Fusie-energie voedt de sterren van bij hun geboorte en maakt leven op aarde mogelijk. In het meest actieve sterrenvormingsgebied van het lokale heelal bevindt Hodge 301, een cluster met heldere, massieve sterren, zich in de Tarantula Nebula in onze galactische buur, de grote Maghellaanse wolk.
1
De fusiereactie Figuur: Artistieke voorstelling van een deuterium-tritium fusiereactie Lichte atoomkernen kunnen versmelten tot zwaardere kernen en bij dit proces komt energie vrij. In de gemakkelijkst uitvoerbare fusiereactie worden kernen van de waterstofisotopen deuterium en tritium samengebracht bij hoge temperatuur, ze versmelten en vormen een heliumkern en een neutron. De hoeveelheid energie die wordt geproduceerd uit eenzelfde hoeveelheid materie is zowat 8 miljoen maal groter dan bij het verbranden van olie. 1 Verbranding van steenkool 2 Verbranding van olie 3 Uraniumsplijting 4 Fusie (deuterium-tritium)
29.300 J/g 42.800 J/g 82,1 miljard J/g 336 miljard J/g
2
Voorwaarden voor fusie Figuur: Plasma in het START-experiment Fusiereacties kunnen alleen doorgaan als de betrokken kernen voldoende energie hebben om de elektrische afstotingskracht te overwinnen. Dit vereist een temperatuur van meerdere miljoenen graden. In deze omstandigheden verliezen de atomen hun elektronen en het materiaal vormt een gas van elektrisch geladen deeltjes, wat bekend staat als plasma. Om fusie te kunnen gebruiken voor de productie van energie moeten 3 verschillende plasmaparameters de gewenste waarde bereiken. Voldoende plasmadichtheid moet kunnen gehandhaafd worden bij de vereiste temperatuur met voldoende hoge isolatie. In een deuterium-tritium fusiereactie vereist een nettoproductie van energie een temperatuur in de buurt van 100 miljoen graden en een dichtheid die overeenkomt met het miljoenste van de luchtdichtheid.
3
Plasmasfeer De centrale elektrode wordt gevoed door een oscillerend circuit dat een elektrisch veld opwekt, waardoor het gas onder lage druk in de sfeer wordt omgezet in een plasma. De geëxiteerde moleculen van het plasma veroorzaken oplichtende schichten. Wanneer je je vingers tegen de sfeer houdt, wijzig je het elektrisch veld en verplaatsen de oplichtende filamenten zich naar je vingers. Probeer het maar!
4
Fusie op aarde Het doel van fusieonderzoek is de reproductie van het fusieproces op de aarde om in de toekomst elektriciteit op te wekken. Voor dit onderzoek worden in laboratoria wereldwijd twee hoofdrichtingen verkend: magnetische opsluiting en inertiële fusie. Het doel is de eigenschappen van plasma te begrijpen en de meest efficiënte technologie te bepalen voor de productie van fusie-energie. Bij magnetische opsluiting, wordt plasma opgewekt in een vacuümruimte en van de wanden weggehouden door sterke magnetische velden. Plasma bestaat uit geladen deeltjes die de magnetische veldlijnen volgen in gesloten lussen. Eens het fusieproces gestart is, wordt een groot aantal deuterium- en tritiumkernen "verbrand" tot helium en neutronen, waarbij heel wat energie wordt geproduceerd! Neutronen brengen het grootste gedeelte van deze energie buiten het plasma. Externe verwarming, met behulp van microgolven of deeltjesbundels, is noodzakelijk om een voldoende aantal fusiereacties te genereren. Ook helium kan het plasma opwarmen, wat bijdraagt tot de instandhouding van de reactie. Twee hoofdcategorieën van experimentele machines maken gebruik van dit type opsluiting: de tokamak en de stellarator. Nog andere magnetische configuraties worden onderzocht: de "reversed field pinch"-reactor (reactor met inklemming door omgekeerd veld) en de sferische tokamak. Bij inertiële fusie wordt een klein pilletje (±1 mm diameter) bevroren fusiebrandstof gecomprimeerd door de inertiekracht van een hoogvermogenlaser of door bundels deeltjes die tegelijkertijd inslaan op het doel. Zo stijgen de temperatuur en de druk in de kern van het pilletje tot het 5
punt is bereikt waarbij meer energie wordt afgegeven door de fusie dan er wordt aangevoerd door de deeltjesbundels. Figuur: Schematische voorstelling van de magnetische opsluiting van het plasma. Het plasma wordt van de omgevende materialen weggehouden door sterke magnetische velden die worden opgewekt door externe spoelen. Figuur: Schets van de stappen van een fusiereactie met opsluiting door inertie
6
De tokamak deze is gebaseerd op een Russisch ontwerp dat bekend staat als een tokamak, wat staat voor "toroïdale kamer met magneetspoelen". In een tokamak wordt het plasma geproduceerd in een ringvormige kamer (of torus) en van de wanden verwijderd gehouden door magnetische velden. In een tokamak wordt de opsluiting bereikt door: - een toroïdaal veld, geproduceerd door externe spoelen rond de kamer - een poloïdaal veld, opgewekt enerzijds door de stroom die intern door het plasma loopt en anderzijds door externe spoelen die zijn opgesteld rond de omtrek van de kamer De toroïdale en poloïdale velden worden samengevoegd wat leidt tot een getwiste of schroefvormige magnetische structuur. De hoofdstroom die wordt geïnduceerd in het plasma draagt ook bij tot de opwarming van het plasma. Het plasma wordt typisch geproduceerd in verschillende ontladingen. Tot dusver werden met de tokamak de beste resultaten behaald van alle systemen met magnetische opsluiting. Figuur: Schematische tekening van een tokamak
