Er superledning fremtiden for fusion?

Transkript

1 Er superledning fremtiden for fusion? Drømmen om fusionsenergi er ikke nem at nå. I kampen for at fremtidens fusionskraftværker nogensinde skal blive en realitet, står videnskabsmænd over for et stort problem: Med hvilke teknologier skal målet om uudtømmelig grøn energi nås? Et af de helt centrale elementer ser ud til være de superledende magnetfeltsystemer, der skal erstatte brugen af de konventionelle magnetfeltsystemer i jagten på den udbytningsrige fusionsproces. Bash Saaid, Nanna Mathiasen, Sebastian Slot, Jacob Aagaard & Alexander Pedersen. Egaa Gymnasium. Siden 1983 har JET leveret vigtig grundforskning inden for fusion som bæredygtig energikilde. JET, værende den største aktive fusionsreaktor i verden, har leveret de første stabile fusionsprocesser, hvor energiudviklingen har været af væsentlig størrelse. Trods resultaterne har været lovende, har processens energitilførsel været langt større end energiudviklingen, hvilket man må sige ikke er fordelagtigt for en energikilde. Dette forhold mellem tilførsel og udbytte omtaler man inden for fusionsfeltet som q- værdien, og det gyldne mål er at nå breakeven - en q-værdi højere end 1. Her er udbyttet nemlig større end den krævede energi, og dermed kan man først tale om en egentligt fordelagtig energiproduktion. Hovedformålet med JET er netop at øge q-værdien, og til dette undersøges der hvordan man optimere hver eneste lille komponent ned til mindste detalje. En af komponenterne der er væsentligt at tage i betragtning er de magnetsystemer, der holder plasmaet på plads. På JET benytter man sig af konventionelle elektromagneter af kobber, men på JETs kommende arvtager, ITER, vil man i stedet benytte sig af superledende magnetsystemer. Ganske som man må forvente, ligger der en meget fornuftig grund bag dette. Som denne artikel gennemgår er det nemlig langt mere effektivt at benytte sig af superledende magneter frem for konventionelle magneter. Fraværet af resistans Fordelen ved superledere er som navnet antyder, at de er ekseptionelle ledere - de har nemlig ingen resistans. I alle konventionelle ledere vil der være en naturlig resistans, en elektrisk modstand, der forårsager, at den tilførte energi efterhånden går tabt i form af varmeudvikling i lederen. I fusion arbejder man med meget kraftige magnetfelter, så energitilførslen altså er stor. Dette medfører, at varmeudviklingen i konventionelle magneter ligeledes er så stor, at magneterne vil smelte,

2 hvis man ikke nedkøler dem og begrænser operationstiden. Ydermere skal man også påføre en konstant effekt for opretholde magnetfeltets styrke. Dette er særdeles kostbart, og her kommer superledere ind i billedet. Så snart den nødvendige energi er tilført til at skabe magnetfeltet, behøver man ikke at tilføre yderligere energi, idet intet af energien går tabt i form af varmeudvikling. Umiddelbart virker superledere derfor oplagte, men foruden at de er af dyrere materiale end fx kobber, er der én væsentligt hage ved dem - deres superledende egenskab indtræffer først ved en meget lav temperatur. Ved ITER vil man benytte sig af superledere hvis såkaldte kritiske temperatur er på 4 kelvin. Den kritiske temperatur er et udtryk for hvornår den superledende tilstand indetræffer. Selv om superledere altså ingen varme udvikler, er det stadig nødvendigt med nedkøling for at opretholde den superledende tilstand - spørgsmålet er så hvorvidt omkostningen ved denne nedkøling af superledere er at foretrække frem for varmeudviklingen i de konventionelle magneter. Kobberspoler ved JET Før vi yderligere beskæftiger os med superledere, vil vi først undersøge, hvor meget energi det kræver at opretholde et magnetfelt på 5 tesla med en spole af størrelsen der benyttes på JET. For at gøre det, sætter vi os for at undersøge den nødvendige strømstyrke til sådan et magnetfelt. Udregninger for konventionelle magnetfeltsystemer Vores udregninger kræver en række antagelser, og den første er, at vi beskæftiger os med en flad, cirkelformet spole til forskel for JETs mere ovale spoler. Nu kan vi tage udgangspunkt i formlen for magnetfeltet for en flad spole: Hvor B er det magnetiske fluxtæthed i centrum, N er antal vindinger, I er strømstyrken, r er radius og er vakuumpermeabiliteten. Fremgangsmåden for at finde strømstyrken er, at vi først finder en værdi for N I, da vi finder radius på JET til at være 2,96 m og vi ønsker et 5T felt. Derefter erstatter vi de indgående variable med andre udtryk, så vi til sidst finder udtryk for tværsnitsarealet A, hvor vi kender eller kan finde alle variable, så vi kan beregne værdien for A. Den værdi skal vi så bruge i det udtryk vi finder for antal vindinger ved at sætte to forskellige udtryk for energien lig hinanden. Vi isolerer nu N I:

3 Vi definerer, at k=n I, så isolerer vi strømstyrken, og da vi påtrykker en spænding er strømstyrken givet ved I=U/R, hvor U er spænding og R er resistans, så det indsætter vi også: Vi ved, at resistansen er defineret ved nedenstående, hvor l er længden af lederen som i dette tilfælde er omkreds af spolen gange antal vindinger, A er tværsnitsarealet, p er resistiviteten for kobber: Denne resistans sættes nu ind: Vi finder resistivitet for kobber, vakuumpermeabiliteten og da ITER har en spænding på 29 kv, antager vi, at JET kører med ca. 1/3 af den spænding: Så nu beregner vi værdien for tværsnitsarealet: For nu at bestemme N, sætter vi to udtryk for energien lig hinanden nemlig varmeenergi og den elektriske energi, hvor Q og E er energi, m er masse, c er specifik varmekapacitet for kobber, delta T er temperaturændringen, rho er densiteten af kobber, t er tiden:

4 Vi sætter de to energier lig hinanden og ganger med NA: Vi erstatter N I med k og isolerer først NA og derefter N i udtrykket for energien: Vi finder konstanterne, antager at processen kører i 30 sekunder, samt at spolernes temperatur må blive 80% af deres smeltevarme.. Herefter kan vi finde strømstyrken ud fra vores første definition k=n I Så for at skabe et 5T felt med kobberspoler i JET skal strømstyrken være: Effekten, som kræves på JET er givet ved:

5 P U I 10kV A W Det højeste output man har opnået ved JET er 30 MW, så nyttevirkningen er: Det er altså en rigtig dårlig nyttevirkning, og her skal der tages in mente, at vi kun betragter energiforbruget til magneterne. Foruden dette hører også energi til nedkøling, opvarmning af plasma, diagnostik og meget mere. Altså er det langt fra rentabelt med konventionelle magneter resistansen og dermed varmeudviklingen er for omkostningsfuldt. Superledende spoler ved ITER I ITER vil der være 3 forskellige superledende spoler, både toroidale, poloidale og en solonoide i midten. Den toroidale spole har form som tværsnittet af torussen, og der sidder 18 af disse rundt om torussen. Dens opgave er at sammenslutte plasmaet så meget som muligt. Spolerne vil skabe et magnetfelt på mellem 10 og 15 tesla, og der vil blive brugt km kabel til spolerne. Den poloidale spole følger torussen rundt som en ring, og der sidder 6 af disse spoler, som omslutter torussen. Den poloidale spoles opgave er at holde plasmaet væk fra væggene og dermed sørge for at energien i plasmaet ikke går tabt. Solonoiden står som en søjle inde i midten af torussen. Denne solonoide hjælper med at skabe strømmen af plasmaet inde i torussen. Da disse spoler alle er superledende, skal de køles ned til omkring 4 K. Cryostaten er en vigtig del af nedkølingssystemet. Cryostaten omslutter magneterne og skaber et koldt vacuum rum. Der er også huller i cryostaten, der giver plads til ledninger, andre dele af nedkølingssystemet og andre tekniske ting til detektorer osv. Vindingerne på spolen er designet med små ledninger af superledere Opbygning af et superledende kabel. De mange små hexagoner er de superledende ledninger, der hver er isoleret med kobber (ikke synligt). omringet af mange små kobberledninger, som både giver støtte, da superlederne er meget skrøbelige og fungerer også som ledere med lav resistans i tilfælde af, at superlederne kommer over den kritiske temperatur. Nedkølingen sker vha. flydende helium ved ca. 4 K, men også flydende nitrogen ved ca. 77 K hjælper med nedkølingen. Det flydende helium løber gennem midten af spolen og tilbage til en tank med flydende helium hvor det igen bliver

6 kølet ned til 4 K. Nitrogenet bruges bl.a. til fornedkøling af tankene med helium. Fordelen ved superledende spoler er, at man ikke skal bruge ekstra elektrisk energi, da der ingen resistans er, og dermed tab under frembringelse af magnetfeltet. Dermed går den tilførte energi i ITER både til at skabe magnetfeltet og til at nedkøle superlederne, hvor der i JET skal bruges meget ekstra energi, da der går meget til spilde i form af varme, grundet resistansen i kobberspolerne. Med de superledende spoler kan man øge Q-værdien for fusion. Dette er et mål i sig selv, da Q- værdien er et mål for hvor effektiv en fusionsreaktor man har med at gøre. ITERfolkene forventer, at de kan opnå en Q-værdi på 10 efter nogle år med diverse tests og optimering.