Beslutningen om at bygge verdens største ... - Viden (JP)

More documents

Recommendations

Info

← Foto fra TEXTOR med Søren Korsholm fra Risø, som er ved at inspicere Risøs CTS-system. Systemet er installeret i det fi rkantede hul til højre i billedet og man kan se to mikrobølgespejle. Det nederste sender mikrobølgerne ind i plasmaet og det øverste, som man kun lige kan ane en del af øverst i hullet, modtager mikrobølgerne når de kommer tilbage. den en størrelse og effekt som et mindre el-producerende kraftværk. ITER skal dog ikke lave elektricitet, men er en forsøgsreaktor, og det eksperimentelle skridt mellem de nutidige studier af plasmafysik og fremtidens elektricitetsproducerende fusionskraftværker. I 20 år skal ITER huse verdens mest avancerede eksperimenter med fusionsenergi. De første 10 år vil især blive brugt til at studere fysikken i varme plasmaer, hvori der frigøres fusionsenergi. Disse undersøgelser er nødvendige for at planlægge næste generation af fusionseksperimenter. Den sidste halvdel af eksperimentfasen vil især dreje sig om teknologiske problemer, først og fremmes med henblik på at fi nde egnede materialer til selve reaktorkammeret. Styr på plasmaet Brændstoffet i fusionsenergi er en blanding af brintisotoperne deuterium og tritium, som vil fusionere ved en temperatur på omkring 100 millioner grader. Ved så høje temperaturer bliver atomernes protoner og elektroner skilt ad, og brintblandingen befi nder sig dermed i plasmatilstanden – dvs. en elektrisk ladet blanding af frie protoner og elektroner. Udover energi produceres også heliumioner (alfapartikler) og neutroner. For at det ekstremt varme plasma ikke kommer i kontakt med reaktorvæggen, holdes det svævende Deuterium ved hjælp af et specialdesignet magnetfelt i et kammer formet som en oppustet bilslange, kaldet en torus (se boks). ITERs plasma vil få en anselig størrelse. Torussens radius bliver på 6,2 m, og selve kammeret vil blive 4 meter bredt og 6 meter højt og plasmaets volumen 840 m 3 . A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 4 | 2 0 0 5 T E K N O L O G I 100 millioner grader varmt plasma Tritium Ved 100 millioner grader går de energiproducerende fusionsprocesser i gang, og danner ud fra deuterium og tritium både energi, heliumpartikler og neutroner: D + T → He + n + 17,6 MeV (1 MeV = 1,6 10 -13 Joule) Hvis varmetabene fra plasmaet kan holdes tilstrækkelige lave, kan den høje temperatur opretholdes ved, at de positivt ladede heliumkerner, der dannes ved reaktionerne, afgiver deres energi til plasmaet, når de støder mod brintpartiklerne. Ud over helium dannes også neutroner ved fusionsprocessen, men da neutroner ikke er elektrisk ladede, bevæger de sig ud af plasmaet og afgiver hovedsagelig deres energi i afskærmningen omkring brændslet. Her absorberes energien i et kølekredsløb, der ligger rundt om reaktorbeholderen, hvorfra energien kan udnyttes til at producere elektricitet. Hvis fusionsbrændstoffet selv producerer energi nok til at opretholde den høje temperatur, siger man, at brændstoffet er antændt. Det svarer til, at et stearinlys bliver ved med at brænde og producere energi, når det først er tændt. En af fusionsforskningens opgaver er derfor at fi nde metoder til at forhindre varmetab, så man kan opnå antænding af fusionsbrændstoffet. Om antænding opnås afhænger både af blandingens tæthed, altså antallet af atomkerner pr. m 3 , og af den tid, man kan holde på energien. Altså jo større varmetab, jo tættere skal blandingen være for at være selvvarmende. ITER er ikke bygget til at opfylde det krav. Den er designet til, at kunne producere 10 gange så meget fusionsenergi som man bruger til opvarmning. Fotografi af et plasma i den engelske sfæriske tokamak MAST. Strømmen i plasmaet på billedet er godt 1 MA og elektrontemperaturen er ca. 10 mio. grader. Fusion En D-kerne skydes mod en T-kerne, de smelter sammen, straks efter dannes He-kernen og neutronen, begge med stor bevægelsesenergi; He-kernen får 3,5 MeV, og neutronen 14,1 MeV. Foto: Risø Nu er plasma ikke bare en rolig masse, men en masse præget af bevægelse og turbulens. Bevægelserne i et plasma kan sammenlignes med de hvirvler og strømme, man ofte kan se på satellitbillederne i vejrudsigten. Det er bl.a. disse bevægelser, som gør det til en stor udfordring at indkapsle plasmaet i et magnetfelt. Fusionsforskerne på Risø er førende inden for væsentlige områder af plasmaforskningen. Risø har i samarbejde med forskere fra andre EU-lande opbygget turbulensmodeller, der har vist sig at være meget realistiske ved sammenligning med plasmaeksperimenter.Turbulensmodeller kan bruges til at beregne plasmaets transport på tværs af magnetfeltlinierne og til at give en bedre forståelse af, hvordan plasmaet bedst holdes indesluttet. Neutron Helium Konkurrence om målesystemer Et andet vigtigt område er målinger af de fysiske forhold inden i det varme plasma. Risø har i samarbejde med forskere på MIT (Massachusetts Institute of Technology) udviklet et målesystem kaldet CTS (Collective Thomson Scattering), som med mikrobølger kan måle energifordelingen af hurtige ioner i plasmaet. De hurtige ioner i ITER-plasmaet vil især være de heliumioner, som dannes under fusionsprocessen. Heliumionernes energi er ca. 500 gange højere end brintionerne i plasmaet. Da partiklernes energi ligger i deres bevægelse, er deres hastighed meget høj, når de dannes, og det har stor betydning for strømme og turbulens i plasmaet. ITER-organisationen har vist 5
