1 ENERGETYKA JĄDROWA TADEUSZ HILCZER

2 Reakcje syntezy termojądrowej

3 Sir Marcus Laurence Elwin Oliphant (1901-2000)Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

4 Wydzielana energia (około na 1 gram substancji): Synteza lekkich jąder Synteza jąder atomowych lekkich pierwiastków odbywa się w bardzo wysokiej temperaturze, jaka panuje we wnętrzach gwiazd. Wysoka temperatura pozwala uzyskać jądrom energię kinetyczną wystarczającą na pokonanie sił wzajemnego odpychania. Dla temperatury rzędu 107 K średnia energia kinetyczna cząstek wynosi około 0,86 keV. Wydzielana energia (około na 1 gram substancji): przy syntezie wodoru - 3,6106 MJ, przy rozszczepieniu ,0104 MJ, przy spalaniu węgla w tlenie - 1,510-2MJ. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

5 Najważniejsze reakcje syntezy lekkich jąder Q = 5,49 MeV Q = 18,34 MeV Synteza lekkich jąder Najważniejsze reakcje syntezy lekkich jąder Q = 5,49 MeV Q = 18,34 MeV Q = 3,27 MeV Q = 19,8 MeV Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

6 Plazma w dużej objętości jest elektrycznie obojętna. W temperaturze koniecznej do syntezy jąder materia występuje w postaci plazmy. Plazma w dużej objętości jest elektrycznie obojętna. Lokalny rozkład ładunków dodatnich i ujemnych nie jest jednorodny. występują lokalne pola elektryczne stabilizujące własności plazmy są tym większe im większa jest gęstość plazmy. Lokalne pola elektryczne generują oscylacje, częstość oscylacji zależy od gęstości elektronów. Pole magnetyczne wywołuje podłużne fale magnetohydrodynamiczne - fale Alphena. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

7 Plazma w normalnych warunkach jest źródłem promieniowania: Widmo zależy od temperatury i stopnia zjonizowania plazmy. Źródła promieniowania plazmy rekombinacja elektronów i jonów dodatnich promieniowanie hamowania. Ten sam zakres częstości promieniowania jest przez plazmę pochłaniany. Plazma przewodzi prąd elektryczny: opór maleje ze wzrostem temperatury jak T-3/2. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

8 Reakcja syntezy termojądrowejŚrednia energia kinetyczna cząstek jednoatomowego gazu doskonałego jest równa: k - stała Bolzmanna, T - temperatura bezwzględna. Przy zderzeniu dwóch cząstek prawdopodobna energia zderzenia w układzie środka masy jest równa kT. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

9 Reakcja syntezy termojądrowejPrawdopodobieństwo przeniknięcia przez barierę kulombowską naładowanej cząstki o energii E znacznie mniejszej od wysokości bariery, określa czynnik Gamowa: Z1 i Z2 - liczby porządkowe obu jąder, l - długość fali de Broglie’a cząstki o masie zredukowanej m i względnej prędkości v. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

10 Reakcja syntezy termojądrowejZależność przekroju czynnego na reakcję syntezy od energii zderzających się cząstek opisuje wzór Gamowa EG - stała Gamowa, S(E) - tzw. czynnik astrofizyczny będący wolno zmienna funkcją energii, którą można w wielu przypadkach traktować jak wielkość stałą; obie wielkości wyznacza się doświadczalnie. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

11 Reakcje syntezy termojądrowejZe wzoru Gamowa wynika, że przekrój czynny szybko rośnie ze wzrostem energii zderzających się cząstek. W temperaturze rzędu 107K najbardziej prawdopodobna energia cząstek jest niższa od najbardziej prawdopodobnej energii zderzenia, koniecznej do zainicjowania reakcji syntezy termojądrowej. Rozkład prędkości n1 cząstek o masie m1 w jednostce objętości gazu: Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

12 Reakcje syntezy termojądrowejJeśli w tej samej objętości znajduje się n2 cząstek innego rodzaju o masie m2, ich rozkład prędkości v2 opisany jest analogicznym rozkładem jak dla cząstek n1. Liczba cząstek o względnej prędkości v: Prędkość reakcji - liczba reakcji w jednostce czasu w danej objętości: - prawdopodobieństwo przeniknięcia bariery uśrednione względem wszystkich wartości względnej prędkości v. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