7
De stellarator De stellarator is eveneens gebaseerd op het principe van magnetische opsluiting. Toroïdale en poloïdale velden worden opgewekt door een complex systeem van externe spoelen. De combinatie van deze velden resulteert in een getwist magnetisch veld. Er vloeit geen sterke stroom door het plasma. Dit heeft het voordeel dat het plasma gedurende lange tijd in een stabiele toestand kan gehouden worden, met minder plasma-instabiliteiten. Figuur 1. Schematische tekening van de stellarator Figuur 2. Spoelen voor de Wendelstein-7X machine, in opbouw te Greifswald, Duitsland
8
De Joint European Torus (JET) JET-parameters Grootste plasmastraal Kleinste plasmastraal
2,96 m 2,10 m (verticaal) 1,25 m (horizontaal) Pulslengte 20 s Plasmavolume 80 – 100 m3 Plasmatemperatuur meer dan 100 miljoen °C Toroïdaal magnetisch veld 3,45 T Plasmastroom 4,8 MA Extra verwarmingsvermogen 25 MW JET is is het grootste fusie-experiment ter wereld, dat in staat is gebruik te maken van een brandstofmengsel deuterium-tritium. Het project werd in 1973 opgestart als een gemeenschappelijke Europese samenwerking om de wetenschappelijke haalbaarheid van fusie aan te tonen. Het begon te werken in 1983 en het was de eerste fusie-installatie ter wereld die een beduidende productie van gecontroleerde fusie-energie (ongeveer 2 MW) bereikte, dit met een deuterium-tritium-experiment in 1991. In 1997 haalde JET tijdens een succesrijke experimentele campagne 16 MW, en is daarmee ook vandag nog steeds de wereldrecordhouder van de productie van fusie-energie. De verkregen fusie-energie kwam overeen met 65 percent van de energie die vereist was om het plasma te verhitten. JET heeft ook een unieke rol gespeeld bij de vooruitgang van de fusietechnologie. Geavanceerde systemen, zoals afstandsbediening, componenten blootgesteld aan het plasma, tritium-behandeling en diagnose werden met succes getest in de JET. De gegevens, verkregen uit het JET project, vormden de basis voor het ontwerpen van de volgende stap in de richting van fusie-energie: het ITER-project. Figuur: Het binnenste van de JET-tokamak in Culham, Engeland. 9
Vragen en antwoorden Wat is het verschil tussen kernfusie en kernfissie? In het fissie- of splijtingsproces wordt een zwaar atoom, zoals uranium, gesplitst in kleinere fragmenten. Een splijtingsreactie kan starten wanneer het zware atoom geraakt wordt door een neutron en bij dit proces komen energie en extra neutronen vrij. In het fusieproces versmelten twee lichte kernen tot een zwaardere kern, waarbij een grote hoeveelheid energie vrijkomt. Fusie is de energiebron van onze zon en van de sterren en ze levert de energie die het leven op aarde in stand houdt. Alle bestaande elementen werden ooit gevormd door het fusieproces. Wat is een plasma? Plasma is de vierde toestand van materie. In een plasma hebben de atomen of moleculen een deel van hun elektronen verloren en vormen ze een gas van geladen deeltjes. Er bestaan verschillende soorten plasma's. De zon is plasma en de meeste interstellaire en intergalactische ruimte is gevuld met zeer ijl plasma. Zeer hete vlammen, fluorescentielampen, bliksemontladingen en fusieplasma's zijn andere voorbeelden. Plasma's hebben unieke eigenschappen, in vergelijking met vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, aangezien ze elektriciteit kunnen geleiden en ze reageren op elektrische en magnetische velden. Waarom zijn hoge temperaturen noodzakelijk voor fusie? Atoomkernen stoten elkaar af ten gevolge van hun gelijke positieve ladingen. Opdat de kernen deze afstotende krachten zouden kunnen overwinnen en versmelten, moeten ze botsen met zeer hoge snelheid. Dit betekent dat fusie alleen kan plaatsvinden bij zeer hoge temperaturen. 10
Waarom is gecontroleerde fusie zo moeilijk uit te voeren? De temperatuur die op aarde is vereist voor een fusiereactie bedraagt ongeveer 100 miljoen graden. Bij deze temperatuur hebben plasmadeeltjes de neiging met hoge snelheid weg te vliegen in alle richtingen. Een opstelling bouwen die in staat is het hete plasma op te sluiten met de vereiste dichtheid en isolatieniveau is een enorme uitdaging. Is er ooit al netto gecontroleerde fusie-energie geproduceerd? Nog niet! De grootste tokamak-installaties in werking hebben significante hoeveelheden fusie-energie geproduceerd gedurende een paar seconden. Hierdoor hebben ze de wetenschappelijke haalbaarheid van fusieenergieproductie aangetoond. Toch zijn deze allemaal te klein. ITER, dat tweemaal zo groot zal zijn als de grootste actuele fusie-installatie, zal voor het eerst netto fusie-energie produceren. Wat is Q? Een fusiereactor werkt als een energievermenigvuldiger die Q maal het toegevoerde vermogen produceert. Q = uitgangsvermogen/ingangsvermogen. De huidige experimenten halen tot Q = 1. ITER zal werken met Q = 10.
11
Een droom realiseren De voorlopers 1929 Berlijn (Duitsland) Theoretische voorspelling dat grote hoeveelheden energie zouden kunnen vrijkomen door lichte kernen te versmelten 1934 Cambridge (V.K.) Nucleaire fusiereacties worden experimenteel uitgevoerd en de vrijgekomen energie wordt gemeten 1939 Ithaca (V.S.A.) Uitgebreide theorie met verklaring van kernfusieprocessen 1947 London (V.K.) Eerste kiloampère plasma gecreëerd in het Imperial College in een luchtledige glazen recipiënt in donut-vorm De dageraad van de researchprogramma's 1951 Argentinië beweert gecontroleerde kernfusie te hebben uitgevoerd in het Huemul Project Dit zet aan tot responsieve researchprogramma's in de V.S., het V.K. en Rusland Princeton (V.S.A.) Gecontroleerde fusie in het Matterhorn-project begint met het magnetisch opsluitingssysteem met de naam Stellarator 12
Los Alamos National Laboratory (V.S.A.) Het Sherwood-project begint te werken met opsluitsystemen met magnetische insnoering (pinch magnetic confinement devices) Moskou (Rusland) Een systeem met magnetische opsluiting, met de naam tokamak, wordt ontwikkeld aan het Kurchatov-instituut 1952 Lawrence Livermore National Laboratory (V.S.A.) Fusieonderzoek voor civiele doeleinden begint met de exploitatie van magnetische "spiegel"machines 1954 Harwell (V.K.) Het Zero Energy Toroidal Assembly (ZETA), een circulaire insnoeringsinstallatie treedt in werking Begin van internationale samenwerking 1956 Harwell (V.K.) Russisch fusieonderzoek wordt voorgesteld aan Britse wetenschappers 1958 Genève (Zwitserland) Op de "Atoms for Peace"-vergadering delen Amerikaanse, Britse en Russische wetenschappers fusieresearchgegevens die voordien als geheim waren geclassificeerd Harwell (V.K.) ZETA-experimenten produceren plasma's bij temperaturen van 5 miljoen graden 1962 Culham (V.K.) Een niet geheim laboratorium voor plasmafysica wordt geopend 1968 Moskou (Rusland) De tokamak T-3 haalt temperaturen tot 10 miljoen graden en opsluittijden tot 20ms, ruim een grootteorde meer dan werd verwacht door de rest van de fusiegemeenschap. Westerse wetenschappenrs brengen een bezoek aan het experiment en controleren de resultaten Het tokamak-tijdperk 1970 Tokamak-installaties worden overal in Europa, Japan, Rusland en de V.S.A. gebouwd. 13
1973 Princeton (V.S.A.) De Princeton Large Torus tokamak treedt in werking Moskou (Rusland) De T-10 tokamak treedt in werking De ontwerpwerkzaamheden voor de JET, de Joint European Torus, beginnen. 1974 Ontwikkeling van de "reversed field pinch"-onderzoekslijn (via insnoering met omgekeerd veld) in verschillende landen Oak Ridge National Laboratory (V.S.A.) De Ormak tokamak bereikt een ionentemperatuur van 20 miljoen graden met behulp van neutrale bundels 1977 Princeton (V.S.A.) De Princeton Large Torus bereikt een plasmatemperatuur van 82 miljoen graden 1978 Het JET-project heeft het fiat gekregen van de Europese Commissie. De gekozen site is Culham, V.K. Geavanceerde ontwerpen en grootse resultaten 1982 Cadarache (Frankrijk) De bouw van de Tore Supra tokamak met supergeleidende magneten wordt gestart Princeton (V.S.A.) De Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) produceert zijn eerste plasma op 25 december 1983 Culham (V.K.) De JET is tijdig en volgens budget afgewerkt. De eerste plasma's worden aangemaakt. Cambridge (V.S.A.) De compacte Alcator tokamak bij het MIT komt in de buurt van de opsluitings- en dichtheidsvoorwaarden, maar bij te lage temperaturen 1985 Livermore (V.S.A.) Het Tandem Mirror Experiment is voltooid Naka (Japan) De tokamak JT-60 is afgewerkt. De eerste plasma's zijn aangemaakt. 1988 De "Conceptual Design Activity" vangt aan bij de "International Thermonuclear Experimental Reactor" (ITER), de opvolger van de TFTR, de JET en de JT-60 De deelnemers zijn Europa, Japan, Rusland en de Verenigde Staten. Dit project liep af in 1990 14
