Fusionsenergi Efterligning af stjernernes energikilde

Transkript

1 Fusionsenergi Efterligning af stjernernes energikilde Jesper Rasmussen DTU Fysik Med tak til Søren Korsholm, DTU Fysi UNF Fysik Camp 2015

2 Overblik Hvad er fusion? Hvilke fordele har det? Hvordan kan det gøres i praksis og hvorfor har vi det ikke allerede? Hvad er fremtidsplanerne?

3 Menneskehedens energiforbrug [Mia. tons olie] 20 17, ,5 10 7,5 Tilbageværende reserver: Kul 270 år Råolie år Naturgas år Uran år (i nuværende reaktortyper) år (i formeringsreaktorer) Det 21. århundredes udfordring!

4 Vores fremtidige energiforsyning Behov for flerstrenget, fleksibel energiforsyning, der er bæredygtig og CO2-neutral solenergi vindenergi vandkraft biomasse fission/a-kraft fusion

5 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 GW! I Solen bliver 600 mio. tons hydrogen konverteret til 596 mio. tons helium pr. sek. Altså omdannes hvert sekund tons af solens masse til energi.

6 Fusion er en universel energikilde som vi gerne vil udnytte direkte på jorden

7 Fusion på Jorden Den fusionsproces der forløber lettest (= har størst tværsnit) : D + T He 4 + n + 17,6 MeV Temperatur [10 mio C]

8 Bindingsenergi D n T He E = m c 2 E b = m c 2

9 Fissions- og fusionskerneprocesser Masse per nukleon Energi frigivet ved fusion Energi frigivet ved fission D n 56 Fe A n T Fusion He n Fission U

10 Produktion af tritium Tritium er radioaktivt med henfaldstid på 12,6 år Produceres på fusionskraftværket fra 6 Li og 7 Li: Deuterium + Tritium Neutron + Helium Litium + Neutron Tritium + Helium

11 Princip for et fusionskraftværk Enheder på 1,5-3 GW elektrisk

12 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 GW e kraftværk skal årligt have tilført: tons kul tons olie 0,5 ton D+T (100 kg D 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 år

13 Fusion og miljø Ingen emission af CO 2 eller andre skadelige stoffer Fission Radioaktivitet i selve reaktoren henfalder på ca. 50 år Fusion Kul Ingen langtidsdepoter Genanvendelse

14 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

15 Hvorfor har vi så ikke fusionskraftværker nu?

16 Fusion på Jorden: Det virker og det sker hver dag men endnu kun i eksperimenter ASDEX Upgrade (Tyskland) JET (UK): 15 MW fusionseffekt

17 Nødvendig opvarmning af brændslet Elektrisk frastødning mellem D- og T-kernerne: Kraftig opvarmning af brændstoffet nødvendig T 200 mio. C PLASMA Potentiel energi Elektrostatiske kræfter, frastødende - Kernekræfter tiltrækkende +

18 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

19 15 millioner C C (på overfladen) C

20 1.000 C

21 C

22 Interstellare rum 99 % af det synlige univers er på plasma-form!

23 Hvordan opbevarer man et plasma på C?

24 Solen: Bruger sin tyngdekraft Tyngdekraften sammenpresser og opvarmer plasmaet Plasmaets strålingstryk balancerer tyngdekraften udad

25 Plasma i en beholder Det varme plasma kan ikke holdes i en beholder vi skal finde på noget andet!

26 Påvirkning af et magnetfelt? Plasmaets ladede partikler bliver påvirket af magnetfelter og elektriske felter: gyro-bevægelse F = q( qve + Bv B) Lorentz kraften elektron v B Magnetfeltlinje

27 Gyro-bevægelse F = qv B elektron Magnetfeltlinje ion

28 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) Magnetfeltlinjer Magnetfeltspoler Uden magnetfelt Ladede partikler i et magnetfelt Plasma Plasma i et magnetfelt

29 Magnetfeltlinjer Toroidalt magnetfelt

30 Toroidalt magnetfelt Magnetfeltlinjer

31 Grad B - drift elektron Magnetfeltlinjer Svagere felt Kraftigere felt ion Ladningsadskillelse

32 E B - drift Elektrisk felt Magnetfeltlinjer elektron ion Plasma er ikke indesluttet det driver udad

33 Et magnetfelt der holder! + Toroidalt magnetfelt Toroidal strøm poloidalt magnetfelt = Skrueformet totalt magnetfelt

34 Magnetspoler til toroidalfeltet Tokamakken Denne magnetfeltskonfiguration kaldes en tokamak (russisk for Toroidalt Kammer med Magnetisk Felt) udviklet i 1960 erne. Transformeren generer en toroidal strøm i plasmaet poloidalt magnetfelt. Primær vikling Plasma og også den sekundære vikling Magnetfeltlinje Transformer-jernkerne

35 Tokamakkens struktur

36 Fusionseffekt i en tokamak P ~ β 2 B 4 R β = Termisk tryk/magnetisk tryk begrænset af fysik B = Magnetfeltstyrke begrænset af teknologi R = Radius begrænset af økonomi

37 Hvordan varmer man et plasma op til C?

38 Opvarmningsmetoder

39 Verdens største tokamak: JET (Joint European Torus) Bygget i 1983 ved Oxford, UK

40 JET torushallen

41 JET indvendig

42 Fusionsplasma i JET 200 mio. C

43 Opnåede fusionseffekter Q Fusionseffekt = Ekstern opvarmningseffekt D-T plasmaer: 16 MW fusionseffekt (rekord) Q~0.64

44 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 år Klar i 2020

45 Plasmakammeret

46 Tranformer-kerne og elektromagneter

47 Flere magneter (til plasma-kontrol)

48 Porte til måleudstyr

49 Indkapsling

50 ITER i Cadarache

51 ITER platform

52 ITER-området nov. 2009

53 Juli 2015

54 Danske bidrag til ITER DK bidrager økonomisk via EU DTU Nutech DTU Fysik DTU Fysik (Lyngby) og DTU Nutech (Risø) designer udstyr til måling af α partikler fra fusionsprocesser (α)

55 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

56 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

57 Kom og vær med! - der er stadig masser at tage fat på Plasmafysik Materialefysik Overfladefysik Måleudstyr Superledere Robotteknologi Kontrolsystemer og meget, meget mere. Dansk forskning i fusionsenergi og plasmafysik foregår på DTU