Matematikens betydelse för att lösa världens energiproblem

Relevanta dokument
- kan solens energikälla bemästras på jorden?

Innehållsförteckning. Historik utvinning energiomvandling Miljö användning framtid

Fusionskraft under utveckling

Kontrollerad termonukleär fusion

Strålningsskador i fusionsreaktormaterial

Innehållsförteckning. Framtid för Fusionsreaktor Källförteckning 14-15

Framtidens Energi: Fusion. William Öman, EE1c, El och Energi linjen, Kaplanskolan, Skellefteå

Miljöfysik. Föreläsning 5. Användningen av kärnenergi Hanteringen av avfall Radioaktivitet Dosbegrepp Strålningsmiljö Fusion

Föreläsning 11 Kärnfysiken: del 3

Fusion. Gjord av Vedran och Pontus

Regeringskansliet Faktapromemoria 2016/17:FPM116. Meddelande om EU:s bidrag till ett reformerat Iterprojekt. Dokumentbeteckning.

Kärnenergi. Kärnkraft

Kärnenergi. Kärnkraft

Fission och fusion - från reaktion till reaktor

Framtidens kärnkrafts-el-energikällafission

Grundläggande energibegrepp

Instuderingsfrågor Atomfysik

FUSIONSFORSKNING. Ett energialternativ för Europas framtid ALLMÄN INFORMATION EURATOM

Från atomkärnor till neutronstjärnor Christoph Bargholtz

Prov (b) Hur stor är kraften som verkar på en elektron mellan plattorna? [1/0/0]

Biobränsle. Effekt. Elektricitet. Energi. Energianvändning

Materiens Struktur. Lösningar

Biobränsle. Biogas. Effekt. Elektricitet. Energi

MATTIAS MARKLUND GRUNDLÄGGANDE FYSIKFORSKNING OCH MILITÄRFORSKNING

Till exempel om vi tar den första kol atomen, så har den: 6 protoner, 12 6=6 neutroner, 6 elektroner; atommassan är också 6 men masstalet är 12!

ATOM OCH KÄRNFYSIK. Masstal - anger antal protoner och neutroner i atomkärnan. Atomnummer - anger hur många protoner det är i atomkärnan.

Hållbar utveckling Vad betyder detta?

Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. Elektricitet

Lösningar del II. Problem II.3 L II.3. u u MeV O. 2m e c2= MeV T += MeV Rekylkärnans energi försummas 14N

Instuderingsfrågor för godkänt i fysik år 9

Vecka 49. Förklara vad energi är. Några olika energiformer. Hur energi kan omvandlas. Veta vad energiprincipen innebär

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin 13. Kärnfysik Föreläsning 13. Kärnfysik 2

Bergvärme. Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. X är värmen i berggrundens grundvatten. med hjälp av värmepump.

Varifrån kommer grundämnena på jorden och i universum? Tom Lönnroth Institutionen för fysik, Åbo Akademi, Finland

Fysikaliska modeller

Solens energi alstras genom fusionsreaktioner

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3


Fossilförbannelse? Filip Johnsson Institutionen för Energi och Miljö Pathways to Sustainable European Energy Systems

Va!enkra" Av: Mireia och Ida

2 H (deuterium), 3 H (tritium)

Innehållsförteckning:

Förnybara energikällor:

ITER. fusionsenergins genombrott? International thermonuclear experiment reactor. Latin: Vägen

Kompakta fusionsreaktorer

Atomens historia. Slutet av 1800-talet trodde man att man hade en fullständig bild av alla fysikaliska fenomen.

Kurs: Kemi/Fysik 2 Fysikdelen Kurskod LUI103. Examinator: Anna-Carin Larsson Tentamens datum

Jenny Miltell, Smarta elnät ABB gör det möjligt

ENERGIKÄLLOR FÖR- OCH NACKDELAR

2. Hur många elektroner får det plats i K, L och M skal?

Lösningar del II. Problem II.3 L II.3. u= u MeV = O. 2m e c2= MeV. T β +=

Energibalans för kroppen, jorden och samhället

Förslag: En laddad partikel i ett magnetfält påverkas av kraften F = qvb, dvs B = F qv = 0.31 T.

Hur ska vi ha det i framtiden?

Elförsörjning med hjälp av solceller

Kärnkraft. p?keyword=bindningsenergi

Studiematerial till kärnfysik del II. Jan Pallon 2012

1.1 STARTSIDA. Kenneth Mårtensson

Varje uppgift ger maximalt 3 poäng. För godkänt krävs minst 8,5 poäng och

Tentamen. Fysik del B2 för tekniskt / naturvetenskapligt basår / bastermin BFL 122 / BFL 111

Snabba atomer och lysande stjärnor. Hur spektrallinjer berättar om exciterade atomers livstider och den kemiska sammansättningen hos stjärnor.

BETYGSKRITERIER I KEMI, FYSIK OCH BIOLOGI

Marie Curie, kärnfysiker, Atomfysik. Heliumatom. Partikelacceleratorn i Cern, Schweiz.

Översiktskurs i astronomi Lektion 7: Solens och stjärnornas energiproduktion samt utveckling

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Atom- och kärnfysik! Sid i fysikboken

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Atom- och Kärnfysik. Namn: Mentor: Datum:

Atomens uppbyggnad. Atomen består av tre elementarpartiklar: Protoner (+) Elektroner (-) Neutroner (neutral)

Tentamen: Baskurs B i Fysik, del1, 4p kl

Lågtemperaturfysik. Maria Ekström. November Första utgåvan

Vi föreslår istället ett nytt koncept som man kan kombinera med dagens system så att övergången från gårdagen till morgondagen inte blir så radikal.

Atomens uppbyggnad. Atomen består av tre elementarpartiklar: Protoner (+) Elektroner (-) Neutroner (neutral)

attraktiv repellerande

Allmän rymdfysik. Plasma Magnetosfärer Solen och solväder. Karin Ågren Rymdfysik och rymdteknik

Världens primärenergiförbrukning & uppskattade energireserver

Två typer av strålning. Vad är strålning. Två typer av strålning. James Clerk Maxwell. Två typer av vågrörelse

Omställning av busstrafiken till eldrift


2-1: Energiproduktion och energidistribution Inledning

Kärnfysik och radioaktivitet. Kapitel 41-42

Vilken av dessa nivåer i väte har lägst energi?

Min bok om hållbar utveckling

Kommentarer till målen inför fysikprovet. Magnetism & elektricitet

Industriellspillvärme

25:th European Photovoltaic Solar Energy Conference

Regeringskansliet Faktapromemoria 2013/14:FPM4. Rådsbeslut om det europeiska företaget för ITER och fusionsenergi. Dokumentbeteckning.

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Partiklars rörelser i elektromagnetiska fält

söndag den 11 maj 2014 Vindkraftverk

Energi & Atom- och kärnfysik

Repetition energi. OBS. repetitionen innehåller inte allt Mer info finns på

Chalmers Tekniska Högskola Tillämpad Fysik Igor Zoric

Skogsindustrins möjligheter med förgasning Roine Morin Chef Koncernstab Miljö och Energi

LHC Vad händer? Christophe Clément. Elementarpartikelfysik Stockholms universitet. Fysikdagarna i Karlstad,

Preems miljöarbete. Alternativa bränslen. Gröna korridorer. Datum

Vattenkraft, vågkraft och tidvattenkraft

Elektricitet, magnetism och energi - 9E - vt17, v5-12

Nord och syd. Magiska magneter. Redan de gamla grekerna. Kinesisk kompass. Magnetfält. Magnetfältets riktning

Transkript:

Matematikens betydelse för att lösa världens energiproblem Tünde Fülöp Chalmers tekniska högskola 2013-11-09

Enerbibehovet är enormt! 2008 2050 Befolkning 6.7 miljarder 10 miljarder Världsgenomsnitt 2.4 kw 3.0 kw Effektförbrukning: 1990 2008 2050 11.7 TW 16.1 TW 30.0 TW 14 TW behövs inom 40 år 14000 GW/40 år = 350 GW/år = 1 GW/dag Goda nyheter: De stora investeringarna kan sätta fart på ekonomin. Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 2/32

Fossila bränslen dominerar idag Världens energiförsörjning&förbrukning domineras av fossila bränslen. Källas: Renewable Energy Policy Network for the 21st Century www.ren21.net Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 3/32

Förändring tar tid Det tar cirka 30 år för en ny teknik att bidra med 1% av energiförsörjningen! Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 4/32

Vad kan vi göra? Det är viktigt att följa flera parallella vägar; kontinuerligt bygga upp kompetens via forskning och utbildning. Vi måste utveckla ett brett spektrum av olika energilösningar olika lösningar lämpar sig för olika situationer och på olika platser vi kan inte snabba upp energiomställningen om vi satsar på ett fåtal tekniker en smart balans mellan olika källor kan lösa de snabba fluktuationerna som förnybara källor lider av Vi behöver också grundforskning! Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 5/32

Energiforskning: alla kan bidra! Energiforskning är interdisciplinärt! Ekonomi Geografi Statsvetenskap Datavetenskap Energiforskning Historia Matematik Fysik Kemi Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 6/32

