1 Mechanika kwantowa dla niefizykówJacek Matulewski ( Mechanika kwantowa dla niefizyków 4 stycznia 2016 1
2 Plan wykładu Dlaczego fizyka kwantowa jest ważna? Doświadczenie YoungaFunkcja falowa Mechanika kwantowa: doświadczenia interferencyjne Teoria pomiaru Kwantowy model atomu Laser BEC Teleportacja, splątanie kwantowe, EPR Fuzja jądrowa inicjowana laserem. Attofizyka Cząstki elementarne: model standardowy LHC Wielka unifikacja
3 Plan na dziś Dlaczego fizyka kwantowa jest ważna? Doświadczenie YoungaFunkcja falowa Mechanika kwantowa: doświadczenia interferencyjne Teoria pomiaru Kwantowy model atomu Laser BEC Teleportacja, splątanie kwantowe, EPR Fuzja jądrowa inicjowana laserem. Attofizyka Cząstki elementarne: model standardowy LHC Wielka unifikacja
4 Kontrolowana synteza termojądrowa wywoływana silnym impulsem laseraSłońce na Ziemi Kontrolowana synteza termojądrowa wywoływana silnym impulsem lasera
5 Kontrolowana synteza termojądrowa wywoływana silnym impulsem laseraSłońce na Ziemi Kontrolowana synteza termojądrowa wywoływana silnym impulsem lasera
6 Słońce Kula plazmy (zjonizowanego gazu) o masie: 2·1030 kg (333 tys. MZ) W tym: H (p) – 74% He (2p + 2n) – 25% pierw. cięższe – 1% Średnica: km Gęstość: 1,41 gęstości wody Okres obrotu: 27 dni ziemskich g = 273 m/s2
7 Słońce 1 – jądro (0.25R, T = 15 mln °C) 2 – strefa promienista 3 – strefa konwekcyjna 4 – fotosfera (T = 6000 °C) 5 – chromosfera 6 – korona 7 – plamy słoneczne 8 – granule 9 – protuberancje Gęstość materii w jądrze: r = 1,5·105 kg/m3 = 150 ton/m3 (gęstość spada wykładniczo) W jądrze: H – 40%
8 Fuzja jądrowa w jądrze Słońcap + p → D + e+ + n neutrino 1,44 MeV neutrino 1,44 MeV D = 2H deuter Cykl p-p I
9 Fuzja jądrowa w jądrze Słońcap + p → D + e+ + n neutrino 1,44 MeV neutrino 1,44 MeV deuter D = 2H D + p → 3He + g pr. gamma 5,496 MeV pr. gamma 5,496 MeV pr. gamma 12,860 MeV Cykl p-p I
10 Fuzja jądrowa w jądrze Słońcap + p → D + e+ + n neutrino 1,44 MeV neutrino 1,44 MeV deuteron D = 2H D + p → 3He + g pr. gamma 5,496 MeV pr. gamma 5,496 MeV 3He helion 3He + 3He → 4He + 2p + g pr. gamma 12,860 MeV Cykl p-p I
11 Fuzja jądrowa w jądrze SłońcaW jądrze powstaje cała energia emitowana przez Słońce Bilans cyklu proton-proton I to aż 24 MeV (86% energii produkowanej w Słońcu) Masa jądra He = 99.29% masy czterech p E = mc2 (2% energii zabierają neutrina) W efekcie Słońce traci masę w tempie 4·109 kg/s W miarę przemieszczania do powierzchni (co trwa lat) fotony gamma tracą energie przechodząc w optyczne
12 Pierwotna nukleosyntezaPrzez kilka minut od Wielkiego Wybuchu duża gęstość i duża temperatura (wówczas powstają jądra H, D, 3He, He)
13 Bomba wodorowa T + D → 4He + n + g (18 MeV)
14 Fuzja termojądrowa jest źródłem energii!
15 E: 1g (D+T) ≈ 10t C Fuzja termojądrowa jest źródłem energii!Warunek: uzyskanie zapłonu termojądrowego
16 pr. gamma 12,860 MeV Energia jądrowa Łączenie (fuzja) lekkich jąder (H, D, T, He) Produkt: energia (g) i He He to gaz szlachetny = „czysty” Wymuszone rozszczepienie ciężkich jąder atomowych Ciepło 200 MeV Istniejące elektrownie „atomowe” Możliwość reakcji łańcuchowej
17 Energia jądrowa 235U + n → 92Rb + 140Cs + 3n + gpr. gamma 12,860 MeV Energia jądrowa Łączenie (fuzja) lekkich jąder (H, D, T, He) Produkt: energia (g) i He He to gaz szlachetny = „czysty” Wymuszone rozszczepienie ciężkich jąder atomowych Produkty: - energia (g) - duże ilości ciepła - odpady promieniotwórcze 235U + n → 92Rb + 140Cs + 3n + g
18 Energia jądrowa Kiedy uwalniana jest energia w przemianach jądrowych?synteza rozszczepienie obszar stabilny
19 Deuter i tryt Deuter (D, 2H) – stabilny izotop wodoru, jego jądro (deuteron) składa się z 1p i 1n, występuje naturalnie W wodzie morskiej 1 atom na 6420 atomów 1H Deuter odkrył Harold Clayton Urey w 1931 r. (nagroda Nobla w 1934 r.) Tryt (jądro tryton): T = 3H (1p + 2n), niestabilny izotop (T → 3He + e– + n) Synteza jądrowa: T + D → 4He + n + g (18 MeV)
20 Jak kontrolować fuzję jądrową?Nie ma jeszcze urządzenia, które pozwala na uzyskanie dodatniego bilansu energii z reakcji termojądrowej. Trudne warunki: bombardowanie jąder jądrami, temperatura: kilkanaście milionów K (°C) Stąd nazwa reakcje termojądrowe. Zimna fuzja? 1989, 2002, 2005, 2008, 2011, … Problem uwięzienia plazmy (nie chcemy bomby)
21 n·T·τ > 5·1021 keV·s/m3 Kryterium LawsonaSynteza – reakcja połączenia jąder i wyzwolenia energii Synteza z pozytywnym bilansem energetycznym (energii uzyskana > energia użyta do inicjacji) Reakcja łańcuchowa Zapłon – samopodtrzymująca się synteza Kryterium Lawsona dla D-T: n·T·τ > 5·1021 keV·s/m3 gęstość·temp.·czas
22 Jak kontrolować fuzję jądrową?Wszystkie sposoby uzyskania zapłonu termojądrowego bazują na ściskaniu plazmy Cel: 150 mln °C, warunek: pełna kontrola skurcz plazmy (Maszyna Z) tokamaki i stellatory NIC
23 Tokamak (Токамак) pole magnetyczne (toroidalne) pole magnetyczne(poloidalne) komora próżniowa
24 Tokamak (Токамак)
25 Tokamak (Токамак) Toroidalna komora z cewką magnetycznąPierścień plazmy utrzymywany przez pole magnetyczne (deuter lub deuter i tryton) Zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne, które jonizuje gaz → plazma, a następnie powoli ją rozgrzewa. Eksperymentalny JET (Wielka Brytania), badawczy ITER (Francja) – zapłon 2019 r. Idea zostałaby zapewne zarzucona gdyby nie zainwestowane już fundusze (15 mld dolarów!)
