Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Plasma_2013_full_no_video.pdf
Скачиваний:
484
Добавлен:
28.03.2016
Размер:
28.38 Mб
Скачать

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

Термоядерные реакции - определениеделение

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 взаимодействиядействия

потенциальная энергия

кулоновский барьер

 

~1 МэВ

Туннельный эффект

Е

 

~10 кэВ

Барьерная модель Гамова:

расстояние

cечение:

 

 

σ(E) ~

A

 

B

 

 

 

exp

 

 

E

E1 2

сильное взаимодействие

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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)8)

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

Реакциитермоядерной энергетикигетики

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

Топливодлятермоядерной энергетикиергетики

Изотопы водорода

1Н - 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, Т1/2 = 12.262 г.

природное содержание (1÷150)·10-18 в Н 4Н - 8Н - крайне неустойчивы

проблема термоядерной энергетики: дейтерия много, трития очень мало (мировой запас трития ~20 кг - Канада, Россия)

Гелий

Литий (воспроизводство трития)

в природном газе концентрация до 5÷10%

6Li + n 4He + T + 4.8 MeV

Изотопы: 4He - 99.99986%, 3He - остальное

в земной коре 6.5·10-3% по массе,

Гелий-3 в некоторых количествах есть

в природе ~90% 7Li + ~10% 6Li

на Луне (пока велика цена доставки)

 

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

Зависимостьсеченияот энергииергии

сечения приведены для реакции «быстрая частица по мишени»

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

Эффективностьразличных реакцийеакций

Число реакций в единицу времени определятся не только сечением, но и количеством актов столкновения частиц, т.е. скоростью.

Вплазме – 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

Почемуименноплазма??

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)

КритерийЛоусона В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

Балансэнергиив реакторере

Потери энергии из плазмы Ploss

Мощность т/я

Производство

Pout

электричества

 

реакций PFusion

 

ηel

 

 

 

Мощность нагрева PH

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

Энергетическоевремя жизнини ττEE

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.

КритерийЛоусона (2)В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

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 P = (1-η)·P

потерь

= (1-η)·(3/2nT)/τ

E

P ~ const·E n2

<συ>

f

 

f

f

 

nτE = (1-η)/η [3T/(const·Ef <συ>)]

В критерий Лоусона входит произведение E

КритерийЛоусона (3)В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

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

Принципыудержания плазмызмы

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

 

мишень

 

поток энергии

Магнитное

ион

магнитное поле

электрон

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

КритерийЛоусонадля инерциальногоьного УТСУТС

Вывод критерия для инерциального УТС

при выводе критерия произведем следующие замены:

n → ρ / Mi

(удельный вес и масса иона)

τ → R / cs

(радиус мишени и скорость звука)

Критерий Лоусона (для инерциального УТС)

вместо условия nτ

E

> 1014

см-3

с

 

 

 

 

получаем условие

ρR > 3 г/см2

 

т.е. фактически критерий говорит нам о том, какого минимального размера должна быть термоядерная мишень (подразумевается, что мы в состоянии разогреть ее до нужной температуры)

!!! В «инерциальный» критерий Лоусона входит произведение ρR

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

Типоваяструктурат/я электростанциистанции

Термоядерный магнитный реактор

 

 

 

Система

 

Выработка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

теплообмена

 

электроэнергии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D-T

 

Т из

уход

 

топливо

бланкета

плазмы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

Коэффициентплазменного усиленияления QQ

Q – мера успешности в достижении реакторных условий

Термоядерная мощность Q = 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

Альтернативныетермоядерные топливатоплива

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

сбольшой β и с большой плотностью)

возможные преимущества альтернативных термоядерных концепций

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

Реакция D + 3He →4He + pp

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

Стоимостьтермоядерной энергииергии

Стоимость «термоядерного» электричества является конкурентоспособной, особенно при введении дополнительных налогов на сжигание углеводородного топлива

Оценка стоимости:

0,03÷0,09 € / kWh.

оценка стоимости электроэнергии для разных типов энергетики

В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 9

Структурастоимостит/я энергииргии

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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]