- kan solens energikälla bemästras på jorden?

Transkript

1 CMS - kan solens energikälla bemästras på jorden? Kai Nordlund Acceleratorlaboratoriet Institutionen för fysikaliska vetenskaper Helsingfors Universitet

2 Innehåll Vad är fusion? Hur kan man utvinna energi ur det kontrollerat? Tokamak-typs fusionsreaktorer, ITER Materialproblem i tokamak-reaktorer Vår forskning i området [Källor: egen kunskap, John Wesson: The Science of JET från Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 2

3 Fusion i solen Förhållandena i solens inre är extrema temperaturen är 15.6 miljoner Kelvin (Celsius) trycket är 250 miljarder atmosfärer Solens energi (~386 miljarder megawatt/sec) produceras med kärnfusionsreaktioner. Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 3

4 Kärnfusion Processen som slår ihop små atomer till större Extremt mycket energi frigörs per atom Bokstavligen miljoner gånger mer än i en vanlig kemisk reaktion Effektivare för att producera kärnenergi än fission Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 4

5 Bindningsenergi per atomkärna: fusion vs. fission Notera att kurvan är brantare i fusions- än I fissionsområdet Därmed är fusion effektivare för energiproduktion än fission Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 5

6 Fusion i solen Fusionsreaktionen i solen är totalt: 4 H -> He 4 + energi 26.7 MeV Varifrån kommer energin? E = mc 2 Solens bränslekonsumption per sekund: 675 miljoner ton väte Blir 650 miljoner ton He Alltså omvandlas 22 miljoner ton materia till energi varje sekund Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 6

7 Hur fungerar fusion - materians tillstånd När man lägger till värme ändras materiens tillstånd Värme ökar på materialets oordning Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 7

8 Plasma Fusionsreaktioner sker med ansenlig sannolikhet bara vid mycket höga temperaturer ( miljoner o C) Vid dessa temperaturer existerar materien bara som plasma I ett plasma är elektronerna helt skilda från atomkärnorna Plasman består alltså av laddade partiklar: negativa elektroner och positiva kärnor Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 8

9 Fusion av kärnor: Coulomb-barriär I ett plasma stöter de positivt laddade partiklarna sig ifrån varandra: 1 V = 4 Jonerna måste alltså ha en tillräckligt hög rörelse-energi för att komma över Coulomb-kraften mellan kärnorna Temperaturen då sannolikheten blir avsevärd är grovt sett 100 miljoner K ( o C) Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 9 πε 0 e r 2

10 Krav för att åstadkomma fusion Partiklarna måste vara tillräckligt heta (temperatur) Partiklarna måste ha tillräcklig täthet (densitet) Partiklarna måste hållas vid hög täthet tillräckligt länge (infångningstid, confinement time ) I solen har man en kombination av hög densitet (tryck) och s.g.s. oändlig infångningstid Temperaturen ungefär miljoner K I en vätebomb har man extremt hög temperatur och densitet För kontrollerad fusion av tokamak-typ kan man omöjligen ha mycket hög densitet Därmed krävs det en temperatur som är större än i solens kärna!! Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 10

11 Att välja en fusionsprocess Man måste välja en reaktion som har högsta möjliga sannolikhet vid så låg temperatur som möjligt Denna reaktion är den mellan väteisotoperna D och T Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 11

12 D och T är alltså vätets tyngre isotoper Vanligt väte: kärnan är en proton D: kärnan är en proton och en neutron: 2 H T: kärnan är en proton och två neutroner: 3 H Deuterium finns i stora mängder Tritium kan produceras från litium eller i fissionskärnreaktorer Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 12

13 Fusionsprocessen D + T Fusionsreaktionen är D + T -> He 4 + n + energi 17.6 MeV Nästan lika mycket som i solen per reaktion (26.7 vs. 17.6) Energiproduktionen är ungefär: 70 kev in (max sannolikhet) kev ut - En faktor 250! Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 13

14 Bränslereserver: källan till D och T 1/6500 av H-atomerna i havsvatten är D 1.03 x D atomer i 1 l havsvatten 1 km 3 havsvatten har en energipotential på 1360 miljarder tunnor olja Tritium är radioaktivt Halveringstid t 1/2 =12.4 år Kan genereras från Li via neutroninfångning Neutronerna kan vara de samma som produceras i reaktorn Li finns rikligt i jordskorpan Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 14

15 Plasmats infångning Kärnorna måste alltså hållas ihop, infångas, tillräckligt länge för att fusion kan ske Inget material kan tåla kontakt med ett plasma som är miljoner grader hett Antingen kommer plasman att förstöra väggarna, eller kommer väggen att kyla ner plasman Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 15

16 Metoder att hålla plasmat ihop Gravitation Solens och stjärnornas metod Helt omöjlig på jorden Magnetisk Starka magnetiska fält begränsar rörelsen av de laddade partiklarna och hindrar dem från att slå mot väggarna Inertisk En intensiv energistråle, som en laser, används för att komprimera väte momentant så snabbt att fusion kan ske före jonerna flyger i bitar En vätebomb, men klart underkritiskt Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 16

17 Inertisk fusion I inertisk fusion placeras D+T innanför en liten glas/metallpellet som sedan upphettas extremt snabbt samtidigt från alla håll med lasrar så att metallen exploderar Explosionen orsakar en shockvåg inåt som kompresserar D och T Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 17

18 Magnetisk infångning Magnetisk infångning grundar sig på att laddade partiklar växelverkar både med ett el- och magnetfält Spolar kan användas till att hålla inne ett plasma i en cylinderform Energiförlusterna är relativt små vinkelrät mot plasmat Men i ändan av cylindern skulle det bildas stora förluster! Hur kan man lösa problemet? Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 18

