FUSIE, een energieoptie voor de toekomst

FUSIE,

Algemene infor matie

een ener gieoptie voor de toekomst v an Eur opa

EURATOM

Geïnteresseerd in Europees onderzoek? RTD Info is ons driemaandelijks magazine dat u op de hoogte houdt van de voornaamste ontwikkelingen (resultaten, programma’s, gebeurtenissen,...). Het is beschikbaar in het Engels, Frans en Duits. Een gratis voorbeeldexemplaar of een gratis abonnement kunt u aanvragen door contact op te nemen met: Europese Commissie Directoraat-Generaal voor Onderzoek Afdeling Informatie en Communicatie B-1049 Brussel Fax (32-2) 29-58220 E-mail: [email protected] Internet: http://europa.eu.int/comm/research/rtdinfo/index_en.html

EUROPEAN COMMISSION Directorate-General for Research Directorate J - Energy Unit J6 Fusion Association Agreements Contact: Hugues Desmedt European Commission Office CDMA 04/74 B-1049 Brussels Tel. (32-2) 29-98987 Fax (32-2) 29-64252 E-mail: [email protected]

EUROPESE COMMISSIE

FUSIE een ener gieoptie voor de toekomst v an Eur opa

2006

Directoraat-Generaal Onderzoek Fusie-energie onderzoek

Europe Direct helpt u antwoord te vinden op uw vragen over de Europese Unie Een nieuw gratis nummer:

00 800 6 7 8 9 10 11

Noch de Europese Commissie, noch enige persoon die optreedt voor de Commissie is verantwoordelijk voor het gebruik dat gemaakt kan worden van deze informatie. De opinies uitgedrukt in dit artikel zijn uitsluitend voor rekening van de auteur en stemmen niet noodzakelijk overeen met die van de Europese Commissie Meer gegevens over de Europese Unie vindt u op Internet via de Europaserver (http://europa.eu.int).

Bibliografische gegevens bevinden zich aan het einde van deze publicatie.

Luxemburg: Bureau voor officiële publicaties der Europese Gemeenschappen, 2006

ISBN 92-894-7717-2

© European Communities, 2006 Reproduction is authorised provided the source is acknowledged. Printed in Belgium PRINTED ON WHITE CHLORINE-FREE PAPER

6

Inhoud

INLEIDING De behoefte aan betrouwbare en duurzame energie De energiebron van de sterren Fusie als energiebron Veiligheid Milieu-aspecten De voortgang van het fusie-onderzoek

9 10 11 12 13 14

HET EUROPESE FUSIEPROGRAMMA ITER en de Europese strategie voor fusie Het Europese onderzoeksgebied voor Fusie

16 18

HOE WERKT FUSIE? Fusie met magnetische opsluiting De voornaamste onderdelen van een tokamak Plasmaverhitting Meten en modelleren van plasma-eigenschappen ITER, de weg naar fusie-energie Lange-termijn technologie

20 22 24 25 26 28

Educatieve activiteiten in Europa EIROforum Opleidingen en trainingen in Europa Spin-off van fusie-onderzoek naar andere high-tech gebieden

30 32 33 34

Referenties Over “The Starmakers” DVD

35 38 39

7

8

De behoefte aan veilige en duurzame energie De economie van de Europese Unie (EU) is afhankelijk van een betrouwbare en voldoende energietoevoer. Momenteel wordt aan die behoefte voornamelijk voldaan door gebruik te maken van fossiele brandstoffen (olie, kolen en aardgas), die meer dan 80% van de energie leveren. Twee-derde van de fossiele brandstoffen die we verbruiken importeren we. Van alle energie die de EU gebruikt wordt ongeveer de helft ingevoerd, en de voorspellingen zijn dat dit rond het jaar 2030 tot 70% gestegen zal zijn. Vooral de olie die we gebruiken wordt vrijwel geheel geïmporteerd. Betrouwbare en duurzame energiebronnen zijn nodig om onze levensstandaard te kunnen behouden. Europese onderzoekers ontwikkelen verschillende milieuvriendelijke, veilige en duurzame energiebronnen. Kernfusie, de energiebron van de zon en de sterren, is daar één van. Op de lange termijn zal fusie één van de opties worden voor grootschalige opwekking van veilige en milieuvriendelijke energie, met ruim beschikbare en goed over de aarde verdeelde brandstofvooraden. Fusiecentrales zullen vooral geschikt zijn om de grootschalige energievoorziening te verzorgen die nodig is in dichtbevolkte gebieden en industriezones. Bovendien kunnen fusiecentrales waterstof produceren voor gebruik in een waterstofeconomie. Dit boekje beschrijft het onderzoek dat wordt verricht door Europese onderzoekers, met het doel om fusie-energie te ontwikkelen als energieoptie voor de mensheid.

9

De energiebron van de sterren Fusie is het proces dat de zon en de sterren van energie voorziet. Als aan de juiste voorwaarden voldaan is, zoals een extreem hoge temperatuur, kunnen lichte atomen samensmelten tot zwaardere. In het centrum van de zon is de druk zo hoog dat dit proces plaatsvindt bij een temperatuur van ongeveer 10 miljoen graden Celsius. Gas dat verhit wordt tot zulke hoge temperaturen vormt een ‘plasma’: een toestand waarbij de elektronen en atoomkernen helemaal van elkaar gescheiden zijn, en een gas van geladen deeltjes vormen. Een plasma heeft zeer bijzondere eigenschappen, die worden onderzocht in het vakgebied van de plasmafysica. Hoewel plasma’s op aarde redelijk exotisch zijn, is in feite meer dan 99% van alle materie in het heelal in de plasmatoestand. Op aarde kunnen we de hoge druk in het centrum van de zon niet evenaren, de druk in fusie-experimenten op aarde is 10 miljard maal lager. Daarom hebben we een hogere temperatuur van 100 miljoen graden nodig om toch voldoende fusiereacties te krijgen. Om deze hoge temperaturen te bereiken moet het plasma krachtig worden verhit, en bovendien moet het warmteverlies naar de wand worden beperkt door het plasma weg te houden van de rand van het reactorvat. Dat gebeurt door het plasma in een binnenband-vormige vat (ook wel torus geheten) op te slaan, waarin het plasma op zijn plaats wordt gehouden door sterke magneetvelden. Zo’n machine heet een tokamak. Deze zogeheten magnetische opsluiting is de meest vergevorderde techniek om fusie tot stand te brengen. Het is de basis van het Europese fusie-onderzoeksprogramma.

10

Fusie als ener gie br on

De fusiereactie

D+T

4

He+n+17,6 MeV

De eerste generatie fusiecentrales zal gebruik maken van de fusiereactie tussen twee isotopen van waterstof: deuterium en tritium (D en T). Dit is de fusiereactie die het gemakkelijkst verloopt. Deuterium komt voor in (zee)water: elke kubieke meter water bevat 33 gram deuterium. Tritium is radioactief met een halfwaardetijd van 12.3 jaar, en komt dus nauwelijks op aarde voor. Het kan worden gemaakt uit lithium (een licht en overvloedig beschikbaar metaal) in een fusiereactor. De fusiereactie tussen D en T produceert een helium-kern en een los neutron, en veel energie.

Supergeleidende magneet D+T Plasma

Deuteriumbrandstof

Mantel (bevat lithium)

Tritium

Afscherming

Warmtewisselaar

4

T+ He

Tritium en helium

Vacuümvat Helium

Elektrisch vermogen Stoomboiler

Omdat de neutronen niet door het magneetveld worden tegengehouden ontsnappen ze uit het plasma, en worden opgevangen in de mantel om het plasma. In de mantel wordt lithium omgezet in tritium, dat daarna als brandstof gebruikt kan worden. De energie van de neutronen wordt opgevangen en uiteindelijk omgezet in stoom, waarmee elektriciteit kan worden opgewekt met een stoomturbine. Om een stad met een bevolking van ongeveer een miljoen mensen gedurende een jaar van elektriciteit te voorzien heeft een fusiecentrale slechts een klein bestelwagentje (met enkele honderden kilo’s) brandstof nodig.

Turbine en generator

Schema van een toekomstige fusiereactor

11

Veiligheid

Net als een gasbrander, verbrandt de fusiereactor de brandstof die in het reactievat wordt geïnjecteerd. Op elk moment is er maar heel weinig brandstof in het vat: slechts een paar gram deuterium-tritium mengsel in een volume van 1000 m3. Als de brandstoftoevoer onderbroken wordt, stopt de fusiereactie al na een paar seconden. Elk mankement aan de machine leidt ertoe dat het plasma afkoelt, en het fusieproces stopt. Een fusiecentrale is dus inherent veilig.

ing

u

er k erw mv

i Trit

De basisbrandstoffen van fusie, deuterium en lithium, en het restproduct helium, zijn allemaal niet-radioactieve stoffen. De in de reactor aangemaakte tussenbrandstof tritium vervalt redelijk snel (het heeft een halfwaardetijd van 12.3 jaar), en het verval produceert een elektron met een zeer lage energie (bètastraling). In lucht verplaats zo’n elektron zich slechts enkele millimeters, en het komt zelfs niet door een vel papier heen. Maar als tritium in het lichaam zou komen is het wel een schadelijke stof, zodat er voldoende veiligheidssystemen voor het omgaan met het tritium in het ontwerp van een fusiecentrale aanwezig moeten zijn.

Omdat het tritium dat nodig is voor het fusieproces aangemaakt wordt in de mantel van de reactor, is er geen transport nodig van radioactieve brandstof naar de fusie-elektriciteitscentrale.

12

Fusie en het milieu

De energie opgewekt door toekomstige fusiecentrales zal op dezelfde manier worden gebruikt als andere energiebronnen: om elektriciteit te genereren, of warmte voor industrieel gebruik. Ook kan men met een fusiecentrale waterstof maken. Het brandstofverbruik van een fusiereactor is zeer laag. Een elektriciteitscentrale die continu 1000 MW opwekt en per jaar 7 miljard kWh produceert, heeft per jaar 100 kg deuterium en 3 ton lithium nodig. Om de zelfde hoeveelheid elektriciteit op te wekken, heeft een kolencentrale minstens 1.5 miljoen ton brandstof nodig, ongeveer 500.000 maal zo veel! Fusiereactoren produceren geen broeikasgassen of andere vervuilende stoffen die het milieu schaden of klimaatverandering veroorzaken.

De neutronen die bij de fusiereactie ontstaan maken het materiaal waaruit het plasmavat bestaat radioactief. Als het materiaal van deze componenten zorgvuldig wordt uitgekozen, kan de radioactiviteit al binnen 50-100 jaar tot een laag niveau zakken, waarbij het materiaal eenvoudig kan worden opgeslagen of deels hergebruikt. Een “hands on” niveau kan dan na een paar honderd jaar worden bereikt. Bij de juiste materiaalkeuze maakt fusie dus geen langlevend radioactief afval, en het afval van fusiecentrales vormt dan geen belasting voor toekomstige generaties.

De Europese tokamak JET (Culham, UK)

13

Het Europese fusie-experiment JET (Joint European Torus), gelegen in Culham in Groot-Brittanië, is het grootste fusie-experiment ter wereld, en de enige die kan werken met de echte fusiebrandstoffen, deuterium en tritium. Inmiddels heeft JET alle oorspronkelijk doelstellingen gehaald, en in 1997 vestigde JET een wereldrecord met de productie van 16 MW fusievermogen gedurende een korte tijd. JET heeft veel van de kennis opgeleverd die wordt gebruikt bij het ontwerpen van de opvolger van JET: ITER.

Fusievermogen (MW)

Vo o r u i t g a n g i n h e t f u s i e onderzoek

Tijd (s) Fusievermogen prestaties

In Europa zijn er een aantal grote experimentele fusiereactoren die bijdragen aan het verbreden van de kennis die nodig is om uiteindelijk fusiecentrales te kunnen bouwen. Een recent belangrijk resultaat is geboekt op de Tore Supra tokamak in Frankrijk (een tokamak is een machine die met een ringvormig plasmavat werkt). Met deze machine bestudeert men mogelijkheden om fusiereactoren bijna-continu te laten draaien. Waar vroeger plasma’s maar zeer korte tijd in stand konden werden gehouden (fracties van seconden), produceerde Tore Supra in 2003 een plasma van zes-en-een-halve minuut, een wereldrecord. In totaal werd er genoeg energie in de reactor gepompt om 3 ton water mee aan de kook te brengen – meer dan één gigajoule. In China is een ander zeer belangrijk resultaat geboekt: het gebruik van supergeleidende spoelen om de sterke magneetvelden mee te maken. Plasma met een recordduur van 6-en-een-halve minuut in Tore Supra (Cadarache, Frankrijk).

14

Een eenvoudige maatstaf voor de prestatie van een fusiereactor kan worden gemaakt door het totaal geproduceerde fusievermogen te delen door het externe vermogen dat in het plasma wordt gestopt om de reactie op gang te houden. Dit prestatie-getal wordt Q (van het engelse Quality) genoemd. Als het fusieproces voldoende energie vrijmaakt om de energie die uit het reactorvat lekt te compenseren, is er helemaal geen externe verhitting meer nodig, en is Q oneindig groot. Net als een vuur, gaat het plasma door met ‘branden’, zolang er voldoende brandstof in de reactor wordt gestopt. In toekomstige fusie-centrales is het niet nodig om deze toestand te bereiken: het is voldoende als er veel meer energie uit de centrale komt dan er nodig is om het proces in stand te houden. JET heeft 16 MW aan fusievermogen opgewekt, en bereikte daarmee Q=0.65. Er kwam dus iets minder energie uit JET dan er nodig was om de reactie op gang te houden. De volgende machine, ITER, is ontworpen om Q=10 te halen, terwijl toekomstige fusiereactoren waarden voor Q van 40 of 50 Vooruitgang van het kernfusie-onderzoek kunnen bereiken. wereldwijd

Omstandigheden in de reactor Ignition

Ontoegankelijk gebied Br em ss tr ah lu ng slim ie t

De meeste huidige fusiemachines gebruiken geen tritium als brandstof en wekken dus geen energie op. Om hun prestaties toch met elkaar te kunnen vergelijken, wordt op basis van de karakteristieken van de machine uitgerekend welke Q de machine zou halen als wél met tritium zou worden gewerkt. De figuur toont waarden van Q, uitgezet tegen de temperatuur van het plasma, voor een groot aantal tokamaks wereldwijd. De machines met de beste prestaties bereiken omstandigheden die in de buurt liggen van wat nodig is voor een echte fusieelektriciteitscentrale.

TFTR

Reactor-relevante condities

DT-experimenten

15

ITER en de Eur opese str a te gie voor fusie Het doel voor de lange termijn van fusie R&D in de lidstaten van de Europese Unie (plus de landen die meedoen via het Europese Euratom Kaderprogramma) is het “gezamenlijk maken van prototypes van fusie-elektriciteitscentrales die voldoen aan de eisen van de maatschappij: veilig, milieuvriendelijk, en economisch rendabel.” De strategie om dit doel voor de lange termijn te bereiken omvat onder andere de ontwikkeling van de experimentele fusiereactor ITER, die binnen een internationale samenwerkingsverband wordt ontwikkeld. Het uiteindelijke doel van de ITER tokamak is om de wetenschappelijke en technologische haalbaarheid van het gebruik van fusie-energie voor vreedzame doeleinden aan te tonen. ITER moet dit doel bereiken door een langdurig en efficiënt brandend deuterium-tritium plasma te demonstreren, met continu branden als uiteindelijk doel. Verder zullen in ITER technologïen worden gedemonstreerd die in toekomstige fusiecentrales nodig zijn om in een geïntegreerd systeem elektriciteit op te wekken. ITER zal worden opgevolgd door een ‘demonstratiereactor’, DEMO geheten. DEMO moet, voor de eerste keer, in staat zijn om grote hoeveelheden elektriciteit op te wekken, en zelf genoeg tritium aan te maken. Voor de bouw van ITER, en later van DEMO, is een aanzienlijke betrokkenheid van de Europese industrie nodig. Verder zijn ondersteunend wetenschappelijke onderzoek en technologische R&D activiteiten nodig in de Europese fusielaboratoria en universiteiten. R&D activities in the fusion laboratories and universities. Schema van ITER

16

In de afgelopen jaren is het ontwerpen van ITER (samen met internationale partners) één van de belangrijkste elementen geweest van het Europese fusie-onderzoeksprogramma. In grote lijnen is het ontwerp van deze machine vergelijkbaar aan die van JET (de Joint European Torus, in Culham, UK). In 1997 vestigde JET een wereldrecord door 16 MW fusievermogen op te wekken. Om de stap naar ITER te kunnen zetten is zijn veelvuldig modellen gemaakt op basis van de bestaande kennis die opgebouwd is met behulp van Europese en internationale fusie-experimenten. De ITER-samenwerking vindt plaats onder auspicin van de IAEA (International Atomic Energy Agency - Internationaal Atoomenergieagentschap). Het doel van ITER is het aantonen van de wetenschappelijke en technologische haalbaarheid van het gebruik van fusieenergie voor vreedzame doeleinden.

Impressie van de ITER-site in Cadarache - Frankrijk

Parallel aan ITER wordt gewerkt aan de voorbereiding van R&D aspecten van DEMO die een lange voorbereidingstijd vragen. Een belangrijk doel is het ontwikkelen van geavanceerde materialen die geoptimaliseerd zijn voor het gebruik in fusiecentrales, bijvoorbeeld materialen die slechts in beperkte mate radioactief worden.

17

Het Europees fusie-onderzoeksgebied Een belangrijk kenmerk van het Europese fusie-onderzoeksprogramma is het feit dat het programma op Europees niveau wordt gecoördineerd, wat een intensief gebruik mogelijk maakt van alle relevante R&D faciliteiten. Op allerlei fusie-gerelateerde gebieden wordt binnen Europese samenwerkingsverbanden onderzoek uitgevoerd. Van bijzonder belang is de samenwerking voor de exploitatie van JET, en in het technologieprogramma dat binnen EFDA (de European Fusion Development Agreement) wordt uitgevoerd. Het onderzoek binnen EFDA richt zich sterk op ITER, maar omvat ook onderzoek dat voor de opvolger van ITER, DEMO, nodig is. Dit onder één noemer gebrachte gecoördineerde fusieprogramma waaraan kleine en grote laboratoria meewerken, en dat gericht is op het bereiken van een gemeenschappelijk doel, is een voorbeeld van een European Research Area. Door de succesvolle samenwerking staat Europa nu internationaal vooraan op het gebied van magnetische-opsluiting fusie-onderzoek. Resultaten die in de verschillende Europese fusie-instituten geboekt zijn, hebben de bouw van JET mogelijk gemaakt, en de vooruitgang naar ITER. Geen enkel individueel instituut uit één land had dit alleen tot stand kunnen brengen. Naast de grootschalige internationale samenwerking rond ITER, zijn ook samenwerkingsverbanden met niet-Europese partners opgezet, met als doel de beste expertise ter wereld samen te brengen rond onderwerpen van gemeenschappelijk belang. Deze samenwerkingsverbanden bestaan uit bilaterale en multilaterale overeenkomsten tussen Europese en niet-Europese laboratoria. 18

Gebaseerd op het Euratom-verdrag, wordt het fusieonderzoeks- en ontwikkelingsprogramma in Europa gecördineerd door de Europese Commissie. Het programma wordt geïmplementeerd door: • De EFDA-overeenkomst, die zorgt draagt voor: - Fusietechnologie activiteiten door de geassocieerde fusie-instituten en de industrie - Het gemeenschappelijk gebruik van de JET-onderzoeksfaciliteit - Europese bijdragen aan internationale samenwerkingen zoals ITER • Contracten van beperkte duur in landen die geen “associatie-instituut” hebben. • Een overeenkomst voor het bevorderen van de mobiliteit van onderzoekers, en voor Euratom onderzoeksbeurzen. In het 6de EU kaderprogramma (wat loopt van 2002 tot 2006) is fusie-energieonderzoek een Thematisch Onderzoeksgebied met een hoge prioriteit, met een EU-budget van 750 miljoen euro. Van dat bedrag gaat maximaal 200 miljoen euro naar het opstarten van de bouw van ITER. Het succes van het Europese fusieonderzoeksprogramma is een product van ongeveer 2000 natuurkundigen en ingenieurs die werkzaam zijn in Europese laboratoria en in de Europese industrie. 19

Fusie door magnetische opsluiting Fusie op basis van magnetische opsluiting maakt gebruik van magneetvelden om het plasma in een reactorvat op te sluiten. Deze magneetvelden isoleren het plasma van de wand van de machine en van de buitenwereld. De geladen deeltjes waaruit het plasma bestaat kunnen alleen langs de magneetvelden bewegen, en niet loodrecht daarop.

Spoel

Spoel

Plasma met magneetveld

Fusie met magnetische opsluiting

Door de magnetische veldlijnen rond te buigen in een cirkel, draaien de plasmadeeltjes rondjes, en zijn op die manier geheel opgesloten. Omdat de plasmadeeltjes niet meer bij de wand kunnen komen, behouden ze hun hoge temperatuur. In echte torus-vormige systemen lekt er wel energie weg door een aantal mechanismen zoals straling, en door botsingen van deeltjes waardoor deeltjes uiteindelijk naar de wand kunnen bewegen.

Plasma zonder magneetveld

De magneetvelden worden opgewekt door sterke elektrische stromen in spoelen buiten het reactorvat. Elektrische stromen die worden opgewekt in het plasma dragen ook bij aan het maken van de magnetische ‘kooi’. 20

Spoelen van het poloidale magneetveld

In één type machine, de tokamak, functioneert het plasma zelf als de secundaire draaiwinding van een transformator (de eerste draaiwinding is een externe spoel). Een verandering van de stroom in de primaire draai winding veroorzaakt een stroom in het plasma. Naast het genereren van een magneetveld dat helpt om het plasma op te sluiten, zorgt deze plasmastroom ook – vanwege de elektrische weerstand van het plasma – Spoelen van het Plasmastroom toroidale magneetveld Plasma voor de verhitting van het plasma. Omdat een transformator niet continu Magneetveldlijn eenzelfde stroom kan leveren (dan moet de stroom in de primaire winding steeds toenemen, en dat gaat maar tot een Schema van een tokamak zeker maximum), kan het plasma maar een beperkte tijd in stand worden gehouden. Als het plasma continu moet branden, moet dat met andere methoden tot stand worden gebracht. Een tweede type machine, die “stellarator” wordt genoemd, gebruikt hetzelfde principe van magnetische opsluiting, maar heeft externe spoelen met een zeer complexe vorm. Daardoor heeft een stellerator geen transformator nodig om een stroom in het plasma op te wekken. Stelleratoren kunnen daardoor in principe eindeloos werken. De W7-X stellerator in Greifswald (Duitsland) is de grootste stellerator die op dit moment wordt gebouwd. Nog andere magnetische configuraties die nauw verwant zijn aan deze machines zijn de compacte (sferische) tokamak en de “reversed field pinch” (een fusie-experiment waarin het magneetveld van richting verandert).

Schema van een stellarator

21

De belang rijkste componenten v an een tokamak Centrale spoel De primaire kring van de transformator. Het plasma zelf is de secundare spoel.

Spoelen voor het torodiale veld en het poloidale veld Deze spoelen genereren het sterke magneetveld (ongeveer 5 tesla, wat 100.000 maal sterker is dan het magnetisch veld van de aarde) dat het plasma opsluit en er voor zorgt dat de geladen deeltjes de wand van het reactorvat niet raken.

Divertor De divertor verwijdert onzuiverheden en het gevormde helium uit het vacuümvat. Het is de enige plaats waar het plasma met opzet de wand raakt.

22

Cryostaat De cryostaat omsluit het reactorvat en de spoelen die het magneetveld opwekken. Hij wordt gekoeld tot -200 graden Celsius, om te helpen de supergeleidende magneten (die nog extra worden gekoeld) op de vereiste temperatuur van -269 graden Celsius te houden.

Vacuümvat Het vacuümvat is hermetisch afgesloten en verhindert dat lucht in de reactorkamer komt.

Mantel De mantelmodules bevatten lithium. Als de neutronen die bij het fusieproces vrijkomen reageren met het lithium, ontstaat tritium. Het tritium wordt afgescheiden en als brandstof in de plasmakamer gebracht. De energie van de neutronen wordt afgevoerd met een koelvloeistof waarmee stoom wordt gemaakt. De stoom drijft elektrische generatoren aan.

23

Plasma verhitting

De stroom die door het plasma in een tokamak loopt, draagt bij tot de verhitting. Deze zogenaamde Ohmse verhitting wordt minder efficiënt naarmate het plasma heter wordt, en daarmee kan dan ook slechts een temperatuur van een paar miljoen graden worden bereikt, oftewel 10 maal te laag om voldoende fusiereacties te laten plaatsvinden. Om een hogere temperatuur te bereiken maakt men daarom gebruik van extra verhitting door externe bronnen.

Antenne van het radiofrequent verhittingssysteem van Tore Supra (CEA, Cadarache – Frankrijk)

Plasma kan ook worden verhit met microgolven, net als in een magnetron. Daarbij worden intense elektromagnetische golven met verschillende frequenties het plasma ingestuurd, waar ze door de plasmadeeltjes worden geabsorbeerd. Drie van zulke systemen worden ontwikkeld: Ion Cyclotron Resonance Heating met frequenties tussen de 40 en 55 MHz, Electron Cyclotron Resonance Heating met frequenties tussen de 100 en 200 GHz, en Lower Hybrid Heating, met frequenties tussen 1 en 8 GHz.

OHMSE VERHITTING Stroom

VERHITTING Spoel Golfgeleider DOOR MIDDEL VAN RADIO-FREQUENTE GOLVEN

VERHITTING DOOR HET INSCHIETEN VAN SNELLE NEUTRALE DEELTJES

Geïoniseerde en opgesloten ionen Energetische waterstofatomen Neutralisator

Bron van waterstofionen

Bundels van elektrisch neutrale deeltjes worden met hoge energie het plasma ingeschoten. Omdat ze nog neutraal zijn, worden ze niet opgesloten door het magneetveld, maar kunnen ze in het plasma doordringen. In het plasma staan ze door botsingen hun energie af aan de plasmadeeltjes, waardoor het plasma opwarmt. 24

Neutrale-bundel verhittingssysteem op JET

Meten aan en modeller en v an het plasma

Om te begrijpen hoe een fusiereactor ontworpen moet worden is het nodig om alle processen die zich in het plasma afspelen te begrijpen. Dit vereist geavanceerde en complexe meetinstrumenten, die “diagnostieken” worden genoemd. Meetinstrumenten worden ontwikkeld in verschillende Europese laboratoria. Ze maken het mogelijk om alle aspecten van het plasma te meten: van de dichtheid en temperatuur in het centrum van het plasma – waarbij vaak lasers worden gebruikt – tot de hoeveelheid onzuiverheden in het plasma, en waar die vandaan komen. De gegevens die deze meetinstrumenten verzamelen worden gebruikt om nieuwe computermodellen te ontwikkelen waarmee het gedrag en de prestaties van het fusieproces kunnen worden voorspeld, en die het mogelijk maken om het proces bij te sturen zodat het optimaal verloopt.

Schema van ITER-diagnostieken

25

ITER, de w e g naar fusie-ener gie

ITER is de volgende stap in de ontwikkeling van een fusie-elektriciteitscentrale. Het ITER-project is gebaseerd op succesvolle internationale samenwerking met een breed scala aan technologische R&D-projecten. ITER zal in staat zijn 400MW aan fusievermogen op te wekken tijdens een periode van 6 minuten, wat later uitgebreid moet worden naar continu bedrijf. De kosten van de bouw van ITER bedragen ongeveer 4.6 miljard euro (schatting uit het jaar 2000). Inmiddels is besloten ITER in Europa te bouwen, in het Zuid-Franse Cadarache. De bouw van ITER zal ongeveer 10 jaar in beslag nemen, waarna er 20 jaar experimenten met ITER zullen worden gedaan. De huidige partners in het project zijn de Europese Unie, de Russische Federatie, China, de VS, Japan, India en Zuid-Korea. ITER is gebaseerd op de wetenschappelijke resultaten van vele fusie-experimenten over de hele wereld.

26

Prototype op werkelijke schaal van een divertorelement voor ITER

Gyrotron - bron van hoogfrequente microgolven

Hoge heat-flu

Hoog-vermogen lassen (11 kW) voor vacuümvat-secties.

Testen van een prototype van de toroidaalveld magneetspoel.

Gyrotron - bron van hoogfrequente microgolven

Platform voor remotehandling tests voor de ITER-divertor

flux test van hitte-bestendige tegels

Opstelling om mantel-modules te testen

Test van een full-scale prototype van de divertor vertical target bij Framatome.

27

Tec hnolo gisc he acti viteiten voor de lang e ter mijn Naast het werk voor ITER wordt er veel onderzoek en ontwikkeling gedaan naar technologie voor DEMO. Europese studies naar de ‘mantel’ (het deel van het vacuümvat dat het plasma omsluit, en waarin uit lithium tritium wordt gemaakt), concentreren zich op het gebruik van helium gekoeld lithium-lood, en heliumgekoelde keramische kogeltjes met lithium. Dit onderzoek is belangrijk voor de ontwikkeling van de tritiumcyclus van een fusiecentrale. Onderzoek naar de ontwikkeling van materialen in Europa concentreert zich op het ontwikkelen van bijzondere staalsoorten (zogenaamde lageactivatie ferritische en martensitische staalsoorten), zoals EUROFER, en – op de langere termijn – op het onderzoeken van composietmaterialen uit siliciumcarbide.

Radiotoxiciteit (in relatieve eenheden voor inademing)

Vragen omtrent veiligheid en milieu worden ook aangepakt. Dit werk is vooral gericht op het verbeteren van veiligheidsconcepten, en op het minimaliseren van de hoeveelheid geactiveerd materiaal. Studies hiernaar hebben aangetoond dat een fusiecentrale zo kan worden ontworpen dat een ongeluk binnen de centrale nooit kan leiden tot een noodzaak voor evacuatie van omwonenden. In andere socio-economische studies worden de economische aspecten en lange-termijn scenario’s voor fusie in de energiemix bestudeerd.

Helium-deelsystemen He

Fusiematerialen Steenkolenas

Opslag (jaren)

B e r e ke n d e r a d i o t ox i citeit van ver schillende types fusieelektriciteitscentrale in ver gelijking met de r a d i o t ox i c i t e i t v a n s t e e n ko l e n a s

Versterkte lagen aangebracht op de eerste wand Pol. Rad. Ontwerp voor prototype van de mantel

28

Pb-17Li

Tor.

Eerste wand en rooster van de staalsoort EUROFER

Corrosietest van vloeibaar metaal Tritiumpomp

Berilliumkogeltjes

Voorwerpen van de staalsoort EUROFER Materiaaleigenschappen van EUROFER

Koeling Hitteschild Koudeschild

De KFKI experimentele reactor – Hongarije

He

Het stralingsprofiel van de IFMIF bundel Invoerkanalen uit siliciumcarbide composietmateriaal

29

Educatieve activiteiten in Europa

De rondreizende tentoonstelling Fusion Expo is gemaakt om een breed algemeen publiek en studenten te informeren over de fusieonderzoeksactiviteiten in Europa. De tentoonstelling heeft reeds vele Europese steden bezocht.

30

Fusion Expo in Santander – Spanje (Dec. 2003)

De Fusion Road Show

De Fusion Road Show, ontwikkeld door de Associatie Euratom-FOM (Nederland), is een goed voorbeeld van een succesvolle educatieve activiteit van de fusiegemeenschap. De show is een interactieve presentatie van de basisprincipes van fusie, ondersteund met live experimenten.

31

Eir of or um Via EFDA neemt het Europese fusieprogramma deel aan EIROforum, een samenwerkingsverband tussen zeven Europese intergouvernementele wetenschappelijke onderzoeksinstituten die verantwoordelijk zijn voor onderzoeksfaciliteiten en laboratoria. Eén van de hoofddoelen van EIROforum is om een actieve en constructieve rol te spelen in het promoten van de kwaliteit en de impact van Europees wetenschappelijk onderzoek. Een specifiek doel van EIROforum is het coördineren van de educatieve activiteiten van de betrokken organisaties. De zeven leden van EIROforum zijn • CERN European Organisation for Nuclear Research (Zwitserland), • EFDA European Fusion Development Agreement (UK, Duitsland), • EMBL European Molecular Biology Laboratory (Duitsland), • ESA

European Space Agency (EU),

• ESO

European Southern Observatory (Duitsland, Chili)

• ESRF European Synchrotron Radiation Facility (Frankrijk) • ILL

Institut Laue-Langevin (Frankrijk).

Physics on Stage 3 – Teachers in action

32

Onderwijs- en tr ainingsacti viteiten in Eur opa Onderwijs en training van jonge onderzoekers is een belangrijk deel van het werkprogramma van de Associaties. Veel onderzoekers van de Associaties hebben onderwijstaken in academische instellingen, vooral universiteiten, en ongeveer 200 tot 250 master- en doctoraalstudenten doen hun onderzoek in één van de Associatie-laboratoria. Meerdere Associaties organiseren cursussen op masterniveau, en zomerscholen over fusie en plasmafysica voor studenten op masterniveau en recent afgestudeerde onderzoekers.

Een aantal van de zomerscholen die door de Associaties worden georganiseerd zijn: - De Carolus Magnus Zomerschool – de drie Associaties verenigd in de TEC-groep (Belgi, Duitsland, Nederland) - De Culham Zomerschool – Associatie Euratom-UKAEA (UK) - De Volos Zomerschool – Associatie Euratom-Griekenland (Griekenland) - De IPP-CR Zomerschool – Associatie Euratom – Instituut voor Plasmafysica (Tsjechi).

33

R&D spin-of f naar ander e high-tec h g e bieden De industrie heeft een grote bijdrage geleverd bij het bouwen van fusie-experimenten en bij het ontwikkelen van technologie die nodig is voor fusie R&D. De industrie heeft op haar beurt baat gehad bij deze samenwerking omdat zij deskundigheid en commerciële producten heeft kunnen ontwikkelen in verschillende gebieden buiten de fusiecontext. Voorbeelden van spin-offs zijn productietechnieken die gebruik maken van plasma's, behandeling van oppervlakken, verbetering van verlichting, plasmaschermen, vacuümtechnologie, (hoog) vermogenselektronica en metallurgie.

Kennisoverdracht vanuit de fusiewereld gebeurt ook door onderzoekers die van de fusieonderzoeksgemeenschap naar andere technologiegebieden overstappen. Zij brengen vaardigheden met zich mee die zij tijdens hun activiteiten in het fusieonderzoek verworven hebben. Dit soort kruisbestuiving en interdisciplinaire uitwisseling is één van de drijvende krachten die de Europese wetenschap en technologie voortstuwen. 34

Ionenmotor voor gebruik in de ruimtevaart.

Ref er enties

Achtergrondliteratuur: Towards a European Strategy for the Security of Energy Supply, Green Paper, European Commission, COM (2000)769 http://europa.eu.int/comm/energy_transport/en/lpi_lv_en1.html Relevante websites: http://europa.eu.int/comm/research/energy/fu/fu_en.html http://www.efda.org http://www.jet.efda.org http://www.iter.org http://www.fusion-eur.org http://www.eiroforum.org Verdere informatie kan worden verkregen via: R.Antidormi Europese Commissie Directoraat-Generaal RTD J6 Fusie Associatieovereenkomsten Wetstraat 200 B-1049 Brussel - Belgie tel: +32 229 98899 - fax: +32 229 64252 e-mail: [email protected] http://europa.eu.int/comm/research/energy/fu/fu_en.html

35

VERKOOP EN ABONNEMENTEN De publicaties van het Publicatiebureau waarvoor een vergoeding wordt gevraagd, zijn verkrijgbaar bij zijn over de hele wereld verspreide verkoopkantoren. Hoe kan men in het bezit komen van een publicatie? Op de lijst van verkoopkantoren kiest u een kantoor, waar u vervolgens een bestelling plaatst. Hoe kan men in het bezit komen van de lijst van verkoopkantoren? x x

Ofwel kunt u de internetsite van het Publicatiebureau raadplegen: http://publications.eu.int/ ofwel vraagt u om toezending van de lijst per fax: (352) 29 29-42758 en ontvangt u deze op papier.

Europese Commissie Fusie, een energieoptie voor de toekomst van Europa Luxemburg: Bureau voor officiële publicaties der Europese Gemeenschappen

2006 — 40 pp. — format A5, 14.8 X 21.0 cm ISBN 92-894-7717-2

Price (excluding VAT) in Luxembourg: EUR 25

37

Over “De Star maker s”

De acht minuten durende film “Starmakers” toont ITER, een grote experimentele machine die binnen een wereldwijd samenwerkingsverband wordt gebouwd. ITER is de volgende stap op weg naar een elektriciteitscentrale op basis van kernfusie. De film geeft een virtuele indruk van dit grote project. Tijdens de Fusion Expo kan deze film in 3D worden bekeken met behulp van speciale brillenglazen. Ook is er een gewone 2D versie beschikbaar. De film werd gemaakt door het Centre de Recherches en Physique des Plasmas, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (CH) met financile steun van het Directoraat-Generaal voor Onderzoek van de Europese Commissie. De film is met de computer gerealiseerd door Digital Studios SA (Parijs
Frankrijk), en is gebaseerd op de ontwerptekeningen van ITER, die eveneens met behulp van computers gemaakt zijn.

38

39

15

Dit boekje beschrijft hoe het onderzoek naar kernfusie in Europa wordt gecoördineerd. Het volgende generatie fusie-experiment ITER, dat nu in de startblokken staat, moet het pad effenen om in de tweede helft van deze eeuw een flink deel van de wereldenergiebehoefte met fusie op te wekken. De informatie in dit boekje werd verzameld uit de fusieonderzoeksactiviteiten in Europa.

KI-60-04-256-NL-C

Bij de beslissing over het Specifieke programma van Euratom zei de Europese Ministerraad: “Fusie-energie kan in de tweede helft van deze eeuw bijdragen tot de grootschalige productie van elektriciteit zonder de uitstoot van broeikasgassen. De vooruitgang die in het fusie-onderzoek is geboekt rechtvaardigt een intensief programma om het uiteindelijke doel van een fusie-elektriciteitscentrale te bereiken”0.