Plasma physics - v. 2015

Новая тема 9
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Управляемый термоядерный синтез
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Управляемый термоядерный синтез
Зачем это нужно?
Люди хотят жить
Других вариантов нет
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Зависимость ВНП от энергетики
ГДж/человека в год
ВНП/человека (тыс. $ по PPP)
Задача: устойчивое развитие, не получится жить рядом с голодным соседом!
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Структура первичной энергии (2004)
(1.1%)
(21.3%)
(2.4%)
(4.8%)
(13.5%)
(31.4%)
(10.0%)
(29.0%)
(статистика 2012 года)
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
миллиардов баррелей нефтяного
эквивалента в год
Хватит ли альтернативной энергетики?
внимание! доступность сырьевых ресурсов сильно зависит от того, какую цену общество считает допустимой
Скоро возникнет разрыв между запросами общества и возможностями
как традиционной, так и новой энергетики.
⇒ Есть основания для развития термоядерной энергетики.
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
энергия связи на нуклон, МэВ
Физические основы Т/Я энергетики
термоядерная
ядерная
количество нуклонов в ядре
• масса ядра меньше суммы масс p и n
• 235U → X + ... + 200 МэВ (0.86 МэВ/нуклон)
• D + T → 4He + n + 17.6 МэВ (3.5 МэВ/нуклон)
• С + O2 → CO2 + 4.2 эВ (0.2 эВ/нуклон)
Обычно термоядерные реакции являются реакциями образования более
тяжелых ядер, чем исходные (слово “синтез” в УТС), хотя есть и важные
реакции деления [ например, получение трития в реакции 6Li (n,α) T ]
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Термоядерные реакции - определение
Термоядерные реакции - ядерные реакции
между легкими атомными ядрами, протекающие
при высоких температурах (>107÷108 K)
Выбор подходящих реакций
реакции должны быть:
● экзотермическими (делает наиболее ценными реакции с
образованием 4He из-за большой энергии связи этого ядра);
● с участием ядер с низким Z (низкий кулоновский барьер);
● с парными реакциями (тройные и выше маловероятны);
● с минимум двумя продуктами (для законов сохранения);
● с сохранением числа протонов и нейтронов (сильное взаимодействие)
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Потенциальная энергия взаимодействия
потенциальная энергия
кулоновский барьер
Е
~1 МэВ
~10 кэВ
расстояние
Туннельный эффект
Барьерная модель Гамова:
cечение:
σ (E) ~
сильное взаимодействие
A
⎛ B ⎞
exp ⎜ − 1 2 ⎟
E
⎝ E ⎠
● реакция идет при неискаженном кулоновском барьере (класс А):
- превышение энергии частицы над кулоновским барьером отталкивания
(взаимодействие ускоренной частицы с мишенью)
- подбарьерное проникновение (туннельный эффект) при относительно
небольших энергиях (звезды, термоядерная плазма, ядерное оружие)
● реакция идет при измененном кулоновском барьере (класс Б)
- экранирование барьера в мюонном катализе
- “смятие” барьера при очень больших давлениях
(~10 кг/куб.см, пикноядерные реакции)
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Г. Гамов, Е. Теллер (1938)
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Реакции термоядерной энергетики
•
Реакции с низким порогом по энергии
•
D-T (дейтерий-тритий, идёт при наименьшей температуре):
D+T
⇒ 4He (3.5 МэВ) + n (14.1 МэВ)
•
D-D (дейтерий-дейтерий, два почти равновероятных канала):
D + D ⇒ T (1.01 МэВ) + H (3.02 МэВ)
D + D ⇒ 3He (0.82 МэВ) + n (2.45 МэВ)
•
T-T (тритий-тритий):
T + T ⇒ 4He + 2n (11.3 МэВ)
есть и схемы с пониженным выходом нейтронов:
основные реакции
D + 3He ⇒ 4He + p
и
p + 11B ⇒ 3 × 4He
но у каждой из них есть свои проблемы
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Топливо для термоядерной энергетики
Изотопы водорода
- ВОДОРОД - Г.Кавендиш, 1766 (элемент - А.Лавуазье, 1787)
2Н (D) - ДЕЙТЕРИЙ - Г.Юри, 1932 (спектроскопия), 0.016% в природном Н
3Н (T) - ТРИТИЙ - Э.Резерфорд, 1934, Т
1/2 = 12.262 г.