Energiforskning: alla kan bidra! Energiforskning är interdisciplinärt! Geografi Datavetenskap Matematik Ekonomi Energiforskning Statsvetenskap Kemi Historia Den är naturligt kopplad till fysik och matematik genom det fundamentala energibegreppet och de matematiska metoder som behövs för teoretisk modellering. Fysik Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 6/32

Energiforskning: alla kan bidra! Energiforskning är interdisciplinärt! Geografi Datavetenskap Matematik Ekonomi Energiforskning Statsvetenskap Kemi Historia Den är naturligt kopplad till fysik och matematik genom det fundamentala energibegreppet och de matematiska metoder som behövs för teoretisk modellering. Fysik Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 6/32

Energiforskning: alla kan bidra! Energiforskning är interdisciplinärt! Geografi Datavetenskap Ekonomi Energiforskning Statsvetenskap Historia Till kemi genom förståelse av isotoper, fission, fusion, förbränning av fossila bränslen och produktion av förnyelsebar energi Matematik Kemi Fysik Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 6/32

Energiforskning: alla kan bidra! Energiforskning är interdisciplinärt! Geografi Datavetenskap Ekonomi Energiforskning Statsvetenskap Historia Den relateras till datavetenskap via behovet av simulering, dataanalys, visualisering, kontrollsystem, etc. Matematik Kemi Fysik Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 6/32

Energiforskning: alla kan bidra! Energiforskning är interdisciplinärt! Ekonomi Geografi Statsvetenskap Den kopplas också till geografi genom placeringen av energikällorna Datavetenskap Energiforskning Historia Matematik Fysik Kemi Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 6/32

Energiforskning: alla kan bidra! Energiforskning är interdisciplinärt! Ekonomi Geografi Statsvetenskap till ekonomi genom energiprissättning och utsläppsavgifter Datavetenskap Energiforskning Historia Matematik Fysik Kemi Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 6/32

Energiforskning: alla kan bidra! Energiforskning är interdisciplinärt! Geografi Datavetenskap Ekonomi Energiforskning Statsvetenskap Historia till statsvetenskap på grund av behovet av internationella överenskommelser och energilagstiftning Matematik Kemi Fysik Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 6/32

Energiforskning: alla kan bidra! Energiforskning är interdisciplinärt! Ekonomi Geografi Statsvetenskap och till historia för förståelsen av kopplingen till civilisationers uppgång och fall Datavetenskap Energiforskning Historia Matematik Fysik Kemi Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 6/32

En dag utan fusion är en dag utan solsken! Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 7/32

Vad är fusion? Sammansmältning av lätta atomkärnor Deuterium+tritium är tyngre än helium+neutron Skillnaden i massa frigörs som energi E = mc 2 Potential till att bli en storskalig, säker och miljövänlig energikälla Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 8/32

Bränsle Deuterium från vatten (30 g/ton) i praktiken obegränsat Tritium måste tillverkas n + 6 Li 4 He + T fusionsreaktorns väggar ska täckas med litium tritium produceras därmed på plats Litium finns i jordskorpan och havsvatten D från 3 flaskor vatten och Li från 3 stenar ger tillräckligt el för en familj för ett år Fusion skulle vara dematerialiserad energiproduktion 1.5 ton bränsle per år Sveriges elektricitet Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 9/32

Plasma är hett! Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 10/32

e - / cm 3 ELECTRON DENS I TY Electrons per cubic centimetre 10 25 10 20 10 15 10 10 10 5 10 0 RANGES OF PLASMAS Metals Photosphere Flames Solar corona Magnetosphere Ionosphere Chromosphere Solar wind Laser produced plasmas Interplanetary Centre of Sun Magnetic Fusion 10-5 Interstellar Galactic 10-2 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 ev 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 K TEMPERATURE Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 11/32

Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 12/32

Plasmats inneslutning Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 13/32

To B or not to be Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 14/32

Fusionsreaktorns princip Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 15/32

Magnetfältet behöver skruvas! Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 16/32

Tokamak Tamm & Sakharov 1950 Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 17/32

Stellarator Spitzer (Princeton) 1951 Magnetisk inneslutning åstadkoms med yttre spolar. Ingen plasmaström. Möjlighet för stationärtillstånd. Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 18/32

JET (Joint European Torus) nära Oxford i England startade 1983 storradien: 3 m lillradien: 0.96-2.1 m volym: 80-100 m3 ström: upp till 5 MA magnetfält: upp till 4 T världsrekord i producerat fusionseffekt: 16MW Put /Pin = 0.66 Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 19/32

