Plazma Energetika-fuzija, MHD Generator

Mainski fakultet Sarajevo

Plazma energetika - fuzija, MHD generatorProjektovanje sistema za konverziju energijeSeminarski rad

Prof.dr. Sandira Eljan Studenti: Husi Tahira Sinanovi Elma Hatki Alan

1.UVOD

Suoeni sa sve viim cijenama nafte i ostalih energenata, svijet se mora okretati prema novim izvorima energije. Nuklearna fuzija je jedna od moguih alternativa.Dodamo li visokim cijenama nafte i poveanje temperature na Zemlji kao direktnu posljedicu staklenikog uinka, potreba za jeftinom, istom i sigurnom energijom postaje vie nego jasna. Koritenje energija vjetra, sunca, plime i oseke samo su neki od koraka prema ostvarenju tog cilja. No, u proteklih par desetljea, znanstvenici su uporno i strpljivo radili na neemu to predstavlja praktino neiscrpan izvor energije. 2. Plazma energetikaPlazmaje ufiziciihemijinaziv zajonizirani plini uobiajeno je da se zbog razliitih svojstava u odnosu nakrutine,tekuineiplinove smatra posebnimagregatnim stanjemtvari. Ionizirani plin ima barem po jedanelektronodvojen od dijela svojihatomailimolekula. Zbog slobodnih nabijenih estica (jonai elektrona) plazma je dobarvodi elektrine strujei snano reagira naelektrinoimagnetsko polje.Svaki plin je joniziran, barem u malom stupnju, ali ne moemo svaki jonizirani plin nazvati plazmom. Za plazmu se kae da je kvazineutralan plin sastavljen od neutralnih i nabijenih estica. Kvazineutralan plin znai da je makroskopski gledano neutralan, ali su njegovi dijelovi elektriki nabijeni. Kao i plin, plazma nema odreen oblik ili volumen, osim ako se zatvori u posudu, a pod utjecajem magnetskog polja plazma moe poprimiti vlaknastu strukturu.

Slika 1. Plazmena lampaPrvi je na znanstveni nain plazmu opisao William Crookes 1879. godine, nazvavi je "materijom koja zrai", tj. etvrtim stanjem materije. U Crookesovim cijevima su nastajale katodne zrake koje je kasnije prepoznao engleski fiziarJoseph John Thomsoni nazvao ih plazma . Taj je izraz 1928. godine upotrijebio i ameriki hemiar Irving Langmuir, moda zato jer su ga elektroni, ioni i neutralne estice posjetile na crvena i bijela krvna zrnca ukrvnoj plazmi. Plazma je najrasprostranjeniji oblik vidljive materije u svemiru. Na Zemlji ima vrlo malo plazme, ali je zato 99% tvari u svemiru plazma.

3. Definicija plazmePlazma se moe opisati kao elektriki neutralno stanje materijala, sa jednakim brojem negativnih i pozitivnih elektriki nabijenih estica. Vano je napomenuti da iako su estice nevezane, one nisu slobodne. Kada se elektriki nabijene estice kreu, one stvarajuelektrinu strujuimagnetsko polje, i kao rezultat, meusobno djeluju sa drugim elektrinim i magnetskim poljima. Zato elektriki nabijene estice imaju kolektivna svojstva, te se plazma moe definirati sa 3 mjerila: Usklaenost plazme: elektriki nabijene estice trebaju biti dovoljno blizu da bi mogle medusobno djelovati, a to se definira sa Debyevom duljinom, a to je doseg elektrinog polja nekog naboja u plazmi. Kolektivna svojstva: Debyeva duljina je puno manja od fizike veliine plazme. To znai da su meudjelovanja unutar Debyeve duljine puno vanija nego na rubovima, pa se kae da je plazma kvazineutralna (ima jednak broj pozitivnih i negativnih elektriki nabijenih estica) Titranje plazme: Langmuirovi valovi trebaju biti puno vei od uestalosti sudaranja estica. Ako je to zadovoljeno, onda elektrostatiko djelovanje prevladava nad procesima obine kinetike plinovaParametri plazme mogu biti u vrlo irokom rasponu, to se moe vidjeti iz slijedee tablice:

