Fusion energy:a future base load renewable energy source

Kernfusie,
een zon op aarde
Mark-Tiele Westra
FOM-Instituut
voor
Plasmafysica
‘Rijnhuizen’
19 april 2004
Inhoud
1.
2.
3.
4.
De toekomst van de energievoorziening
Kernenergie
Onderzoek naar kernfusie
Fusie als energiebron
Het wereldwijde energiegebruik
neemt snel toe
• Bevolkingsgroei
• Snelle ontwikkeling,
bijv. India, China
Wereld-energiegebruik
IIASA B-scenario
Energieconsumptie (EJ)
1600
1400
“Zuid”
“Noord”
1200
1000
800
China, India, …
600
400
200
0
Jaar
Renewable 0.57%
Traditional 6.4%
Hydro 6.6%
Nuclear 6.0%
Wind 0.04%
Coal 21.8%
Solar 0.009%
Geothermal 0.12%
Gas 21.1%
Oil 37.5%
Biomass 0.4%
Wereldwijde energieproductie door
verschillende bronnen in het jaar 2000
Problemen met huidige
energievoorziening
1. Aankomend tekort fossiele brandstoffen
2. Energie-afhankelijkheid
3. Klimaatverandering door broeikaseffect
Energievooraden
1. Olie: nog 40 jaar, top productie over 5-10 jaar
2. Gas: nog 60 jaar, top productie over 15-20 jaar
3. Kolen: nog honderden jaren, maar vies en
gevaarlijk
Waar is de olie?
Billion
Barrels
(source BP statistical review 2002)
Klimaatverandering
Snelle toename CO2 concentratie …
Klimaatverandering
En toename temperatuur …
Groei CO2-uitstoot
De uitstoot moet snel naar beneden
De uitstoot moet snel naar beneden:
we moeten de rode lijn volgen
We moeten naar CO2-vrije energie!
zon
kernsplijting
wind
CO2-opslag
aardwarmte
kernfusie
water
biomassa
Renewable 0.57%
Traditional 6.4%
Hydro 6.6%
Nuclear 6.0%
Wind 0.04%
Coal 21.8%
Solar 0.009%
Geothermal 0.12%
Gas 21.1%
Oil 37.5%
Biomass 0.4%
80% van de nederlandse groene
energie is huisvuilverbranding
1.
2.
3.
4.
De toekomst van de energievoorziening
Kernenergie
De zon op aarde
Fusie als energiebron
E=m
Energie
2
c
Lichtsnelheid
Massa
Een rozijn van 1 gram bevat
0.001 x 300.000.0002 = 9·1013 Joule,
oftewel evenveel als 4 duizend ton kolen!
Hoe maak je die energie vrij?
• Kernsplijting
• Kernfusie
Kernsplijting
Kernfusie
Kerncentrales: kernsplijting
Voordelen
• Geen CO2
• Op grote schaal mogelijk
• Nieuwe ontwerpen inherent veilig
Nadelen
• Kapitaal-intensief en grootschalig
• Langlevend radioactief afval
• Kettingreactie: gevaar voor ongelukken
• Verspreiding kernwapen-materialen
Gevaarlijk om mee te werken?
• Radioactieve straling is niet gevaarlijk als je
er goed mee omgaat
• Kernenergie is voor werknemers de veiligste
energiebron om mee te werken.
Typen straling
• Alpha: een groot, langzaam bewegend deeltje
afkomstig van een radioactief element. Het is de
kern van een helium-atoom.
• Beta: een klein, snel deeltje, afkomstig van een
radioactief element. Het is een elektron.
• Gamma: gammastraling is elektromagnetische
straling zoals zichtbaar licht, maar met veel meer
energie
Stralingsbescherming
Stralingsbescherming
• Afscherming
alpha – papier, kleding
beta – lab jas, handschoenen
gamma- lood, dik beton
• Zo kort mogelijke blootstelling
• Houd afstand van bron
1.
2.
3.
4.
De toekomst van de energievoorziening
Kernenergie
De zon op aarde
Fusie als energiebron
Fusie is de energiebron
van de zon en de sterren
De zon zet elke seconde 600 miljoen
ton waterstof om in helium
Ontwerp je eigen
fusie
reactor
brandstof
temperatuur
druk
warmteverlies
Brandstof
+
waterstof
+
deuterium
+
tritium
De fusiereactie
deuterium tritium
helium
neutron
… en heel veel energie!
Temperatuur
De zon: 15 miljoen graden
Op aarde: 150 miljoen graden!
Druk
10 bar
Tussen fietsband (6 bar) en espresso-apparaat (14 bar)
Hoe houd je iets warm?
isolatie
grootte
(grote dingen koelen minder snel af)
Plasma
Voorbeelden: de zon, bliksem, TL-buis, neon-buis
Hoe maak je iets 150 miljoen graden?
In een oven!
oven
waterstof
gas
verhitting
oven
waterstof
plasma
verhitting
oven
heet
waterstof
plasma
verhitting
hard aan
probleem: wandcontact!
heet
waterstof
plasma
verhitting
hard aan
Voorkom wandcontact met
magnetisch veld
heet
hydrogen
plasma
verhitting
hard aan
Voorkom wandcontact met
magnetisch veld
heet
hydrogen
plasma
Plasmadeeltjes volgen
het magnetisch veld
verhitting
hard aan
heet
waterstof
plasma
verhitting
hard aan
Voorbeeld van plasma dat
magneetveldlijnen volgt
probleem: uiteinden
heet
waterstof
plasma
verhitting
hard aan
vermijdt uiteinden : torus !
dit werkt fantastisch!
De Tokamak
Dit is de Joint
European Torus,
JET, in Engeland.
Jet is het grootste
kernfusieexperiment ter
wereld.
JET van binnen
Vooruitgang in getallen
Fusie-vermogen [Watt]
1010
108
Kolencentrale
JET
106
ITER
16 MegaWatt
104
102
100
D-T
10-2
10-4
10-6
1970
Hier
1975
D-D
Voorspelden
we dit
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
Vooruitgang in getallen
Door politieke vertraging komt ITER pas in 2015
Fusie-vermogen [Watt]
1010
108
Kolencentrale
ITER
JET
106
16 MegaWatt
104
102
100
D-T
10-2
10-4
10-6
1970
Hier
1975
D-D
Voorspelden
we dit
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
De geschiedenis van fusie,
van 1960 tot 2015
1960
1970
1980
1990
JET
2010
ITER
ITER
vergeleken
met een
kolen
centrale
1.
2.
3.
4.
De toekomst van de energievoorziening
Kernenergie
De zon op aarde
Fusie als energiebron
Fusie als energiebron
• Elektriciteitsproductie: 1000 – 3000 MW
•
•
•
•
Jaarlijks brandstofverbruik 1000 MW: 100 kg D, 300 kg Li
Brandstofkosten: verwaarloosbaar
Investeringskosten: hoog
Kosten van elektriciteit: 0.05–0.10 Euro per kWh,
vergelijkbaar met andere duuzame, schone bronnen in 2070
Voordelen
• Geen CO2, dus geen bijdrage broeikaseffect
• Geen andere chemische afvalstoffen
• Veilig
• Brandstof ruim voorradig en voor iedereen beschikbaar
Nadelen
• Kapitaal-intensief en grootschalig
• Tritium is radioactief
• Produceerd radioactief afval, maar laagradioactief en relatief kortlevend
Afval
• Tijdens bedrijf wordt geen afval geproduceerd,
slechts helium
• Tijdens het bedrijf is er geen vervoer van
radioactieve materialen nodig
• De wand van het plasmavat wordt tijdens het bedrijf
radioactief en moet na ontmanteling 50-100 jaar
worden opgeslagen. Daarna is het niveau
vergelijkbaar met dat van kolenas, en kan het
materiaal hergebruikt worden, of opgeslagen als
laag-actief afval.
Afval
Kernsplijting
Kernfusie
Kolenas
Veiligheid
• Geen kettingreactie
• De brandstoffen deuterium en lithium zijn stabiel
en onschadelijk
• Brandstof voor slechts een minuut aanwezig
• Als er iets mis gaat, dooft de reactie
• Tritium is radioactief en giftig
Brandstofgebruik
Brandstofgebruik 1000 MW centrale per jaar:
Brandstof
Hoeveelheid
Kolen
2.700.000 ton
Olie
1.900.000 ton
Fusie
100 kg D+ 150 kg T
25 gram fusie-brandstof is genoeg voor de levenslange
elektriciteitsbehoefte van een westers persoon
Brandstof
•
•
•
•
Deuterium: uit zeewater (33 gram in 1 m3)
Winnen via elektrolyse of chemische techniek
Genoeg deuterium voor 40 miljard jaar energie
Deuterium uit 1 liter zeewater levert evenveel
energie als 340 liter benzine
• Lithium genoeg voor duizenden jaren
• Winnen uit erts, overvloedig beschikbaar
• Er is ongeveer evenveel lithium op aarde als koper
Wanneer is het zover?
Duizend
100 jaar
commercieële reactoren
50 jaar
35 jaar
15 jaar
nu
DEMO (demonstratiereactor)
ITER
JET
Commercieële reactor
(10-voudige energiemultiplicatie)
(wetenschappelijk experiment,
geen energieproductie
the end
www.fusie-energie.nl