природное содержание (1÷150)·10-18 в Н
4Н - 8Н - крайне неустойчивы
1Н
проблема термоядерной энергетики: дейтерия много, трития
очень мало (мировой запас трития ~20 кг - Канада, Россия)
Литий (воспроизводство трития)
Гелий
в природном газе концентрация до 5÷10%
Изотопы: 4He - 99.99986%, 3He - остальное
Гелий-3 в некоторых количествах есть
на Луне (пока велика цена доставки)
6Li
+ n ⇒ 4He + T + 4.8 MeV
в земной коре 6.5·10-3% по массе,
в природе ~90% 7Li + ~10% 6Li
Расход на всю энергетику сегодня
D: ~300 т/год (5·1013 т в воде)
Li: ~10000 т/год (ресурс 5·106 т)
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Зависимость сечения от энергии
сечения приведены для реакции «быстрая частица по мишени»
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Эффективность различных реакций
Число реакций в единицу времени определятся не только сечением,
но и количеством актов столкновения частиц, т.е. скоростью.
В плазме – свёртка сечения с функцией распределения.
В «обычной» термоядерной плазме реакции обеспечивает группа частиц с E ~ 5T
Мощность D-T реакции при температуре 10 кэВ и плотности 1014 см-3
составляет ~1 Вт/см3
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Почему именно плазма?
Казалось бы, почему нельзя из ускорителя облучать мишень?
• Сечение Т/Я реакции масштаба размера атомного ядра
• Сечение ионизации атома масштаба размера электронной оболочки
• В обычном веществе преобладают ионизационные потери
→ нужно взять уже ионизированное вещество (плазму) !!!
Условия:
T > 10 кэВ
nτ >
0,5·1014
см-3·с
Чтобы произошла реакция синтеза,
частицы должны преодолеть силу
отталкивания (кулоновский барьер)
Чтобы все частицы прореагировали,
нужно удерживать горячую плазму
некоторое время (критерий Лоусона)
Критерий Лоусона
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Баланс энергии в реакторе
Потери энергии
из плазмы Ploss
Производство
электричества
Мощность т/я
реакций PFusion
ηel
Мощность
нагрева PH
Pout
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Энергетическое время жизни τE
τE = Qпл / (dQпл/dt) = Qпл / Pпотерь = 3/2·nT / Pпотерь
где Qпл – энергосодержание плазмы,
для единицы объёма
Энергетическое время жизни есть мера того, с какой
скоростью плазма станет остывать в случае, если будут
выключены все источники нагрева,
то есть это - главный показатель, характеризующий
качество системы удержания плазмы.
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Критерий Лоусона (2)
Баланс энергии при нулевой полезной мощности реактора
мощность нагрева
η (Pf + Pr + Pt) = Pr + Pt + Pn
мощность потерь
η - КПД преобразования тепла в мощность нагрева
Pf - термоядерная мощность (полезная)
Pr - мощность излучения
Pt - потери на теплопроводность
Pn - потери на выгорание топлива (3/2kT на частицу)
(Pr + Pt + Pn) = Pпотерь = Q/τE = (3/2 nT)/τE
Критерий Лоусона (для D-D и D-T реакций)
η Pf = (1-η)·Pпотерь = (1-η)·(3/2nT)/τE
Pf ~ const·Ef n2 <συ>
nτE = (1-η)/η [3T/(const·Ef <συ>)]
В критерий Лоусона входит произведение nτE
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Критерий Лоусона (3)
nτE = (1-η)/η [3T/(const·Ef <συ>)]
Минимумы кривых
(для КПД 30%):
DD реактор (100 кэВ):
nτE > 1015 см-3·с
D50T50 смесь (20 кэВ):
nτE > 0.5·1014 см-3·с
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Принципы удержания плазмы
Условия:
T > 10 кэВ
nτ > 5·1014 см-3·с
Чтобы произошла реакция синтеза,
частицы должны преодолеть силу
отталкивания (кулоновский барьер)
Чтобы частицы прореагировали,
нужно удерживать горячую плазму
некоторое время (критерий Лоусона)
Принципы удержания
Гравитационное
Инерциальное
Звезды
Магнитное
ион
мишень
поток энергии
магнитное поле
электрон
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Типовая структура т/я электростанции
Термоядерный магнитный реактор
D-T
топливо
Т из
бланкета
уход
плазмы
Система
теплообмена
Выработка
электроэнергии
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Коэффициент плазменного усиления Q
Q – мера успешности в достижении реакторных условий
Q=
Термоядерная мощность
Мощность систем нагрева
Мощность D-T:
Условие
Коэффициент плазменного усиления