13 Reakcje syntezy termojądrowejPrędkość reakcji: Większość reakcji termojądrowych zachodzi w tej części rozkładu w której znajduje się tylko niewielka liczba cząstek. Krzywa N(E)s(E) określająca liczbę reakcji na jednostkę energii osiąga maksimum przy energii zwanej pikiem Gamowa i odpowiada minimalnej wartości: Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

14 Reakcja syntezy termojądrowejliczba reakcji N(E) przekrój czynny s(E) liczba reakcji na jednostkę energii N(E)s(E) N(E) s(E) N(E)s(E) pik Gamowa E Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

15 Reakcja syntezy termojądrowejQ = 17,58 MeV; pik Gamowa 60 keV Q = l8,34 MeV; pik Gamowa 270 keV Q = 22,36 MeV; pik Gamowa 450 keV Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

16 Zależność prawdopodobieństwa i średniego czasu życia od temperaturyTadeusz Hilczer, wykład monograficzny

17 Reakcje termojądrowe na SłońcuWe wnętrzu Słońca są temperatury rzędu 107 K Każdy m2 powierzchni Słońca promieniuje z mocą 6104 kW przez przynajmniej 1010 lat. Energia procesów chemicznych byłaby zupełnie niewystarczająca, gdyby w tych temperaturach mogły istnieć Energia grawitacyjna starczyłaby zaledwie na 2107 lat. Jedynym możliwym źródłem tak wielkich ilości energii są reakcje termojądrowe. Pierwsi zwrócili na to uwagę pod koniec lat dwudziestych XX w. R.E.Atkinson, F.G.Houtermans i C.F.von Weizsäcker. Szczegółową dyskusję przeprowadzili H.A.Bethe i E.Critchfield oraz G.Gamow. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

18 Hans Albrecht Bethe (1916-2005)Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

19 Reakcje termojądrowe na SłońcuWyniki obliczeń Bethego wykazują, że we wnętrzu Słońca jądra od 2D do 11B są nietrwałe w wyniku kolejnych reakcji jądrowych przetwarzają się ostatecznie w jądra 4He. Jądra cięższe (od 16O) mają czasy trwania od 107 lat do ponad 1012 lat, są trwałe w warunkach słonecznych. W każdej sekundzie na Słońcu 5,70108 ton wodoru przekształca się w 5,66106 ton helu. Słońce traci 4106 ton masy w postaci energii cieplnej i energii kwantów promieniowania. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

20 Reakcje termojądrowe na SłońcuTadeusz Hilczer, wykład monograficzny

21 W latach pięćdziesiątych XX w. zauważono rolę cyklu bocznego:Cykl CNO Reakcje jądrowe zachodzące w jądrach atomowych od12C do 15N prowadzą do zamkniętego tzw. cyklu Bethego (cyklu węglowo-azotowego, cyklu CNO): W latach pięćdziesiątych XX w. zauważono rolę cyklu bocznego: Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

22 zniknięcie czterech protonów, Cykl CNO Bilans cyklu CNO: zniknięcie czterech protonów, pojawienie się jądra helu, dwu pozytonów, trzech fotonów gamma i dwu neutrin. Pozytony ulegają anihilacji z napotkanymi elektronami, dając znów fotony gamma. Przy utworzeniu jednego jądra helu wydziela się: energia 25,7 MeV, w postaci fotonów gamma, neutrin i energii kinetycznej jąder atomowych Na 1 mol wytworzonego helu wydziela się 6,2108 kkal. Zachodzi reakcja „spalania” wodoru na hel - węgiel odgrywa rolę „katalizatora”. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

23 Czas przebiegu cyklu CNO rzędu 50 milionów lat, Cykl CNO Czas przebiegu cyklu CNO rzędu 50 milionów lat, decyduje najwolniejsza reakcja jądrowa z azotem 14N. Przeciętna energia wydzielana na gram materii Słońca na jednostkę czasu jest bliska wartości obserwowanej 210-4 J/kg s Cykl CNO może być źródłem energii słonecznej. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

