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

4
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
På vej mod
fusionsenergi
Beslutningen om at bygge verdens største fusionseksperiment ITER vil sætte kraftig skub
i fusionsforskningen. Danske forskere er med i den spændende udvikling.
Af Eva Max Andersen og Poul Kerff Michelsen
■ I juni i år lykkedes det forskere
og politikere at blive enige
om, hvor den næste eksperimentelle
fusionsreaktor, ITER, skal
bygges. Efter næsten to års politisk
tovtrækkeri er det besluttet,
at ITER skal bygges i Cadarache,
tæt på Aix-en Provence i
Frankrig. Med i projektet er for-
skergrupper fra Europa, USA,
Rusland, Japan, Kina og Korea.
Danmark bidrager til fusionsforskningen
gennem det europæiske
forskningssamarbejde
under Euratom. Forskningen
foregår primært på Forskningscenter
Risø, men i tæt samarbejde
med andre forskergrupper
i Europa og USA og fokuserer
på to hovedområder, plasmafysik
og materialeteknologi.
ITER – en forsøgsreaktor
ITER, som betyder “vejen” på
latin, vil stå færdigbygget om
ca. ti år. På ITER skal forskerne
bevise, at det kan lade sig gøre
at producere fusionsenergi i stor
skala. Reaktoren er en såkaldt
tokamak (se boks) ca. fem gange
større end den største tokamak
i dag, JET, som ligger ved
Oxford.
ITER er designet til at producere
500 MW i 1000 sekunder
lange pulser, og dermed har
Foto: Risø

← 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.