TOKAMAK czyli jak zamknąć Słońce w obwarzanku ?

dr inż. Monika Lewandowska

Światła wielkich miast na Ziemi widziane z kosmosu

Spalanie paliw kopalnych związane jest z emisją spalin, powodujących niekorzystne zmiany w środowisku

Siedem lekkich jąder atomowych odgrywających najważniejszą

rolę w reakcjach kontrolowanej fuzji

jądrowej

1H - w o d ó r

2H lu b D - d eu ter

3H lu b T - try t

3H e - h el-3

1

1

1

2

4H e - h el-42

6L i - lit-63

7L i - lit-73

Synteza jądrowa jest źródłem energii Słońca i innych gwiazd

Reakcje syntezy jądrowej stosunkowo łatwe do przeprowadzenia na Ziemi

D + T 4H e (3 .5 M eV ) + n (1 4 .1 M eV )

D + D 3H e (0 .8 2 M eV ) + n (2 .4 5 M eV )

D + D T (1 .0 1 M eV ) + H (3 .0 2 M eV )

D + 3H e 4H e(3 .6 M eV ) + H (1 4 .7 M eV )

Otrzymywanie trytu7L i + n 4H e + T + n - 2 .4 7 M eV6L i + n 4H e (2 .0 5 M eV ) + T (2 .7 3 M eV )

Jądra deuteru i trytu łączą się ze sobą

W wyniku reakcji fuzji powstaje jądro helu-4 oraz neutron i wydziela się łącznie 17.6 MeV energii.

W bardzo wysokich temperaturach elektrony odrywają się od atomów tworzy się zjonizowany

gaz zwany plazmą

Zdjęcie gorącej plazmy wykonane

przez okienko kwarcowe w

komorze tokamaka JET

Warunek zapłonu plazmy

Temperatura plazmy Ti : 100-200 milionów oC

Gęstość plazmy ni : 2-3 m-3 (około 1 mg/m3)

Czas utrzymania energii E : ok. 5 s

2010

Na cząstki naładowane poruszające się w polu magnetycznym działa siła Lorentza:

Powoduje ona wirowy ruch ładunków wokół linii sił pola magnetycznego z częstotliwością cyklotronową:

BvqF

m

qBf c 2

Kolumna plazmy w polu

magnetycznym

Pola magnetyczne utrzymujące plazmę w tokamaku

Podstawowe elementy systemu pól magnetycznych w tokamaku (JET)

Kabel nadprzewodzącyzaprojektowany do

zastosowania w cewkach magnetycznychtokamaka ITER

Podstawowe metody wytwarzania i ogrzewania plazmy

Antena używana do ogrzewania plazmy za

pomocą fal elektromagnetycznych

w ścianie komory tokamaka TORE

SUPRA

Zasada wytwarzania wysokoenergetycznej wiązki atomów neutralnych

Największe tokamaki

Tokamak Kraj R [m] I [MA] B [T] RokITER

JET

JT-60U

TFTR

Tore Supra

DIII-D

ASDEX

TEXTOR

FT-U

Świat

UE

Japonia

USA

Francja

USA

Niemcy

Niemcy

Włochy

6.2

2.96

3.2

2.5

2.4

1.67

1.67

1.75

0.82

15

7

4.5

2.7

2.0

3.0

1.4

0.8

1.2

5.3

3.5

4.4

5.6

4.2

2.1

3.5

2.6

7.5

2015

1983

1991

1982

1988

1986

1991

1994

1992

Uproszczonyschemat budowy

tokamaka JET

(w przekroju)

Widok tokamaka JET

Wnętrze komory tokamaka JET

Wnętrze komory

tokamaka TEXTOR

Postęp badań nad fuzją jądrową

Zasada działania przyszłych elektrowni termojądrowych

Zalety fuzji jądrowej jako źródła energii

• Ogromne ilości uwalnianej energii• Bezpieczeństwo• Obfite zasoby paliwa (deuteru i litu)• Bieżąca eksploatacja nie wymaga przewozu materiałów radioaktywnych• Brak emisji gazów cieplarnianych• Jeśli do budowy zostaną wykorzystane odpowiednie materiały, odpady radioaktywne nie staną się ciężarem dla przyszłych pokoleń

Porównanie zużycia paliw potrzebnych do rocznej produkcji elektryczności o mocy 1000 MW

Źródło energii Zużycie Odpady

Węgiel kamienny

Ropa naftowa

Rozszczepienie jądra

Ogniwa fotowoltaiczne

Fuzja jądrowa

2 700 000 t

1 900 000 t

32 t UO2

100 km2 Europa

50 km2 Sahara

100 kg D

150 kg T

(300 kg 6Li)

10 000 000 t CO2

219 000 t SO2

29 000 t NOx

32 t odpadów radioaktywnych

400 kg He

www.jet.efda.org