Fusionsenergi? NBI Gymnasie-temadag, Jacob Trier Frederiksen Niels Bohr International Academy

Transkript

1 Fusionsenergi? NBI Gymnasie-temadag, 2015 Jacob Trier Frederiksen Niels Bohr International Academy

2 Fakta! Global energiomsætning,

3 Electricitetsbehov - Verden Fremskrivning, (antag sky is the limit )

4 ??? Electricitetsbehov - Verden Fremskrivning, (antag peak fossils ~ 2030)

5 Biler > 5TWh (~80% af behov ) Electricity > 21TWh (~100% af behov ) Ferskvand > 3TWh (20% af behov)

6 Nødvendighed Fordobling af elektricitetsbehov frem til Vedvarende energi kan bære ~ 20%. Fissionskraftværker kan bære ~ 20% Olie, kul, gas påtvunget hvis den er der. Ny kilde tvingende nødvendig (eller spare ).

7 Krav til ny energikilder Sikkerhed: produktion og nærmiljø, non-meltdown Sikkerhed: geopolitisk, non-proliferation. Ren energi: klima, ej forbrændingsprocess. Billig: pro-aktiv miljø-/geo-politik. Nem: shipping/handling, reparation, redundans. Vedvarende: uudtømmelig, ej olie/gas/kul.

8 Konventionelle kraftværker idag FUNDAMENTALE ENERGISKALAER Approximativt yield (ev) Teknologi? Energitæthed (a.u.) Mekanisk energi produktion (vind, vand) ~ eV/atom E/m == 1 Atomar forbrænding ~ 5eV/atom E/m == Nuklear fission ~ 200MeV/atom E/m == Nuklear fusion (fremtid)? Ditto!

9 Plasmas: where do we find them? All of the Sun Gamma-ray Bursts Galaxy Clusters Fusion Reactors Fusion Reactors Plasmasphere, Earth Gamma-ray flashes

10 Krypton-89 Barium-144 Helium-4 Uran-235 Ebind / nukleon (MeV) Tritium Nuclear fission NEMT! ~10 2 MeV Nuclear fusion ~10 1 MeV Deuterium SVÆRT! Isotop (A = N+Z) Fission & Fusion To muligheder ned eller op?

11 Hvorfor er nuklear fusion svært? Atomkerner skal bringes indenfor afstand af m for at kunne fusionere, det er ca x Hydrogen-atomets radius! Kernerne skal kollidere og gennemtrænge Coulomb-barrieren. Herefter kan den stærke kernekraft (residualet) tage over og fusionere kernerne. For at opnå dette kræves ekstrem høj tæthed og/eller temperatur!

12 Hvorfor er nuklear fusion svært? Deuterium-Tritium Mindst o C Max. reaktionstværsnit ~1b (barn) = m 2. Tritium findes ikke i fri form på Jorden Deuterium-Deuterium Mindst o C Max. reaktionstværsnit ~0.1b (barn) = m 2.

13 Fusion i naturen Solen Gravitation presser og holder sammen på tætheden Varmen indesluttet pga tæthed Fører til fusion af brint med brint

14 Fusion på Jorden? Strategier Kold Fusion(?) Elektrokemisk nukleo-syntese. Driv fx deuterium-ioner gennem fast stof, fx Palladium. Indeslutning ikke nødvendig. Process langsom. Excess heat aldrig eftervist, men påstået. Mangelfuldt dokumenterede og ikke-reproducérbare eksperimenter

15 Fusion på Jorden? Strategier Inertiel Indesluttet Fusion Ekstreme højenergi-lasere beskyder lille brintkugle Kuglen opvarmes og sammenpresses Varmen og tætheden starter fusionsprocesserne Fører til fusion af brint med brint Opnået sekundær heliumbrænding (vigtigt skridt henimod kædereaktion) på NIF/LLNL i 2014

16 Fusion på Jorden? Strategier Magnetisk Indesluttet Fusion (Tokamak) Ekstreme magnetfelter holder fast på et meget varmt tyndt plasma. Indeslutning længe nok til at fusionsprocesserne begynder. Ekstrem varme og lang indeslutningstid starter fusionsprocesserne. Fører til fusion af deuterium med tritium Break-even endnu ikke nået (efter 50 år)

17 Fusion på Jorden? Strategier Magnetisk Indesluttet Fusion (Polywell) Ekstreme magnetfelter indeslutter et tæt varmt plasma. Indeslutning af ioner længe nok til at fusionsprocesserne begynder Lang indeslutningstid starter fusionsprocesserne Fører til fusion af deuterium og tritium, (eller deuterium og deuterium) Meget ny forskning/udvikling de seneste 15 år, selvom konceptet er fra 50 erne.

18 Hvorfor er nuklear fusion svært? Magnetisk indeslutning Plasmaet er ustabilt => varmetab, strømafbrydelse => ødelagt reaktor Tritium findes ikke i fri form på Jorden, skal produceres in situ Ablation fra reaktorvægge forurener fusionsplasmaet Inertiel indeslutning USTABIL Præcision ved beskydning af fuel-kugle er vigtig. NIF ICF-chamber Plasmaet er ustabilt => varmetab => ingen fusion. Polywell Magnetisk indeslutning Plasmaet er i (MHD) ligevægt, så meget stabilt i sammenligning.

19 Hvorfor er nuklear fusion svært? Magnetisk indeslutning Plasmaet er ustabilt => varmetab, strømafbrydelse => ødelagt reaktor. Tritium findes ikke i fri form på Jorden, skal produceres in situ da ustabil isotop. Ablation fra reaktorvægge forurener fusionsplasmaet. Inertiel indeslutning Præcision ved beskydning af fuel-kugle er vigtig. Plasmaet er ustabilt => varmetab => ingen fusion.

20 Hvorfor er nuklear fusion svært? Diagnostik? Modellering!

21 Hvorfor er nuklear fusion svært? og hvorfor er modellering? 100 milliarder partikler cpu er Ugers kørsel e linier kode

22 Hvad er chancen for at få rigtige fusionskraftværker? Fusion power is always 20 years away.

23 Der ER gjort fremskridt! + Fusion output stiger hurtigere end Moore s Law (calc s) Omsætning: > DKR (kun 2012!) - Investering > DKR siden Endnu ikke break-even.

24 Hvad er chancen for at få rigtige fusionskraftværker? Svar: større og større!

25 Potentielle valg design Inertial confinement fusion Sikkerhed? => Check. Ren? => Check. Billig? => Nope (DKR 180+ milliarder) Nem? => Nok aldrig. Vedvarende? => Ikke endnu. Stabilitet? => Ustabil per konstruktion!

26 Potentielle valg design Magnetic confinement fusion (Tokamak / Wendelstein) Sikkerhed? => Check. Ren? => Check. Billig? => Nope (DKR 150+ milliarder) Nem? => Nok aldrig. Vedvarende? => Ikke endnu. Stabilitet? => Ustabil per konstruktion!

27 Potentielle valg design Magnetic confinement fusion (Polywell, others) Sikkerhed? => Check. Ren? => Check. Billig? => Check (DKR 200 millioner, <1/1000 af NIF+ITER) Nem? => Per konstruktion. Vedvarende? => Ikke endnu. Stabilitet? => Ja! per konstruktion! Reactor Human (Jaeyoung Park, EMC2)

28 Fremtiden? Fusions-kraft synes uundgåelig, næsten tvingende nødvendig i fremtiden. Vi bør investere mere i forskning & udvikling af alternative idéer indenfor fusion (Polywell, etc.). Risikabelt at satse på een slags maskine, som hidtil. Jeg sætter nok nogle af mine penge på den hér kombination.

29 Fremtiden? Fremtiden???? Tiden er knap.

30 Et aber dabei Vi kan ikke bare bruge løs. Ejheller selvom energien er ren og uudtømmelig! Idag: 16 TW Ca. +2% per år, siden Energiomsætning (PW) År : E jord /E sol ~ 1/10000 Fremskrivning 200 år: 850 TW 2215: E jord /E sol ~ 1/100 Samme som fordobling af CO 2 i atmosfæren alene fra direkte opvarmning (ikke Solen via drivhus).

31 Hvis tiden tillader Hvad vi også især laver på NBI

32 NBI og fusion? NBI med i COST Action MP1208 netværk, som har til formål at styrke fusionsforskningen i Europa.

33 Particle-In-Cell Koder Kinetisk Modellering af Plasma

34 NBI og fusion? Plasmafysik og supercomputermodeller er uundgåelige ingredienser i sammenhængen. Mange andre emner som NBI forsker i, deler disse ingredienser. Astrofysik: Solens indre og ydre Solsystemets plasma Jordens magnetosfære Supernovaer, Gamma-glimt Stjernedannelse, Planetdannelse Fundamental fysik: Laser-plasma vekselvirkning Partikel-acceleratorer Inkohærent Røntgen-stråling til biologi Plasma modellering på supercomputere er centralt placeret i mange af disse emner.

35 NBI og fusion? Plasmafysik modellering kræver: Fluid dynamik Magnetohydrodynamik (MHD) Hall-MHD Hybrid kinetik (elektron-fluid + ion partikler) Fuldstændig Vlasov-Maxwell dynamik Kvante-elektrodynamik Kernefysik Parallelisering på supercomputere, millioner af CPUer! Observationel kryds-validering af model-data Håndtering af Big(!)Data (PBytes) Videnskabelig visualisering of massive mangedimensionale data

36 Højenergi-laboratorie-plasmafysik Puls-laser wakefield partikel-acceleration in the Laboratory (CILEX, Orsay area, Frankrig) Femtosekund, petawatt lasere! Electroner surfer med lysets hastighed! Kan producere ultra-intense røntgenstråler. Simuleringer i supercomputere (CINECA, Italien) Femtosekund, petawatt lasere! Electroner surfer med lysets hastighed! CPUer, ugers kørsler, terabytes RAM

37 Konstruktioner i Numerisk Modellering Kreativitet og tanke! Eksempel: Partikel kontrol gennem merging/splitting Merging ekstremt krævende opgave Fysikken skal være bevaret Datakompression med informationstab i 6- dimensionelle faserum. Klynge-analyse af massive, mange-dimensionale datasæt.