24 Cykl p-p Istnieje też cykl p-p przedyskutowany również przez H.Bethego i E.Critchfielda. z cyklem bocznym: Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

25 Wiek Słońca ocenia się obecnie na co najmniej 5109 lat Cykl p-p Cykl p-p jest bardziej prawdopodobny niż CNO, gdy temperatura wnętrza gwiazdy jest niższa. Energii dostarczanej przez cykl węglowy starczyć może Słońcu na 1011 lat. Wiek Słońca ocenia się obecnie na co najmniej 5109 lat Źródłem energii słonecznej jest energia jądrowa emitowana w reakcjach termojądrowych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

26 Każdą substancję można przeprowadzić w stan plazmy Plazma Każdą substancję można przeprowadzić w stan plazmy za pomocą silnych wyładowań elektrycznych bardzo wysokiej temperatury. Plazma gorąca całkowite zjonizowanie gazu możliwe w temperaturze milionów stopni. Warunki, w których cząstki uzyskają energię kinetyczną wystarczającą do zapoczątkowania reakcji syntezy termojądrowej zależą: od masy gazu od stopnia zdegenerowania materii. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

27 dla reakcji deuter-tryt około 4107 K, Synteza termojądrowa Temperatura plazmy konieczna do zapoczątkowania reakcji syntezy dla reakcji syntezy wynosi: dla reakcji deuter-tryt około 4107 K, dla reakcji deuter-deuter aż 3,5108 K. W przypadku deuteru oraz deuteru i trytu plazma jest plazmą gorącą. Podstawowy problemem, który nie jest całkowicie rozwiązany: uzyskanie plazmy gorącej o gęstości jonów/cm3 utrzymanie takiego stanu przez co najmniej część sekundy Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

28 Odizolowanie plazmy od ścianek naczyniaProblem odizolowania plazmy od ścianek naczynia. Trzy metody utrzymania plazmy z określonej objętości: metoda grawitacyjna, metoda magnetyczna, metoda inercyjna. Metoda grawitacyjna, realizowania na Słońcu, nie jest do zrealizowania w warunkach ziemskich. w warunkach ziemskich niezbędna byłaby masa plazmy porównywalna z masą Jowisza. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

29 Metoda magnetyczna wykorzystuje własności samej plazmy. Plazmę można ograniczać i utrzymywać w określonym miejscu za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego. Pole magnetyczne o natężeniu kilku tesli umożliwia skompensowanie ciśnienia plazmy rzędu kilku MPa. Pole o natężeniu 5T teoretycznie pozwala utrzymać plazmę o temperaturze 4108 K i gęstości około 1021 cząstek/m3. W tych warunkach do zapoczątkowania reakcji termojądrowej trzeba utrzymać plazmę deuterową w czasie kilku sekund plazmę deuterowo-trytową przez ułamek sekundy. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

30 iloczyn gęstości plazmy i czasu jej utrzymania Kryterium Lawsona: Metoda magnetyczna Metoda magnetyczna stwarza perspektywę realizacji kontrolowanej syntezy termojądrowej za pomocą dostępnych środków technicznych. Warunek graniczny, powyżej którego możliwe jest zainicjowanie syntezy termojądrowej, opisuje tzw. kryterium Lawsona - N iloczyn gęstości plazmy i czasu jej utrzymania Kryterium Lawsona: dla reakcji (D-D) N  1022 cząstek s/m3, dla reakcji (D-T) N  cząstek s/m3. Po kryterium Lawsona urządzenie może stać się reaktorem termojądrowym. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

31 Odizolowanie plazmy od ścianek naczyniaDo współczesnych urządzeń typu JET stosuje się parametr fuzji: (1eV ~ 104 K) iloczyn gęstości, czasu utrzymania i temperatury w warunkach plazmy Kryterium Lawsona lub parametr fuzji konieczne do realizacji tzw. breakeven (eksperymentu przełomowego) moc uzyskiwana z reakcji termojądrowych jest równa mocy zużytej do wytworzenia i ogrzania plazmy. Stosunek tych mocy - sprawność Q - dla breakeven jest równa jedności. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