Cadarache (Frankrijk) Het eerste plasma werd geproduceerd in de Tore Supra Princeton (V.S.A.) De TFTR bereikt plasmatemperaturen tot 300 miljoen graden 1991 Culham (V.K.) De eerste aan de wereld vrijgegeven gecontroleerde productie van fusie-energie. Het START tokamak fusie-experiment begint Records en ITER krijgt vorm 1992 De engineeringactiviteiten voor ITER starten. De deelnemers zijn Europa, Japan, Rusland en de Verenigde Staten. Dit eindigde in 2001 De Culham JET (V.K.) produceert opgesloten plasma's met een levensduur tot 1,4 s 1993 Padua (Italië) Experimenten met de "reversed field pinch" RFX-machine Princeton (V.S.A.) De TFTR tokamak produceert 10 megawatt energie via een gecontroleerde fusiereactie 1996 Cadarache (Frankrijk) Een record wordt gevestigd in de Tore Supra: een plasmaduur van twee minuten met een stroomsterkte van nagenoeg 1 miljoen ampère Garching (Duitsland) De Wendelstein 7X stellarator met supergeleidende magneten wordt goedgekeurd 1997 De Culham JET (V.K.) produceert 16 MW fusie-energie – het huidige record voor fusie-energie, met een fusieversterkingsfactor van 0,65 1998 Naka (Japan) De JT-60 tokamak produceert "reversed shear" plasma met hoge prestaties, met een equivalente fusieversterkingsfactor van 1,25 – het huidige wereldrecord 1999 De Verenigde Staten trekken zich terug uit het ITER-project Culham (V.K.) De Mega Amp Spherical Tokamak (MAST), de krachtigere opvolger van START begint te werken 15
2001 De onderhandelingsconferentie betreffende de Gemeenschappelijke Implementatie van ITER begint. Deelnemers zijn Canada, de Europese Unie, Japan en Rusland De Europese Unie stelt Cadarache in Frankrijk en Vandellòs in Spanje voor als kandidaatsites voor ITER, terwijl Japan Rokkasho voorstelt 2003 De Verenigde Staten stappen opnieuw in het ITER-project. Ook China en de Koreaanse Republiek treden toe, maar Canada trekt zich terug 2005, 28 juni Na de laatste onderhandelingen tussen de EU en Japan, kiezen de ITER-partners Cadarache als site voor het experiment 2005 India treedt toe tot het ITER-project 2006, 24 mei De internationale ITER-overeenkomst wordt geparafeerd Rond eind 2006 Cadarache (Frankrijk) De bouw van ITER begint 2007 Oprichting van het EU Domestic agency: de gemeenschappelijke "European Joint Undertaking for ITER" en de "Development of fusion energy" of "Fusion for Energy" (F4E) 2008 Start van de bouw van ITER *1929 Eerste pagina van het artikel van R.d’E. Atkinson en F.G. Houtermans betreffende de energievoorziening van sterren door kernfusie *1939 Eerste pagina van het artikel van H.A. Bethe waarin de theorie van kernfusie wordt ontwikkeld *1947 Octrooi verleend aan G. Paget Thomson en M. Blackman voor een "apparaat dat thermonucleaire reacties produceert" *1951 Fusiepionier Lyman Spitzer te Princeton met zijn eerste stellarator *1954 Het Harwell ZETA pinch-systeem *1958 De Duitse delegatie op de "Atoms for Peace conference" in 1958, staand rond de tentoongestelde experimentele Russische "Ogra"-machine *1962 Luchtfoto van het Culham-laboratorium 16
*1968 De T-3 tokamak in het Kurchatov Institute in Moskou *1973 De Princeton Large Torus *1973 Close-up van de T-10 tokamak in het Kurchatov Institute te Moskou *1974 Eta-beta "reversed field pinch" aan de universiteit van Padua, Italië *1974 Algemeen zicht van de Ormak tokamak in het Oak Ridge National Laboratory, V.S.A. *1982 De Tokamak Fusion Test Reactor te Princeton, V.S.A. *1982 Binnenin de torus van de Tore Supra tokamak in Cadarache, Frankrijk *1983 Onderhoudswerkzaamheden in de JET, de Joint European Torus *1985 Algemeen zicht van de Japanse JT-60 tokamak *1986 Het Tandem Mirror Experiment, Livermore (V.S.A.) *1988 ITER-project *1991 Hogetemperatuurplasma in het START-experiment in het Culhamlaboratorium, V.K. *1993 De "Reversed field pinch" RFX-machine, Padua, Italië *1996 Computervoorstelling van de configuratie van de Wendelstein 7X stellarator, Garching, Duitsland *1999 De MAST in Culham, V.K. *2005 Weergave van de infrastructuur, ontworpen voor de ITER-site in Cadarache *2008 ITER: uitgravingen in Cadarache (Frankrijk)
17
De experimenten van vandaag – op weg naar een break-even plasma De resultaten die werden verkregen uit de vroegere en de huidige experimenten vormen een stevige wetenschappelijke en technologische basis voor het ontwerp van ITER. Verder wereldwijd onderzoek in gespecialiseerde fusie-installaties zal bijdragen tot de verkenning van de nog onbeantwoorde vragen, zowel in de plasmafysica als -technologie. De verdere ontwikkeling van bestaande experimenten en de bijhorende upgrades zijn essentieel om dichter bij nettoproductie van fusie-energie te komen en om bij te dragen tot het ontwerp van commerciële energiecentrales. De belangrijkste laboratoria waar momenteel onderzoek naar fusie wordt gevoerd: - Labs en universiteiten die werken rond fusie - ITER-partners
18
Vooruitgang in beheerste fusie Kerntemperatuur van het plasma (miljoen °C) Fusie tripel product – dichtheid (deeltjes/m3) x opsluitingstijd (s) x temperatuur (keV); Tokamak-ontwerp, ontwikkeld in de jaren 1960 1ste Generatie ~1970 2de Generatie ~1980 3de Generatie ~1990-2000 Hoge energievermenigvuldiging en duurzame verbranding De stappen richting fusie-energie worden gekenmerkt door resultaten op het gebied van de basisfusieparameters van het plasma: temperatuur, dichtheid en energieopsluitingsduur. Het product van deze 3 parameters moet een bepaalde waarde bereiken om meer energie te kunnen produceren uit de fusie dan er in het plasma wordt ingepompt (dit staat bekend als het break-even punt). De vooruitgang rond fusie is gebaseerd op een beter begrip van de basisplasmafysica en op de ontwikkeling van de betrokken technologische installaties. Het “tripel product” heeft een groei met een factor 1000 gekend in twintig jaar. De fusie-energie dit tot op heden werd geproduceerd in de actuele experimenten, staat op de drempel van break-even. ITER, het internationale fusieresearchexperiment dat nu klaar is voor opbouw, zal de volgende stap vormen naar ontbranding (waarbij de fusie-energie alleen zal volstaan om de plasmatemperatuur te handhaven).
19
ITER de weg naar fusie ITER is het grootste researchproject rond fusie-energie en de essentiële stap naar een wereldwijde en een Europese strategie voor de ontwikkeling van fusie-energie. Het is opgezet om de wetenschappelijke en technische haalbaarheid van fusieenergie aan te tonen. In ITER zullen wetenschappers "brandende" plasma's" onderzoeken, in omstandigheden die vergelijkbaar zijn met deze die we verwachten te zien in een fusie-energiecentrale. Dit zal het eerste experiment rond fusie-energie zijn dat netto-energie zal produceren gedurende een langere tijdsperiode. De grootte van de ITER-installatie zal vergelijkbaar zijn met die van een fusieenergiecentrale. De meeste sleuteltechnologieën die relevant zijn voor een fusie-energiecentrale zullen worden ontwikkeld en getest in een geïntegreerd systeem. ITER zal in Europa gebouwd worden en het is klaar voor inplanting in Cadarache, Frankrijk. De partners van het ITER-project zijn: de Europese Unie, Japan, de Volksrepubliek China, India, de Koreaanse Republiek, de Russische Federatie en de V.S.A. Meer dan de helft van de wereldbevolking is vertegenwoordigd. De EU-bijdrage aan ITER verloopt via de organisatie met de naam Fusion for Energy (F4E) met zetel in Barcelona, Spanje. De EU zal een leidende rol spelen in het ITER-project en ongeveer de helft van de totale kostprijs bijdragen.
