51
1 5. Előadás • Instabilitások A mikrorobbantásos fúzió Fúziós energia Lézerfúzió követelményei Lézerfúziós sémák I.

5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

1

5. Előadás

• Instabilitások

• A mikrorobbantásos fúzió

• Fúziós energia

• Lézerfúzió követelményei

• Lézerfúziós sémák I.

Page 2: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

2

Valódi plazmaprofil felidézése

Valódi lézerplazma kölcsönhatásokkor

a sűrűségprofil valahogy így néz ki.

Adott hullámhosszú lézerre:

.1

101.1 3

2

21

cm

mnc

A hőmérséklet néhány eV az

összenyomott szilárdtestben, keV

nagyságrendű a koronában. A

karakterisztikus sebesség a hangsebesség:

. / ceies nnMZTcv

Gradiensek, plazma méret: .,min effLs RcL

Page 3: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

3

Page 4: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

4

Parametrikus instabilitások plazmában

Plazmahullámok gerjesztése:

- rezonancia abszorpció

- instabilitás: beeső fény 2 másik hullámra bomlik

B=0 feltétel:

- elektronplazma-hullám

- ionakusztikus hullám

- szórt elektromágneses hullám

+ Nem parametrikus (hidrodinamikai) instabilitások

Page 5: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

5

INSTABILITÁS CSATOLÁSI

SŰRŰSÉG

JELENTŐSÉG

Rezonancia

abszorpció 0=p ~nc forró elektronok

indukált Brillouin-

szórás 0=szórt+ia < nc abszorpció csökkentése

indukált

Raman-szórás 0=szórt+p nc/4 forró elektronok, abszorpció csökkentése

Két plazmon

bomlás 0=p+p ~ nc/4 forró elektronok

Ionakusztikus

bomlás 0=ia+p ~ nc forró elektronok

(Hector Baldis)

Page 6: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

6

Instabilitások kis sűrűségű plazmákban

Optikailag ritka közegek.

Instabilitások következményei:

- nem termikus fűtés, forró elektronok

előfűtés (preheating) nem lehet a fúzióhoz szimmetrikusan

összenyomni a pelletet. De gyors elektronok a lökéshullámos

fúziós begyújtásban hasznosak is lehetnek.

- abszorpció csökken, a fény visszaverődik.

Diagnosztika:

- n>ncr röntgensugárzás (forró plazma saját fénye)

- n<ncr optikai (saját nyaláb szórása, próbanyaláb (Thomson-szórás))

Szórásnál a legkisebb eltolódás (ionhullám) Δω/ω0~10-3.

Page 7: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

7

Az instabilitások mozgatója: a ponderomotoros erő

A turbulens plazmában keltett plazmahullámok összelebegnek a

fényhullámmal, ezzel az elektromos tér nyomásában változásokat

okoznak. Ez a gradiens erőt kelt, az ún. ponderomotoros erőt, ami

ionsűrűség-fluktuációkat okoz.

Pl.: Homogén plazma válasza a nagyfrekvenciás térre:

. ,sin)( pipt xEE

Az elektronfolyadék válaszát E2 rendig számítjuk ki, nyomásukat

elhanyagolva: .sin)( tm

e

tee

e xEuuu

E-ben legalacsonyabb rendben ue=uh, ahol

.cos

,sin)(

tm

e

tm

e

t

h

h

Eu

xEu

Page 8: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

8

Az elektronok gyors oszcillációira kiátlagolva:

tt

tet

thht

t

met

m

EEuu

uuEu

,

,

Behelyettesítve uh-t: ).(4

1 2

2

2

xm

ee

tm t

t

EEu

Láthatóan az elektronra olyan erő hat, ami a nagynyomású

helyekről kilöki. Ez a ponderomotoros erő:

).(4

2

2

2

xm

ep EF

Nemlineáris erő, nemlineáris kölcsönhatás

(t index: időátlagolás)

Page 9: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

9

Indukált Raman-szórás

Manley-Rowe relációk:

(impulzus- és energiamegmaradás

frekvenciára és hullámszámra) epws

epws

kkk

0

0 ,

Mivel epw>pe (kritikus sűrűség!)

m

ne24

és a terjedéshez s>pe , ezért

pece nn 2

4

10

Hogyan történik?

EL kelt oszcillációt: 22 ~

,

Iv

m

e

L

LL

Ev

Ez n sűrűség-fluktuációt kelt, ami pedig egy

J=-evLn transzverzális áramot.

(szórt + elon. hullám)

m

en

m

en ccepws

22

0

4442

A kritikus sűrűség ennél 4-szer lesz nagyobb

W.L. Kruer: The Physics of Laser Plasma Interactions

Page 10: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

10

A hullámszámok és frekvenciák illeszkedése esetén ez szórt

hullámot hoz létre (E).

Ez lebeg össze a beeső fénnyel, létrehozva a fény-nyomást:

.4/8

2

EE L

E

Ez a változó nyomás lökdösi a plazmát a nagyobb nyomású helyekről

a kisebb nyomású helyekre, sűrűség-fluktuációkat keltve.

Visszacsatolás instabilitást hoz létre:

kis sűrűség-fluktuáció transzverzális áram kis szórt fény

tovább hajtja a sűrűség-fluktuációkat.

Szigorú tárgyalás: Maxwell-egyenletek + hidrodinamikai egyenletek

hullámegyenlet, diszperziós relációk előre- és hátraszórásra.

Küszöb a csillapításokat figyelembe véve határozható meg.

(=pe+i -nak a diszperziós egyenletbe való behelyettesítésével)

A Raman-szórást az ütközések csillapítják n>0.15nc esetén.

Page 11: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

11

A Raman-instabilitás analízise

Feltételezés: homogén plazma és

tcctctcc

tc

141ahonnan

14

mérték) Coulomb enciálra(vektorpot 0

1 ;

2

2

2

2JA

EJB

A

AEAB

A J 2 részből áll: Jt transzverzális áram, fényhullám

+ Jl longitudinális áram, plazmahullám, grad Φ –ből származik

t

lt

ctc

t

t

t

JA

JJ

J

J

4

1 Ezért

4 0 Mivel

.04 :legyenletbőkét A

0 :megmaradás

4 :egy.-Poisson

2

2

2

2

2

Felt.: Ane=0, ezért a transzverzális áram: Jt=-neeut (ut az oszc. sebesség)

mc

e

tmc

e

m

e

tc tt

tt

Au

AE

uu

A sűrűségváltozás longitudinális. Ezért:

Page 12: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

12

Tehát a fényhullám terjedése leírható:

AA enm

ec

t

222

2

2 4

A probléma: nagy amplitudójú (AL) fényhullám szórása kis amplitudójú ne fluktuáción:

pLepp

eopL

Anm

ec

t

nnn

fényt,szórt a létre hozza ez áram, verzális transz4

;

2222

2

2

AA

AAA

A sűrűségfluktuáció meghatározása:

erő orosponderomot a tag2. a , 2

1

transzv.) nális(longitudi

0

2

nm

p

mc

e

m

e

t

mc

e

nm

p

cm

e

t

nt

n

eL

L

Le

eeee

e

e

Au

u

Auu

BuEuu

u

u

Állapotegyenlet: pe/n3 = const.

Linearizálás: uL=up , n=no+ne, A=AL +Ap, Φ is kicsi

Ezeket behelyettesítve első rendben:

Page 13: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

13

pL

oeep

ee

o

epL

p

poe

cm

ennv

t

vnn

v

cm

e

m

e

t

tn

t

n

AA

AAu

u

2

22

2222

2

2

2

22

2

3

) termikus( /div 3

/ 0

Elektronsűrűség-fluktuáció az elektromágneses hullám hatására.

Ezt az egyenletet kapcsoljuk össze az A-ra von. hullámegyenlettel: CSATOLÁS

Ebből kapjuk a diszperziós relációt a Raman-instabilitásra, Fourier trafó:

snemrezonánnagyon va,elhanyagol 2,2,2,2akkor , Ha

Gross)-(Bohm 3

,,,,

,,2

4,

),cos(

00p

21

222

002

22

00

22222

2

22

oeoe

epBG

opopomc

nek

eBG

oeoeopp

oooL

kknkkn

vk

kkkkn

kknkknm

eck

t

o

AAAk

AkA

xkAA

A kiküszöbölésével kapjuk a diszperziós relációt:

Page 14: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

14

2222

222

22

,

,

1

,

1

4

p

oooo

osp

BG

ckkD

DD

vk

kkkk

Köv.: Az instabilitás növekedését hátra- és oldalszórás esetén a – előjel adja

)( ,4

)(

22

222222

BGBG

osp

pooBG

vkc

kk

Maximum akkor van, ha a szórt fény is rezonáns, azaz

21

22

2222

4 ahol ,innen

,0

BGoBG

pos

pooBG

kvi

c

kk

Ebből a k is meghatározható, pl. visszaszórás esetére. Maximum akkor van, ha

21

21

o

poo

ckk

Ez azt jelenti, hogy n<<ncr/4 k=2ko

és n=ncr/4 k=ko

között változik.

Page 15: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

15

Előreszórás kis sűrűség esetén lehet, k<<ωo/c.

Ekkor a diszperziós reláció mindkét tagja lehet közel rezonáns:

c

v

iωωck

D

os

o

p

pp

opoo

22

),/(

2,

2

kk

Ha van ütközés csillapítás küszöb (plazma inhomogenitás)

Pl. nagy Z (Au), Z=50, T=2keV, n/ncr=0.2

vei=2.4*1013s-1 Ebből Ith=5*1014W/cm2

Kis rendszámú anyag kevésbé ütközéses alacsonyabb küszöb

Ha a hullám kimegy a régióból, akkor konvekció dominál,

konvektív küszöbről beszélünk. A régió hossza:

1

ln

n

dx

dL

Következmény: Longitudinális hullám gyorsítja az elektronokat.

A Raman-szórás a 80-as évek után napjainkban ismét fontossá vált a fúzió

lökéshullámmal való begyújtása sémában.

Page 16: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

16

Raman-szórás kísérletek

Elég hosszú (fúziós) plazmáknál a Raman-szórás jelentékeny lehet.

Page 17: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

17

A keletkező forró elektronok több % energiát vihetnek el, és a fúziós

kapszulát előfűthetik.

Page 18: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

18

Az elektron-ion ütközések csillapítják a Raman-instabilitást,

csökkentik a szórást. Jót tesznek a fúziónak!

Page 19: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

19

Két plazmon bomlás (2p instabilitás)

A lézerfény két elektronplazma-hullámmá bomlik (1,2)

A frekvencia- és hullámszám-illesztés feltételei:

210

210 ,

kkk

Mivel 1 és 2 közel vannak ep-hez, ezért az instabilitás

szintén nc/4 körüli, ahol

ck 0

02

3~

Az illesztés széles hullámszám-spektrumot enged meg.

k0 k1

k2

Page 20: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

20

A csatolt egyenletek ekkor is =pe+i -nak a diszperziós

egyenletbe való behelyettesítésével kaphatók meg.

A növekedés homogén plazma esetén:

0

20

4 kk

kkkv

k

kos

Nagy hullámszám határeset: k>>k0 max=1/4k0vos

(hasonlóan a Raman-hoz) nc/4-nél.

Inhomogén plazmában (a Raman-tól eltérően) hőmérsékletfüggő,

viszonylag alacsony küszöb.

A keltett plazmahullámok összelebegése jó példa a

ponderomotoros erőre, a sűrűséget meredekebbé teszi ez az

instabilitás (profile steepening).

Page 21: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

21

Kísérlet: Thomson szórás

CO2 lézerplazmán szórt fény, mindkét irányban haladó hullámon

szóródik, amelyek –12.8 ill. 13.6 nm-rel tolódtak el, az ellenkező

irányok szerint.

Page 22: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

22

A merőleges irányú plazmonon szórt hullám

Page 23: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

23

A 3/20 emisszió a 2p instabilitás

következménye

Másodlagos folyamat!

Page 24: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

24

Indukált Brillouin-szórás (SBS) 0=ia+s k0=kia+ks

ia<<0

Ez is az optikailag ritka plazmában mehet végbe.

Sok energia, akár a lézerenergia 20-40%-a is visszaszóródhat, gyengítve az

abszorpciót. A diszp. rel. az SRS-hez hasonló levezetés után:

oooo

pios

skkDkkD

vkck

,

1

,

1

4

22222

ω, k, cs : ionhang sebessége, Ei║Es, maximum, ha mindkét hullám rezonáns

Homogén plazma: k=2ko (visszaszórás), γ<<kcs (gyenge csatolás). Küszöb:

soo

pioso

s

ck

vk

ikc

22

1

Pl.: λ=0.35μm, I=1014W/cm2

n=0.5ncr, T=2keV

γ=2.510121/s, τ~0.4ps

Ütközéses csillapítás:

i

i

o

ei

e

os

v

v

4

2

Ált. alacsony küszöb, Z=50-re 1013W/cm2.

MZmmc

ev pe

Los / , pi

A

Page 25: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

25

Indukált Brillouin-szórás (SBS) 2.

Sűrűség-, sebesség-gradiens okozta küszöb: exp(2π) (Rosenbluth)

Rosen, 1979

Nd glass,

Au disk

n

n

Lkv

v

x

v

cL cr

voe

os

s

v

16

121

exp

Pl. 0.5 ncr, Te=2keV, Lv=1000λ

esetén Ith=1014W/cm2 (oldalszórásra kisebb)

Megj.: Nagy Z esetén az ütközéses abszorpció elnyomhatja az SBS-t kisebb

intenzitásokon. A pontos követéshez teljes plazmadinamika kell.

Ált. a Raman szórással alternatívan jelentkezik, ált. kizárják egymást.

Akár 20-40% energia-kiszórásért is felelős lehet. A sűrűség-fluktuációk

megbecsülhetők vele, δn/n~15%-ot is megfigyeltek.

Page 26: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

26

Önfókuszálás, filamentáció

Nem igazán parametrikus folyamat, a nyaláb kezdeti

intenzitás-modulációja növekszik a terjedés folyamán.

Önfókuszálás, ha a teljes nyalábra. Törésmutató:

21

1

c

e

L

L

n

nckn

Okozhatja: ponderomotoros erő (SBS)

(0 freki sűrűségperturbáció)

termikus filamentáció (T)

relativisztikus tömegnövekedés

Page 27: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

27

Hazai kísérletek levegőben ns lézerrel

(Bakos, Földes, Sörlei)

A plazma kiszórást és abszorpciót okoz.

De:

Az optikai tengelyen késleltetés

után intenzitás-növekedés

figyelhető meg.

Page 28: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

28

Termikus önfókuszálás

A plazma pozíciót változtattuk a

próba-nyalábhoz képest. A termikus önfókuszálás küszöbintenzitása

Ith~1/r2

Az a mechanizmus, nem a ponderomotoros.

Már 50 kW intenzitáson megfigyelhető.

Page 29: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

29

Lézerfúzió Energiatermelés

Miből lehet energiát termelni?

- A Napból a Földre érkező energia megcsapolásával

- Kötési energiából

Napenergia-hasznosítás

Mi kellene a magyar energiafogyasztási szükséglet napelemekkel való

megtermeléséhez?

Éves energiafogyasztás: 3MWh/év/fő, azaz a teljes: 31013Wh/év

Napállandó a földpályán: 1.4kW/m2, 2000 napsütéses óra

Eredő hatásfok (légkör+napelem): kb. 10%

Terület: 9.3 1010m2, hasznosítható napenergia: 2.61016Wh/év.

Tehát Enap=1000 Etot, azaz a terület 1 ezrelékét 100 km2-t kellene

erre használni. Zoletnik (www.rmki.kfki.hu)

Page 30: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

30

Napenergia nem használható elsőrendű

energiaforrásként

• A szél-, víz-, hullám-energia szintén a napenergia egyfajta

hasznosítása.

• Területileg koncentráltabbak, de területileg és időben is nagyon

egyenetlen az eloszlás.

• A napról érkező energia direkt hasznosítása igen nagy területet

igényel, drága is. Az alternatív energiaforrások mellé szükséges

valami állandó energiaforrás is, megnőtt a fosszilis szén- és

gázerőművek szerepe, ami növeli az üvegházhatást.

• Kötési energiából kell inkább energiát termelni!

Page 31: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

31

Energiatermelés kötési energiából!

• Vizsgáljuk egy 1 GW-os erőmű működtetésének lehetőségét

(naponta 3600 24 109 J 8 1013 J ):

• Az atomhéj energiájából: Tipikusan 1 eV/atom

10-19J/ 10-27kg= 108J/kg

105 kg/nap fűtőanyag kell az energiaszükséglethez

• Az atommag energiájából: Tipikusan 1 MeV/atom

106 10-19 J/ 10-27 kg= 1014 J/kg

10-1 kg/nap anyagszükséglet

Page 32: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

32

Magenergia fisszióból és fúzióból

• A magenergia felszabadításának két lehetséges módja:

nehéz magok hasítása (fisszió)

és könnyű magok egyesítése (fúzió).

A magok hasítására spontán reakció létezik, a magok egyesítését azok

elektrosztatikus taszítása akadályozza, ezért nincs spontán reakció.

Fisszió

Spontán reakció is van

Nem igényel kezdeti

befektetett energiát

Láncreakció

Fúzió

Nincs spontán reakció

Jelentős kezdeti

energiabefektetés kell

Nincs láncreakció

(reakciótermékek nem vesznek

részt a reakcióban)

Page 33: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

33

Magfúziós reakciók

• A szóbajövő magfizikai folyamatok jól ismertek gyorsítóval

végzett kísérletekből:

• D-T reakció:

D + T 4He(3.52 MeV) + n(14.1 MeV)

• D-D n reakció:

D + D 3He(0.82 MeV) + n(2.45 MeV)

• D-D p reakció:

D + D T(1.01 MeV) + p(3.02 MeV)

• D-He reakció:

D + 3He 4He(3.66 MeV) + p(14.6 MeV)

• p-B reakció:

p + 11B 3 4He (8.9 MeV)

Page 34: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

34

Lehet-e gyorsítóval fúziós energiát termelni?

• Gyorsítsuk fel az egyik magot, és lőjük neki a másiknak!

• A magok először szóródnak egymás Coulomb-terében, és így energiát adnak át egymásnak. Mivel a Coulomb-szórás hatáskeresztmetszete sokkal nagyobb, mint a fúzióé, ezért az energia sok ütközés során szétszóródik a céltárgy atommagok között (termalizálódik). A termalizáció után lenne idő reakcióra, de ekkorra az energia már túl kicsi.

• Fúziós energiát termelni csak termikus közegben lehet.

• A reakciók viszont jól tanulmányozhatók gyorsítóval.

Page 35: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

35

Hatáskeresztmetszek

• Reakció valószínűsége termikus közegben: <v> ráta

• 1 részecske n sűrűségű közegben másodpercenként

N= <v> n reakciót szenved el,

a hatáskeresztmetszet, v a sebesség.

Legkönnyebben a DT reakció a megvalósítható, viszonylag legalacsonyabb hőmérsékleten legnagyobb hatáskeresztmetszet.

10 keV108 hőmérsékleten kell összetartani, azaz 100 millió fokon.

Kiinduló anyagok (D-T): D sok van, T ritka

T előállítható Li-ból fúziós neutronokkal: 6Li+n(termikus) 4He+T 7Li+n(gyors) 4He+T+n

Zárt ciklus, minimális trícium mennyiség. Rövid bomlásidejű termékek.

Page 36: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

36

Fúziós plazma összetartása

• Alapvetően két fő eljárás van, mindkettővel az ún.

Lawson-kritériumot kell teljesíteni (n>1020sm-3)

1. Mágneses fúzió: A plazma sűrűségét az alkalmazott

mágneses tér szabja meg. Az energiatermeléshez egy

kritikus energia-összetartási időt kell elérni: tokamak,

sztellarátor. Viszonylag kis sűrűség.

2. Tehetetlenségi összetartásos vagy mikrorobbantásos fúzió

(inertial confinement fusion): Fúziós kapszulát lézer-

vagy részecskenyaláb fűti, esetleg egy ún. Z-pincs

kisülésben keletkezett röntgen-sugárzás. A külső héj

lerobbantásával (abláció) a rakéta-effektus, azaz a

tehetetlenség nyomja össze. Rövid idő, nagy sűrűség.

Page 37: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

37

Fúziós feltételek (ICF)

• n: időegység alatti termonukleáris reakciók

Maxwell-eloszlásra átlagolva:

nNNN

vNNdt

dn

TD

TD

02

1

elégési ráta (burn fraction): 0

2

N

n

vN

dt

d

20 12

Felt.: égés alatt a hatáskeresztmetszet állandó,

Def.: energia összetartási idő. Integrálva: v

N

21

0

Page 38: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

38

Ha a ritkulási hullám (égéskor) terjedési sebessége cs

s

s

c

rvN

c

r

61

,3

0

D-T reakció esetén a cs/<v> arány

20 és 40 keV között közel konstans. Ezért

)/(6 2cmgr

r

Lawson kritérium.

Nagy hozam (r=3g/cm2 ) esetén

33% ég el.

Page 39: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

39

Mekkora hozam kell?

Mivel a lézerek és az összenyomás hatékonysága alacsony,

a reaktorhoz nagy hozam,

legalább 100-szoros energianyereség kell a targeten.

Page 40: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

40

Mi kell az összenyomáshoz?

Gömb össztömege:

.3

4

3

42

3

3

rrM

Tehát a tömeg az adott r- hez 1/2-tel skálázódik.

Folyadéksűrűség: 0.21 g/cm3 , ehhez több, mint 2.5kg DT kell.

Ez 31014J-t azaz 70 kilotonnát adna.

De komprimálva 400g/cm3-re egy r/2 vastag, r sugarú gömbhéj

már 5 mg tömeg esetén adna r=3g/cm2-t. Ez 6108 J energiát adna.

5-6 ilyen impulzus másodpercenként 1 GW erőműre jó.

Tehát nagy sűrűség kell!!

A fűtéshez viszont sok termikus energia kell.

A belső energia 5keV hőmérsékleten:

gJmmT TDb /106/2

34 8

Page 41: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

41

„Hot spark ignition”

A fent említett kompresszióhoz 6.5104 J kell, de az 5mg 5keV-re való

fűtéséhez 3106 J. Ha a mikrorobbantás hatásfoka pl. 5%-os, akkor

ehhez 6107 J meghajtóra van szükség. Ez borzasztó sok, az

1/3 égési hatásfok esetén csak 10-szeres lenne a hozam.

Fel kell használni a magreakcióban keletkező -részecskék energiáját!

Mivel E=3.5MeV, az energia 20%-át ezek viszik el. Ezzel kell fűteni!

Megoldás: Egy központi forró foltban kell begyújtani,

ahonnan az égés a körülvevő sűrű fűtőanyagban történik,

amelyet az részecskék és a hővezetés fűt fel. Elég a teljes tömeg

2%-val begyújtani, aminek felfűtéséhez elég 6104 J , azaz a

kompresszióval együtt összesen 1.25105 J, ami 2.5106 J

meghajtót jelent. Ekkor a hozam ~200 lesz.

Ekkora lézer a NIF!

Page 42: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

42

Begyújtás forró foltban

Page 43: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

43

A meghajtás rakétaelve

Megmaradási tételek, feltételezve, hogy a kifelé áramlás sebessége

a koronában a hangsebesség, az m(t) tömeg (g/cm2) gyorsul v(t)

sebességre, azaz az m(t) a fűtőanyag tömege:

tmmdtdt

dmmtm

Pdt

tdvtm

t

a

0

0

0 )()(

,)(

)((feltételezve, hogy dm/dt konstans)

aPdt

dvtmm 0Az

egyenletet integrálva kapjuk a rakéta-egyenletet:

)(ln)( 0

tm

m

m

Ptv a

Page 44: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

44

Stabilitás

Paraméterek: aspect ratio a kezdeti R/R25-35

konvergencia-arány kezdeti/komprimált sugár Cr30-40

tipikus sebesség: 3-4107cm/s

kezdeti g gyorsulás g perturbációja a robbanáskor a

gömbszimmetriától való eltérést okoz:

12

1 2 rCrg

ggtR

Ez legyen kisebb a végső r sugár negyedénél!

14

1

rCv

v

g

g

Gyorsulás és szimmetria 1%-nál homogénebb kell

legyen a teljes idő alatt.

Page 45: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

45

A NIF lézer (192 nyaláb 2 MJ) helye

Page 46: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

46

Nd-üveg lézer

Page 47: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

47

NIF kamra

Page 48: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

48

Teller Ede a NIF-nél

Page 49: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

49

Hidrodinamikai instabilitások

A nemlineáris, parametrikus kölcsönhatások szerepe csökkenthető,

ill. kontrollálható az intenzitás korlátozásával, valamint rövid

hullámhosszú lézerek választásával (frekvencia-sokszorozás,

KrF lézer).

A szimmetrikus összenyomást viszont megnehezítik a

nem parametrikus, folyadék-instabilitások.

- összekeverhetik a hideg DT-t a középső forró folttal

Ezek:

- Rayleigh-Taylor instabilitás: ha nehéz folyadékot teszünk

a könnyebbre vagy ha könnyebb folyadékal gyorsítunk

nehezebbet.

- Richtmyer-Meshkov: ha lökéshullám halad át 2 különböző

sűrűségű folyadék nem egészen sima határán.

- Kelvin-Helmholtz: ha 2 párhuzamosan áramló folyadék

sebessége különbözik a kontakt felület mentén.

Page 50: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

50

A Rayleigh-Taylor instabilitás

Sokak szerint a lézeres fúzió az RT instabilitásról szól,

ez a legnagyobb ellenség. A hideg, sűrű kapszulát a leváló forró,

híg plazma nyomja össze. RT instabil, a kezdeti kis perturbációk

exponenciálisan növekednek. A végső lelassuláskor DT és az őt lökő

anyag között úgyszintén.

Klasszikus analízis: szinuszos perturbáció exp. növekedése

szám-Attwood ,/2k , kg

Szimulációk: R gömbhéj: 3R a leggyakoribb perturbáció

Ablációs gyorsítás a gömbhéj feléig: gt2/2=R/2.

Ekkor a perturbáció időbeli növekedése:

RRt /2exp)exp(

Page 51: 5. Előadás - WIGNERfoldes/speci5.pdf · 2019. 4. 16. · 1 5. Előadás • Instabilitások • A mikrorobbantásos fúzió • Fúziós energia • Lézerfúzió követelményei

51

Ezért – bár a nagy R/R arány kedvez a gyorsításnak –

az RT instabillá válik.

Gömbszimmetrikus kapszulák: nem hullámhoszról, hanem

l=2R/ módusokról beszélnek.

Veszélyes: 3R l2R/3R

Ezért is kell a megvilágítás szimmetriája 1%-nál jobb legyen.

Védekezés: nyaláb simítási technikák

192 nyaláb van a NIF-ben!