PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2016 Prof. Filip Tuomisto Fuusion perusteet, torstai 10.3.2016
Päivän aiheet Fuusioreaktio(t) Fuusion vaatimat olosuhteet Miten fuusiota voidaan ylläpitää? Pohdintaa yksinkertaisen mallin rajoituksista Vaihtoehtoisia fuusioreaktioita
Fuusioreaktio Auringon sydän tuottaa 380 jotawattia (3.8 x 10 26 W) fuusioreaktioilla Auringossa vedyn isotoopit fuusioituvat heliumiksi tämä silloin kun tähden massa on enintään auringon suuruusluokkaa jos tähden massa > 1.3 aurinkoa, niin raskaammatkin ytimet fuusioituvat (hiili, happi, typpi)
Fuusioreaktio, jatkuu
Fuusiorelevanteissa lämpötiloissa aineen olomuoto on plasma Plasma on (sähköstaattisesti) neutraali Plasman kuumana pitäminen edellyttää sen koossapitoa gravitaatio inertia magneettikentät
Fuusioreaktioita (käyttökelpoisia?)
Käytännöllisin: D-T -fuusio Suurin reaktionopeus matalissa lämpötiloissa Vapautuvan energian määrä: 17.6 MeV Pääosa (80%) neutroneilla, näillä tuotetaan lämpöä ja hyödetään lisää tritiumia (litiumista) 4 He (α-hiukkaset) lämmittävät plasmaa sisäisesti, mahdollistaen itseään ylläpitävän fuusioprosessin
Käytännöllisin: D-T -fuusio Fuusioituvien ydinten täytyy voittaa sähköstaattinen repulsio! Täytyy lämmittää jotta saadaan ydinten liike-energia riittävän korkeaksi Käytännössä n. 10 kev (n. 100.000.000 C) on saavutettavissa D-T fuusio kolme kertaluokkaa todennäköisempi kuin seuraava (D-D)
Lämpötila, tiheys, koossapito(aika)? Sisäinen lämmönlähde: fuusio-α:t (> 1 MeV) Fuusioteho neutroneissa Säteily- ja kuljetushäviöt Ulkoista tehoa (lämmitystä) tarvitaan, kunnes fuusio ylläpitää itseään
Lämpötila, tiheys, koossapito(aika)? Syttymisehto: Q = P fusion / P aux >> 1 (Q = 1 break-even) Fuusioteho: P fusion = 5P α = 5n D n T σv E α V p Nettolämpöteho: P heat = P aux + P α P brems Auki: P heat = P aux + n D n T σv E α V p C B T 1/2 n e2 V p 50-50 D-T: P heat = P aux + 0.25n e2 σv E α V p C B T 1/2 n e2 V p
Fuusiotehon täytyy ylittää häviöt (Lawsonin ehto)
Energiaa (lämpöä) virtaa jatkuvasti ulos, pitää siis kompensoida Plasman kineettinen energia: W p = 3n e k B TV p Lämmitetään: P heat = dw p /dt + P trans Energian koossapitoaika: τ E = W p / (P heat dw p /dt) Ajasta riippuva tehotasapaino:
Tasapainoehto (D-T plasma) Break-even tilanteessa saadaan edellä olevista kaavoista (kun vähän pyöritellään) n e τ E = 10 20 sm -3
Todellisuudessa reaktionopeus riippuu lämpötilasta
Onko tämä näin yksinkertaista? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: Magneettikenttä pitää synnyttää jotenkin (teho) Sähköntuoton hyötysuhde Käytetään jotain muuta kuin D-T Heliumin poisto Polttoaine sisään? Tiheys, lämpötila ei vakioita (ajan tai paikan suhteen)
Onko tämä näin yksinkertaista (2015)? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: koossapitoon (magneetit, laserit?) menevä teho tiheys, lämpötila vakioita? epäpuhtaudet miten materiaalit kestää? fuusiotuotteet: erityisesti He polttoaineen syöttö ja tuotto lämmönsiirto, hyötysuhde
Pohditaan hetki muitakin kuin D-Treaktioita D-D-reaktio ei tarvitse huolehtia sekoitussuhteesta tritiumia tulee toisesta reaktiohaarasta (bonuksena D-T fuusio) pienemmät reaktiotuotteiden (erityisesti neutronien) energiat Muut polttoaineet: esim. 3 He, 11 B vaativat koossapidolta enemmän (tiheys, lämpötila, jne) deuterium ja tritium helposti saatavilla (D-pitoisuus 33 mg litrassa vettä, tritiumia hyötämällä litiumista)
Fuusio huoneenlämpötilassa: scifiä?
Yhteenveto Fuusioreaktion ylläpitämiseen tarvitaan sopivasti koossapidettyä kuumaa plasmaa magneettinen, inertiaali- tai gravitaatiokoossapito Break-even ja syttyminen (Lawsonin ehto) sisäisen lämmityksen tulee ylittää häviöt käytännössä heliumin tuotto ja epäpuhtaudet asettavat lisäehtoja toiminnalle D-T tällä hetkellä suosituin vaihtoehto paras tehontuotto matalissa lämpötiloissa Polttoainetta helposti saatavilla (D-D voisi tulevaisuudessa tosin olla parempi)
Kotitehtävä maanantaiksi 14.3. Lue sivut 26 40 (kappale 1.4) Kikuchin, Lacknerin ja Tranin toimittamasta Fusion Physics kirjasta (löytyy Nopasta) Vertaile magneettiseen koossapitoon perustuvaa sekä inertiaalifuusiota Selitä lyhyesti molempien perusperiaatteet Mitkä ovat tärkeimmät yhtäläisyydet ja erot? Kumman valitsisit kehityskohteeksi, jos raha ei olisi este (perustele!)?