19 Fusion i en Tokamak Lösning: böj cylindern till en torus! De röda toroidala spolarna producerar ett cylindriskt magnetfält De blå poloidala spolarna används för att forma och kontrollera plasmat De grå väggarna innesluter gasen och plasman före magnetfältet sätts på Skydd från orenheter Plasmat är mycket hett (vitt) i mitten och kallare (rött) utåt i torusen Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 19

20 En verklig tokamak Den nu största tokamaken, JET i England Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 20

21 Hur ser en fusionsbränna ut? Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 21

22 Hur skulle ett fusionskraftverk se ut? Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 22

23 Hur nära är vi ett kraftverk? Det har gjorts enorma framsteg i området: På 1970-talet åstadkom man 1 W effekt med 1 MW upphettning JET har åstadkommit 16 MW effekt med 20 MW upphettning Nästa steg, ITER, borde nästan vara av kraftverksstorlek! Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 23

24 Fördelar med fusion Producerar stora mängder energi Bränslet räcker länge: D väsentligen för evigt T fås från Li, som finns rikligt i jordskorpan I långa loppet möjligt att köra med D+D, alltså utan behov av Li Säkert Alla störningar i operation släcker reaktionen omedelbart Inga växthusgaser produceras Ingen lång-tids radioaktivt avfall Förbränningsprodukten, He, är helt ofarlig Neutronaktivering sker i själva reaktorn, men det aktiverade materialet är kortlivat Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 24

25 Fusionsenergiproduktion Fusionsenergin som frigörs från 1 gram av D och T genererar ungefär lika mycket energi som 2400 gallon olja! Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 25

26 Fusionsenergiproduktion: bränslebehov och avfall Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 26

27 ITER Nästa steg kommer att vara att bygga ITER Beslutet att bygga den gjordes i somras Efter ca. 10 år av problem och gräl Placeras i Cadarache i Frankrike Ca. 50 km från Marseille Borde bli färdig 2015 Byggs av helt internationellt konsortium Europa, Japan, USA, Ryssland, Kina, Korea, Indien Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 27

28 ITER:s funktionsparametrar ITERs pris: 5 miljarder EURO (ungefär samma som för Olkiluoto 3) Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 28

29 ITERs problem Plasmafysikerna är numera tämligen optimistiska om att ITER kommer att producera energi med en faktor Kanske t.o.m. faktorn 50 som krävs för kommersiell operering Är därmed alltså allt väl och det bara är att bygga kraftverk? NEJ, tyvärr inte: Återstår stora materialproblem Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 29

30 Materialproblem i ITER Plasmat hålls aldrig helt perfekt ihop Därför låter man den avsiktligt läcka till reaktorns botten Men där sker därmed en enorm värme- och partikelbombardemang av divertorn Värmeflöde 25 MW/m 2 Partikelbombardemang av H-joner/m 2 /s Det krävs material som tål både värme och partiklar bra => kol eller wolfram Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 30

31 Erosion av tunga joner från divertorn Betrakta en fusionsreaktor av tokamak-typ Zooma in på divertorn Zooma in på atomnivå CH x and C 2 H y erosion C-based divertor Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 31

32 Erosion av atomer i divertorn Då divertorn bombarderas av joner eroderas den Högenergidelen av erosionen är väl förstådd Teorin för den säger att för låga väte-energier borde ingen erosion alls ske De låga energierna är de dominerande i tokamak-reaktorer => BRA! Men ett otal experiment har visat att erosion sker där det borde vara omöjligt! Energi Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 32 Erosion av partiklar Kända mekanismer

33 Vår metod att forska i problemet Vi skapar en atomnivås modell över det kolbaserade materialet Varje boll är en atom, gula bollar kol, röda bollar väte Sedan bombarderar vi kolet på samma sätt som i reaktorn Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 33?

34 Vårt svar: såhär sker kolerosionen Erosion sker av inkommande H om den råkar komma mitt emellan två kolatomer Denna mekanism var okänd från tidigare! Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 34

35 The H ion hits the middle of a C-C bond. This raises the energy enough to break the chemical bond Process is energetically unfavourable (endothermal)! [Salonen, Europhys. Lett. 52 (2000) 504; Phys. Rev. B 63 (2001) ] Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 35

36 Jämförelse med experiment Vi har visat att denna mekanism ger erosion som stämmer väl överens med experiment! Vi har alltså förklarat varför kol eroderas Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 36

37 Tyvärr Tyvärr innebär förklaringen att det är nästan omöjligt att kringgå kolets erosion Kol kommer ändå att användas åtminstone i första skedet av ITER s operation i vissa delar, och är antagligen tillräckligt bra där Men i ett fungerande kraftverk kommer man troligen inte att kunna använda kol Nu är bästa kvarvarande kandidaten wolfram Ser lovande ut, men har inte testats tillräckligt ännu Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 37

38 Sammanfattning Kärnfysikalisk fusion är den enda kända energiform som kunde lösas världens energiproblem för miljoner år framåt ITER kommer antagligen att ge svaret till om det är möjligt att bygga ett fusionskraftverk av tokamak-typ Ett antal plasmafysikaliska problem kvarstår Ett stort antal materialfysikaliska problem måsta lösas Om ITER lyckas, kanske vi har ett demonstrationskraftverk, DEMO, om 30 år!? Om ITER inte lyckas, finns det ännu andra möjigheter: Inertisk fusion Stelleratorer Prof. Kai Nordlund, Acceleratorlaboratoriet, Helsingfors Universitet 38