32 Odizolowanie plazmy od ścianek naczyniaUzyskanie przemysłowego reaktora termojądrowego wymaga osiągnięcie zapłonu: energia jąder helu (cząstki a) powstałych w reakcji D-T, (20% energii wytwarzanej w tej reakcji) będzie wystarczająca do odgrzania plazmy i podtrzymania jej temperatury. Wymagania te są znacznie ostrzejsze niż dla breakeven: dla D-T parametr zapłonu 51021 cząstek s keV/m3. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

33 Podczas wyładowania cząstki plazmy poruszają się w sposób przypadkowy Pincz liniowy W roku 1950 w USA, Wielkiej Brytanii i b.ZSRR podjęto badania nad koncepcją pinczu, czyli samozaciskającego się wyładowania elektrycznego w gazie rozrzedzonym. Podczas wyładowania cząstki plazmy poruszają się w sposób przypadkowy W polu magnetycznym ruch tych cząstek plazmy jest uporządkowany Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

34 Zapewnione niezbędne odizolowanie plazmy od ścianek. Pincz liniowy Silne pole magnetyczne powoduje ściskanie strumienia plazmy do postaci tzw. sznura plazmowego Zapewnione niezbędne odizolowanie plazmy od ścianek. Przepływ prądu w sznurze i jego kompresja powodują jednoczenie grzanie plazmy. Do osiągnięcia warunków syntezy termojądrowej niezbędne są prądy rzędu 10 MA. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

35 W pierwszych urządzeniach osiągnięto Pincz liniowy W pierwszych urządzeniach osiągnięto stosunkowo duże gęstości, rzędu 1021 cząstek/m3 dość wysoką temperaturę, rzędu 106 K. Otrzymany czas życia plazmy był bardzo krótki, rzędu ms. Przyczyną zerwania wyładowania są momentalnie powiększając się: niestabilności, minimalne przewężenia, wygięcia sznura plazmowego, które Poważna wada pinczu liniowego bezpośredni kontakt plazmy z elektrodami. zanieczyszczenia plazmy. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

36 Problem elektrod nie występuje gdy wyładowanie zachodzi w pierścieniuPincz toroidalny Problem elektrod nie występuje gdy wyładowanie zachodzi w pierścieniu Plazma jest wtórnym uzwojeniem transformatora. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

37 Urzadzenia toroidalneW połowie lat pięćdziesiątych XX w. powstały duże urządzenia toroidalne słynne brytyjskie urządzenie ZETA. Idea pinczu była modyfikowana zakładano, że: za pomocą przepływu prądu można nagrzać plazmę na tyle szybko, że nie zdążą wystąpić niestabilności. Największe nadzieje - tzw. theta-pincz, gwałtowne ciśnięcie cylindrycznej warstwy plazmy przez szybko narastające podłużne pole magnetyczne Największe urządzenie z theta-pinczem Scyllac (USA) - energia zasilania 15 MJ. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

38 Wykorzystanie ruchu cząstek naładowanych w polu magnetycznym. Pułapka magnetyczna Wykorzystanie ruchu cząstek naładowanych w polu magnetycznym. ruch po liniach śrubowych dookoła linii sił pola. Promień krzywizny toru cząstki (dla energii odpowiadających reakcjom termojądrowym) w osiągalnych polach wynosi kilka milimetrów. Możliwe jest uwięzienie plazmy w polu magnetycznym o odpowiednio dobranej konfiguracji. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

39 Pułapka magnetyczna otwartaNajprostsza konfiguracja - pułapka zwierciadlana. Na końcach komory, w której jest podłużne pole magnetyczne, są dodatkowe uzwojenia zwiększające pole magnetyczne plazma od tego silniejszego pola odbija jak od zwierciadła. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

40 Pułapka magnetyczna otwartaPo odwróceniu kierunku prądu w jednym z uzwojeń można otrzymać tzw. pułapkę "karo". Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

