Ero sivun ”Fuusioreaktori” versioiden välillä
| [katsottu versio] | [katsottu versio] |
Poistettu sisältö Lisätty sisältö
Jni (keskustelu | muokkaukset) →Lawsonin kriteeri: numeerisia arvoja, lähde |
Jni (keskustelu | muokkaukset) p →Fuusioreaktio: kappaleet hieman eri järjestykseen |
||
Rivi 21:
Fuusiolaitteiden edistys on ollut huimaa, 2000-luvun fuusiolaitteet tuottavat tuhat-miljoonakertaisesti enemmän energiaa kuin 1970-luvun laitteet ja nykyään ollaankin jo melko lähellä jatkuvatoimista, runsaasti energiaa tuottavaa reaktoria. Seuraava fuusiolaite onkin tehokas koereaktori [[ITER]], joka ei tuota sähköä, mutta jossa tutkitaan kaupallisen fuusioreaktorin tekniikkaa.
=== Fuusioreaktion vaatimukset ===▼
Fuusio on vaikea toteuttaa, koska kaikki [[atomi]]ytimet ovat positiivisesti varautuneita ja siten hylkivät toisiaan. Ytimiä ympäröi sähköinen suojavalli, joten niiden välillä vaikuttaa poistovoima. Jos kuitenkin ytimiä puristetaan tai törmäytetään kyllin lujaa toisiaan vastaan, atomiytimet yhdistyvät. Fysiikasta tiedetään, että [[lämpö]] on aineen pienimpien osasten liikettä. Lämpötilan kasvaessa atomit ja niiden ytimet liikkuvat yhä nopeammin. Riittävän korkeissa lämpötiloissa atomin ytimet liikkuvat niin nopeasti, että törmäävät toisiinsa sähköisistä poistovoimista huolimatta. Törmäyksessä ytimet yhdistyvät ja vapautuu suuri määrä energiaa.▼
Maan oloissa 100–150 miljoonan asteen lämpötilassa vetyatomien liike on jo niin nopeaa, että vety-ytimien positiiviset varaukset eivät enää riitä hylkimään atomiytimiä. Auringossa fuusio tapahtuu jo matalammassa, kymmenen miljoonan asteen luokkaa olevassa lämpötilassa, sillä aineen tiheys on siellä huomattavasti suurempi. Fuusiota siis edistää korkean lämpötilan lisäksi suuri tiheys. Fuusioreaktori vaatii siis riittävän lämpötilan, tiheyden ja plasman koossapitoajan.▼
=== Lawsonin kriteeri ===▼
Jotta fuusioreaktio alkaisi, fuusioituva vety pitää kuumentaa riittävän korkeaan lämpötilaan, puristaa riittävän tiheäksi ja pitää koossa riittävän kauan. Näin fuusiolaitetta luonnehtii se, täyttääkö se tietyssä lämpötilassa tarvittavan hiukkastiheyden <math>n</math> ja koossapitoajan <math>\tau</math> (''tau'') tulon. Tietylle lämpötilalle ja fuusiopolttoaineelle <math>N \cdot \tau</math> on [[Lawsonin kriteeri]].<ref>Krane s. 542</ref>▼
D-T-reaktiolle 100 miljoonan kelvinin lämpötilassa, jolloin hiukkasten keskimääräinen kineettinen energia on 10 keV luokkaa, Lawsonin kriteeri <math>N \cdot \tau</math> on 10<sup>20</sup> s/m<sup>3</sup>. D-D-reaktiolle taas Lawsonin kriteeri on 10<sup>22</sup> s/m<sup>3</sup> eli energian tuottamiseksi tarvitaan 100-kertainen lisäys vetyionien tiheydelle tai koossapysymisajalle tai jollekin näiden yhdistelmälle.<ref>Krane s. 538,542</ref>▼
=== Deuterium-tritium-reaktio ===
Rivi 45 ⟶ 34:
Eräs deuterium-tritium-reaktorin rasite on se, että se vaatii litiumia, josta reaktorin tuottamat neutronit pilkkovat tritiumia. Alkupanokseksi vaaditaan valmista tritiumia jonkun verran. Tämä tritium voidaan tuottaa fissiotutkimusreaktorissa tai vastaavassa. Litiumin määrä on maan pinnalla rajallinen. Tämän reaktion tuottamat hyvin suurienergiaiset neutronit ovat vaarallisempia kuin D-D-reaktion tuottamat. Reaktori ei liene ainekiloa kohden käytännössä yhtä tuottoinen kuin D-D-reaktori.
=== Deuterium-Deuterium-reaktio ===
Pääasiallinen deuterium-deuterium-reaktorin etu on, että se ei vaadi polttoaineeksi litiumia tai tritiumia.
Rivi 56 ⟶ 45:
D-D-reaktorin etuja on riippumattomuus tritiumista tai litiumista, sekä luultavasti hieman pehmeämpi neutronisäteily.