6 A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 4 | 2 0 0 5 T E K N O L O G I Ekstreme temperatur forskelle Ideen til den type fusionsreaktor, der kaldes tokamak, er oprindelig russisk og blev udviklet i 1960’erne. Ordet tokamak er sammensat af forstavelserne af de russiske ord for torus, kammer og magnetisk. Plasmaet er torusformet – det vil sige, at det har form som en oppustet bilslange. De elektrisk ladede partikler i plasmaet påvirkes og styres af et magnetisk felt, idet partiklerne tvinges til at bevæge sig i skruelinjer omkring de magnetiske feltlinjer. Plasmaet er indesluttet af to magnetfelter (kaldet hhv. det toroidale og det poloidale magnetfelt), som faktisk går vinkelret på hinanden og tilsammen skaber magnetfeltlinjer, som snor sig rundt i hele torusformen. Derved kommer plasmaet i en ligevægtstilstand og undgår at komme i berøring med det omgivende interesse for CTS-systemet, og det vil være en stor udfordring for Risø-gruppen at fremstille et system og senere være med til målingerne. Derfor har forskere fra Risø fl ere gange været i Tyskland hos ITER’s designgruppe i Garching for at diskutere, hvordan Risøs diagnostiske system vil kunne integreres. Om det i sidste ende bliver det danske system, som bliver indbygget, afhænger både af økonomi, konkurrence og politik, for også Japan har forsøgt at udvikle et tilsvarende målesystem. materiale. I ITER vil hver af de 18 superledende spoler, der skaber det toroidale magnetfelt, komme til at veje 290 tons, og have en størrelse på 14 m i højden og 9 meter i diameter. De vil bestå af 820 m superledende kabel lavet af 1100 wirer på 0,7 mm i diameter, snoet sammen i et fi re cm rør. Alle superledere i ITER er lavtemperatur-superledere, der kræver nedkøling til minus 269 grader med fl ydende helium. At man ikke bruger højtemperatursuperleder, skyldes, at teknologien endnu ikke er tilstrækkelig udviklet. Alle spoler køles ned ved, at der løber fl ydende helium inde i de superledende kabler. På en afstand af kun 2-3 m er der således et temperaturspring fra tæt på det absolutte nulpunkt til over 100 millioner grader. Udvikling af reaktormaterialer Selve reaktorkammeret og dets indvendige komponenter har en række funktioner. Det skal for det første absorbere neutronerne fra plasmaet, således at magneter og andet omgivende materiale ikke tager skade, og så personale kan arbejde ved maskinen kort tid efter den har kørt. Derudover skal det bl.a. sørge for vakuum, så plasmaet har optimale betingelser, samt lede helium og urenheder i plasmaet væk. Risø bidrager til forskningen i egnede materialer til reaktorkammerets inderste væg, som kaldes The blanket. Denne forskning fokuserer på betydningen af neutronstråling for de fysiske og mekaniske egenskaber for materialerne, der skal anvendes. Reaktorkammerets inderste væg skal nemlig modstå både ekstrem varme og neutronstråling, og består af 440 kakler, så det er muligt at udskifte den helt eller delvis. Hver kakkel består af 30 cm tykt stål, der hele tiden køles med vand. Ind mod plasmaet er der yderligere et lag kobber og til sidst et lag beryllium. Kobber har den fornødne varmeledningsevne til at fordele varmen, men påvirker plasmaet for meget, når det fordamper. Derfor er der udenpå lagt et lag beryllium, som er et meget varmetolerant metal, og ikke forstyrrer plasmaet væsentligt, når det fordamper. Fusionskraftværker om 30 år? Når ITER står færdig om ca. 10 år, vil det være den største og mest avancerede eksperimentelle fusionsreaktor i verden. Lykkes det at udvikle fusionsenergien til kommercielt brug vil verden have en energiteknologi, som kan imødekomme verdens stadigt stigende energiforbrug i mange tusind år – vel at mærke uden at forurene atmosfæren med drivhusgasser og sodpartikler. Brændstoffet deuterium kan udvindes af almindeligt havvand og tritium kan produceres på stedet ud fra det rigeligt forekommende grundstof litium. Der er ingen fare for nedsmeltningsulykker, da en fusionsreaktor kun indeholder brændstof til få sekunders forbrug, så hvis noget går galt, går processen blot i stå. Mængden af radioaktivt affald er begrænset og stammer primært fra udtjente anlæg, og strålingsniveauet er meget lavere end affald fra en atomreaktor. Tidshorisonten for fusionsenergi er dog stadig lang. Går det som forskerne håber, vil det første demonstrationskraftværk være klar om 30 år. ■ Om forfatterne: Eva Max Andersen er kommunikationsmedarbejder Forskningscenter Risø Tlf.: 4677 4023 eva.max@risoe.dk Poul Kerff Michelsen er seniorforsker Afdeling for Optik og Plasmaforskning Forskningscenter Risø Tlf.: 4677 4540 poul.michelsen@risoe.dk Yderligere information: Risø fusionsforskning: www.risoe.dk/fusion Euratom: http://europa.eu.int/ comm/research/energy/fu/ article_1122_en.htm ITER: www.iter.org JET: www.jet.efda.org Aktuel Naturvidenskab nr. 1-2002: Fusionsenergi – fremtidens energikilde.
Page 1: 4 A k t u e l N a t u r v i d e n s

Beslutningen om at bygge verdens største ... - Viden (JP)

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?