, IFPiLM) 2) Interpolacja i ekstrapolacja ewolucji plazmy (J. Kortanek, CTU Prague) Interferogram 10 – 20 ns equidensities reconstruction equedensities with absolute scale Interpolation 1 ns

34 Ewolucja plazmy shot 8584, 27kV, 1,8 Torr, 1,9 MA

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82 Plasma dynamics shot 8406, 24kV, 1,8 Torr, 1,4 MA

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135 Ewolucja plazmy a emisja neutronów
Klatka Faraday’a dla sondy FNSP-1 Sonda scyntylacyjna FNSP-1 z kalsycznym fotopowielaczem i scyntylatorem BC-408

136 Ewolucja plazmy shot 8584, 27kV, 2,4 mbar, 1,9 MA, Yn=4,2·1011

137 Plasma dynamics vs. neutron emission
shot 8584, 27kV, 2,4 mbar, 1,9 MA, Yn=4,2·1011

138 Anisotropia energii emitowanych neutronów
shot 8584, 27kV, 2,4 mbar, 1,9 MA, Yn=4,2·1011 Scheme of diagnostics:

139 Ewolucja plazmy shot 8406, 24kV, 2,4 mbar, 1,4 MA, Yn=9,0·1010 120 130
150 220 160 180

140 Plasma dynamics vs. neutron emission
shot 8406, 24kV, 2,4 mbar, 1,4 MA, Yn=9,0·1010 120 160 220 220 160 180

141 Anisotropia energii emitowanych neutronów
shot 8406, 24kV, 2,4 mbar, 1,4 MA, Yn=9,0·1010 Scheme of diagnostics:

142 Ion-pinhole cameras within the PF-1000 facility during measurements of fusion-produced protons.

143 Small ion pinhole cameras equipped with PM-355 detectors were used to determine fusion-reaction proton emission sources. Fusion reaction protons detectors shown here were used in our PF experiments as an independent diagnostics method to obtain direct information on the spatial localization of the neutron emitting zones inside the pinch structure To eliminate fast primary deuterons the detector samples used in the cameras were covered with 80 μm thick Al-foils. PM-355 detector Aluminium foil

144 Images of fusion-proton emitting areas, as obtained after etching of the PM-355 detectors irradiated during five successive discharges within the PF-1000 facility (operated at p0 = 3 Torr D2, U0 = 31 kV).

145 Image of the fusion-produced protons, as recorded upon the detector placed at 900 to the z-axis in the PF-1000. t  140 ns

146 Problemy do rozwiązania
Okślenie własności struktury plazmowej na końcu pinchu Rola wypływu plazmy Rola dysypacji pola magnetycznego w plazmę pinchu Natura emisji neutronów

147 Laboratoryjna Astrofizyka
Możliwości: Laboratoryjne eksperymenty mogą dostarczyć informacji o niektórych ‘wejściowych parametrach dla astrofizycznych modeli: opacity, równania stanu ‘Dynamiczne’ eksperymenty laboratoryjne pozwalają na analizę porównawczą astrofizycznych kodów hydrodynamicznych w zgodzie z warunkami skalowania Hydrodynamika eksplozji supernowych Astrofizyczne jet-y Akceleracja cząstek

148 Komentarz The beam current The total energy coupled to these ions
The distance traveled by an average beam ion before it produces a neutron in fusion reaction with a target ion The beam current The total energy coupled to these ions

149 Generowanie strumienii plazmy:
Jet-y astrofizyczne Generowanie strumienii plazmy: W układach Z-pinch dużej mocy: W układach laserowych dużej mocy:

150 Promienie kosmiczne vs wiązki cząstek w Z-pinchach:
Akceleracja cząstek Promienie kosmiczne vs wiązki cząstek w Z-pinchach: Akceleracja w fali uderzeniowej Adiabatyczna kompresja Turbulencaja generowana przez pulsary Microturbulencje Astrofizyczne pinch-e Zerwanie prądu: