Fusie-ond erzoekscentra wereldw ijd

11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
15
Spoelen voor het
toroïdale veld
Magnetische veldlijn
Plasmastroom
Magnetische velden
in een stellarator
Binnenin de JET torus, met aan
de rechterkant het plasma
De eerste tokamak in het Kurchatov
Instituut (Russische Federatie)
Plasma
De Amerikaanse tokamak
DIII-D (General Atomics)
Magnetische velden in een tokamak
Magnetische opsluiting
Het plasma wordt bij elkaar gehouden in een ringvorming vat, een ‘torus’. Een sterk magnetisch veld
zorgt ervoor dat het plasma de wand niet raakt.
Deze methode, die “magnetische opsluiting’ wordt
genoemd, maakt gebruik van het feit dat de geladen deeltjes waaruit het plasma bestaat – positief
geladen atoomkernen en negatief geladen elektronen – de magnetische veldlijnen volgen. De veldlijnen lopen rond in het ringvormige plasmavat. De
plasmadeeltjes draaien rondjes in het vat, letterlijk
tienduizenden kilometers, zonder ooit de wand te
raken.
Er zijn twee belangrijke typen machines die deze
methode gebruiken: tokamaks en stellarators. Andere magnetische configuraties bestaan ook, zoals
de ‘reversed field pinch’ en de sferische tokamak.
Van al deze typen is de tokamak tot nu toe het
meest succesvol gebleken.
Om voldoende fusiereacties te krijgen in een tokamak wordt het plasma met verschillende methoden verhit totdat de temperatuur hoog genoeg
is. Het verhitten gebeurt bijvoorbeeld met microgolfstraling, en met bundels hoog-energetische
neutrale deeltjes. Zodra het fusieproces begint,
worden grote hoeveelheden van de fusieproducten helium en neutronen geproduceerd, die allemaal veel energie dragen.
Een brandend plasma
Eén van de producten van de deuterium-tritium
fusiereactie, de heliumkern, draagt 20% van de
energie die vrijkomt tijdens de fusiereactie. Omdat een heliumkern positief geladen is, wordt hij
opgesloten door het magnetische veld en draagt
door botsingen zijn energie over aan de andere
plasmadeeltjes. Op die manier wordt het deuterium-tritium mengsel verwarmd. Dit proces, dat
alleen plaatsvindt als de fusiereactor groot genoeg
energy_nl.indd 1
Belangrijke mijlpalen voor fusie
is, zorgt ervoor dat de temperatuur die nodig
is voor fusie grotendeels door ‘zelfverhitting’ in
stand wordt gehouden. In dat geval spreken we
van een ‘brandend plasma’.
Behalve een heliumkern produceert elke fusiereactie een neutron dat 80% van de vrijkomende
energie draagt. Neutronen worden niet opgesloten door het magnetische veld en vliegen naar de
wand, waar ze worden opgevangen in een ‘mantel’ rond het plasmavat. In de mantel staan ze hun
energie af aan een koelvloeistof, die de warmte
afvoert. In een toekomstige fusie-elektriciteitscentrale wordt met de warmte stoom gemaakt,
die een stoomturbine aandrijft. De stoomturbine
genereert elektriciteit voor het net. Een andere
mogelijkheid is om met behulp van de hoge temperatuur waterstof te produceren.
Traagheidsopsluiting
Een andere methode om de voor fusie benodigde
temperatuur te bereiken is door gebruik te maken
van traagheidsopsluiting. Bij deze methode wordt
een klein bolletje van een paar mm doorsnede,
gevuld met deuterium-tritium brandstof, in een
flits van alle kanten beschenen met hoog-vermogen lasers. Het buitenste oppervlak van het bolletje wordt daardoor weggeblazen, en dat zorgt
ervoor dat de rest van het bolletje sterk wordt
samengeperst. Daardoor stijgt de temperatuur en
dichtheid zo sterk, dat de voor fusie benodigde
temperatuur wordt bereikt.
De grootste uitdaging voor fusie met traagheidsopsluiting is om de laserflits krachtig en homogeen genoeg te maken, met een hoge herhalingsfrequentie: ongeveer 10 tot 20 bolletjes moeten
per seconde worden verhit en verbrand in een fusiecentrale die van deze methode gebruik maakt.
Het fusie-onderzoek heeft in de laatste decennia wereldwijd
enorme vooruitgang geboekt. In het begin van de 70er jaren
verliepen experiment op tokamaks zeer voorspoedig, wat het
mogelijk maakte de eerste deuterium-tritium experimenten te
plannen. In 1991 werd de eerste deuterium-tritium fusie in een
tokamak tot stand gebracht, waarbij een fusievermogen van 1,7
megawatt werd opgewekt. Deze belangrijke mijlpaal werd bereikt met een tokamak die gebouwd is en gebruikt wordt door
wetenschappers uit heel Europa: de Joint European Torus (JET),
vlak bij Oxford in Groot-Brittannië.
De Joint European Torus
(JET), Culham Science Center,
Groot-Brittannië
JET
(1997)
5
JET
(1991)
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
Tijd (sec.)
Wereldrecord
fusievermogen in JET
e
c
s
n
k
t
e
r
o
a
z
w
r
e
e
d
reldwij
n
o
e
i
s
d
Fu
Fusie is één van de weinige duurzame energie-opties voor de
toekomst van de mensheid op de lange termijn. Fusie biedt
schone en veilige productie van energie, met voor iedereen
overvloedig beschikbare brandstof. In potentie kan fusie een
grote bijdrage leveren aan de wereldwijde energievoorziening.
Zuidpool
320
Jaar
1980
1990
Gas
Olie
Biomassa en Afval
2000
Stijging van het wereldwijde energiegebruik tussen 1971 en 2003
(miljard ton olie-equivalent).
Bron IEA
De ontwikkeling van energiebronnen die
weinig tot geen broeikasgassen uitstoten
moet daartoe een belangrijke bijdrage leveren. Een fusiecentrale maakt geen CO2:
fusie is één van de weinige opties voor een
toekomstige mix van CO2-vrije energiebronnen. Als het fusie-onderzoeksprogramma succesvol is, kan fusie in de tweede helft
van deze eeuw grootschalig gaan bijdragen
aan de wereldwijde energieproductie.
Fusiebrandstof – zo goed als onuitputtelijk
De brandstof voor fusie – deuterium en
tritium – zijn isotopen van waterstof. Elke
kubieke meter (zee)water bevat 33 gram
deuterium, zodat het over de hele wereld
beschikbaar is tegen een lage prijs. Tritium is
radioactief met een halveringstijd van 12.3
jaar, en komt daardoor in de natuur nauwelijks voor: alleen kosmische straling produceert een beetje tritium in de atmosfeer dat
met het regenwater op aarde terecht komt.
Tritium kan echter wel in een fusiecentrale
worden gemaakt uit lithium, een licht metaal
dat veelvuldig voorkomt in de aardkorst.
De hoeveelheid brandstof die nodig is voor
een fusiecentrale is zeer klein. Ongeveer 100
kg deuterium (uit 2800 ton zeewater) en 150
kg tritium (uit 10 ton lithiumerts) is genoeg
om een fusie-elektriciteitscentrale van 1000
MW een heel jaar te laten draaien. Een kolencentrale met het zelfde vermogen heeft
jaarlijks 2,7 miljoen ton kolen nodig.
800
1000
1200
1400
1600
1800
260
2000
Supergeleidende magneet
D+T
Plasma
D
Deuterium
brandstof
Mantel
(met Lithium)
Tritium
Afscherming
Warmtewisselaar
Tritium en
Helium
T+4He
4He
Vacuumvat
Jaar
Helium
Stijging van de CO2-concentratie
tijdens de laatste duizend jaar
Stoomboiler
Elektrisch
vermogen
Turbine en Generator
Weinig brandstof – reactie kan
snel stoppen
Inherente veiligheidsaspecten
Door de uitstoot van broeikasgassen verandert het klimaat. De temperatuur op aarde
stijgt, neerslagpatronen veranderen, en het
zeeniveau gaat omhoog. Het beperken van
klimaatverandering is een zeer urgent probleem. De beperkingen die internationaal
zijn afgesproken in het Kyoto-protocol zijn
slechts een eerste stap: zowel op de lange
als op de korte termijn zijn ingrijpende
maatregelen nodig.
300
Kernsplijting
De moeite die gedaan moet worden om de juiste
plasmacondities te bereiken betekent dat fusie
een inherent en passief veilig proces is: als het
plasma afwijkt van de ideale condities produceert
het fusieproces minder energie of stopt geheel.
Een CO2-vrije energiebron
340
Mauna Loa
Hoewel het hete plasma in een fusiecentrale een
groot volume inneemt – duizend kubieke meter
of meer – is de totale hoeveelheid deuterium en
tritium in het plasma heel klein: ongeveer twee
gram. Een fusiecentrale wordt net als een gasbrander continue met brandstof gevoed uit een
externe brandstofvoorraad. Alleen de brandstof
nodig voor de volgende paar seconden wordt
in het plasmavat gespoten. Dat betekent dat het
fusieproces binnen enkele seconden gestopt kan
worden door de brandstoftoevoer te sluiten, zodat de centrale zeer snel kan worden stilgelegd.
De “Volgende Stap”
Een duurzame energie-optie
D47
280
De Japanse tokamak JT-60U
In 1994 werd bijna 10 MW fusievermogen opgewekt in de tokamak TFTR in de Verenigde Staten. In 1997 had JET opnieuw
succes met de productie van meer dan 10 MW fusievermogen
gedurende een paar seconden, met een maximum van 16 MW.
Samen met de resultaten van andere tokamaks buiten Europa
hebben deze resultaten tot een stevige wetenschappelijke en
technische basis geleid waarvandaan de volgende grote stap in
het fusie-onderzoek gezet kan worden. Deze volgende stap is
ITER, een tokamak die ontworpen is om 500 MW fusievermogen op te wekken, tien maal meer dan het vermogen dat
nodig is voor het instand houden van het plasma. ITER zal een
brandend plasma genereren bij omstandigheden vergelijkbaar
met die in toekomstige fusiecentrales, en moet de technologie
demonstreren die nodig is om van fusie een werkende energiebron te maken.
360
D57
Kolen
Waterkracht
Q≈0.2
0
0
380
Mtoe
10
JG00.57/1c
Spoelen voor het
poloïdale veld
Fusievermogen (megawatt)
Q≈0.64
CO2 concentratie (ppm)
JET
(1997)
Wanneer het plasma in een fusiecentrale niet
brandt, is de enige bron van energie het radioactieve verval van het geactiveerde materiaal van
het plasmavat. Veiligheidsstudies hebben aangetoond dat deze bron van energie klein is, zodat
er zich geen gevaarlijke temperatuurverhogingen
kunnen voordoen, zelfs in het geval dat alle actieve koeling geheel afwezig zou zijn.
JG9
9.27
8/3c
Werking van een fusiecentrale
Tritium: gemaakt en gebruikt in
de centrale
Een belangrijke eigenschap van een fusiecentrale
is dat het deel van de brandstof dat radioactief
is, het tritium, in de machine zelf wordt geproduceerd in een lithium-houdende mantel rond het
plasmavat. De neutronen die vrijkomen bij de fusiereacties reageren met het lithium in de mantel,
waarbij tritium ontstaat. Het tritium wordt vervolgens als brandstof in de centrale gebruikt. Er is
dus geen vervoer van radioactieve stoffen buiten
de centrale nodig, met uitzondering van de ingebruikname van de centrale en aan het eind van de
levensduur.
Geen emissie van radioactieve
stoffen
De primaire grondstoffen voor fusiebrandstof
– deuterium en lithium – zijn beide niet radioactief en kunnen zonder problemen naar de fusiecentrale worden getransporteerd. De ‘as’ van
een fusiecentrale is een kleine hoeveelheid (250
kg per jaar) van het inerte edelgas helium, dat ook
niet radioactief is. Uitgebreide veiligheidsstudies
hebben aangetoond dat een fusiecentrale gebruikt
kan worden zonder gevaar voor emissies van radioactieve stoffen die schadelijk zouden zijn voor
mens en milieu.
De maximale hoeveelheid tritium die vrij zou kunnen komen door een denkbaar ongeluk in de centrale zelf, zou zo klein zijn dat er geen evacuatie
nodig is buiten het terrein van de fusiecentrale
Lage-activatie materialen
De fusiereactie zelf produceert geen radioactieve
stoffen. Maar de neutronen die vrijkomen in de
reactie hebben een zeer hoge energie, en maken
de wandmaterialen van het plasmavat radioactief.
Hoelang die materialen radioactief blijven, hangt
sterk af van het gebruikte materiaal. Dat maakt
het mogelijk om geavanceerde materialen te
ontwerpen waarvan de radioactiviteit op relatief
korte termijn weer daalt, zodat de hoeveelheid
afval kan worden beperkt.
Er wordt veel onderzoek gedaan naar deze zogenaamde ‘lage-activatie’ materialen, zoals bepaalde
soorten staal, vanadium, en chroom-legeringen.
Keramische materialen en vezel-composietmaterialen worden ook onderzocht met het oog
op het gebruik als lage-activatiemateriaal op de
langere termijn. Deel van dit programma is de
geplande International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF), waarin materialen bestemd
voor gebruik in fusiecentrales kunnen worden bestraald met hoog-energetische neutronen. Deze
neutronenbron is nodig om de eigenschappen
van materialen voor toekomstige fusiecentrales
te onderzoeken en testen.
De resultaten van de studies naar lage-activatie
materialen die tot nu toe zijn gedaan, laten zien
dat de radioactiviteit die tijdens het gebruik van
een fusiecentrale ontstaat binnen ongeveer 100
jaar zou moeten dalen tot een niveau waarbij hergebruik mogelijk wordt.
26.06.2007 17:16:50 Uhr
ITER – de volgende stap in het fusie-onderzoek
De ITER-locatie
Fusie-energie
Wereldwijde samenwerking
Fusie ‡ het samensmelten van lichte atomen tot zwaardere ‡ is de energiebron van de zon en de sterren. De zon smelt waterstof samen tot helium,
waarbij ongeveer een half procent van de massa van het waterstof wordt
omgezet in energie volgens de beroemde vergelijking van Einstein: E=mc2.
De energie ontsnapt als licht, dat bijna allemaal in het heelal verdwijnt. Slechts
één miljardste deel van de zonnestraling valt op aarde, waar het de energiebron vormt voor al het leven, de wind, en het stromende water.
ITER – de weg‘ in het latijn – is een grootschalig internationaal
project met als doel om de wetenschappelijke en technologische
haalbaarheid van fusie-energie te demonstreren. ITER is ontworpen
binnen een internationale samenwerking en de huidige partners in
het ITER project zijn de EU, Japan, China, India, de Russische Federatie, Zuid-Korea en de VS. In ITER zullen plasma’s worden gemaakt
en bestudeerd dichtbij de omstandigheden die ook zullen gelden
in toekomstige fusiecentrales. ITER is ontworpen om gedurende
langere tijd 500 megawatt op te wekken, tien maal meer dan wordt
gebruikt voor het in stand houden van het hete fusieplasma.
ITER is er bovendien op gericht om te laten zien dat het mogelijk
is om een fusiereactor continue te bedrijven, en dat de benodigde
technologie op tijd beschikbaar is en werkt.
Fusie-energie op aarde
In de zon en de sterren wordt waterstof door de
zwaartekracht bijeen gehouden. Door de hoge
druk en temperatuur in het centrum fuseren de
waterstofkernen. Op aarde, waar dergelijke omstandigheden niet te reproduceren zijn, zou de
fusie van waterstof heel inefficiënt en langzaam
verlopen.
Prototype van de spoelen voor het
toroïdale veld in de TOSKA testfaciliteit (Karlsruhe, Duitsland)
Op aarde gebruikt men daarom twee isotopen
van waterstof, deuterium en tritium, die gemakkelijker fuseren. In een toekomstige fusiecentrale
worden deuterium en tritium omgezet in helium
en een neutron, waarbij veel energie vrijkomt.
ITER-technologie – reeds getest
Prototypes van componenten voor toekomstige fusiecentrales zullen in ITER worden getest, zoals grote supergeleidende
magneten, modules om tritium te maken, componenten en materialen bestand tegen hoge temperatuur, systemen voor onderhoud-op-afstand en installaties voor tritiumbehandeling.
In de afgelopen tien jaar zijn veel van de belangrijkste technologieën al succesvol ontwikkelt, met name in zeven grote R&D
projecten die tot een solide technische basis hebben geleid om
ITER te kunnen bouwen.
D+T
D
Prototype van de divertor
(een onderdeel van de torus)
ITER – kosten, planning en locatie
Testinstallatie voor de divertor
(Brasimone, Italië)
EFDA Close Support Unit - Garching
Boltzmannstr. 2
D-85748 Garching / Munich - Germany
www.efda.org
energy_nl.indd 2
phone: +49-89-3299-4237
fax: +49-89-3299-4197
e-mail: [email protected]
editors: Federico Casci, Doris Lanzinger
graphic design: Karen Jens
layout: Stefan Kolmsperger
Op aarde heeft fusie de potentie om een
grootschalige bijdrage te leveren aan een
toekomstige duurzame energievoorziening.
Wetenschappers en ingenieurs over de hele
wereld doen onderzoek naar fusie met het
doel een fusie-elektriciteitscentrale te maken. Met de start van het ITER project ‡ dat
moet demonstreren dat energie uit fusie
vanuit technisch en wetenschappelijk oogpunt haalbaar is ‡ zet de internationale fusiegemeenschap een belangrijke stap in die
richting.
De constructie van ITER kost ongeveer 4,6 miljard Euro,
verdeeld over de internationale partners. De constructie van ITER zal ongeveer 10 jaar duren. De bijdragen
van de partners zullen grotendeels bestaan uit onderdelen voor de reactor, zogenaamde ‘in kind’ bijdragen.
Om ITER 20 jaar in bedrijf te houden kost ongeveer het
zelfde bedrag. ITER zal worden gebouwd in het ZuidFranse Cadarache.
© J. Pamela (EFDA Leader) 2007.
This brochure or parts of it may not be reproduced without permission. Text, pictures and
layout, courtesy of the EFDA Parties; picture page 1: courtesy of Kurchatow Institut;
page 2: General Atomics; page 3: JAERI; page 4: IEA and IPCC 2001(WGI,SPm).
The EFDA Parties are the European Commission and the Associates of the European
Fusion Programme which is co-ordinated and managed by the Commission.
Neither the Commission, the Associates nor anyone acting on their behalf is responsible
for any damage resulting from the use of information contained in this publication.
Op weg naar een fusiecentrale
Tegelijkertijd met het ITER project
zal er een begeleidend natuurkundig
en technisch onderzoeksprogramma
worden uitgevoerd, als voorbereiding
op de volgende stap, DEMO.
Het doel van DEMO is om grootschalige elektriciteitsproductie te
demonstreren en aan te tonen dat
een fusiecentrale zichzelf van tritium
kan voorzien. DEMO moet ongeveer
30-35 jaar na het begin van de bouw
van ITER startklaar zijn, en zal de weg
openen naar de eerste commerciële
fusiecentrales.
4He
+ n + Energie
He
Energie
T
n
De fusiereactie
Honderd miljoen graden
Atoomkernen stoten elkaar af omdat ze positief geladen zijn. Om dicht genoeg bij
elkaar te komen om te fuseren, moeten de kernen een voldoend hoge snelheid
hebben, wat betekent dat de temperatuur heel hoog moet zijn. Een deuteriumtritium mengsel begint te fuseren bij een temperatuur van zo’n 100-150 miljoen
graden Celsius. Bij zulke temperaturen vormt een gas een plasma, een mengsel van
positief geladen atoomkernen en negatief geladen losse elektronen.
Het is belangrijk dat dit hete plasma de wand van het plasmavat niet raakt, omdat
anders het plasma afkoelt, zodat het fusieproces stopt. Bovendien kan het hete
plasma de wand beschadigen.
A special thank to those who voluntarily provided the translation of this brochure into
the other languages.
26.06.2007 17:16:57 Uhr