20
De weg voorwaarts Na ITER moet een demonstratieplant “DEMO” de betrouwbaarheid bewijzen van fusie-energie en de bedrijfsparameters voor een commerciële fusieinstallatie nauwkeurig bepalen. Het ontwerp van “DEMO” zal gebaseerd zijn op de resultaten van actuele en verbeterde gespecialiseerde installaties en op de resultaten van de eerste fase van de experimenten in ITER en in IFMIF. ITER: de volgende stap Fusievermogen: 500 MW Plasma brandend gedurende lange tijd
Fusie-energiecentrales: DEMO Fusie-elektriciteit geleverd Fusievermogen: aan het net 2 GW Nettoelektriciteitsproductie
Scheme of a fusion power plant Superconducting magnet Plasma Blanket (containing lithium) Shielding structure Heat exchanger Steam generator Turbine and generator Electric power Vacuum vessel Deuterium fuel
Schema van een fusie-energiecentrale Supergeleidende magneet Plasma Mantel (bevat lithium) Afschermingsstructuur Warmtewisselaar Stoomgenerator Turbine en generator Elektrische energie Vacuümvat Deuterium-brandstof 21
Schematische tekening van een reactor Wat gebeurt er in een fusie-energiecentrale? Het plasma bevindt zich in de toroïdale kamer, omringd door sterke magneten. Tijdens de fusiereactie versmelten de waterstofisotopen deuterium en tritium, met vorming van helium en een neutron. De heliumkernen geven hun energie af aan de plasmadeeltjes en houden het plasma warm. Ze worden dan uit het plasma verwijderd en opgeslagen in containers. De mantel bevindt zich in de wand van de plasmakamer; hier reageren de neutronen met lithium en produceren ze tritium en helium. Die worden dan uit de mantel geëxtraheerd en gescheiden. Het helium wordt opgeslagen in containers en het tritium wordt opnieuw geïnjecteerd in het plasma als brandstof. De energie van de snel bewegende neutronen wordt omgezet in warmte die wordt overgedragen naar een koelvloeistof. Daarna wordt elektriciteit opgewekt met behulp van een klassieke stoomgenerator en een stoomturbine. plasma magnets blanket and heat exchangers biological shield
plasma magneten mantel en warmtewisselaars biologisch scherm 22
tritium+helium tritium recovery/recycle deuterium
tritium + helium tritium opvang/recyclage deuterium
helium storage steam generator turbine/electricity generator
heliumopslag stoomgenerator turbine/elektriciteits generator
23
De ITER-tokamak Het ITER-project. De man onderin geeft u een idee van de schaal. ITER is gebaseerd op het tokamak-ontwerp, waarbij een heet gas wordt opgesloten in een torusvormige kamer, met behulp van een magnetisch veld. De grote vacuümruimte, waarin de fusiereacties plaatsvinden, vormt het hart van de machine. De supergeleidende magneten van ITER sluiten het reagerende plasma op, ze sturen het en ze induceren er een elektrische stroom in. Supergeleidende magneetspoelen werken bij uiterst lage temperaturen. Om de lage bedrijfstemperatuur van de magneten (-269 °C, net een paar graden boven het absolute nulpunt) te kunnen handhaven worden de magneten omsloten door een grote container met de naam cryostaat. De binnenwanden van de kamer worden beschermd door een mantel, die de warmte en de neutronen die worden uitgestraald door het plasma opvangt. Sommige modules van de mantel bevatten lithium, dat regaeert met de neutronen afkomstig van de fusiereacties, om tritium te vormen dat vervolgens weer in het plasma wordt geïnjecteerd voor gebruik als brandstof. Bij de bodem van de kamer vangt een "divertor" onzuiverheden en de in de reactie geproduceerde heliumdeeltjes op. In de kamer bieden verschillende poorten toegang tot het plasma voor verwarming, diagnose, testen van de reactormantel en onderhoud op afstand. Voorspellingen op basis van de experimenten van vandaag tonen aan dat het nodig zal zijn dat een fusie-energiecentrale een minimale elektrische uitvoercapaciteit van 500 MW heeft, om energie te kunnen produceren uit fusie.
24
ITER: belangrijkste ontwerpparameters Total fusion power 500MW Power amplification ≥ 10 Machine height 26m Machine diameter 29m Plasma major radius 6.2m Plasma minor radius 2.0m Plasma current 15MA On axis toroidal field 5.3T Plasma volume 837m3 Installed auxiliary heating 73MW
Totaal fusievermogen 500 MW Vermogenversterking ≥ 10 Machinehoogte 26 m Machinediameter 29 m Grootste plasmastraal 6,2 m Kleinste plasmastraal 2,0m Plasmastroom 15 MA Axiaal toroïdaal veld 5,3 T Plasmavolume 837 m3 Geïnstalleerde hulpverwarming 73 MW
25
ITER voor geavanceerd onderzoek naar plasmafysica Het hoofddoel van ITER in de sector van de plasmafusiefysica is het ophelderen van openstaande wetenschappelijke vragen betreffende de optimale werking van een fusie-energiecentrale. Een van de belangrijkste onderwerpen is het begrijpen en het beperken van plasma-instabiliteiten die ongewenst energie- en deeltjestransport kunnen veroorzaken. ITER zal de eerste fusie-installatie zijn, die zal werken met een "brandend" plasma. Deze toestand wordt bereikt wanneer de heliumkernen, die worden geproduceerd in het fusieproces en die worden ingevangen door het magnetisch veld, hun energie overdragen aan het plasma en zo beduidend bijdragen tot de verwarming van het plasma. Fusie-energiecentrales zullen gebruik maken van "brandende" plasma's. Nieuwe fenomenen zullen opduiken als gevolg van het gebruik van brandende plasma's. ITER zal gedetailleerd experimenteel onderzoek aan brandende plasma's mogelijk maken, evenals geavanceerde plasmascenario's die relevant zijn voor toekomstige fusie-energiecentrales. Figuur: Een wetenschapper aan het werk aan een plasma-experiment
26
ITER Testen van geavanceerde fusietechnologieën Figuren (van links naar rechts): 1. Centrale solenoïde van buitenmodule, vervaardigd bij Toshiba (Japan), tijdens de plaatsing buiten de binnenmodule die geïnstalleerd is in de vacuümkamer (Naka, Japan) 2. Metaalbewerkingswerkzaamheden voor de toroïdale binnenbehuizing van de supergeleider (Kind, Germany) 3. Modeldoorsnede van vacuümkamer (Japan) 4. Stroomtest op model van kanaalintegratie interne divertor (V.S.A.) 5. Afstandsbediening van mantelmodule 6. Divertor-testplatform (ENEA, ItalIë) ITER zal de meeste sleuteltechnologieën die belangrijk zijn voor een reactor testen. ITER verenigt diverse speerpunttechnologieën: • grote supergeleidende magneten met hoge veldsterkte • grootschalige cryogene systemen • componenten die bestand zijn tegen hoge vermogensfluxdichtheden • tritiumbehandelings- en productiesystemen • geavanceerde plasmaverwarmingssystemen • geavanceerde afstandsbediening en robotica De schaal van de ITER-componenten, hun strikte toleranties en de veeleisende bedrijfsomstandigheden vereisen kwaliteitscontrole van hoog niveau, accurate controle op de fabricage en het testen van de prestaties. 27
De realisatie van specifieke ITER-componenten is gebaseerd op de succesrijke ontwikkeling van prototypes. Het ITER-ontwerp garandeert een veilige werking voor het personeel en voor het milieu.
28
IFMIF Optimalisering van materialen voor fusieenergiecentrales Duurzame, weinig te activeren materialen zijn noodzakelijk voor toekomstige fusie-energiecentrales. Het testen en kwalificeren van dergelijke materialen vereist langetermijnbestraling in omstandigheden die relevant zijn voor fusie en die realistisch de veroudering van de materialen weergeven. Voor het uitvoeren van deze tests werd het International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) gepland. Het IFMIF werd beschouwd als een samenwerkingsorganisatie tussen de Europese Unie, Japan, Rusland en de V.S.A. De opbouw en de werking ervan zullen parallel met ITER verlopen. De resultaten van IFMIF zullen ook belangrijk zijn voor geavanceerde technologieën op vele andere gebieden. Zicht op de International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF)
29
Vragen en antwoorden Wat is ITER? ITER is 's werelds grootste gemeenschappelijk internationaal reserach- en ontwikkelingsproject betreffende energie dat de wetenschappelijke en technische haalbaarheid van kernfusie-energie wil aantonen. Hoeveel energie zal ITER produceren? ITER zal ongeveer 500 MW fusie-energie opwekken gedurende periodes van enkele honderden seconden. Wat gebruikt het? Ongeveer 900 kubieke meter gas met zeer lage dichtheid (minder dan één gram waterstofisotopen) wordt verhit om een plasma te vormen met een temperatuur van ongeveer 100 miljoen °C. De plasmadeeltjes, opgesloten in een sterk magnetisch veld, botsen, versmelten en geven energie af. Wie zal ITER bouwen? Een internationale organisatie met zeven partners: de Europese Unie, de Volksrepubliek China, India, Japan, Rusland, Zuid-Korea en de V.S.A. Waar wordt ITER gebouwd? Europa zal de gastheer zijn en ITER zal gebouwd worden in Cadarache in het zuiden van Frankrijk. Wanneer zal ITER beginnen werken? De bouw van ITER is al begonnen. De bouwfase zal ongeveer 10 jaar duren en ze zal gevolgd worden door een 20-jarige werkingsperiode. 30
Zal ITER veilig zijn? In het onwaarschijnlijke geval van een defect aan de reactor: - zal het fusieproces zichzelf automatisch doven; - zal er geen gevaar zijn voor de omwonenden en zal geen evacuatie vereist zijn. De materialen binnenin ITER zullen laagradioactief zijn ten gevolge van de fusie van neutronen. Deze radioactiviteit zal afnemen over een periode van enkele tientallen jaren.