41 Pułapka magnetyczna otwartaOpracowano różne konfiguracje pola magnetycznego w których można utrzymać gorącą plazmę. Są to pułapki typu otwartego, linie sił pola wychodzą na zewnątrz obszaru zajmowanego przez plazmę. wzdłuż tych linii pola plazma może uciekać Czas utrzymania plazmy w pułapkach otwartych był o kilka rzędów wielkości dłuższy niż w układach typu pincz, nie uzyskano spełnienia kryterium Lawsona. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

42 Pułapka magnetyczna toroidalnaW geometrii torusa linie sił pola magnetycznego się zamykały. Pole magnetyczne w torusie jest niejednorodne, co prowadzi do: rozdzielenia ładunków w quasi-neutralnej plazmie ucieczki ku ściankom. Po zwinięciu torusa w ósemkę, skręcone linie sił pola magnetycznego zapobiegały rozdzieleniu się ładunków. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

43 Pułapka magnetyczna toroidalnaPodobny efekt uzyskano przez odpowiednie nawinięcie uzwojeń wytwarzających pole magnetyczne. najlepsza pułapka magnetyczna - stellarator, pomysł profesora astronomii na Uniwersytecie w Princeton L.Spitzera. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

44 Pułapka magnetyczna toroidalnaW USA i niedługo potem w b.ZSRR zbudowano duże stellaratory, miały być prototypami eksperymentów przełomowych. Uzyskiwane wyniki znacznie odbiegały od oczekiwanych: pułapka ograniczała i utrudniała grzanie plazmy uzyskiwane temperatury nie przekraczały kilku milionów stopni. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

45 TОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками Tokamak Tokamak TОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками pierścieniowa komora z cewką magnetyczną. Tokamak łączy zasadę z-pinczu toroidalnego z koncepcją stellaratora. Zasadę działania opracowali Igor J. Tamm i Andriej D. Sacharow, konstrukcje - Lew Arcymowicz z Instytutu im. Kurczatowa w Moskwie. Pierwszy model powstał w roku 1950 w Instytucie Energii Atomowej w Moskwie. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

46 zabezpieczającą przed dryfem plazmy w wyniku rozdzielenia ładunku.Tokamak Prąd indukowany w toroidalnej komorze zapewnia wytworzenie i wstępne ogrzanie plazmy. Poloidalne pole magnetyczne indukowanego prądu w połączeniu z silnym toroidalnym polem daje zamkniętą pułapkę magnetyczną zabezpieczającą przed dryfem plazmy w wyniku rozdzielenia ładunku. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

47 Tokamak Tokamak jest w zasadzie olbrzymim transformatorem na którego rdzeń nałożona jest toroidalna komora próżniowa wypełniona wstępnie gazem roboczym (deuterem lub mieszaniną deuteru i trytu) pod niewielkim ciśnieniem. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

48 Tokamak Na komorę nałożone są uzwojenia wytwarzające w niej silne toroidalne pole magnetyczne. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

49 Pierwotne uzwojenie transformatora dołączone jest źródło zasilaniaTokamak Pierwotne uzwojenie transformatora dołączone jest źródło zasilania np. bateria kondensatorów Włączenie prądu w tym uzwojeniu powoduje przepływ indukowanego prądu w gazie wypełniającym komorę. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

50 Wytworzony sznur plazmowy jest wtórnym uzwojeniem transformatora,Tokamak Wytworzony sznur plazmowy jest wtórnym uzwojeniem transformatora, płynący prąd grzeje plazmę, Przyłożone śrubowe pole magnetyczne zabezpiecza plazmę przed kontaktem ze ściankami. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

51 Iloczyn nT wynosił 31011 cząstek s/cm3 Tokamak W latach sześćdziesiątych XX w. w Instytucie im. Kurczatowa zbudowano kilka urządzeń typu tokamak. W największym T-3 o średnicy komory 2 m uzyskano parametry plazmy, które przewyższały rekordowe wyniki z innych urządzeń termojądrowych. Iloczyn nT wynosił 31011 cząstek s/cm3 Do spełnienia kryterium Lawsona brakowało trzech rzędów wielkości. W roku na całym świecie istniało zaledwie 5 tokamaków W roku 1976 było już około 50 tokamaków, które osiągały coraz lepsze wyniki. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

