kÖszÖntjÜk hallgatÓinkat!

KÖSZÖNTJÜK HALLGATÓINKAT!Önök Berta Miklós:

Csillag a Földön – A fúziós energiatermelés érdekességeielőadását

hallhatják!

2010. március 10.

Csillag a Földön

• A fúziós energiatermelés érdekességei

2010. március 10.2Előadó neve: Berta Miklós Előadás címe: Csillag a Földön – A fúziós energiatermelés érdekességei

• Nukleáris energiatermelés alapjai• Az atommagok felépítése és energiája• A fúziós energiatermelés alapötlete• Elektromos taszítás – termikus fúzió• Fúzió a csillagokban• Fúzió földi körülmények között• Mágneses összetartás és TOKAMAK• Fúziós reaktor – ITER• Fúziós kutatások a Széchenyi István Egyetemen

Nukleáris energiatermelés alapjai

Energiamegmaradás – törvénye: Energiamegmaradás – törvénye: Bármilyen gép, mely energiát ad le, valaminek csökkenti az energiáját!Bármilyen gép, mely energiát ad le, valaminek csökkenti az energiáját!

• vízerőmű:vízerőmű: a lezúduló víznek lesz kisebb az energiája a lezúduló víznek lesz kisebb az energiája• szélerőmű:szélerőmű: a szél egy kicsit lassul a szél egy kicsit lassul• szén- és olaj erőművek:szén- és olaj erőművek: kémiai kötések alakulnak ki, a végtermék kémiai kötések alakulnak ki, a végtermék

alacsonyabb energiájú alacsonyabb energiájú

Energiatermelés atommagokkal: Energiatermelés atommagokkal:

Alacsonyabb energiájú állapotba kell hozni az atommagokat!Alacsonyabb energiájú állapotba kell hozni az atommagokat!


Az atommagok felépítése

Atommagok alkotóelemei:Atommagok alkotóelemei: A db nukleonA db nukleon Z db protonZ db proton A – Z db neutronA – Z db neutronAz atommagban ható erők:Az atommagban ható erők:Elektromos kölcsönhatás: Elektromos kölcsönhatás: a protonok a protonok taszítják egymást – taszítják egymást – mindegyik mindegyiket! mindegyik mindegyiket! Erős kölcsönhatás: Erős kölcsönhatás: a nukleonok a nukleonok vonzzák egymást – vonzzák egymást – csak a közelieket!csak a közelieket!Nehéz pontos képet alkotni, mert az elemi Nehéz pontos képet alkotni, mert az elemi részek – a részek – a kvantummechanikakvantummechanika szerint - szerint - hullámtermészettel is rendelkeznek.hullámtermészettel is rendelkeznek.


Atommagok energiájaA nukleonok közti erők hatása a mag energiájára: A nukleonok közti erők hatása a mag energiájára:

A protonok taszítása növeli a mag energiáját (A protonok taszítása növeli a mag energiáját (lazítja a mag szerkezetétlazítja a mag szerkezetét))A közeli részek vonzása csökkenti az energiát (A közeli részek vonzása csökkenti az energiát (tömöríti a magottömöríti a magot))

Következmény: Következmény: Ahogy nő a nukleonok száma , úgyAhogy nő a nukleonok száma , úgy• az elektromos taszítás az elektromos taszítás egyre erősebbegyre erősebb lesz lesz • a vonzó erős kölcsönhatás csak a közeli nukleonok közt hat, ezért egy méret után a vonzó erős kölcsönhatás csak a közeli nukleonok közt hat, ezért egy méret után

ennek ennek hatása nem erősödikhatása nem erősödik..


Kis magokat növelve Kis magokat növelve csökken a nukleonok csökken a nukleonok átlag – energiája, átlag – energiája, nagyoknál pedig nő.nagyoknál pedig nő.

Egész nagy magok Egész nagy magok pedig nem is pedig nem is létezhetnek.létezhetnek.

Az atommagok energiájaA (stabil) magok energiája a mérések alapjánA (stabil) magok energiája a mérések alapján


A magok „igyekeznek” a minimális energiájú állapotot felvenni,A magok „igyekeznek” a minimális energiájú állapotot felvenni,mint ahogy egy gödörbe tett labda annak alján áll meg.mint ahogy egy gödörbe tett labda annak alján áll meg.

Fúziós energiatermelés ötleteKöKönnynnyűű atommagok egyes atommagok egyesííttéésséével csvel csöökken a nukleonok kken a nukleonok áátlagos energitlagos energiáájaja!!

Nehézség: Nehézség: Az atommagokat az elektromos taszítás nem engedi egymás Az atommagokat az elektromos taszítás nem engedi egymás közelébe. Nehéz két magot olyan közelségbe hozni, hogy az erős kölcsön-közelébe. Nehéz két magot olyan közelségbe hozni, hogy az erős kölcsön-hatás hatni kezdjen köztük!hatás hatni kezdjen köztük!


Hogyan győzhetik le a magok egymás taszítását?Hogyan győzhetik le a magok egymás taszítását?Kézenfekvő megoldás: magas hőmérsékleten gyorsan röpködnek és így közel Kézenfekvő megoldás: magas hőmérsékleten gyorsan röpködnek és így közel

kerülhetnek egymáshoz. (kerülhetnek egymáshoz. (Termikus fúzióTermikus fúzió))


Magok találkozása kis sebességgel

Magok találkozása nagy sebességgel

Szerencse:Szerencse: A nukleonok hullámtermészete miatt ha már elég közel vannak, bizonyos A nukleonok hullámtermészete miatt ha már elég közel vannak, bizonyos

valószínűséggel mégiscsak kialakul a kötés.valószínűséggel mégiscsak kialakul a kötés. (Alagút-effektus.)(Alagút-effektus.)

Pár tízmillió K is elegendő!Pár tízmillió K is elegendő!


Nehézség:Nehézség:

Több mint Több mint 100 millió K 100 millió K kell ahhoz, hogy elég közel kerülhessenek!kell ahhoz, hogy elég közel kerülhessenek!

Néhány lehetséges fúziós folyamat


Deutérium-Deutérium-trícium fúziótrícium fúzió

CNO-ciklusCNO-ciklus Proton-proton fúzióProton-proton fúzió

Fúzió a Napban


Bonyolult ciklusokon keresztül Bonyolult ciklusokon keresztül vezet oda, hogy a Nap vezet oda, hogy a Nap

hidrogénkészlete fokozatosanhidrogénkészlete fokozatosan héliummá alakul. A folyamathéliummá alakul. A folyamat 15 15

millió fokmillió fokon játszódik leon játszódik le..Tisztán csak a hőmérsékletből Tisztán csak a hőmérsékletből származó sebesség nem lenne származó sebesség nem lenne elég az atommagok egymáshoz elég az atommagok egymáshoz

ütközéséhez! ütközéséhez! A Napban uralkodó hatalmas A Napban uralkodó hatalmas gravitációs nyomás segíti a gravitációs nyomás segíti a

fúziós folyamatokat! fúziós folyamatokat! A Földön A Földön ilyen hatalmas nyomásra nem ilyen hatalmas nyomásra nem

számíthatunk!számíthatunk! → Sokkal → Sokkal magasabb hőmérsékletre van magasabb hőmérsékletre van

szükség a Földön!szükség a Földön!

Erőművi fúziós folyamat

D D ++ T T → → 44HeHe (3(3,,5 MeV) + n5 MeV) + n (1(14 4 MeV)MeV)

Mintegy 75 millió fokos termikus közegben „nagy” valószínűséggel (Mintegy 75 millió fokos termikus közegben „nagy” valószínűséggel (alagúteffektusalagúteffektusnak nak köszönhetően) lezajlik!köszönhetően) lezajlik!

Az összes többi lehetséges fúziós reakcióhoz sokkal magasabb hőmérséklet kellene!Az összes többi lehetséges fúziós reakcióhoz sokkal magasabb hőmérséklet kellene!


Az anyag atomjai ilyen hőmérsékleteken teljesen szétesnek Az anyag atomjai ilyen hőmérsékleteken teljesen szétesnek atommagokatommagokra és ra és elektronokelektronokra. Ez az anyag negyedik hal-ra. Ez az anyag negyedik hal-

mazállapota, amazállapota, a PLAZMAPLAZMA!!

A fúziós folyamat energiamérlegeAz önfenntartó fúziós energiatermelés feltétele:Az önfenntartó fúziós energiatermelés feltétele:

megtermelt energia = energiaveszteségmegtermelt energia = energiaveszteségLawsonLawson n n ττ ≥ C(T) ~ 10^(20) ≥ C(T) ~ 10^(20) D+T eseténD+T esetén


Stabil égés! A folyamat nem szaladhat meg! Stabil égés! A folyamat nem szaladhat meg! Biztonság!Biztonság!

Mágneses összetartás


Kis sűrűség hosszan összetartva!Kis sűrűség hosszan összetartva!Érintkezés az edény falával!Érintkezés az edény falával!

Lehűti a plazmát!Lehűti a plazmát!

Homogén mágneses térben Homogén mágneses térben való lebegtetés! való lebegtetés!

A töltött részecskék A töltött részecskék spirálspirálpályán követik a pályán követik a

mágneses teret!mágneses teret! A plazma nem érintkezik az A plazma nem érintkezik az

edény falával!edény falával!A részecskék kiszöknek a A részecskék kiszöknek a

„végeken”!„végeken”!Zárjuk egymásba a két Zárjuk egymásba a két

„véget”!„véget”!

TÓRUSZ!TÓRUSZ!

TOKAMAK


A tóruszban a mágneses tér A tóruszban a mágneses tér nem homogén nem homogén → részecskék → részecskék szétválása töltésük szerint →szétválása töltésük szerint → vertikálisvertikális elektromos tér →elektromos tér →

E x B sebesség sugárirányú E x B sebesség sugárirányú →→ plazma a falon!plazma a falon!

Indukáljunk áramot a Indukáljunk áramot a plazmában! → plazmában! → A plazmaáram A plazmaáram mágneses tere megkeveri a mágneses tere megkeveri a

plazmát plazmát → megszűnik a → megszűnik a részecskék szétválása. → részecskék szétválása. →

a plazma nem kenődik a falra!a plazma nem kenődik a falra!

A plazma áramlása a A plazma áramlása a TOKAMAK-ban TOKAMAK-ban turbulens →turbulens →

nehéz növelni az nehéz növelni az összetartási időt!összetartási időt!

Trícium szaporítása


A trícium gáznemű radioaktív anyag! Felezési ideje 12,9 év!A trícium gáznemű radioaktív anyag! Felezési ideje 12,9 év!A tríciumot elő kell állítani a fúziós erőmű számára!A tríciumot elő kell állítani a fúziós erőmű számára!

Li + n Li + n → → 44He + THe + T

Lítium nagy mennyiségben fordul elő a Lítium nagy mennyiségben fordul elő a földkéregben. Viszonylag olcsón kivonható földkéregben. Viszonylag olcsón kivonható

onnan!onnan!

A trícium szaporításához szükséges A trícium szaporításához szükséges neutronokat vehetjük a fúziós reakcióból. neutronokat vehetjük a fúziós reakcióból. → → Li szaporító köpeny a reaktor része !Li szaporító köpeny a reaktor része !

Fúziós reaktor koncepciója


ITER


Kísérleti reaktor – a megtermelt energia nem kerül a hálózatra!

Szupravezető mágnesek 4 K fokos hőmérsékleten!

Plazma hőmérséklete:70 – 80 millió fok!

Becsült EU hozzájárulás:~ 20 milliárd € / 10 évIndítás tervezett éve:

2018

Nemzetközi együttműködés:(EU, Japán, Kína, India, Dél –

Korea, USA, Oroszország)

A fúziós energiatermelő reaktor előnyei


• Kevés bemenő üzemanyag szükséges!Kevés bemenő üzemanyag szükséges!

Napi anyagszükséglet 1 GW-os erőműre:Napi anyagszükséglet 1 GW-os erőműre:

(1GW(1GW××1 nap/17 MeV)1 nap/17 MeV)××8 m8 mpp == 101099××36003600××24/(1.724/(1.7 101077××1.6 101.6 10-19-19))××8×1.6 108×1.6 10-27-27= = 0.4 kg0.4 kg

• A bemenő üzemanyag (D, Li) és a végtermék (He) nem radioaktív!A bemenő üzemanyag (D, Li) és a végtermék (He) nem radioaktív!A közbülső A közbülső trícium viszont radioaktív trícium viszont radioaktív és igen illékony! A keletkezett neutronok és igen illékony! A keletkezett neutronok felaktiválják a szerkezeti elemeket! →felaktiválják a szerkezeti elemeket! → A fúziós energia melléktermékeként A fúziós energia melléktermékeként keletkezik radioaktivitás! keletkezik radioaktivitás! Igaz viszonylag rövid felezési idejű izotópok formájában!Igaz viszonylag rövid felezési idejű izotópok formájában!

• Nem termel üvegházhatású gázokat!Nem termel üvegházhatású gázokat!

• A bemenő üzemanyag „mindenütt” megtalálható szinte „korlátlan” mennyiségben!A bemenő üzemanyag „mindenütt” megtalálható szinte „korlátlan” mennyiségben!

• A fúziós reaktor azonnal leáll a legkisebb, üzemi állapottól való eltéréskor!A fúziós reaktor azonnal leáll a legkisebb, üzemi állapottól való eltéréskor!

ITER


Az ITER sikere azon múlik, hogy:Az ITER sikere azon múlik, hogy:

• sikerül – e megoldani még sikerül – e megoldani még néhány alapvető fontosságú fizikai problémánéhány alapvető fontosságú fizikai problémát,t,

• lesz – e lesz – e elegendő műszaki végzettségű emberelegendő műszaki végzettségű ember, aki ezen a projekten akar dolgozni!, aki ezen a projekten akar dolgozni!

Az elkövetkező mintegy 25 évben fizikusok százaira, és mérnökök ezrei lesz szükség Az elkövetkező mintegy 25 évben fizikusok százaira, és mérnökök ezrei lesz szükség a fúziós energetikában! → a fúziós energetikában! → Magas szintű természettudományos és műszaki Magas szintű természettudományos és műszaki képzésre lesz ehhez szükség!!képzésre lesz ehhez szükség!!

Fúziós kutatások Egyetemünkön


• A Széchenyi István Egyetem 2005. óta tagja a Magyar Fúziós Szövetségnek

• A kutatómunkát a Fizika és Kémia Tanszék részéről Berta Miklós koordinálja

• A fúziós kutatások részét képezik Egyetemünk „Alkalmazott magfizikai kutatások” kutatási főirányának

• FUSENET: nemzetközi oktatási projekt.

* 40 európai egyetem és kutatóintézet * Cél: a fúziós technológia oktatásának koordinálása * Portál: www.fusenet.eu, Egyetemünk szerverein. Fejlesztők és működtetők: Varga Ágnes, Molnár Csaba (SZE Informatika Tanszék)

http://www.fusenet.eu/

Fúziós kutatások Egyetemünkön


Együttműködő partnereink a fúziós kutatások területén

• KFKI – RMKI

• Institute for Plasmaphysics Prague, Czech Republic

• Centrum of Plasmaphysics Research at Lausanne, Switzerland

Diagnosztikák fejlesztése a COMPASS-ra


EDICAM gyorskamera megfigyelő rendszer

KFKI – RMKI – val szoros együttműkö-désben



Li – nyaláb diagnosztika és Atomnyaláb Szonda fejlesztése

Szennyezőtranszport vizsgálatok Lausanneban


Lézer blow – off (Si, Al)(tervezte: KFKI)

Gyors gázbelövő(D, He, Ne, Ar)(tervezte és gyártotta: Titrik Ádám SZE Közúti és Vasúti Járművek

Tanszék)

Szennyezőtranszport vizsgálatok Lausanneban


Mért adatok feldolgozása a Fizika és Kémia Tanszéken fejlesztett Genetikus algorit-mus alapú szoftverrel. (Dr. Horváth András, Berta Miklós)

Zonális áramlások szerepe


• Turbulens plazmaáramlás

• Nyírt áramlás megjelenése

• Fal irányú transzport csök-kenése

• Az ITER működéséhez tudnunk kell kelteni ezeket a nyírt áramlásokat!

Zonális áramlások detektálása


• Gyorsított töltött részecskékkel detektálhatóak – nagyon drága

• Langmuir szondák adatai alapján szofisztikált kiértékelési eljárással kis berendezéseken – olcsó mérési eljárás – Bencze, Berta, Zoletnik – tokamak-ban másodikként a világon

Mágnesezett elektrolit és zonális áramlás


Bardóczi László – BME

Berta Miklós – SZE

Dr. Bencze Attila – KFKI

Mágnesezett elektrolit és zonális áramlás


Plazmacső


Gubicza Ágnes – BME

Mórocz Tamás – SZE

Berta Miklós – SZE


Mára a fúziós energiatermelés megoldásához fizikusi erőfeszítések mellett egyre növekvő mértékben van szükség mérnöki erőfeszítésekre.

Fúziós reaktor = fizikus és mérnök közös kutatómunkája

Köszönöm a figyelmet!

Az előadás animációi részben az EFDA „Fusion – Power for future genera-tions” CD – ROM – ról származnak! Felhasználásuk ismeretterjesztő célokra engedélyezett!!

A következő előadásunk


Dr. Gál PéterQuo vadis automobil? – Hogyan autózunk a következő évtizedben?

2010. április 7. 18:00-19:00

KÖSZÖNJÜK MEGTISZTELŐ FIGYELMÜKET!

A program szervezői, támogatói:

A rendezvény a „SZiENCE4YOU – Tudás- és tudomány disszemináció a Széchenyi István Egyetemen” című projekt

keretében valósult meg.

TÁMOP-4.2.3-08/1-2008-0011

36

kÖszÖntjÜk hallgatÓinkat!

Documents