Slika 2. Podruje parametara plazme

3.1 Stepen jonizacijeDa bi plazma nastala, potrebna jejonizacija. Pod pojmom gustoa plazme obino se misli na gustou elektrona, ili broj slobodnih jona po jedinici volumena. Stepen jonizacije plazme je broj atoma koji su izgubili elektrone, a obino ovisi o temperaturi. ak i djelomino jonizirani plin, recimo sa 1% joniziranih atoma moe imati svojstva plazme (odgovor na vanjsko magnetno polje i elektrina provodljivost).Stepen jonizacije se definira kao = ni/(ni+ na) gdje je ni gustoa jona i na gustoa neutralnihatoma.

3.2 TemperatureTemperatura plazme se mjeri u Kelvinima ilielektronvoltima, i obino je mjerakinetike energijeestica. Veoma visoke temperature su neophodne da se odri ionizacija, to je glavni uvjet za postanak plazme. Na osnovu relativnih temperatura elektrona, iona i neutralnih atoma, plazme se mogu razlikovati kao termike i netermike.Termike plazmeimaju elektrone i ione otprilike na istoj temperaturi oni su u toplinskoj ravnotei.Netermike plazme, s druge strane, imaju elektrone sa visokom temperaturom, a ione i neutralne estice sa niskom temperaturom (sobna temperature). Plazme se mogu podijeliti na hladne i tople plazme.Tople plazmesu skoro potpuno ionizirane, dokhladne plazmeimaju samo mali dio joniziran, recimo 1%. Ali treba napomenuti da i kod hladne plazme elektroni imaju temperature od nekoliko hiljada C. Umjetno stvorene plazme ili tehnoloke plazme su uglavnom hladne plazme.

Slika 3. Temperatura plazme kod munja moe dostii ~28 000 Kelvina i gustoa elektrona moe prei 1024m-3

3.3 Elektrini potencijalBudui da je plazma jako dobarprovodnik,elektrini potencijaligra veoma vanu ulogu. Prosjeni potencijal koji postoji izmeu elektriki nabijenih estica naziva se potencijal plazme. Ako elektrode stavimo unutar plazme, potencijal plazme se znatno smanjuje. Elektrino polje u plazmi je dosta malo, zbog visoke provodljivosti. Veliina elektrinog potencijala moe se odrediti u ovisnosti od gustoe elektrinog naboja, sa Boltzmannovim odnosom:

A na osnovu toga se moe definirati i jaina elektrinog polja:

Mogue je i stvoriti plazmu koja nije kvazineutralna, kao na primjer elektronske zrake, koje imaju samo negativan naboj. U tom sluaju gustoa mora biti jako mala, inae bi nastanak plazme sprijeila elektrostatika sila (Coulombov zakon).