▲=== Fuusioreaktion vaatimukset ===
▲Fuusio on vaikea toteuttaa, koska kaikki [[atomi]]ytimet ovat positiivisesti varautuneita ja siten hylkivät toisiaan. Ytimiä ympäröi sähköinen suojavalli, joten niiden välillä vaikuttaa poistovoima. Jos kuitenkin ytimiä puristetaan tai törmäytetään kyllin lujaa toisiaan vastaan, atomiytimet yhdistyvät. Fysiikasta tiedetään, että [[lämpö]] on aineen pienimpien osasten liikettä. Lämpötilan kasvaessa atomit ja niiden ytimet liikkuvat yhä nopeammin. Riittävän korkeissa lämpötiloissa atomin ytimet liikkuvat niin nopeasti, että törmäävät toisiinsa sähköisistä poistovoimista huolimatta. Törmäyksessä ytimet yhdistyvät ja vapautuu suuri määrä energiaa.
▲Maan oloissa 100–150 miljoonan asteen lämpötilassa vetyatomien liike on jo niin nopeaa, että vety-ytimien positiiviset varaukset eivät enää riitä hylkimään atomiytimiä. Auringossa fuusio tapahtuu jo matalammassa, kymmenen miljoonan asteen luokkaa olevassa lämpötilassa, sillä aineen tiheys on siellä huomattavasti suurempi. Fuusiota siis edistää korkean lämpötilan lisäksi suuri tiheys. Fuusioreaktori vaatii siis riittävän lämpötilan, tiheyden ja plasman koossapitoajan.
▲==== Lawsonin kriteeri ====
▲Jotta fuusioreaktio alkaisi, fuusioituva vety pitää kuumentaa riittävän korkeaan lämpötilaan, puristaa riittävän tiheäksi ja pitää koossa riittävän kauan. Näin fuusiolaitetta luonnehtii se, täyttääkö se tietyssä lämpötilassa tarvittavan hiukkastiheyden <math>n</math> ja koossapitoajan <math>\tau</math> (''tau'') tulon. Tietylle lämpötilalle ja fuusiopolttoaineelle <math>N \cdot \tau</math> on [[Lawsonin kriteeri]].<ref>Krane s. 542</ref>
▲D-T-reaktiolle 100 miljoonan kelvinin lämpötilassa, jolloin hiukkasten keskimääräinen kineettinen energia on 10 keV luokkaa, Lawsonin kriteeri <math>N \cdot \tau</math> on 10<sup>20</sup> s/m<sup>3</sup>. D-D-reaktiolle taas Lawsonin kriteeri on 10<sup>22</sup> s/m<sup>3</sup> eli energian tuottamiseksi tarvitaan 100-kertainen lisäys vetyionien tiheydelle tai koossapysymisajalle tai jollekin näiden yhdistelmälle.<ref>Krane s. 538,542</ref>
=== Fuusioreaktion vaikutus reaktoriin ===
Rivi 66:
Fuusioitava vety on kuumennettava korkealämpöiseksi plasmaksi, jota voidaan pitää koossa magneettikentillä "magneettisessa pullossa". Plasmassa ovat positiivisesti varautuneet atomin ytimet ja elektronit irti toisistaan. Vety on plasmaa yli 100 000 kelvinin lämpötilassa.
Pullon vaatimat voimakkaat magneettikentät on saatu aikaan suurilla [[Suprajohde|suprajohtavilla]] käämeillä, joissa kulkee valtava virta. Plasman pidempiaikainen koossa pitäminen on osoittautunut ongelmalliseksi, sillä kuumassa, magneettisessa plasmassa on monia epävakaisuusilmiöitä. Magneettifuusiolaitteissa kuumennettu vety on pidettävä irti reaktorin seinämistä, koska mikään seinämä ei kestä plasman 100 miljoonan asteen lämpötilaa. Plasma värähtelee ja on epävakaata. Usein yritykset vakauttaa plasmaa ovat tuottaneet uusia epävakaisuuksia. Eri fuusiolaitteissa on erilaisia puutteita, mutta eräs kaikille laitteille tyypillinen ongelma on uurre-eli vaihtoepävakaisuus. Yleensä epävakaisuudet johtuvat magneettikentän voimaviivojen kaartumisesta.
<!-- Yleensä plasma puristetaan magneettikentillä riittävän tiheäksi, ja kuumennetaan vaihtelemalla magneettikenttää. Voimakkaat magneettikentät saadaan aikaan suurilla [[käämi|käämeillä]]. Toiselta puolen kurotuissa eli pinneplasmoissa on kuroutumisepävakaisuutta eli pinne-epävakaisuutta ja mutkaepävakaisuutta. -->▼
▲Yleensä plasma puristetaan magneettikentillä riittävän tiheäksi, ja kuumennetaan vaihtelemalla magneettikenttää. Voimakkaat magneettikentät saadaan aikaan suurilla [[käämi|käämeillä]].
==Reaktorityypit==
| |||