Kontrollerad termonukleär fusion

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Kontrollerad termonukleär fusion"

Hugo Berg
för 7 år sedan
Visningar:

1 Kontrollerad termonukleär fusion Carl Hellesen Applied Nuclear Physics Department of Physics and Astronomy Uppsala Universitet

lätta kärnor ger större bidrag / nukleon än fission av tunga Positivt laddade

2 Fusionsreaktioner Skillnaderna i nukleära bindningsenergier 62 Ni hårdast bundna 56 Fe 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

1 MeV d+t 5 He ( ) 4 He + n + 17.6 MeV (DT) d+d } 3 He + n + 3.27 MeV d+d t + p + 4.03 MeV (DD) d+ 3 He 4 He + p + 18.4 MeV (D- 3 He)!,0!"#!

3 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 MeV (DT) d+d } 3 He + n MeV d+d t + p MeV (DD) d+ 3 He 4 He + p MeV (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) &,!!"(!,.!-+!-*, ) '(!"#$%& MWh

Försök 1 Skjut en 100 kev T-beam på ett deuteriummål T.ex. deutererad plast (CD 4 istället för CH 4 ) n d = 4 ρ / m CD4 = 4 1.0 10 3 (kg/m 3 ) / 16 u = 1.5 10 29 / m 3 Σ = n d σ = 1.5 10 29 2.

4 Försök 1 Skjut en 100 kev T-beam på ett deuteriummål T.ex. deutererad plast (CD 4 istället för CH 4 ) n d = 4 ρ / m CD4 = (kg/m 3 ) / 16 u = / m 3 Σ = n d σ = = 30 reaktioner / m Range för 100 kev T i plast är 1 µm = 10-6 m Reaktionssannolikhet p r = 1 µm 30 reakt / m = Verkningsgrad: Q p r / E acc = 17.6 MeV / 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

"# Maxwell Boltzmann fördelning där!*/ () ( ()!

5 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 (m 3 s -1 ): '!"."#-, "+!( ()!**!*, () ()!*1!*0 ()!"# Maxwell Boltzmann fördelning där!*/ () ( ()!"#$%&' * () Reaktionshastighet (m -3 s -1 ): R DT = n d n t <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?

6 Hur upprätthåller man 100 miljoner grader? Vid så höga temperaturer är bränslet helt joniserat (plasma) Laddade partiklar går i spiralbanor längs magnetiska fältlinjer Inneslut plasmat i ett magnetfält 4 He 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 Tokamaken den bäst fungerande principen hittills 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

7 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

Energibalans gäller P loss = P ext + P α = P ext + P fus /5 Eftersom endast 1/5 av effekten går till 4 He 5.

8 Burn-kriteriet 1. Fusionseffekten ges av P fus = Q n d n t <σv> = Q (n e /2) 2 <σv> 2. Energiförlusterna ges av inneslutningstiden, τ E P loss = E TH / τ E 3. Termiska energin hos plasmat, E TH, ges av E TH = 3 n e kt 4. Energibalans gäller P loss = P ext + P α = P ext + P fus /5 Eftersom endast 1/5 av effekten går till 4 He 5. Använd för P fus = P ext (break even) ne τ E = (10 kt) / (Q <σv>) 6. Eller för P fus = P loss P ext = 0 (ignition) n e τ E = (60 kt) / (Q <σv>) 7. Antag n e m -3 och T 20 kev <σv> τ E måste vara runt 2 sekunder Något idealiserat dock, snarare runt 4 s

9 JET Ligger utanför Oxford, England JET är världens största TOKAMAK JET är den enda tokamaken som kan hantera DT-bränslen idag Rmaj = 3.0 m 80 m3 BT = 4.0 T IT = 5.0 MA Paux = 55 MW τe 1 s Pfus = 16.7 MW Q = Pfus / Pin = % 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

större Temperaturgradient på 108 K / m Energin läcker ut för fort och måste till stora

10 Varför fungerar det inte ännu? Varför har man inte fått ett fusionsplasma att antändas Lösningen är att göra plasmat större 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 Jämför med majbrasa i stark vind Nästa steg: ITER 10 ggr större än JET

4 T I = 15 MA P fusion = 500 MW (Q = 10) Kostnad 10 G Ska testa alla kritiska system i en

11 ITER Internationellt samarbete USA, Ryssland, Kina, EU, Indien, Japan Under uppbyggnad i Cadarache, Frankrike V plasma = 840 m 3 B= 5.4 T I = 15 MA P fusion = 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

Idag används kolfiber Bra material: Smälter inte Lågt Z förorenar inte plasmat så värst mycket Men, suger upp

12 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 / m 2 Transient (10 s) 20 MW / m 2 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

13 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

14 Framtiden Har fusionsforskningen stått och stampat i 50 år? Nej, vi har sett en ökning av plasmaeffekten på 10 4 gånger sedan 60 talet 10 gånger till och vi har en reaktor ITER färdig 2018 Demo 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

Relevanta dokument

- kan solens energikälla bemästras på jorden?

CMS - kan solens energikälla bemästras på jorden? Kai Nordlund Acceleratorlaboratoriet Institutionen för fysikaliska vetenskaper Helsingfors Universitet Innehåll Vad är fusion? Hur kan man utvinna energi