3.4 MagnetizacijaPlazma u kojoj jemagnetsko poljedovoljno jako, da utie na kretanje elektrino nabijenih estica, se nazivamagnetizirana plazma. esto je sluaj da su elektroni magnetizirani, a joni nisu. Magnetizirana plazma jeanizotropna, to znai da svojstva u smjeru paralelnom sa magnetnim poljem, su drugaija nego u okomitom smjeru.4. Proizvodnja Termofuzionim procesom u plazmi dobija se zasad najvea koliina energije. Kako ostvariti ovaj proces u realnim uslovima? Poznato je da se u kosmosu termofuzioni procesi odvijaju u zvijezdama uz pomo gravitacione energije, gdje se ostvaruju vrlo veliki pritisci i temperature. Sekundarna pojava su vrlo jaka elektrina i magnetna polja, koja interaktivno pomau termofuzione procese. U naim uslovima, plazma se moe ostvariti korienjem prirodnih zakona. Velika temperatura, potrebna za poetak i odvijanje procesa termofuzije, moe se dobiti iz kontrolisanog procesa termofisije, u vrlo jakom elektromagnetnom polju ili sa vrlo velikim pritiscima. Termofuzioni procesi se ne odvijaju u vakuumu. Za ostvarivanje odreene koliine plazme, treba dovesti odreenu koliinu materije koja e se fuzionisati. A ta koliina zavisi od koliine energije koja se eli dobiti za odreeno vreme. Drugim rijeima, sve zavisi od toga kolika se snaga procesa eli. I sve se moe lako kontrolisati. Vano je da se stvorena koliina plazme stalno odvodi od mjesta stvaranja i na podeen nain koristi. Plazma ne moe da se uva kao materija u klasinim sudovima, ve se moe uvati samo u jakim magnetnim poljima, i to ogranieno. A ne treba je ni uvati! Moe se proizvoditi onoliko koliko treba i onda kada je potrebno. Termofuzioni proces po pravilu je kontinualan, stalno se dovodi odreena koliina elementa koji treba da se fuzionie u drugi i stalno se plazma, kao nosilac energije, odvodi od mesta proizvodnje do mesta korienja. Pri tome se koriste snana magnetna polja za sabijanje plazme i "cjevovod" za njeno transportovanje do mjesta upotrebe. Treba imati u vidu i vrlo veliku koliinu energije nastale u termofuzionom procesu. Za ilustraciju navodi se plazmagenerator u kojem se vodonik fuzionie u helijum. Pri protoku vodonika od samo 1Ncm3 /s kroz plazmagenerator linearnog tipa, za stvaranje plazme sa temperaturom od 15 miliona K, potrebna je snaga za odravanje procesa 8,4 kW (najbolje je ako je vea za oko 30% ) i visokofrekventno elektrino polje od najmanje 1,54GV/m. Za "sabijanje" i "transport" plazme potrebno je magnetno polje od najmanje 5T. U tom termofuzionom procesu ostvaruje se energija od 59MJ/s (kada se rauna preko defekta mase), ili oko 56MJ/s (kada se rauna preko proton-protonskog procesa). To znai da je ostvarena snaga oko 7000 puta vea od uloene, naravno teoretski. Plazmatino stanje materije moe se relativno lako ostvariti u plazmageneratoru (sa veim protokom materije koja fuzionie ili manjim elektromagnetnim poljem), a u prostoru sa malim apsolutnim pritiskom (vakuumu) postie se sa malim koliinama toplote, manjim elektrinim poljem, sa laserima, itd. Zato je teko rei pri kojim temperaturama nastupa plazmatino stanje. Poznato je da totalna jonizacija neke koliine materije nastupa na odreenoj temperaturi. Tako napr. za vodonik u navedenom primjeru plazmageneratora totalna jonizacija se ostvaruje na 105000K (kada je u atomskom obliku), ili na 118000K (kada je u molekularnom stanju). Za plazmu se moe smatrati da nastupa iznad ovih temperatura, ali tada jo uvijek ne nastupa termofuzioni proces. Za odvijanje termofuzionih procesa potrebna je mnogo via temperatura jer je potrebno da se protoni tranasformiu u neutrone (jedan dio) i utisnu u jezgra novog elementa. Iako postoji nekoliko naina za stvaranje plazme, ipak je zajedniko to da ulazna energija se mora stvoriti i odravati. Plazma se stvara primjenom elektrine struje du dielektrinog plina ili fluida (elektrini izolator), Elektrini potencijal i odgovarajue elektrino polje uzrokuju privlaenje elektrona prema anodi, dok jezgru atoma privlai katoda. Kako napon raste, elektrina struja stvara naprezanje u atomima, sve do dielektrine granice, kada se pojavljuje iskra i plin postaje ioniziran i pretvara se u vodi. Tada dolazi do lavine ionizacije, kada sudar elektrona i neutralnog atoma, stvara nove elektrone i ione. Ve nakon 20-tak sudara, broj elektriki nabijenih estica se poveava na milione, jer je put sudaranja vrlo kratak.Ako je jaina struje i ionizacija dovoljna, stvara se arei elektrini luk (ustvari munja) izmeu elektroda. Elektrini otpor uzdu elektrinog luka stvara toplinu, koja ionizira preostale plinske molekule, pa plin postaje plazma. Plazma je u toplinskoj ravnotei, to znai da se toplina ravnomjerno rasporeuje na elektrone, ione i neutralne estice, zato to elektroni zbog svoje velike brzine i velikog broja, brzo prenose energiju na ostale estice.

5. PrimjenaPrimjena termofuzionog procesa u plazmi praktino je neograniena. Ve pri intenzivnom hlaenju plazmageneratora dobija se velika koliina toplote. A pri "gaenju", odnosno rashlaivanju plazme, dobija se ogromna koliina toplote. Zato e i prva primjena biti za proizvodnju elektrine energije u termoenerganama. Ove plazma-centrale nee zagaivati ivotni prostor, uz prethodnu laku eliminaciju azotnih oksida. Elektrina energija, kao najplemenitiji vid energije koji ovjek sada koristi, moe da se na ovaj nain dobije u neogranienim koliinama. to je najvanije, mogu se izgraivati i lokalno, za jedan grad ili manji region, tako da nisu potrebni veliki energetski sistemi za prenos elektrine energije. Transformacija energije plazme u elektrinu energiju moe da se ostvari na klasian nain (parni kotao-parna turbina-elektrogenerator), ili sa MHD generatorima. Toplotna energija koja nije iskoriena pri transformaciji u elektrinu koristie se za grijanje stambenog, proizvodnog i poslovnog prostora, za grijanje staklenih bati za proizvodnju veih koliina zdrave hrane. Takoe, moe da se koristi za dobijanje potrebnih koliina pitke vode (isparavanje-kondenzacija).

Primjena plazme bie i na velikim transportnim sistemima, npr. brodovima. Pokretaka snaga i energija za odravanje sistema na njima nee biti ograniavajui faktor za veliinu i brzinu kretanja. To praktino mogu biti gradovi na vodi sa velikom brzinom kretanja, to sada nije sluaj. Slino tome, ali u manjem obimu, primjena je mogua i za lokomotive, za vuu velikih kompozicija velikim brzinama. Pored proizvodnje hrane, toplotna energija plazme, naravno poslije rashlaivanja i dovoenja na nisku temperaturu, koristie se i u metalurgiji za dobijanje velikih koliina kvalitetnih materijala za gradnju velikih plovnih ili leteih objekata. Posebno velika primjena plazme je za reaktivne motore. Koritenjem raznih kombinacija reaktivnih motora, moi e da se proizvedu letjelice velikih brzina i veliina. Interkontinentalni letovi bie mnogo krai, kao i piste za ove letjelice, jer e se penjati i sputati vertikalno. Koritenje snanih reaktivnih motora omoguit e izradu velikih i brzih letjelica za interplanetarne letove unutar naeg sistema, a kasnije i za interstelarne unutar nae galaksije. U dalekoj budunosti vjerovatno i za intergalaktike letove. Primjena kontrolisanih termofuzionih procesa bie i za plazma topove. Ovi e biti neophodni pri izgradnji naselja na drugim planetama, ali se korisno mogu upotrijebiti i na Zemlji. Odgovarajue letjelice, opremljene plazma topovima mogu da presretnu i unite svako vee nebesko tijelo koje ide prema Zemlji i time sprijee katastrofu koja bi nastala njegovim padom na Zemljinu povrinu.

5.1 Primjeri industrijskih plazmi:Zbog njenog irokog podruja temperatura i gustoa, plazmu moemo nai u mnogim podrujima tehnologije i industrije. Moemo je nai umetalurgiji, nanoenju toplinskih premaza,graviranjeu mikroelektronici,rezanje plazmom,zavarivanje, smanjivanje emisije tetnih plinova kod automobila,fluorescentnim svjetiljkama, kao i nadzvunim motorima s vanjskim izgaranjem zaavionskuindustriju.5.2 Vakuumska pranjenja: Plazme sa arnim pranjenjem: netermika plazma stvorena primjenom istosmjerne struje ili niskofrekventnih radio valova (