1 Reaktory termojądrowe Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie AGH University of Science and Technology Paweł Kobielus

2 Co to jest reakcja termojądrowa? W syntezie termojądrowej jądra o niskiej masie atomowej na przykład jądra wodoru łączą się w jedno cięższe jądro. Obok nowych jąder atomowych mogą powstać wolne neutrony, protony, cząstki elementarne i cząstki alfa.

3 D + T ⇒ He + neutron + 17.6 MeV Spośród wielu możliwych reakcji syntezy najbardziej przydatna do wykorzystania na Ziemi jest synteza ciężkich izotopów wodoru, czyli deuteru i trytu. W jej wyniku powstaje jądro helu i neutron.

4 Deuter ( 2 H) to izotop wodoru występujący naturalnie. W wodzie morskiej występuje w ilości około 1 atomu na 6420 atomów protu, czyli zwykłego wodoru (około 0,02 grama w 1 litrze) Tryt ( 3 H) jest nietrwałym izotopem wodoru, którego jądro (tryton) składa się z jednego protonu i dwóch neutronów. Głównym źródłem jego pozyskiwania są reakcje jądrowe na przykład przez bombardowanie litu-6 lub litu-7 wysokoenergetycznymi neutronami. Pozyskiwanie paliwa do fuzji jądrowej

5  Wysoka temperatura plazmy T Aby cząsteczki mogły pokonać dzielącą je barierę kulombowską muszą mieć dostatecznie dużą energię. Plazma więc musi mieć niezwykle wysoką temperaturę. Optimum dla reakcji DT jest 100-200 mln K. Warunki potrzebne do zainicjowania fuzji

6  Duża koncentracja cząstek n Koncentracja cząstek musi być wystarczająco duża aby zderzenia występowały odpowiednio często  Długi czas utrzymania Ƭ

7 Kryterium Lawsona Niezależnie od spełnienia tego warunku, nadal trzeba zapewnić odpowiednio wysoką temperaturę plazmy.

8 Zasada działania reaktora termojądrowego

9

10 Toroidalne pole magnetyczne Kierunek przepływu prądu w plazmie Pole poloidalne Prąd w cewce Podstawowe typy zamkniętej pułapki magnetycznej Tokamak i stellator – dwa podstawowe typy pułapki magnetycznej. W obu linie pola magnetycznego układają się na powierzchniach mających topologię torusa. Różnią się sposobem wytwarzania pola magnetycznego utrzymującego plazmę.

11 Metody nagrzewania plazmy  Przez przepływ przez plazmę prądu elektrycznego Pierwotny mechanizm nagrzewania plazmy. Jest on coraz mniej efektywny w miarę wzrostu temperatury. Tą metodą można osiągnąć temperaturę plazmy nie większą niż 50 mln K.  Nagrzewanie falami elektromagnetycznymi Nagrzewanie falami elektromagnetycznymi w zakresie radiowym i mikrofalowym  Ogrzewanie wiązkami cząsteczek neutralnych Metoda ta wykorzystuje jony dodatnie rozpędzone w akceleratorze do energii rzędu 120 keV następnie neutralizowane i wprowadzane do komory reaktora.

12 Reaktory termojądrowe na świecie

13 Tokamak JET (Joint European Torus)  Największy tokamak,  znajduje się w Wielkiej Brytanii w pobliżu miasta Culham,  1991 - Pierwsze na świecie kontrolowane pozyskanie energii z syntezy jądrowej. Reaktor jest przystosowany do reakcji syntezy termojądrowej z wykorzystaniem deuteru i trytu. JET osiągnął rekordową moc syntezy termojądrowej – 16 MW.

14 Wendelstein 7-X  Obecnie jest to największy, ukończony reaktor reaktor fuzyjny oparty na technologii stellaratora.  Eksperymentalny stellarator wybudowany przez Instytut Fizyki Plazmowej im. Maksa Plancka w Greifswaldzie.

15 ITER – reaktor termojądrowy następnej generacji

16

17 Co powoduje, że fuzja jądrowa jest technologią atrakcyjną z punktu widzenia ludzkości?  Powszechna dostępność paliwa  Bardzo małe oddziaływanie na środowisko naturalne (nie ma emisji CO 2 )  Elektrownia termojądrowa jest bezpieczna, bez możliwości rozwoju reakcji łańcuchowej i stopienia rdzenia  W wyniku bieżącej eksploatacji elektrowni powstawało będzie mało radioaktywnych odpadów

18 Bibliografia Gałkowski – Energetyka termojądrowa,, „Przegląd techniczny" 2012, nr 25 Gałkowski – Energetyka termojądrowa,, „Przegląd techniczny" 2012, nr 26 D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, „Podstawy fizyki”, PWN, Warszawa 2006; L. Kowalski, Spór wokół zimnej fuzji, Postępy fizyki tom 64,1,2013 fizyka.net.pl.