Kontrollerad termonukleär fusion - Studentportalen

Kontrollerad termonukleär fusion
Carl Hellesen
Applied Nuclear Physics
Department of Physics and Astronomy
Uppsala Universitet
Fusionsreaktioner
• 
Skillnaderna i nukleära
bindningsenergier
– 
– 
• 
62Ni
hårdast bundna
56Fe lättast genomsnittliga
nukleonmassa
Fusion eller fission
–  Fusion av lätta kärnor ger
större bidrag / nukleon än
fission av tunga
• 
Positivt laddade kärnor
repellerar
–  Coulumbbarriär
–  Kvanttunnling möjliggör
fusion vid något lägre
energier
Kärnfusion
• 
Bästa reaktionen, DT
– 
– 
Högt Q-värde (17.6 MeV)
Hösta reaktiviteten (5 barn) vid lägsta
energierna (60 keV)
• 
Deuterium finns i vatten
• 
Tritium kan utvinnas från litium
3.5 MeV
14.1 MeV
d + t → 5 He(!) → 4 He + n + 17.6 MeV
d + d → 3 He + n + 3.27 MeV
d + d → t + p + 4.03 MeV
d + 3 He → 4 He + p + 18.4 MeV
!
(DD)
(D-3 He)
*+!,0
!"#
• 
Neutronerna från DT-reaktionen
används för att breeda tritium från litium
1 kg litiummalm (70 ppm Li) samt 1 kg
vatten (154 ppm D) innehåller
fusionsbränsle motsvarande 5.4 MWh
(530 liter råolja)
!!"( , &
*+!,/
• 
*+!,.
*+!-+
*+!-*
(DT)
*+
*+,
)'(!"#$%&
5.4 MWh
*+
-
Försök 1
• 
Skjut en 100 keV T-beam på ett deuteriummål
–  T.ex. deutererad plast (CD4 istället för CH4)
–  nd = 4 ⋅ ρ / mCD4 = 4 ⋅ 1.0⋅103 (kg/m3) / 16 u = 1.5⋅1029 / m3
• 
Σ = nd ⋅ σ = 1.5⋅1029 ⋅ 2.0⋅10-28 = 30 reaktioner / m
• 
Range för 100 keV T i plast är 1 µm = 10-6 m
• 
Reaktionssannolikhet
–  pr = 1 µm ⋅ 30 reakt / m = 3.0⋅10-5
• 
Verkningsgrad:
–  Q ⋅ pr / Eacc = 17.6 MeV ⋅ 3.0⋅10-5 / 100 keV = 0.5%
• 
Majoriteten av tritonerna stoppas av
elektronerna i strålmålet istället för
att fusionera
–  För mycket energi försvinner i acceleratorn
Förskök 2, brinnande fusionsbränsle
Lösningen är att värma bränslet med
energin från fusionsreaktionerna
• 
Självuppvärmning
Ingen energi spills i någon accelerator
Brinnande, termonukleär fusion
Jämför med ett ljus
Reaktivitet (m3 s-1):
()!**
,
– 
– 
– 
– 
!"#
!"."#- "+!('
• 
()!*,
()!*1
()!*0
Maxwell Boltzmann
fördelning
• 
där
Reaktionshastighet (m-3 s-1):
–  RDT = nd nt <σv>
• 
Men, optimal reaktivitet för termiska
DT-reaktionen är T > 20 keV (200
miljoner grader)
–  Hur hantera så höga temperaturer?
–  Hur kan man innesluta energin i
bränslet, så att det inte kallnar?
()!*/
(
()
!"#$%&'
()*
Hur upprätthåller man 100 miljoner grader?
• 
Vid så höga temperaturer är
bränslet helt joniserat (plasma)
– 
– 
– 
– 
• 
Tokamaken den bäst fungerande
principen hittills
– 
– 
– 
– 
• 
Laddade partiklar går i
spiralbanor längs magnetiska
fältlinjer
Inneslut plasmat i ett magnetfält
4He är laddade och innesluts i
magnetfältet, värmer plasmat när
de bromsas ner från 3.5 MeV till
20 keV
14.1 MeV neutroner lämnar
magnetfältet och ”breedar”
tritium samt kokar vatten
Fältet sluts i en torus
Toroidalt och poloidalt magnetfält
(helixformat)
Toroidalt från externa spolar
Poloidalt från ström genom
plasmat
Plasmaströmmen kan värma
bränslet (ohmska förluster) till ca
1 - 5 keV (10 – 50 MK)
– 
Räcker inte för att antända
bränslet
Plasmaupphettning
• 
För att nå 20 KeV
plasmatemperatur behövs
externa upphettningssystem
• 
Radiouppvärmning (RF)
–  Mikrovågor i resonans med
partiklarnas Larmorfrekvensen
–  ω = |q|B/m ≈ 30 MHz
–  Ungefär som mikrovågsugn
• 
Neutralstråle-injektion (NBI)
–  Accelerera joner i E-fält
(50 keV till 1 MeV)
–  Neutralisera till atomer, går
igenom magnetfältet och
återjoniseras när de träffar
plasmat
–  Under nedbromsningen till 20
keV värmer de upp plasmat
Burn-kriteriet
1.  Fusionseffekten ges av
–  Pfus = Q ndnt <σv> = Q (ne/2)2 <σv>
2.  Energiförlusterna ges av inneslutningstiden, τE
–  Ploss = ETH / τE
3.  Termiska energin hos plasmat, ETH, ges av
–  ETH = 3 ne kT
4.  Energibalans gäller
–  Ploss = Pext + Pα = Pext + Pfus/5
Eftersom endast 1/5
av effekten går till 4He
5.  Använd 1+2+3+4 för Pfus = Pext (break even)
–  ne τE = (10 kT) / (Q <σv>)
6.  Eller för Pfus = Ploss → Pext = 0 (ignition)
–  ne τE = (60 kT) / (Q <σv>)
7.  Antag ne ≈ 1020 m-3 och T ≈ 20 keV → <σv> ≈ 4 10-22
–  τE måste vara runt 2 sekunder
–  Något idealiserat dock, snarare runt 4 s
JET
• 
Ligger utanför Oxford, England
• 
JET är världens största
TOKAMAK
– 
– 
– 
– 
– 
– 
• 
Rmaj = 3.0 m
80 m3
BT = 4.0 T
IT = 5.0 MA
Paux = 55 MW
τE ≈ 1 s
JET är den enda tokamaken som
kan hantera DT-bränslen idag
–  Pfus = 16.7 MW
Q = Pfus / Pin = 0.7
–  16% självvärmning då endast 1/5
av energin går till 4He
• 
Ett av målen med JET var att visa
att man kan innesluta 3.5 MeV 4He
i magnetfältet
–  Demonstrera självuppvärming till
viss del
Varför fungerar det inte ännu?
• 
Varför har man inte fått ett
fusionsplasma att antändas
–  Temperaturgradient på
108 K / m
–  Energin läcker ut för fort och
måste till stora delar tillföras
utifrån, endast 16%
självuppvärmning
–  Jämför med ett stearinljus i
stark vind
• 
Lösningen är att göra plasmat
större
–  Jämför med majbrasa i stark
vind
• 
Nästa steg: ITER
–  10 ggr större än JET
ITER
• 
Internationellt samarbete
–  USA, Ryssland, Kina, EU,
Indien, Japan
• 
Under uppbyggnad i
Cadarache, Frankrike
– 
– 
– 
– 
– 
• 
Vplasma = 840 m3
B= 5.4 T
I = 15 MA
Pfusion = 500 MW (Q = 10)
Kostnad 10 G€
Ska testa alla kritiska system i
en fusionsreaktor…
–  Supraledande magneter
–  Materialfrågor
–  Fjärrhantering av aktiverade
komponenter
–  Tritium ”breeding”
–  Kontinuerlig strömdrivning
–  Brinnande plasman
Divertor, exempel på ett kritiskt system
• 
En av de mest kritiska
komponenterna
–  Huvudsakliga kontakten
mellan plasmat och fasta
material
• 
Ska klara av höga effektflöden
–  Kontinuerligt 5 MW / m2
–  Transient (10 s) 20 MW / m2
• 
Idag används kolfiber
–  Bra material:
–  Smälter inte
–  Lågt Z → förorenar inte
plasmat så värst mycket
–  Men, suger upp tritium…
• 
Framtida material, Wolfram
–  Hög smältpunkt (3422 °C)
–  Suger inte upp tritium så
värst
–  Ska testas på JET under
2011
När har vi fusionskraft?
• 
Fusionskonstanen:
– 
• 
Men, fusionsforskning styrs av
politik på hög nivå
– 
– 
• 
JET byggdes och stod klart 1983
Första samtalen om ITER på hög
nivå redan i nov 1985
– 
– 
• 
Mycket pengar
Mycket prestige
Vad som drev fusionsforskningen i
slutet av 1970-talet var de två
oljekriserna
– 
• 
Om 50 år!
JET skulle köras till första halvan av
1990 talet för att sedan ersättas av
ITER
Men, Sovjet föll samman, olja blev
billigt, USA drog sig ur …
Nästa våg för fusionsforskningen
kom i början av 2000-talet när
debatten om den globala
uppvärmningen tog fart
– 
– 
ITER beslutades 2006
Valet av plats höll på att stjälpa hela
projektet
Framtiden
• 
Har fusionsforskningen stått
och stampat i 50 år?
–  Nej, vi har sett en ökning av
plasmaeffekten på 104
gånger sedan 60 talet
–  10 gånger till och vi har en
reaktor
• 
ITER färdig 2018
• 
Demo 10-20 år senare
–  Första elproducerande
testreaktorn
• 
Största ”hotet” mot
fusionskraft är förmodligen
konkurrensen med gen-4
–  Går det att göra fusionsenergi
tillräckligt billigt?
–  Men, vissa frågor
gemensamma, t.ex.
förmågan hos material att
klara höga neutronflöden