Fusionsenergi
– Efterligning af stjernernes energikilde
Jesper Rasmussen
DTU Fysik
Med tak til
Søren Korsholm, DTU Fysi
UNF Fysik Camp 2015
Overblik
• Hvad er fusion?
• Hvilke fordele har det?
• Hvordan kan det gøres i praksis –
og hvorfor har vi det ikke allerede?
• Hvad er fremtidsplanerne?
Menneskehedens energiforbrug
20
Tilbageværende reserver:
[Mia. tons olie]
Kul
17,5
15
270 år
Råolie
40 – 50 år
Naturgas
60 – 70 år
Uran
40 – 50 år
(i nuværende reaktortyper)
12,5
2400 – 3000 år
(i formeringsreaktorer)
10
http://www.worldenergy.org/wec-geis
Det 21. århundredes udfordring!
7,5
Vores fremtidige energiforsyning
Behov for flerstrenget, fleksibel energiforsyning,
der er bæredygtig og CO2-neutral
solenergi
vindenergi
vandkraft
biomasse
fission/A-kraft
fusion
Solens energi kommer fra fusion af brint-kerner
4H + 2e → He + 6γ + 2ν (+ 26 MeV)
Fusion på solen
Solen producerer hele
tiden energi med en total
effekt på 3.6 • 1017 GW!
I Solen bliver 600 mio.
tons hydrogen konverteret
til 596 mio. tons helium pr.
sek.
Altså omdannes hvert
sekund 4.000.000 tons af
solens masse til energi.
Fusion er en universel
energikilde...
... som vi gerne vil
udnytte direkte på jorden
Fusion på Jorden
Den fusionsproces der forløber lettest (= har størst tværsnit) :
D+T
→ He4 + n + 17,6 MeV
Temperatur [10 mio C]
Bindingsenergi
D
T
n
He
E = m c2
Eb = ∆m c2
Masse per nukleon
Fissions- og fusionskerneprocesser
Energi
frigivet ved
fusion
Energi frigivet
ved fission
A
56Fe
D
n
n
T
U
Fusion
He
n
Fission
Produktion af tritium
• Tritium er radioaktivt med henfaldstid på 12,6 år
• Produceres på fusionskraftværket fra 6Li og 7Li:
Deuterium + Tritium → Neutron + Helium
Litium
+ Neutron → Tritium + Helium
Princip for et fusionskraftværk
Enheder på 1,5 - 3 GW elektrisk
Energi fra fusion
Livslang energiforsyning til en dansker:
• 10 g deuterium (udvundet af 500 L vand)
• 15 g tritium (udvundet af 35 g litium)
• Et 1 GWe kraftværk skal årligt have tilført:
– 2.700.000 tons kul
– 1.900.000 tons olie
– 0,5 ton D+T (100 kg D + 350 kg Li)
• DK’s energiforbrug kan dækkes af 20 fusionskraftværker og
brændslet til et helt år kan transporteres på en lastbil.
Med det nuværende energiforbrug rækker
fusionsenergien til mere end 10.000.000.000 år
Fusion og miljø
• Ingen emission af
CO2 eller andre
skadelige stoffer
Fission
Kul
• Radioaktivitet i selve
reaktoren henfalder
på ca. 50 år
• Ingen langtidsdepoter
• Genanvendelse
Fusion
Fusion og sikkerhed
• Ingen kædereaktioner
• Ingen risiko for nedsmeltning
– overophedning af brændstof ⇒ reduceret fusionseffekt
– tab af kontrol ⇒ øjeblikkelig afkøling af brændstof mod væg
– 2 g brændstof – der tilføres hele tiden brændstof
• Ingen transport af radioaktivt brændsel eller affald
• Ingen produktion af langlivet radioaktivt affald
Hvorfor har vi så ikke
fusionskraftværker nu?
Fusion på Jorden: Det virker –
og det sker hver dag…
…men endnu kun i eksperimenter
ASDEX Upgrade (Tyskland)
JET (UK): 15 MW fusionseffekt
Nødvendig opvarmning af brændslet
Elektrisk frastødning mellem D- og T-kernerne: Kraftig opvarmning
af brændstoffet nødvendig ⇒ T ≈ 200 mio. °C ⇒ PLASMA
Elektrostatiske
kræfter, frastødende
Potentiel
energi
Kernekræfter
tiltrækkende
+
Hvad er et plasma?
- den fjerde tilstandsform
Kold
Fast (is)
Lun
Væske (vand)
Varm
Gas (damp)
Meget varm
Plasma
Stigende temperatur
Et plasma er ioniseret = elektrisk ledende
15 millioner °C
5.400 °C (på overfladen)
30.000 °C
1.000 °C
10.000 °C
Interstellare rum
99 % af det synlige univers er på plasma-form!
Hvordan opbevarer man et plasma
på 200.000.000 °C?
Solen: Bruger sin tyngdekraft
Tyngdekraften
sammenpresser og
opvarmer plasmaet
Plasmaets strålingstryk
balancerer
tyngdekraften udad
Plasma i en beholder
Det varme plasma kan ikke holdes i en beholder – vi
skal finde på noget andet!
Påvirkning af et magnetfelt?
Plasmaets ladede partikler bliver påvirket af magnetfelter
og elektriske felter: gyro-bevægelse
F
= qv(E×+Bv × B)
=
Lorentz kraften
v
elektron
B
Magnetfeltlinje
Gyro-bevægelse
F= qv × B
elektron
Magnetfeltlinje
ion
Plasma og magnetfelter
Plasmaet består af en neutral blanding af ioner og
elektroner, og det kan holdes indesluttet i et magnetfelt,
da ioner og elektroner påvirkes af magnetfelter via:
F= q (E + v × B)
Magnetfeltspoler
Magnetfeltlinjer
Uden magnetfelt
Ladede partikler i et
magnetfelt
Plasma
Plasma i et magnetfelt
Toroidalt magnetfelt
Magnetfeltlinjer
Toroidalt magnetfelt
Magnetfeltlinjer
Grad B - drift
elektron
Magnetfeltlinjer
Svagere felt
Kraftigere felt
ion
Ladningsadskillelse
E×B - drift
Elektrisk felt
Magnetfeltlinjer
elektron
ion
Plasma er ikke indesluttet – det driver udad
Et magnetfelt der holder!
+
Toroidalt magnetfelt
=
Toroidal strøm ⇒
poloidalt magnetfelt
Skrueformet totalt
magnetfelt
Tokamakken
Denne magnetfeltskonfiguration kaldes en tokamak (russisk
for Toroidalt Kammer med Magnetisk Felt) udviklet i 1960‘erne.
Magnetspoler
til
toroidalfeltet
Transformeren
generer en
toroidal strøm i
plasmaet ⇒
poloidalt
magnetfelt.
Primær
vikling
Plasma og også
den sekundære
vikling
Magnetfeltlinje
Transformer-jernkerne
Tokamakkens struktur
Fusionseffekt i en tokamak
P ~ β2 • B4 • R
β = Termisk tryk/magnetisk tryk − begrænset af fysik
B = Magnetfeltstyrke − begrænset af teknologi
R = Radius − begrænset af økonomi
Hvordan varmer man et plasma op
til 200.000.000 °C?
Opvarmningsmetoder
Verdens største tokamak:
JET (Joint European Torus)
Bygget i 1983
ved Oxford, UK
JET torushallen - 1991
JET indvendig
Fusionsplasma i JET
200 mio. °C
Opnåede fusionseffekter
D-T plasmaer:
Fusionseffekt
Q=
Ekstern opvarmningseffekt
16 MW
fusionseffekt
(rekord)
Q~0.64
Det næste skridt: ITER
Beslutning juni 2005:
• 7 parter: EU, Indien, Japan, Kina,
Korea, Rusland og USA
• EU vært, placering i Frankrig
• EU leverer 45 % af ITER
• 50 MW ind, 500 MW ud (Q = 10)
Byggeri
• ~100 mia. kr
• 10-12 år
• Klar i 2020
Plasmakammeret
Tranformer-kerne og elektromagneter
Flere magneter (til plasma-kontrol)
”Porte” til måleudstyr
Indkapsling
ITER i Cadarache…
ITER platform
ITER-området nov. 2009
Juli 2015
Danske bidrag til ITER
• DK bidrager økonomisk via EU
DTU
DTU
Nutech Fysik
• DTU Fysik (Lyngby) og DTU
Nutech (Risø) designer
udstyr til måling af α–partikler
fra fusionsprocesser
( α)
Europæisk plan for fusionsenergi
2020 ITER starter op
– Demonstrere fusion som energikilde
– Teste fusionsteknologier i et integreret system
2028 ITER deuterium-tritium eksperimenter
2032 DEMO konstruktion starter
•
Prototype på et fusionskraftværk
2041 DEMO starter op
2044 DEMO eksperimenter
2049 Elektricitet produceret ved fusion
> 2050 Første kommercielle fusionskraftværk
Opsummering om fusionsenergi
Fusion af brint til helium er solens energikilde
Fusionsforskning mod en energikilde der er
– bæredygtig
– CO2 neutral
– Uudtømmelig (ekstremt effektiv)
Planen er at udnytte fusionsenergi om 35 år
Kom og vær med!
- der er stadig masser at tage fat på
•
•
•
•
•
•
•
•
Plasmafysik
Materialefysik
Overfladefysik
Måleudstyr
Superledere
Robotteknologi
Kontrolsystemer
Dansk forskning i
og meget, meget mere …. fusionsenergi og
plasmafysik foregår
på DTU