ens fusionsforskningscentre

Plasmastrøm
Magnetfeltlinie
Plasma
Magnetfeltet i en
stellarator
Magnetfelter i en tokamak
Magnetisk indeslutning
I fusionsforskningen betyder konceptet
“magnetisk indeslutning”, at plasmaet holdes væk
fra væggene ved brug af et kraftigt magnetfelt.
De ladede partikler – positivt ladede ioner og
negativt ladede elektroner – som plasmaet
består af, følger magnetfeltlinjerne. Plasmaet
bliver fastholdt i en bilslange-formet beholder,
en ”torus”, hvori magnetfeltlinjerne danner
lukkede løkker. På den måde kan partiklerne i
plasmaet bevæge sig rundt i cirkler i bogstaveligt
talt titusindvis af kilometer uden nogensinde at
røre en væg. Det er i dette ”magnetiske bur” at
plasmaet er indesluttet.
Overordnet set er der er to typer af maskiner, der
følger dette princip: tokamakker og stellaratorer.
Der findes dog også andre magnetiske
konfigurationer, såsom reversed field pinches og
sfæriske tokamakker. Hidtil har man haft størst
succes med tokamakker.
I en fusionsmaskine, hvor man bruger magnetisk
indeslutning, er man nødt til at opvarme
plasmaet udefra for at opnå så høje temperaturer,
at et tilstrækkeligt antal fusionsreaktioner kan
foregå. Man opvarmer på flere måder, f.eks. vha.
mikrobølger og højenergi partikelstråler. Når
først de rette betingelser for fusionsprocesserne
er nået, dannes et stort antal fusionsprodukter
- helium-kerner og neutroner, der alle er meget
energirige.
Et brændende plasma
Et af produkterne ved deuterium-tritium
fusionsprocessen er en helium-kerne. Den har en
kinetisk energi (bevægelsesenergi) på 20 % af den
energi, der blev produceret ved fusionsprocessen.
Da helium-kernen er elektrisk ladet, vil den være
indesluttet af det magnetiske felt og vil gradvist
overføre sin energi til resten af deuterium- og tritiumbrændstoffet. På denne måde bliver brændstoffet
opvarmet. Hvis fusionskammeret er tilstrækkeligt
stort, kan denne selv-opvarmningsproces næsten
opretholde den nødvendige temperatur af
plasmaet, så yderligere fusionsprocesser kan
foregå. Når det er tilfældet kalder man plasmaet for
et ”brændende plasma”.
Udover helium-kernen danner hver fusionsproces
en neutron, der har en kinetisk energi på 80 % af
den frigivne fusionsenergi. En neutron har ingen
elektrisk ladning, og er derfor ikke indesluttet
af magnetfeltet. Neutronerne forsvinder derfor
fra plasmaet og rammer lige ind i ”kappen”, som
beskytter væggene i torusen. I kappen bliver
energien fra neutronerne absorberet, og derefter
fjernet af kølevæsken der cirkuleres gennem
kappen. Præcis som i et almindeligt kraftværk
løber den opvarmede kølevæske gennem en
varmeveksler, hvor der produceres damp i et
sekundært væskekredsløb. Dampen bruges til
at drive en turbine, som producerer elektricitet.
Alternativt kan man producere brint direkte ved en
katalytisk proces, da temperaturen i kølevæsken fra
kappen er meget høj.
Laserfusion
Laserfusion er et meget anderledes koncept.
En pille med en diameter på nogle få millimeter
fyldt med deuterium-tritium brændsel bestråles
i et glimt af mange ekstremt kraftige lasere. Det
ydre lag af pillen blæses væk, hvilket får pillens
indre til at komprimeres med en enorm kraft.
Kompressionen får temperaturen og tætheden
til at stige til et niveau, der er tilstrækkeligt til, at
fusionsreaktioner kan finde sted.
Den store udfordring ved laserfusion er at opnå
en kraftfuld og homogen bestråling af pillen
ved en høj repetitionsrate: i et fusionskraftværk
baseret på dette princip skal ca. 10-20 piller
opvarmes og brændes hvert sekund.
Første tokamak
i Kurchatov-instituttet (Rusland)
Den amerikanske tokamak
DIII-D (General Atomics)
Vigtige milepæle for fusionsforskningen
Over de sidste årtier, har der verden rundt været en enorm
udvikling indenfor fusionsforskningen. Eksperimenter med
tokamakker gjorde hurtige fremskridt i begyndelsen af
1970’erne, og det førte til planlægningen af de første D-Teksperimenter. I 1991, skabte man for første gang på jorden
kontrollerede D-T-fusionsreaktioner. Der blev frigivet en
fusionseffekt på 1,7 MW. Denne vigtige milepæl blev opnået
i en tokamak, der er bygget og bliver udnyttet af fysikere og
ingeniører fra hele Europa. Den hedder Joint European Torus
(JET) og er placeret tæt ved Oxford i England.
Joint European Torus (JET)
Culham Science Center, UK
Indeni JET-torusen;
plasmaet er vist til højre
10
JET
(1997)
5
Q≈0.2
JET
(1991)
0
0
JG00.57/1c
Toroidalfeltspole
Tuumasünteesienergia võimsus (MW)
Poloidalfeltspoler
Q≈0.64
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
JT-60U
Aeg (s)
Verdensrekord
i fusionseffekt i JET
Fusionsenergi er på langt sigt en af de få mulige bæredygtige energikilder. Fusionsenergi giver mulighed for en sikker
og miljømæssig ansvarlig energiproduktion med en uudtømmelig forsyning af brændstof, der tillige er geografisk ligeligt fordelt. Når fusionsenergien er blevet udviklet, vil den
have potentialet til at spille en central rolle i grundlast-energiforsyningen i et samspil med andre energiproducerende
teknologier.
360
D57
D47
340
Mauna Loa
South Pole
320
År
1980
1990
2000
Kul
Olie
Vandkraft
Brændbart affald og vedvarende energi
Gas
300
Kernekraft
Udviklingen fra 1971 til 2003 i verdens
totale primære energiforsyning opgjort
efter brændstof (Btoe). Kilde: IEA
280
800
1000
1200
1400
1600
1800
Superledende magnet
D+T
Plasma
D
Deuterium
-brændsel
Kappe
(indeholdende litium)
Tritium
Afskærmende
konstruktion
Varmeveksler
260
2000
Vakuumbeholder
År
Tritium og
Helium
T+4He
4He
Helium
Historisk og fremtidig CO2 -koncentration
i atmosfæren
Dampkedel
Turbine og generator
Elektricitet
JG9
9.27
8/3c
Skematisk oversigt over et fusionskraftværk
Lille mængde brændstof
– hurtig nedlukning
Selvom det varme plasma i et fusionskraftværk
fylder et stort volumen – 1000 kubikmeter eller
mere – er den samlede mængde af deuterium og
tritium i plasmaet meget lille: vægten af brændstoffet i plasmakammeret vil være den samme
som 10 frimærker. Denne meget lille mængde
brændstof i plasmaet er en grundlæggende sikkerhedsfunktion i et fusionskraftværk, da kun
den lille mængde brændstof, der er nødvendig
for de næste få sekunders drift, er tilført brændselskammeret. Fusionsprocesserne kan stoppes
indenfor sekunder ved at slukke for den eksterne
brændstofforsyning – ligesom i en gasbrænder
– hvilket betyder at et fusionskraftværk kan lukkes ned sikkert og hurtigt.
Det næste skridt
En bæredygtig energikilde
380
o
r
f
s
s
k
n
n
o
i
i
s
n
u
g
f
s
s
c
n
e
e
ntre
d
r
e
V
I 1994, blev en fusionseffekt tæt på 10 MW produceret i
den amerikanske tokamak TFTR. Og i 1997 fulgte JET op
på sin succes, da den over flere sekunder producerede en
fusionseffekt i størrelsesordenen 10 MW med et maksimum
på 16 MW.
Sammen med resultater fra mange tokamakker verden
over har disse milepæle givet et solidt videnskabeligt og
teknisk fundament, hvorfra det næste skridt kan tages:
Det internationale ITER-projekt. ITER er en tokamak, der er
designet til at producere fusionsenergi med en effekt på
hundreder af megawatt (MW), der samtidig er ti gange den
effekt, der bruges til at holde plasmaet varmt. Altså vil ITER
skabe et brændende plasma, hvori selve fusionsreaktionerne
holder plasmaet tilstrækkeligt varmt. Det vil ske under forhold
som på et kraftværk, og vil dermed demonstrere de centrale
teknologier, der er nødvendige for, at fusion kan blive en
anvendelig energikilde.
