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

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

Prosty układ wiązka-tarcza stałociałowa Zysk energetyczny

Prosty układ wiązka-tarcza plazmowa Zysk energetyczny n, T

Prosty układ wiązka-tarcza plazmowa Zysk energetyczny n, T

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Plasma Focus PF-1000

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

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

Problem z załamaniem Yn od I4 PF Prawo skalowania Nie udało się przekroczyć 1012 neutronów z reakcji D-D ~ 1012 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

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

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)

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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).

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

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

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

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

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

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: