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