26 Stellarator 2014: Wendelstein 7-X (Niemcy)jak tokamak, ale ze zmienioną geometrią 2014: Wendelstein 7-X (Niemcy)
27 Polywell Ich pierwowzorem są fuzory, w których jądra o wysokiej temperaturze są w kontrolowany sposób wstrzykiwane do komory próżniowej (komora reaktora) gdzie uderzają inne jądra Wewnętrzna siatka ulega szybkiemu zużyciu. W polywell (wielostudnia) wewnętrzna siatka zastąpiona jest przez pole magnetyczne Niepotwierdzona możliwość produkcji energii, ale prace są nadal finansowane przez wojsko USA
28 Polywell
29 A może jednak małe bomby?Idea: w małą porcję paliwa termojądrowego (mieszanka deuteru i trytu) uderza silny impuls lasera i prowadzi do jej wybuchu W jego wyniku powstaje hel, fotony oraz neutrony unoszące dużą energię Energia ze spalenia jednej porcji = beczułka ropy NIF (National Ignition Facility) w LLNL (USA) Za kilkanaście miesięcy ma dostarczać prąd Oddziaływania elektryczne i silne
30 National Ignition FascilityW Europie podobne projekty: HiPER (Węgry), LMJ (Francja), Beamlines Fac. (Czechy)
31 National Ignition FascilityKomora. Winda pozwalająca na konserwację i kontrolę
32 National Ignition FacilityInstalacja komory
33 National Ignition FacilityPozycjonowanie kapsułki w przyszłym ognisku lasera
34 National Ignition FacilityNa razie kapsułka umieszczana jest w metalowej pozłacanej „puszcze” - hohlaraum
35 National Ignition FacilityWypolerowana kapsułka wypełniona bardzo oziębionym paliwem jądrowym
36 Przebieg reakcji Promienie laserów X gwałtownie podgrzewają powierzchnię kapsułki z paliwem (D-T) tworząc plazmową „kopertę” Implozja kapsułki – gorąca powierzchnia wybucha i oddala się ściskając paliwo (jak odrzut w rakiecie) Paliwo jest ściskane do gęstości 20 razy większej niż ołowiu i ogrzewane do temperatury rzędu 100 mln ˚C (większej niż w słońcu). Następuje reakcja jądrowa, w której uwolniona energia wielokrotnie przewyższa energię dostarczoną przez lasery. Całość trwa ok. 10 ps
37 National Ignition FacilityLasery i detektory wokół komory (oscyloskopy, interferometry, kamery smugowe)
38 National Ignition FacilityW NIF są 4 takie pomieszczenia, w każdym produkowane są 48 wiązki lasera. Razem 192
39 National Ignition Facility192 wiązki laserowe Powstaje jeden impuls o mocy 4 MJ trwający pikosekundy Moc impulsu – 500 TW = 5·1014 W (laser medyczny – 60 W) Skupiany na kapsułce o średnicy 2 mm Jeden impuls uwalnia 45 MJ energii
40 Zalety Bezpieczny sposób produkcji energii (każda awaria przerywa proces) Niewyczerpywalne źródło paliwa (D-T w NIF, D i Li w HiPER) Mały wpływ na środowisko (He) Konkurencyjny koszt produkcji energii (zaangażowanie w projekt firm komercyjnych) Opłacalne dla elektrowni 500 MW – 1.5 GW Modularność ułatwi przyszłe modernizacje ICF: 40
41 Osiągnięcia i kłopoty Od 15 marca 2012 laser o największej mocyPaździernik 2012 – zakończenie finansowania projektu NIC (ponad 5 mld $) – spełniona tylko 1/10 warunków do uzyskania zapłonu Kłopoty techniczne: symetria wybuchu, zabrudzenia kapsułki, rozbieżności z wynikami symulacji, kłopoty z optyką laserów Dyskusja nad kontynuacją (1 bilion $ rocznie na utrzymanie infrastruktury energetycznej) ICF: 41
42 Osiągnięcia i kłopoty 29 września 2013 – udało się uzyskać pierwszą syntezę z dodatnim bilansem energetycznym Nadal nie ma zapłonu (ang. ignition), czyli samopodtrzymującej się syntezy Obecnie spełniona jest ok. 1/3 warunków do uruchomienia elektrowni (zapłonu) NIF zmieniło cele na badania materiałowe ICF: 42
43 Do zapamiętania: Energię można czerpać z:rozszczepienia ciężkich jąder (tradycyjne elektrownie) fuzji lekkich jąder (Słońce) Nie ma jeszcze komercyjnej elektrowni korzystającej z fuzji jądrowych (próby w NIF) Lektura: Wiedza i Życie 08/2014, Przemek Berg Kosmiczne grzanie (http://www.wiz.pl/8,1533.html) Wojciech Kossakowski Inercyjna synteza jądrowa (praca zaliczeniowa)
44 Pytania Które procesy mogą być źródłem energii?rozszczepienie ciężkich atomów rozszczepienie lekkich atomów fuzja ciężkich atomów fuzja lekkich atomów Co jest produktem cyklu p-p I? Co to jest plazma? Wymień i opisz jednym zdaniem urządzenia, które pozwalają na uzyskanie kontrolowanej fuzji jądrowej? Jakie zjawisko wykorzystywane jest w NIF? Kryterium Lawsona (podwójny iloczyn)