Reaktory termojądrowe inż. Maciej Kasela 15.05.2016 r.

Co to jest synteza termojądrowa? Jest to proces łączenia lekkich jąder, którego produktem są cięższe jądra oraz pewna ilość energii. Ponieważ proces ten wymaga zbliżenia do siebie jąder, a charakteryzują się one dodatnim ładunkiem, konieczne jest pokonaniem sił odpychania elektrostatycznego. Dlatego procesy te obserwuje się w wysokich temperaturach rzędu 10^7 K - jądra mają wtedy wystarczającą energię kinetyczną by zbliżyć się do siebie na odległość umożliwiającą dokonanie syntezy.

EB = [ Z mp + (A - Z) mN - mA,Z ] c2 Energia wiązania jąder jest to różnica mas nukleonów (protononów i neutronów) w stanie nie związanym i w stanie związanym w postaci jądra, pomnożona prze prędkość światła do kwadratu. Jest to słynny wzór Einsteina E=mc2. Gdzie m - jest to tzw. defekt masy, c - prędkość światła. Zapisać można to w sposób formalny: EB = [ Z mp + (A - Z) mN - mA,Z ] c2 gdzie Z - liczba atomowa, A - liczba masowa, mN-masa neutronu spoczynkowa, mp - masa protonu spoczynkowa, mA,Z - masa jądra, c - prędkość światła.

Energia właściwa wiązania: Ww = EB / A (energia na nukleon) Rys. 1. Energia właściwa wiązania od liczby masowej atomu 

Co to jest energia wiązania? Energia wiązania jest to energia jaką należałoby dostarczyć aby rozłożyć jądro na pojedyncze, swobodne nukleony. Lekkie jądra H mają najniższą energię właściwą. W reakcji syntezy jądrowej powstają cięższe jądra He. W tych jądrach jest większy defekt masy (większa energia wiązania na nukleon), więc energia musi zostać wydzielona "na zewnątrz". Stąd właśnie Słońce czerpie energie i to zjawisko chcą wykorzystać fizycy jądrowi do taniej produkcji energii elektrycznej na Ziemii.

D+D -> T (1. 01 MeV) + p (3. 02 MeV) (50%) -> He3 (0 D+D -> T (1.01 MeV) + p (3.02 MeV) (50%) -> He3 (0.82 MeV) + n (2.45 MeV) (50%) -> He4 + około 20 MeV w postaci promieniowania gamma (około 0.0001% zależne od temperatury) D+T -> He4 (3.5 MeV) + n (14.1 MeV) <- najłatwiejsza do wykonania D+He3 -> He4 (3.6 MeV) + p (14.7 MeV) <- najłatwiejsza reakcja bez neutronowa T+T -> He4 + 2n + 11.3 MeV He3+T -> He4 + p + n + 12.1 MeV (51%) -> He4 (4.8) + D (9.5) (43%) -> He4 (0.5) + n (1.9) + p (11.9) (6%) <- poprzez rozpad He5 p+Li6 -> He4 (1.7) + He3 (2.3) <- inna reakcja bez neutronowa p+Li7 -> 2 He4 + 17.3 MeV (20%) -> Be7 + n -1.6 MeV (80%) <- reakcja endoenergetyczna D+Li6 -> 2He4 + 22.4 MeV <- także reakcja bez neutronowa p+B11 -> 3 He4 + 8.7 MeV <- trudna do osiągnięcia ale więcej energii niż w reakcji p+Li6 n+Li6 -> He4 (2.1) + T (2.7) <- ta reakcja konwertuje neutrony na tryt n+Li7 -> He4 + T + n itd.

Podstawowym kryterium osiągnięcia progu syntezy termojądrowej jest tzw Podstawowym kryterium osiągnięcia progu syntezy termojądrowej jest tzw. kryterium Lawsona:  gdzie : n - oznacza liczbę cząstek w 1 cm3 plazmy, a t czas utrzymania jej w stanie skupionym. Czas ten dla pułapek magnetycznych powinien być rzędu 0,1 - 1,0s, co oznacza, że gęstość plazmy powinna wynosić 1014 

Rys. 2. Temperatury krytyczne samopodtrzymujących się reakcji termojądrowych

Reakcja termojądrowa W wyniku fuzji jądra deuteru z jądrem trytu powstaje jedno jądro helu (cząstka alfa) i wysokoenergetyczny neutron. Rys. 3. Synteza wodoru

Pozyskiwanie trytu Neutron może być wykorzystywany do produkcji trytu, (który nie występuje w stanie naturalnym) w reakcjach z litem. ⁶Li + n = ⁴He + T ⁷Li + n = ⁴He + T + n Tryt jest radioaktywny, ale rozpada się bardzo szybko - 12,6 lat emitując elektrony o niskiej energii. Np. izotop uranu 235 stosowany w elektrowniach jądrowych ma okres połowicznego rozpadu 700 mln lat.

Zasada konstrukcji reaktora termojądrowego z magnetycznym utrzymywaniem plazmy 1. Wytworzenie gorącej plazmy w silnym wyładowaniu elektrycznym  a) ściskanie przez azymutalne pole magnetyczne wokół osi z - „Z pinch” (samo-ściskanie wokół osi z)  2. Magnetyczne utrzymywanie gorącej plazmy  pułapki otwarte - zwierciadło magnetyczne koncentracja 1013 - 1014 cz /cm3 w czasie 10-3 - 10-1 s  pułapki zamknięte - Tokamak  toroidalna komora jako wtórne uzwojenie wielkiego transformatora; pola stabilizujące

3. Grzanie plazmy (zapłon)  grzanie omowe (temperatury do T = 107 K, kilka keV)  wzbudzenie rezonansu cyklotronowego elektronów lub jonów przez fale elektromagnetyczne  wstrzyknięcie wysokoenergetycznych jonów

Tokamak (ros. toroidalnaja kamiera s magnitnoj katuszkoj)   pole toroidalne - utrzymuje ciśnienie wewnątrz plazmy  centralny transformator indukuje prąd płynący w plazmie – ogrzewa plazmę do T ok. 1 keV  pole pionowe - utrzymuje sznur plazmowy w stabilnym centralnym położeniu Rys. 4. Schemat Tokamaku

Reaktor termojądrowy Rys. 5. Schemat reaktora termojądrowego

ITER - (International Thermonuclear Experimental Reactor) Rys. 6. Logo ITER

Cadarache (FRANCJA) Rys. 7. Mapa lokalizacji ITER

Rys. 8. Synteza jądrowa w tokamaku

I etap Wewnątrz tokamaku, znajdują się wysokiej mocy fale radiowe o różnej częstotliwości, i wysoko energetyczne promienie atomów neutralnych, które nagrzewają plazmę lub paliwo w procesie reakcji. Pod wpływem olbrzymiej temperatury wewnątrz komory atomy stracą powłoki elektronowe i utworzą plazmę.

II etap Gdy plazma osiągnie wystarczająca gęstość, jest dalej ogrzewana przez wstrzykiwanie w bardzo wysokiej prędkości neutralne atomy deuteru. Te naładowane cząstki są ograniczone przez ogromne pole magnetyczne, które będą wytwarzać elektromagnesy wokół komory tokamaka

III etap Cały czas jest zwiększana gęstość. Cząstki zderzają się z wiązkami cząstek plazmy przenoszą ta energię do plazmy ogrzewając ją w ten sposób. W każdym momencie w komorze spalania jest niewielka ilość paliwa rzędu 1,5 g, więc jakakolwiek awaria spowoduje ochłodzenie plazmy i zatrzymanie reakcji.

Główne dane reaktora ITER -objętość komory próżniowej w tokamaku: 1400 metrów sześciennych -waga tokamaku: 23 000 ton (dwa razy więcej niż wieża Eiffla) -objętość plazmy: 860 metrów sześciennych -waga pojedynczego elektromagnesu: 360 ton -paliwo: mieszanka wodoru i trytu w proporcjach 1:1 -temperatura plazmy: 150 milionów stopni C (10 razy więcej niż w centrum Słońca) -energia potrzebna do podgrzania plazmy: 50 MW -sprawność reaktora: 10 -ciepło generowane przez reaktor: 500 MW -temperatura pracy elektromagnesów: 4 K (-269 stopnie C)

Rys. 7. JET Rys. 9. Budowa ITER (Francja)

Rys. 10. Droga energetyki termojądrowej

Reaktory termojądrowe na świecie Maszyna Z – Nowy Meksyk – USA Gigantyczne ciśnienie oraz temperatura, które jest w stanie Wygenerować ta maszyna pozawala między innymi na testowanie zachowań różnych materiałów w  ekstremalnych warunkach oraz emitowanie potężnych dawek promieni rentgenowskich. Rys. 11. Maszyna Z

Wendelstein 7-X – Greifswald - Niemcy Największy reaktor termojądrowy typu stellarator Obie składowe pola magnetycznego wytwarzane są przez cewki zewnętrzne co powoduje, że mają one skomplikowany kształt. Rys. 12. Wendelstein 7-X

Tokamak JET(Joint European Torus)- Culham – Wielka Brytania największy obecnie reaktor termojądrowy z komorą próżniową o średnicy ok. 3 metrów, pozwala uzyskać 16 MW energii. Rys. 13. JET

Bibliografia: Słownik Fizyczny , Praca zbiorowa , Wydawnictwo "Wiedza Powszechna" , Warszawa 1984 Energia jądrowa i promieniotwórczość , A. Czerwiński , Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro , Warszawa 1998 Słownik Fizyki , Pod redakcją Alana Isaacsa , Prószyński i S-ka , Warszawa 1999 Skąd Słońce czerpie swą energię?, Zofia Gołąb-Meyer, Neutrino, nr 4/2009

Dziękuję za uwagę