31
Bouw van de ITER tokamak Segment vacuümkamer Machine voor bouw sectoronderdeel Machine voor bouw sectoruiteinde Vacuümkamer De vacuümkamer zorgt voor het ultra-hoge vacuüm dat onontbeerlijk is om het plasma te creëren Tokamak-structuur met toroïdale supergeleidende magneten De toroïdale supergeleidende magneten wekken een magnetisch veld op dat langs de tokamak-torus loopt Tokamak-structuur met het volledige systeem van supergeleidende magneten Het volledige magnetensysteem bestaat uit de centrale solenoïde, de toroïdale, poloïdale en correctiespoelen. De centrale solenoïde induceert een stroom door het plasma waardoor het toroïdale magnetische veld vervormd wordt tot een 32
schroefvormige structuur. De poloïdale en correctiespoelen helpen bij het vormen en stabiliseren van het plasma. Tokamak-structuur met magneten en toegangspoortcellen De poorten maken toegang tot het ITER-plasma mogelijk. Ze omvatten mogelijkheden voor plasmaopwarming, diagnose, cryopompen, afstandsbediening van de divertor, schoonmaaksystemen, brandstofinjectie enz. Tokamak, volledig met cryostaat De grote cryostaat (14.000 m3) omsluit de spoelen en de vacuümkamer. Hij wordt gekoeld tot ongeveer -200 °C om de supergeleidende magneten op hun bedrijfstemperatuur van -269 °C te kunnen houden Tokamak-opbouw tijdens het bouwen
33
Tokamak basement and vessel Port stubs added Toroidal field magnets added Whole magnet system added Port cells added Cryostat added Bioshield added Tokamak buildup in building at lower port level Tokamak buildup in building at torus hall level Tokamak building complete
Tokamak fundering en kamer Steunen toegevoegd Toroïdale veldmagneten toegevoegd Volledig magneetsysteem toegevoegd Cellen toegevoegd Cryostaat toegevoegd Bioscherm toegevoegd Tokamak-opbouw tijdens de bouw op het laagste poortniveau Tokamak-opbouw tijdens de bouw op het toruskamerniveau Tokamak-bouw voltooid
34
ITEMS DIE GETOOND WORDEN IN HET ITER-MODEL Op het toetsenbord in volgorde van links naar rechts 1- Biologisch scherm zorgt voor afscherming tegen neutronen en straling waardoor menselijke aanwezigheid voorbij dat punt mogelijk is 2- Cryostaat draagt hoofdzakelijk bij tot het handhaven van de koeling van de supergeleidende magneten en dient als tweede opsluitingsbarrière na de vacuümkamer 3- Cryogene pompen zorgen voor het luchtledig pompen van de torus gedurende alle fasen van het proces. Ze zijn opgesteld bij de onderste horizontale poorten 4- Een Neutrale Bundel Injectiesysteem (NBI) zorgt voor verwarming van het plasma en helpt de verbranding te regelen. Deze NBI bevindt zich bij de equatoriale toegangspoorten 5- Spoelen voor toroïdaal magnetisch veld deze supergeleidende spoelen, opgesteld rond de torus, zorgen samen met de plasmastroom voor de opsluiting van het plasma 6- Spoelen voor poloïdaal magnetisch veld deze supergeleidende spoelen helpen mee aan de opsluiting van het plasma en ze dienen voor de beheersing van de vorm en de positie van het plasma
35
7- Centrale solenoïde deze supergeleidende spoel, die een reactor van het tokamak-type kenmerkt, werkt als de primaire wikkeling van een transformator om de plasmastroom op te wekken 8- Vacuümkamer vormt de hoog vacuümgrens voor het plasma en zorgt voor de eerste opsluiting van radioactiviteit 9- Eerste wand, mantel en afschermingsmodules de eerste wand moet bestand zijn tegen de sterke warmtestroom. Later zal de deken gebruikt worden voor het kweken van tritium. De afschermingsmodules moeten beschermen tegen de neutronenstroom. 10- Een radiofrequent systeem (RF) zorgt voor verwarming van het plasma en helpt de verbranding te regelen. De RF-injectoren zijn ingewerkt in de equatoriale toegangspoorten 11- Divertor voert de energie af en verwijdert heliumas en andere residuele onzuiverheden. Divertorcassettes worden vanop afstand vervangen via de onderste horizontale poorten 12- Afstandsbediening (AB) is, wegens de activering van de componenten, verplicht binnenin de cryostaat voor vervangingen in de machine (bijv. divertor, dekenmodules, cryogene pompen, diagnose...) 13- Plasmavorming (voor demonstratie 30 s / werkelijk ...... s) 36
- brandstof injecteren - de magnetische velden inschakelen - de plasmastroom zorgt voor verwarming van het plasma - het plasma vorm geven 14- Extra verwarming (voor demonstratie 30 s / werkelijk ...... s) - RF- en NBI-verwarming inschakelen - het plasma bereikt thermonucleaire temperaturen - de fusiereacties starten 15- Ontsteking plasmaverbranding (voor demonstratie 120 s / werkelijk 1000 s) - de fusiereacties alleen houden het plasma nu op de vereiste temperatuur - uitschakeling van de extra verwarming - de verbranding is nu zelfonderhoudend - tot slot, de brandstofinjectie stoppen, de fusiereacties vallen stil, het plasma verdwijnt
37
Op het bovenste deel van het ITER-toetsenbord Let’s make a plasma (2 minutes sequence) Water Cooling All large components inside the magnets, including the vessel, are water cooled He Cooling A superfluid helium flow at 4.5 K is used to cool all superconducting coils Fuel inlet provides injection of fresh fuel into the vacuum vessel Electrical connections and links supply electricity to the coils and to all active elements of the tokamak reactor
Laat ons een plasma maken (sequentie van 2 minuten) Waterkoeling Alle grote componenten binnen de magneten, met inbegrip van de kamer, zijn watergekoeld He-koeling Een superfluïdale heliumstroom bij 4,5 K wordt gebruikt om alle supergeleidende spoelen te koelen Brandstofinlaat zorgt voor injectie van verse brandstof in de vacuümkamer Elektrische aansluitingen en koppelingen leveren elektriciteit aan de spoelen en aan alle actieve elementen van de tokamakreactor
38