52 zbliżono się do kryterium Lawsona. W tokamaku Alcator (USA) uzyskano: W tokamakach II generacji uzyskano zwiększenie gęstości i czasu utrzymania plazmy, zbliżono się do kryterium Lawsona. W tokamaku Alcator (USA) uzyskano: wartość N = 2 1013 cząstek s/cm3 temperaturę 6107 K, W tokamaku Alcator (USA) zastosowano metodę dogrzewania plazmy za pomocą: silnych wiązek neutralnych, potężnych strumieni wysokoenergetycznych atomów deuteru. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

53 JET W maju 1978 r. Rada Ministrów Wspólnoty Europejskiej podjęła decyzję o wspólnym badaniu kontro1owanej syntezy termojądrowej. Zaprojektowano duży tokamak Joint European Torus (JET), usytuowany w Culham, w pobliżu Oxfordu. W realizacji projektu uczestniczyły wszystkie kraje wspólnoty oraz Szwecja i Szwajcaria. Budowa miała zakończyć się w 1983 r. a zakończenie eksperymentu w 1992 r. Podstawowe cele: badanie oddziaływania plazmy na ściankę w warunkach reaktorowych, badanie skuteczności grzania plazmy kilkoma metodami, badanie wpływu cząstek a produkowanych w reakcjach D-T na parametry plazmy. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

54 JET Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

55 Tokamak JET jest urządzeniem trzeciej generacji. Kamorą jest torus o symetrii cylindrycznej o średnicy 6m i przekroju w kształcie litery D, o wysokości 2,1 m i średniej szerokość 1,6 m. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

56 Rdzeń transformatora ma masę 2800 ton. JET Rdzeń transformatora ma masę 2800 ton. Prąd płynący w plazmie osiąga 7106 A, czas trwania impulsu prądowego dochodzi do 20 s. Pole toroidalne o indukcji 3,5 T wytwarzają 32 cewki. Do zasilania cewek pola magnetycznego w JET służą dwa generatory z olbrzymimi 800 tonowymi kołami zamachowymi, które są powoli rozpędzane a podczas szybkiego hamowania oddają energię. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

57 Tokamak JET ma dwa potężne systemy dodatkowego grzania plazmy, za pomocą silnej wiązki cząstek obojętnych (NBI) za pomocą promieniowania mikrofalowego (ICRH). Łączna moc urządzeń dogrzewających - kilkadziesiąt MW (NBI – 22 MW, ICRH – 22 MW, LHCD – 7,3 MW). Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

58 W 1987 roku uzyskano wartość parametru fuzji 21020cząstek s keV/m3. JET W 1987 roku uzyskano wartość parametru fuzji 21020cząstek s keV/m3. czas utrzymania plazmy dochodził do 1sek, temperatura dwukrotnie przekraczała temperaturę zapłonu reakcji D-T. wyliczony parametr Q wraz z poprawą parametrów plazmy wynosił 0,9 czyli prawie breakeven. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

59 wydajność reakcji D-T jest stokrotnie większa JET Wszystkie dotychczasowe eksperymenty prowadzono z deuterem jako gazem roboczym. Mieszaniny deuteru i trytu nie stosowano ze względu na szkodliwe dla zdrowia własności trytu wyniki otrzymywane dla deuteru przeliczano na reakcję D-T, wykorzystując znajomość przekrojów czynnych w obu reakcjach. wydajność reakcji D-T jest stokrotnie większa otwierają się nowe nadzieje. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

60 Ma kosztować 10 miliardów euro i wytwarzać 500 MW. ITER Następnym jest tokamak ITER (International Thermonuclear Experimental Raactor), który miał być zbudowany do roku 1998 wspólnie przez Europę Zachodnią, USA, Rosję i Japonię. Jednak ze względu na olbrzymie koszty projekt ten czasowo zawieszono. W roku 2005 Unia Europejska podała, że budowa reaktora ITER jednak się rozpocznie w kooperacji pomiędzy UE, Japonią, USA, Chinami, Rosją i Koreą Południową. Ma kosztować 10 miliardów euro i wytwarzać 500 MW. Prace mają się zakończyć w roku 2016. Reaktor powstanie w Cadarache (Francja) UE poniesie połowę kosztów. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