auxiliary
• «Плазменный порог» (breakeven)
Q=1
• Необходимо для поддержания плазмы нагревом от α-частиц
Q=5
• «Инженерный порог»
Q = 10
• Нужно для коммерчески-успешного реактора
Q = 30÷50
• «Зажигание», дополнительный нагрев не нужен
Q=∞
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Альтернативные термоядерные топлива
Основная идея поиска - уменьшить долю реакций с участием нейтронов
D + 3He → 4He + p
p + 11B → 3×4He
общие качества: требуют более высоких температур, выигрывают
при немаксвелловской функции распределения ионов, большие
радиационные потери, привлекательными становятся системы
с большой β и с большой плотностью)
⇒ возможные преимущества альтернативных термоядерных концепций
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Реакция D + 3He → 4He + p
● основная реакция безнейтронная
● нейтроны появляются в канале DD (т.е. доля D в смеси д.б. невелика)
● отсутствие 3Не на Земле
● рассматривались варианты с совместным горением в немаксвелловской
литиевой плазме:
(а) p + 6Li → 4He (1.7 МэВ) + 3He (2.3 МэВ)
(б) 3He + 6Li → 2 4He + p + 16.9 МэВ
идея в том, что 3Не из (а) успевает вступить в (б) до термализации,
а быстрый протон замыкает цепь в (а)... красиво, но не работает
● привлекательны системы с более высокими магнитными полями и током
в плазме (т.к. меньше нейтронная нагрузка на первую стенку по
сравнению с DT)
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Реакция p + 11B → 3 4He
● реакции между компонентами безнейтронные
● небольшое количество нейтронов появляется вместе с продуктами
основной реакции (т.к. температура - доли МэВ):
часть реакций из списка ниже идет с поглощением энергии
p + 11B → 12C + γ
p + 11B → 11C + n
4He
+ 11B → n + 14N
4He
+ 11B → p + 14C
4He
+ 11B → t + 12C
……………и дальше реакции с ними
● максимальное Q ~ 1.68 (при 250 кэВ), для реактора с положительным
выходом надо 3.6 для этой реакции ⇒ нет путей для зажигания в
равновесной (максвелловской) плазме !
● проекты использования неравновесной плазмы есть (Tri Alpha Energy).
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Стоимость термоядерной энергии
F.Wagner, “Fusion energy – ready by 2050?”
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Структура стоимости т/я энергии
•
В структуре стоимости непосредственно плазменная часть
составляет всего ~35÷40% (голубой цвет на рисунке)
вывод из эксплуатации и рекультивация
эксплуатационные расходы (зарплата)
стоимость расходных материалов и
механизмов, требующих замены (ремонта)
кап. стоимость прочего оборудования
кап. стоимость плазменной установки
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Радиоактивность термоядерной станции
Во время работы на D-D или D-T топливе т/я станция будет выделять много
нейтронов и активировать конструкции. Принципиальное отличие от
ядерных станций в том, что нет активной зоны с высокоактивными
радионуклидами, активацию же конструкционных элементов реактора
можно резко уменьшить выбором специальных сталей или SiC композита.
кюри/ватт тепловой мощности
Через некоторое время после остановки т/я станция может иметь меньшую
радиоактивность, чем обычная угольная зола!
ядерная станция
т/я станция: обычные и
специальные материалы
зола
лет после остановки реактора
S. J. Zinkle “Fusion and Spallation
Irradiation Conditions”
International Workshop on Advanced
Computational Science: Application to
Fusion and Generation-IV Fission Reactors
Washington DC, March 31-April 2, 2004
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Прогресс в достигнутой Т/Я мощности
рисунок ~1998 года
ИТЭР
старт ИТЭР
400 МВт
• до 1995 года динамика развития была более быстрой, чем известный закон
Мура в микроэлектронике!
• после 1995 года прогресса нет, так как нет установок следующего поколения
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Зачем нужна термоядерная энергия?
Люди хотят жить
Других вариантов нет
Конец темы 9
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9
Управляемый термоядерный синтез. Проблемы энергетики.
Основы термоядерного синтеза. Энергия связи. Сечения реакций.
Критерий Лоусона.