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
CO2 -koncentration (ppm)
Total primærenergiforsyning (Btoe)
JET
(1997)
15
En CO2-fri energikilde
Udledningen af drivhusgasser ændrer
klimaet. Det forårsager en stigning i den
globale temperatur, ændringer i vejrsystemerne og stigende havniveau. Reduktionen af disse udledninger er et presserende
problem, og store foranstaltninger er nødvendige både på kort og langt sigt for at
undgå alvorlige miljømæssige skader. Reduktionerne, vedtaget ved Kyoto-aftalen,
er kun det første skridt.
Et vigtigt bidrag til at undgå klimaændringer
må komme fra udviklingen og implementeringen af energiteknologier med minimal
udledning af drivhusgasser. Et fusionskraftværk udleder ingen sådanne gasser: fusion
er en af de få muligheder, der kan levere et
storskala bidrag til fremtidens mix af bæredygtige energikilder. Hvis fusionsforskningsprogrammet bliver gennemført med
succes, kan fusion starte med at bidrage i
den anden halvdel af dette århundrede.
Brændstof til fusion – praktisk talt uudtømmeligt
Fusionsbrændstofferne, deuterium og tritium, er de tungere og mindre almindelige
isotoper af brint. Hver kubikmeter vand
indeholder 33 gram deuterium, så det er
almindeligt tilgængeligt over hele verden
– og billigt at skaffe. Tritium er radioaktivt,
og henfalder med en halveringstid på 12,3
år. Det er ekstremt sjældent i naturen, da
kun kosmisk stråling frembringer en lille
mængde. Imidlertid kan det produceres
i et fusionskraftværk fra litium, der er et
af de mest udbredte letmetaller i jordens
skorpe.
Mængden af brændstof, der er behov for i
et fusionskraftværk, er meget lille. Kun 100
kg deuterium (fra 2800 kubikmeter havvand) og 150 kg tritium (fra 10 tons litiummalm) vil være nødvendigt for at kunne
drive et 1000 MW kraftværk i et år. Til sammenligning bruger et kulfyret kraftværk
på samme størrelse 2,7 millioner tons kul i
den samme periode.
Netop vanskeligheden ved at opretholde de rette
plasmaforhold betyder, at fusion er en passivt sikker proces: en afvigelse fra de optimale betingelser får fusionsprocesserne til at producere mindre
energi eller endda stoppe.
Indbyggede sikkerhedsmæssige
aspekter
Når plasmaet ikke brænder, er den eneste varmekilde i fusionskraftværket de radioaktive henfald
af de aktiverede materialer i konstruktionen, der
omgiver plasmaet. Sikkerhedsstudier har vist, at
denne varmekilde er så lille, at ingen potentielt
skadende temperaturstigninger af konstruktionen kan forventes, selv i tilfældet af et fuldstændigt og permanent tab af aktiv køling.
Tritium: produceret og brugt på
selve kraftværket
Afprøvning af lav-aktiveringsmaterialer
En unik funktion ved et fusionskraftværk er, at
den radioaktive brændstofkomponent, tritium,
produceres i maskinen selv i en litium-indeholdende kappe, der omgiver plasmaet. Neutronerne, der frigives ved fusionsreaktionerne, reagerer med litiumet i kappen, og laver det om til
tritium. Derved bliver den eneste radioaktive del
af brændstoffet både produceret og brugt inde i
maskinen i et lukket kredsløb. Det kræver ingen
transport, undtagen under opstarten af et nyt
fusionskraftværk og ved nedlukningen.
Der skabes ingen radioaktive produkter af selve
fusionsreaktionen. Imidlertid produceres meget
energirige neutroner ved fusionsreaktionerne, og
disse vekselvirker med plasmakammerets vægge
og de interne komponenter, og derved aktiveres materialerne. Radioaktiviteten genereret ved
denne proces afhænger af valget af materialer
anvendt i konstruktionen af komponenterne,
hvilket åbner muligheden for at reducere mængden af radioaktivt affald fra fremtidige fusionskraftværker ved at udvikle de rigtige materialer.
Ingen skadelige radioaktive udslip
Dette er et aktivt forskningsområde, hvor lav-aktiveringsmaterialer, såsom vanadium- og kromlegeringer bliver udviklet. Keramik og fiberkompositmaterialer bliver ligeledes undersøgt pga.
af deres potentielle brug som lav-aktiveringsmaterialer i det lange løb. De nuværende planer
for materialeforskning inkluderer International
Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF). Dette anlæg er en højintensiv neutronkilde, der er
nødvendig for at teste og bekræfte præstationen af materialer til fremtidige fusionskraftværker, i særdeleshed lav-aktiveringsmaterialer.
De primære komponenter til fusionsbrændstof –
deuterium og litium – er ikke radioaktive og kan
transporteres uden problemer til kraftværket.
”Asken” ved en fusionsproces er en lille mængde
af den inaktive ædelgas helium, der ligeledes
ikke er radioaktiv. Udtømmende sikkerhedsstudier har vist, at et fusionskraftværk kan drives
uden risiko for radioaktive udslip, der er skadelige for mennesker og miljøet. Den maksimale
mængde tritium, der kan slippe ud i det værst
tænkelige internt opståede uheld, vil være så begrænset, at en evakuering udover kraftværkets
område ikke er nødvendig. Fusionskraftværker
vil blive konstrueret således, at tritium behandles på en sikker måde, hvilket vil være underlagt
strenge love og licensprocedurer.
Resultaterne af materialeudviklingsstudierne viser indtil videre, at radioaktiviteten produceret
under driften af et fusionskraftværk vil henfalde
hurtigt til niveauer, hvor genanvendelse er mulig, typisk efter omkring 100 år.
ITER, det næste skridt for fusionsforskningen
ITER-oversigtskort
Verdensomspændende samarbejde
ITER – der betyder “vejen” på latin – bliver det næste store
eksperimentelle tokamak-anlæg. Dens mål er at demonstrere den
videnskabelige og tekniske gennemførlighed af fusionsenergi
til fredelige formål. ITER er designet som led i et internationalt
samarbejde; partnerne i ITER-projektet er EU, Indien, Japan, Kina,
Rusland, Sydkorea og USA.
Toroidalfelt-modelspole
i TOSKA-testanlægget
(Karlsruhe, Tyskland)
I ITER skal man opnå og studere brændende fusionsplasmaer
under betingelser meget lig dem, der forventes i fremtidige
fusionskraftværker. Den skal producere 500 MW fusionsenergi
med en energiforstærkningsfaktor på mindst 10, hvilket betyder,
at der produceres 10 gange så meget energi i fusionsreaktionerne
som det, der kræves for at holde plasmaet varmt. Den vil
også sigte mod at demonstrere uafbrudt drift, dokumentere
tilgængeligheden og integrationen af essentielle teknologier for
fusionskraftværker og afprøve komponenter for efterfølgende
fusionsenheder.
Tritium-, vakuum-,
brændstof- og
servicebygning
Samlehal og RFstrømforsyningsbygning
Tokamakbygning
Fusionsenergi
Kryoanlæg, PF-spolefabrikering
& nødstrømsanlæg
Opbevaringstanke
til kryomedier
Steady-statestrømforsyningsområde
Laboratorie- og
kontorbygning
Kontrolrumsbygning
Transformerbygninger til
Bygning til magnetstrømforsyning
magneternes
strømforsyninger
Servicebygning
Varmtvandsbassin
og køletårn Pumpestation til
Gaslager
Personadgangsbygning
Bygninger til
Diagnostikhal, NB-injektorernes
”Hot cell”- Resistorer &
strømforsyninger
Bygning til bygning
kapacitorer til
radioaktivt
hurtig afladning
affald
af TF
0
50
100
Skala i meter
ITER vil omfatte nogle centrale teknologier og komponenter i
kraftværksstørrelse og -ydelse: superledende magneter, højvarmefluxkomponenter, robotstyrede vedligeholdelsessystemer og tritiumbehandlingssystemer. I løbet af de seneste
10 år er mange af de teknologiske problemer allerede blevet
løst, især gennem syv store forsknings- og udviklingsprojekter, der har givet et solidt teknisk grundlag for at opføre ITER.
www.efda.org
EFDA Close Support Unit - Garching
Boltzmannstr. 2
D-85748 Garching / München - Saksamaa
Telefon: +49-89-3299-4237
Fax: +49-89-3299-4197
E-mail: mark.westra@efda.org
Redaktører: Federico Casci, Doris Lanzinger
Grafisk design: Karen Jens
Layout: Stefan Kolmsperger
Brintatomer i solen og stjernerne smelter
sammen ved meget høje temperaturer og under
ekstreme tryk forårsaget af tyngdekraften. I
princippet kan mange lette atomer fusionere.
Blandt alle de mulige reaktioner er fusion af
deuterium og tritium – to brintisotoper – lettest
at skabe, og derfor er den proces blevet valgt
som basis for fremtidens fusionskraftværker. I
processen bliver deuterium og tritium omdannet
til helium, en neutron og en masse energi.
D
ITERs pris, tidsplan og placering
ITER-byggeriet forventes at koste 4,6 milliarder Euro
(Euro-værdien i år 2000) delt mellem de internationale
partnere – hovedsageligt gennem bidrag i naturalier, dvs. komponenter til maskinen. Den Europæiske
Union bidrager med ca. halvdelen af finansieringen.
ITER vil blive opført i løbet af ca. ti år og man vil lave
eksperimenter i ca. tyve år. ITER bygges i Europa, nær
Cadarache i Sydfrankrig.
© J. Paméla (EFDA Leader) 2008.
Denne brochure eller dele af den må ikke gengives uden tilladelse. Tekst, billeder og layout er stillet til rådighed af EFDA-parterne; billede side 1: stillet til rådighed af Kurchatow
Institut; side 2: General Atomics; side 3: JAERI; side 4: IEA og IPCC 2001 (WGI, SPm).
EFDA-parterne er Europakommissionen og associeringerne i det europæiske fusionsprogram, der koordineres og forvaltes af Europakommissionen.
Hverken Kommissionen, associeringerne eller nogen anden, der handler på deres vegne,
er ansvarlige for eventuelle skader som følge af brug af oplysningerne i denne udgivelse.
En særlig tak til dem, der frivilligt har oversat denne brochure til andre sprog.
På jorden har fusionsenergi potentialet til på
stor skala at bidrage til en fremtidig bæredygtig
energiforsyning. Forskere og ingeniører verden over
er engagerede i fusionsforskningen for at nå målet:
at konstruere et el-producerende fusionskraftværk
i anden halvdel af dette århundrede. Med
begyndelsen af det internationale ITER-projekt – som
skal demonstrere, at det teknisk og videnskabeligt
kan lade sig gøre at bygge et fusionskraftværk – går
fusionsforskningen nu ind i en helt afgørende fase
imod det mål.
Udnyttelse af fusionsenergi på
jorden
D+T
Divertor integrationsprototype
Divertor testanlæg
(Brasimone, Italien)
Fusion, processen hvor lette atomkerner smelter sammen og danner tungere
kerner, er solens og stjernernes energikilde. I solen fusionerer brintkerner og
danner helium. I den reaktion omdannes ca. en halv procent af brintkernernes
masse til energi, som det er beskrevet ved Einsteins berømte ligning E = mc2,
der viser sammenhængen mellem masse og energi. Den frigjorte energi forlader
solen som lys, hvoraf det meste forsvinder ud i rummet. Det lys, der rammer
jorden, udgør mindre end en ud af en milliard af det totale. Alligevel har det
opretholdt vandcyklus, vind og livet på jorden i flere milliarder år.
Strømforsyningsområde
kølevand
Centrale teknologier til ITER demonstreret
på syv store forsknings- og udviklingsprojekter
Parkeringsplads
4He
+ n + Energi
He
Energi
På vej mod et kraftværk
Sideløbende med opbygningen og
driften af ITER, vil et ledsagende
forsknings- og udviklingsprogram
blive gennemført indenfor både fysik og teknologi med henblik på at
forberede det efterfølgende skridt,
DEMO.
DEMO forventes at komme i drift 3035 år efter påbegyndelsen af opførelsen af ITER. Den skal demonstrere
el-produktion i stor skala og selvforsyning af tritium-brændstof. Den vil
føre fusion ind i sin industrielle æra
og bane vejen for de første kommercielle fusionskraftværker.
T
n
Fusionsreaktionen
Hundrede millioner grader
Atomkerner frastøder hinanden, fordi de begge har en positiv ladning. For at få kernerne
så tæt på hinanden, at fusionsprocesser kan foregå, bliver de nødt til at ramme hinanden
med stor hastighed. Derfor skal temperaturen af gassen med fusionsbrændstof være meget
høj. For fusionsprocesser mellem deuterium og tritium er den nødvendige temperatur i
størrelsesordenen 100-150 millioner grader Celsius.
Ved en sådan temperatur af det gasagtige brændstof mister atomerne deres elektroner,
og der dannes nu en gas af ladede partikler – ioner (atomkerner) og elektroner – kaldet et
”plasma”. Hvis det varme plasma kom til at røre væggene af beholderen, ville det øjeblikkeligt
blive kølet ned, og man må derfor holde plasmaet væk fra væggene. Ved at holde en vis
afstand mellem vægge og plasma undgår man også, at væggenes overflade nedbrydes og at
plasmaet ”forurenes” med vægmateriale.