61 Tokamak ITER będzie dwa razy większy od tokamaka JET, średnica torusa 12,5 m średnia szerokość komory 4 m objętość komory 849m3. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

62 Natężenie prądu w plazmie ma wynosić 15MA. Indukcja magnetyczna 5,3 T. ITER Natężenie prądu w plazmie ma wynosić 15MA. Indukcja magnetyczna 5,3 T. Moc urządzeń nagrzewających 75 MW. Oczekiwana temperatura plazmy 120 MK przy wytwarzanej mocy w reakcji syntezy MW. Oczekiwany współczynnik wzmocnienia w trybie impulsowym rzędu 10 w trybie quasistacjonarnym około 5. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

63 Na uwagę zasługuje opracowany przez Roberta Bussarda Reaktor polywell W ciągu ostatnich lat pojawiały się mniej lub bardziej obiecujące koncepcje przeprowadzania kontrolowanej reakcji termojądrowej. Na uwagę zasługuje opracowany przez Roberta Bussarda (-2007) reaktor termojądrowy typu polywell. Jest to pułapka elektronów, wykorzystująca pole magnetyczne i elektrostatyczne. Cewki wytwarzające pole magnetyczne tworzą wielościan, w którym są uwięzione elektrony. Wytworzony ujemny potencjał elektryczny wykorzystywany jest do przyspieszania uwięzionych jonów, będących materiałem syntezy termojądrowej. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

64 Testowa wersja reaktora polywell WB-7 (Wiffle Ball, USA): Reaktor polywell Testowa wersja reaktora polywell WB-7 (Wiffle Ball, USA): koszty były poniżej 2 milionów $, budowę rozpoczęto w sierpniu 2007 roku, pierwsza plazma w styczniu 2008 roku Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

65 bardzo szybkie (w czasie rzędu 1 ns) nagrzanie składników reakcji Metoda inercyjna Metoda inercyjna bardzo szybkie (w czasie rzędu 1 ns) nagrzanie składników reakcji wykorzystanie sił bezwładności do utrzymania temperatury przez czas wystarczający do zajścia dostatecznej liczby aktów syntezy. Do realizacji metody inercyjnej potrzebna moc 100 T moc wszystkich elektrowni na świecie jest rzędu 10 TW. Metoda inercyjna została zrealizowana w latach pięćdziesiątych XX w. w bombie wodorowej. Idea obecnie stosowanej metody inercyjnej polega na wywołaniu mikrowybuchu termojądrowego. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

66 Mikrowybuch termojądrowyMała kulka o średnicy ułamka milimetra, wypełniona mieszaniną D-D lub D-T Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

67 Mikrowybuch termojądrowyMała kulka o średnicy ułamka milimetra, wypełniona mieszaniną D-D lub D-T jest bombardowana koncentrycznie silnymi wiązkami jonów lub wiązkami światła z lasera Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

68 Mikrowybuch termojądrowyNa skutek bombardowania następuje silna kompresja gęstość jest około 20 razy większa od gęstości ołowiu. Wzrasta temperatura i odparowuje osłona materiału termojądrowego. Na powierzchni kulki tworzy się korona plazmowa Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

69 Mikrowybuch termojądrowyRozszerzająca się plazma wywołuje fale uderzeniową w kierunku wnętrza kulki i na skutek implozji temperatura wyrasta do 108K. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

70 Mikrowybuch termojądrowyNastępuje reakcja termojądrowa. Taki mikrowybuch kulki z mieszaniną D-T o średnicy 0,5 mm jest równoważny wybuchowi 50 kg trotylu. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

71 Urzadzenie termojądrowe NOVAUrządzenie doświadczalne NOVA (Lawrence Livermore Laboratory, USA) wykorzystujące mikrowybuch termojądrowy. Średnica komory z aluminium 10 m. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

72 Urzadzenie termojądrowe NOVADo zainicjowania reakcji termojądrowej potrzebna moc laserów wynosi100 kJ. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

73 Urzadzenie termojądrowe NOVAWydajność tego urządzenia jest jednak bardzo mała. Uzyskana energia jest przeszło 200 razy mniejsza od energii zużytej. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny