ITER Tættere på fremtidens tokamak 1 Emilie Mignon, Søren Lambæk, Thomas Mortensen, Kamilla Kirstine Kramer & Ida L. Stoustrup April 2013 1 Forsidebilledet viser ITER- tokamakken som man har planlagt den.
INTRODUKTION TIL PROJEKTET For 25 år siden gik en gruppe industrialiserede lande sammen om et projekt for at udvikle en ny, renere, vedvarende energikilde - fusionsenergi. Deltagerne var oprindeligt Rusland, USA, EU og Japan, hvoreder Kina, Sydkorea og Indien sidenhen også gik ind i projektet. Tilsammen repræsenterer deltagerne over halvdelen af Jordens befolkning. ITER- projektet blev Jl! ITER, der på lajn betyder vejen, er et af de største, mest ambijøse, internajonale videnskabelige projekter nogensinde, der kræver et stort organiseret samarbejde mellem de deltagende lande, der alle har et ansvar og en pligt Jl at deles om al viden, finansiering og forsøgsresultater for at sikre, at alle deltagere i fremjden kan producere egne fusionskradværker uapængigt. I 2005 blev det bestemt, at ITER- forskningscentret skulle bygges i Cadarache i Sydfrankrig. HereDer, i januar 2007, påbegyndtes arbejdet på det valgte site, og i april 2009 var sitet klar Jl bebyggelse. Med et plasmavolumen på 840 m3 bliver ITER- tokamakken den største tokamak hidjl. Sammenlignet med andre tokamakker som JET i Oxfordshire og Japans JT- 60 s plasmavolumener på 100 m3 er ITER altså fuldstændigt overlegen og kommer Jl at give nye muligheder for fusionsforskning. I 2020 forventes ITER- forskningscentret at stå færdigbygget og ITER- tokamakken klar Jl brug. Det planlagte ITER- site MÅLSÆTNINGER Der var oprindeligt tre store grunde Jl, at man opre_ede ITER- projektet. 1. Testning af materialer Jl brug i en effekjv tokamak evt. i fremjden et kommercielt fusionskradværk. 2. Eksperimentering med og simulajon af avanceret plasma. 3. Opre_elsen af et designteam, hvis opgave bliver at forberede Jl projektet DEMO, der forventes som skridtet eder ITER mod kommerciel produkjon af fusionsenergi. Derudover forventer man med ITER, at kunne nå en Q- værdi på 10, hvilket betyder, at af den energi man bruger Jl at lave og vedligeholde plasmaet, fås 10 gange så meget Jlbage. Et andet mål er at opnå en lang plasmalevejd opjmalt på 480 sekunder. Her er den forventede dog blot 300 sekunder. En lang levejd er edertragtet for fremjdigt at have en stabil og pålidelig energikilde. FYSIKARTIKEL 2
VOLUMEN IFT. OVERFLADEAREAL Turbulens Turbulens i plasmaet i en tokamak gør, at parjklerne bevæger sig hurjgt og kaojsk ind og ud imellem hinanden. På grund af ønsket om en høj fusionseffekt vil vi gerne have parjklerne så tæt på hinanden som muligt, og derfor er det en god Jng at have turbulens i plasmaet. Turbulens forårsager at flere parjkler kommer inden for krijsk afstand af hinanden (den afstand der skal Jl for at de kan fusionere). Turbulens har dog også negajve virkninger. Turbulens kan få dele af plasmaet Jl at bevæge sig uden for torus formen, og de_e medfører store tab i varme. De_e fænomen kaldes blobs. Disse blobs er med Jl at sjlle store krav Jl tokamakkens byggematerialer, men også magneterne som skal forsøge at kontrollere plasmaet på trods af turbulensen. Da turbulens både er posijvt og negajvt set med en fusionsforskers øjne vil vi meget gerne kunne kontrollere turbulensen. De_e er desværre enormt kompliceret da der endnu ikke er opnået nogen fuldkommen forståelse af turbulens. Den bedste beskrivelse af turbulens findes i Navier- Stokes ligningen: De røde felter i plasmaet er de områder hvor parakeltætheden er størst og de blå felter er dem hvor den er mindst. hvor v er hasjgheden, p er trykket, fra det elektriske og magnejske felt. er den kinemajske viskositet (viskositet/densitet) og F er kræderne Mange forskere arbejder på at finde ud af hvordan vi bedst muligt kan udny_e turbulens Jl vores fordel, og det matemajske problem med turbulens er kåret en af verdens syv sværeste matemajske problemer, og der er udlovet 1 mio. $ for at bevise eksistensen af en problemfri løsning. Volumen & overfladeareal i JET og ITER EDersom turbulens inde i torussen er det der står for hoveddelen af parjklernes transport indbyrdes, og turbulens på overfladen giver en masse problemer, er det en stor fordel hvis overfladen af torussen er så lille som muligt, samjdig med at volumen er så stort så muligt. Volumen skal være stort for at kunne få så meget energi ud som muligt. Større volumen er lig med mere brændstof og flere fusionsreakjoner. Stor overflade er lig med stort energitab. Heldigvis er en torus sådan at jo større torussen er jo mindre bliver overfladen i forhold Jl volumen. Torussens volumen på ITER er som sagt det største nogensinde, men arealet er ikke vokset i samme grad. Forholdet mellem volumen og overflade areal er altså blevet mere fordelagjg. De_e kan vises matemajsk ved at udregne arealet af JET og ITER og dereder forholdet mellem volumen og areal. (Vi har fået oplyst plasmavolumen for både JET og ITER i en af vores kilder 2 ). Vi regner på det: R er radius af den store cirkel som er markeret med rød. Og r er radius af den lille røde cirkel. 2 Se kilde nr. 11 FYSIKARTIKEL 3
Vi kan se på den sidste udregning at vi rigjgt nok har fået et større volumen i forhold Jl overfladearealet. PLASMATÆTHED I et fusionsplasma som det der skal opnås på ITER, er der i virkeligheden ikke ret mange parjkler i maskinen af gangen. Man regner med at have omkring 1 gram brændstof i ITER- tokamakken af gangen. 1 gram er utrolig lidt taget i betragtning af at rummet er 828 m3. På trods af de_e er tætheden af plasmaet meget vigjgt. Den ønskede fusion kan nemlig kun foregå hvis en deuteron (kerne af tungt brint), kommer inden for en hvis afstand af en triton (kerne af super tungt brint). Altså vil vi have parjklerne Jl at være så tæ_e som muligt i plasmaet. Et plasma kan ligesom en gas beskrives ud fra idealgasligningen som ser sådan her ud: hvor p er trykket, V er volumen, N mol er antal mol parjkler, R er gaskonstanten og T er Temperaturen. De_e kan vi få Jl at have mere med tætheden at gøre når vi ved at Avogadros tal er lig det antal parjkler der er pr. mol. Vi indfører Avogadros tal N A og omskriver Jl: Stefan Boltzmann s konstant k ved vi er lig med R/N A og tætheden er det antal parjkler der er pr. rumfangsenhed. Altså kan det forrige skrives som: FYSIKARTIKEL 4
Det forventede tryk i ITER tokamakken kommer Jl at på ca. 6 atmosfærers tryk og den forventede temperatur vil ligge på ca. 200 mio. grader Kelvin. Med disse informajoner kan vi udregne tætheden som bliver: Vi omregner Jl SI- enheder og indsæ_er tallene i formlen og får en tæthed på ca. 2.2 10 20 parjkler pr. kubik meter. De_e er 2000 gange mere end JETs 1.1 10 17 parjkler pr. kubikmeter. De_e spiller en stor rolle i fremskridtet fra JET Jl ITER. FUSIONSEFFEKT Fusionseffekten fortæller hvilken effekt plasmaet producerer. Vi taler dog ikke om, hvor meget elektrisk energi vi kan få ud i den anden ende i et fusionskradværk, men hvor meget der bliver produceret inde i selve plasmaet. Det kan være svært at beskrive præcis, hvordan man udregner fusionseffekten for et plasma, da der ikke findes et simpel udtryk, så man skal bruge en stor del regnekrad. Det vi kan gøre, er at fortælle hvilke parametre, som spiller ind og på hvilken måde. Hvis man vil opnå en høj fusionseffekt, så går det ud på, at have en stor mængde plasma, hvor mange af parjklerne fusionerer. Hvis vi starter med at kigge på, hvordan man opnår at få meget plasma, så er det mest oplagte element volumen. Når vi øger volumen, så øger vi også mængden af plasma, men derudover gør vi som før nævnt torussens overfladeareal mindre i forhold Jl volumen. At vi har færre blobs i forhold Jl mængden af plasma er med Jl at give en højere fusionseffekt. Hvis vi ser på volumen af torussen på ITER og JET, så kan vi se, at volumen er over syv gange så stor på ITER. En anden måde at øge mængden af plasma i torussen, er at øge parjkeltætheden. Som vi udregnede Jdligere er tætheden over en faktor 1000 større på ITER i forhold Jl JET. De_e resulterer i et højere tryk, hvilket betyder at ITER s tryk er dobbelt så stor som JET s. Vi kan nu konkludere, at vi har en væsentlig større mængde plasma på ITER i forhold Jl JET. Hvis vi nu skal se på hvilke parametre, der har indflydelse på parjklernes tendens Jl at fusionere, så skal vi først se på begrebet reakjonstværsnit (Se den første figur). Vi er selv- følgelig interesseret i at opnå det størst mulige tværsnit, men hvordan opnår vi det? Der er to Jng Parameter ITER JET vi kan gøre; Vi kan ændre temperaturen, og vi kan ændre på hvilke parjkler, som skal fusionere. Hvis vi ser på den anden figur, så kan vi se, at tværsni_et bliver større jo højere temperaturer indjl ca. 10 9 Temperatur Ca. 150.000.000 K Ca. 150.000.000 K Tryk 6 atm 3 atm Partikeltæthed 2,201 10 20 m -3 1,101 10 17 m -3 Plasmastrømmen 15 MA 5 MA Volumen af torussen 828 m 3 150 m 3 FYSIKARTIKEL 5
K, men da vi ikke kan komme op på disse temperaturer, så siger man normalt, at tværsni_et bliver større jo højere temperaturen er. Vi kan så se på tabellen, at temperaturerne er ens for JET og ITER (de_e vil dog variere apængigt af hvilket forsøg man kører). Når vi ikke ændrer særlig meget på temperaturen, så må vi jo ændre på molekylerne, hvilket vi gør. På ITER kommer man Jl at køre deuteron- og tritonreakjoner, hvilket som vi kan på figur 2 giver et større tværsnit. Hvis vi kigger på sandsynligheden, for at en reakjon mellem deuteron og triton forekommer, så kan vi simplificere forholdene lidt, så vi kan få et udtryk. Hvis vi har en deuteron med en hasjghed v D, som bevæger sig længden L igennem et antal tritoner n T med reakjonstværsni_et σ DT, og bruger Jden t, så få vi de_e udtryk: Hvis vi ser på sandsynligheden pr. Jdsenhed, hvilket giver mere mening, når vi snakker om en tokamak, får vi i stedet de_e udtryk: Vi kan her se, at sandsynligheden pr. Jdsenhed apænger proporjonalt af antallet af tritroner, hasjgheden og tværsni_et. Dvs. at hvis man øger en af de tre parametre, så vil sandsynligheden pr. Jdsenhed også øges. Når vi kigger på plasmaparametrene på ITER i forhold Jl JET, så kan vi se, at mængden af vores plasma, og sandsyn- ligheden for at parjklerne fusionerer, er markant større på ITER. De_e kommer også Jl udtryk, når vi ser på fusionseffekten på ITER og JET. Man har beregnet at ITER vil få en fusionseffekt på 200-700 MW overfor JET s rekord på 16 MW. Vi får altså en meget større fusionseffekt på ITER. OPVARMNINGSEFFEKT Opvarmningssystemer på ITER & JET Et vigjgt element i en tokamak er de mekanismer, der varmer plasmaet op og holder det varmt. Uden dem er der ikke noget plasma. I tokamakker beny_es der primært tre forskellige opvarmningsmetoder: Ohmsk opvarmning, Neutral Beam InjecJon (NBI) og højfrekvensopvarmning. Både på JET og ITER beny_es disse tre overordnede metoder, men der er forskel på den specifikke måde at lave NBI og højfrekvensopvarmning på. Den ohmske opvarmning sker på samme måde (ved at inducere strøm i plasmaet med den centrale solenoide), men der er forskel på størrelsen af de solenoider der bruges og derfor også på den effekt den ohmske opvarmning giver. NBI skal eder planen gøres på en helt ny måde i ITER. I Jdligere tokamakker som JET har man brugt en teknologi, hvor posijve ioner accelereres op Jl en høj hasjghed og dereder sendes igennem en sky af mere sjllestående neutrale atomer, hvor de får en ekstra elektron. Denne metode er smart, men vil ikke kunne beny_es på ITER, da man pga. det forøgede volumen har behov for en 3-4 gange højere hasjghed af atomerne i beamet. Problemet er at selvom man godt kan accelerere de posijve ioner op Jl den nødvendige hasjghed bliver det svært at neutralisere dem. Derfor er man på Max- Planck- insjtu_et i FYSIKARTIKEL 6
Garching, Tyskland ved at udvikle en NBI- maskine, der beny_er negajve ioner i stedet. Det smarte ved at bruge negajve ioner er at de neutraliseres le_ere og derfor kan komme op på den nødvendige hasjghed. JET har to injector- systemer, og ITER kommer Jl at have tre. Højfrekvensopvarmning vil også blive udført forskelligt på JET og ITER. På JET beny_es Ion Cyclotron Resonance HeaJng (ICRH) og Lower Hybrid Current Drive (LHCD). På ITER planlægger man også at bruge ICRH, men i stedet for LHCD vil man bruge Electron Cyclotron Resonance HeaJng (ECRH). ECRH er dog ikke en ny teknologi, men noget man med succes beny_er i mange andre tokamakker som for eksempel i TCV- tokamakken i Lausanne, Schweiz. Forskellen på LHCD og ECRH er at LHCD påvirker både ioner og elektroner, mens ECRH kun påvirker elektroner. Fordelen ved ECRH er at det kan styres med langt højere præcision end LHCD. I JET er der 24 klystroner Jl LHCD og 4 antenner med fire straps (ledere) i hver Jl ICRH. I ITER kommer der Jl at være 12 gyrotroner Jl ECRH og 2 antenner med 12 straps i hver Jl ICRH. På ITER er der kun planlagt to antenner Al ICRH, men Al gengæld har hver af dem størrelsen af en lille bus. EDersom både JET og ITER er forskningsprojekter er opvarmningssystemerne fremsjllet med henblik på at kunne justeres i forhold Jl hvor meget effekt de skal afsæ_e i plasmaet. Max effekten af opvarmningsmekanismerne i JET ligger omkring 50 MW ifølge specifikajonerne på JET s hjemmeside. Da de opnåede deres højeste Q- værdi brugte de dog kun 24 MW i opvarmningseffekt. På ITER regner man med at få mulighed for at komme op omkring de 80-90 MW, men de siger selv at standarden bliver omkring 50 MW. Q-VÆRDI Som Jdligere nævnt er Q- værdien et udtryk for opvarmningseffekten i forhold Jl fusionseffekten, altså FYSIKARTIKEL 7
JET opnåede den højeste Q- værdi nogensinde i 1997, da de havde en fusionseffekt på 16,1 MW og en opvarmningseffekt på 24 MW. De_e giver altså en Q- værdi på 0,67. På ITER s hjemmeside skriver de at de regner med en opvarmningseffekt på 50 MW og en fusionseffekt på 500 MW, hvilket altså giver dem en Q- værdi på 10. Man skal dog være opmærksom på at begge projekter er forskningsprojekter, hvor Q- værdien vil variere. Desuden er opvarmningseffekten kun et udtryk for den effekt der bliver afsat i plasmaet og altså ikke den effekt man bruger på at køre maskinerne og ved den høje Q- værdi i JET afsa_e man også en hel del effekt i magneterne som ikke er regnet med i Q- værdien. De_e vil naturligvis ikke være Jlfældet i ITER med de superledende magneter. TIl gengæld vi der her bruges energi på at nedkøle magneterne. Udover disse elementer tager man heller ikke højde for energitab ved konverteringen af fusionseffekten Jl elektrisk energi. Ovenstående argumenter er grunden Jl at man ved DEMO og fremjdige fusionskradværker ønsker en Q- værdi helt oppe på 30. Alligevel er ITER med sin Q- værdi på 10 (husk på at rekorden er 0,67) et stort skridt på vejen mod at udny_e fusionsenergi. PLASMALEVETID Man kan ikke holde plasmaet inde i tokamakken specielt længe, men man vil gerne forsøge at at få den Jl at holde længere, end man hidjl har opnået. På JET varer én puls omkring 20 sekunder, men den skal den skal gerne blive meget større på ITER. For at forlænge plasmaets levejd skal man først og fremmest holde plasmaet varmt, så det ikke forsvinder. På ITER får vi eksterne varmesystemer af helt nye dimensioner for at holde styr på det enorme plasmavolumen. Volumen og overfladeareal har desuden fået et mere fordelagjgt forhold så vi får en større fusionseffekt (som er med Jl at varme plasmaet op) i forhold Jl hvor meget varme vi mister i blobs. Udover ændringen på forholdet mellem volumen og overfladeareal, så vil man også ændre på magneterne. Som noget nyt (i forhold Jl JET) vil man nemlig på ITER beny_e superledende magneter, som nedkøles af flydende helium, mens magneterne på JET bliver nedkølet med vand. Man kan derfor undgå at være nødt Jl at skulle stoppe maskinen, fordi at magneterne overopheder. Alt i alt forsøger man at kunne opnå at kunne holde en puls i 480 sekunder på ITER. OVERSIGT OVER PLASMAPARAMETRE Plasmaparametre JET ITER Temperatur / mio. ºC 150 150 Plasmavolumen / m 3 150 828 Storradius / m 2,96 6,2 FYSIKARTIKEL 8
Lilleradius / m 1,25 x 2,1 2 x 3,3 Overfladeareal af plasma / m 2 195,73 648,63 Forhold mellem areal og volumen (V/A) / m 0,77 1,28 Plasmalevetid / s 20 300 Magnetfelt / T 3,4 5,3 Plasmatæthed / m -3 1,101 10 17 2,201 10 20 Plasmatryk / atm 3 6 Plasmastrøm / MA 5 15 Opvarmningseffekt / MW 25 50 Fusionseffekt / MW 16 500 Q-værdi 0,67 10 Ovenstående er en oversigt over de plasmaparametre man har observeret ved JET og forventer ved ITER. Når man kigger på skemaet er det tydeligt at ITER er et projekt af helt andre dimensioner end JET. FREMTIDEN Man har altså en række forskellige parametre på JET, som man vil forsøge at forbedre Jl fremjdige fusionsreaktorer, hvoraf den vigjgste nok er Q- værdien. På ITER skulle Q- værdien samt mange andre parametre gerne komme langt højere op end Jdligere og give forskere verden over bedre muligheder for fusionsforskning end de har had hidjl. I fremjden på et fusionskradværk vil man gerne have Q- værdien helt op på 30, og ITER bliver et godt sted at finde måden man gør det på. Forhåbentlig finder forskerne nye systemer og materialer, der muliggør fremjdige projekter som DEMO. Et af de elementer, der ville være interessante for DEMO er varmt- temperatur superledere. Disse vil ikke blive installeret på ITER, da teknologien stadig er umoden, men med Jden vil den og andre teknologier forhåbentlig være udviklet så fusionsenergi bliver en realitet. ITER er altså ikke det endelige resultat, men det er et stort skridt på vejen mod en verden med stabil, miljøvenlig energiforsyning. Et stort skrid mod fusionsenergi. FYSIKARTIKEL 9
KILDER 1.TCV - plasma heajng with ECRH (h_p://crpp.epfl.ch/tcv- ECRH- research) 2.JET s specificajons (h"p://www.efda.org/jet/jet s- main- features/jets- specifica:ons/) 3.NBI in JET (h_p://www.efda.org/fusion/focus- on/plasma- heajng- current- drive/neutral- beam- injecjon/) 4.Status of the ITER Neutral Beam Injector Project (h_p://www.nifs.ac.jp/itc/itc18/upload/ presentajon_upload/o- 05_Antoni.pdf) 5.HeaJng systems in JET (h_p://www.efda.org/fusion/fusion- machine/heajng/) 6.The 2 MW Gyrotron for ITER (h_p://nstx.pppl.gov/dragndrop/topical_science_groups/meejngs/ wave_parjcle_interacjon/2010/all%20ec- 16%20ECE%20&%20ECRH%20Workshop%20PresentaJons/ The%202MW%20Gyrotron%20for%20ITER%20(F.Albajar).PDF) 7.ICRH electromagnejc waves (h_p://www.efda.org/fusion/focus- on/plasma- heajng- current- drive/icrh- electromagnejc- waves/) 8.Designing an antenna the size of a bus (h_p://www.iter.org/newsline/225/1193) 9.HeaJng systems in ITER (h_p://www.iter.org/mach/heajng) 10.What is the Q- value of JET? (h_p://www.efda.org/faq/what- is- the- q- value- for- jet/) 11.KarakterisJske parametre for JET og ITER (PDF- dokument fra Søren Korsholm) 12.ITER - the machine (h_p://www.iter.org/mach) 13.Fusionsenergi af Vagn O. Jensen 14.Jens Juul Rasmussens PP, Pdf dokumentet fusion (h_p://www.columbia.edu/~tsp22/turbulens.html) 15.Wikipedia om ITER (h_p://en.wikipedia.org/wiki/iter) FYSIKARTIKEL 10