Tokamakens släktträd Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 20/32

ITER Byggs Frankrike (2020) R = 6.2 m, Volym: 840 m 3 500 MW, P ut /P in = 10 Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 21/32

Strävan efter tändning Tändning: Q = P ut /P in =. Att uppnå tändning och en självuppehållande fusionsprocess behövs: T min 150 miljoner K (nt τ E ) min 5 atm s Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 22/32

Turbulent transport Inneslutningstiden τ E ökar om den radiella transporten minskar. Huvuddelen av transporten orsakas av finskaliga turbulenta fluktuationer - mikroinstabiliteter. För mikroinstabiliteters teoretiska beskrivning behövs icke-lineära, multidimensionella kinetiska modeller och numeriska simuleringar. Densitetsfluktuationer beräknade med turbulenssimuleringspaketet GYRO Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 23/32

Friktionen ee D Friction force ee Runaway ee c 0 0 T e 1/2 m e v c 2 m e c 2 Energy Elektroner accelereras av ett elektriskt fält och bromsas av kollisioner. Över en viss hastighet, minskar friktionen med hastigheten. Elektroner skenar iväg när E > E c Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 24/32

Skenande elektroner i disruptioner plasmat kyls snabbt resistiviteten ökar ett starkt elektriskt fält uppstår det accelererar elektroner strömmen kan omvandlas till en elektronstråle bestående av elektroner med energier runt 10-20 MeV Kolpartiklar lösgörs från väggen när skenande elektroner träffar väggen i Tore Supra tokamaken. Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 25/32

Forskning om skenande elektroner i tokamaker Förutse och undvik Kan vi kontrollera skenande elektroner? Hantera konsekvenserna Vilka är effekterna och hur kan dessa hanteras? Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 26/32

Magnetiska perturbationer Plasmat består av laddade partiklar inneslutna av magnetfält. Förstör magnetfältet (bara litegrann), med externa magnetfältspolar. +I -I -I Påverka inneslutningen (bara litegrann). Snabba elektroner transporteras bort innan det blir avalanche. Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 27/32

Stellarator R = 5.5 m, Volym: 30 m 3 Wendelstein 7-X i Tyskland (2015) Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 28/32

Wendelstein stellaratorer Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 29/32

Fysik vs. ingenjörsvetenskap Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 30/32

Spännande tider Fusionsforskningen är i en ny fas nu när det konstrueras medelstora supraledande tokamaker i Kina, Indien, Korea och Japan ITER i Frankrike Wendelstein 7-X i Tyskland ITER ska förhoppningsvis demonstrera storskalig fusionsenergiproduktion. Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 31/32

Sammanfattning Energibehovet är enormt! Förändring tar tid och parallella vägar är nödvändiga. Fusion har fördelar när det gäller resurser, miljöpåverkan, säkerhet och avfall. Fusionsplasmafysik har kommit långt men stora utmaningar kvarstår. Energiforskning är interdisciplinärt, med matematiken som gemensamt nämnare. Matematik är strategiskt viktigt. Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 32/32

Spare slides Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 33/32

Viktigt genombrott Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 34/32

H-moden i JET gav goda resultat Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 35/32

Inneslutningstid är förutsägbart τe H ɛ0.74 a 2.67 κ 3.29 B 3.48 A 0.61 q 3 n 0.91 T 2.23 Shall I refuse my dinner because I do not fully understand the process of digestion? Oliver Heaviside Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 36/32

Miljöeffekter Fusionsreaktioner producerar inte CO 2 eller andra växthusgaser. Ingen utsläpp av farliga kemikalier. Reaktionsprodukten helium är helt ofarlig. Största problemet: neutronet från DD eller DT reaktionen. Fångas i väggen (kommer inte ut). Men väggmaterialet blir radioaktivt. Radioaktiviteten har kort halveringstid (mindre än 100 år). Avancerade material ger upphov till mindre mängd avfall med kortare halveringstid. Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 37/32

Säkerhet Härdsmälta omöjlig. Mängden bränsle i reaktorn är mycket liten energin som kan frigöras i en eventuell olycka är väldigt liten. Värmeförlusterna ökar monotont med temperaturen och fusionseffekten har ett maximum, vilket innebär att plasmats temperatur kan inte växa över ett visst värde. Väggens radioaktivitet kan hållas vid låga nivåer. Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 38/32

Kostnaden Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 39/32

Hur lång tid tar det? "Fusion will be ready when society needs it." Lev Artsimovich Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 40/32

Fusion är på kartan! European Strategic Energy Technology Plan (European Commission, Dec 2007) Tünde Fülöp ft.nephy.chalmers.se 41/32