De kracht van de zon bedwingen: fusiereactors Understand article

Vertaald door Roland Van Kerschaver. Hernieuwbare, zuivere, onbeperkte energie - hoe kan dat bekomen worden? Christine Rüth van EFDA leert ons de tokamak, het meest geavanceerde fusietoestel, kennen.

Figuur met dank aan Rita
Thielen / Pixelio

De zon produceert grote hoeveelheden energie door de fusie van lichte atoomkernen in zwaardere deeltjes. Als wetenschappers er zouden in slagen dat proces op aarde aan de gang te houden, zouden we beschikken over een nagenoeg onuitputtelijke en klimaatvriendelijke energiebron. Een 1 gigawatt fusiecentrale zou slechts 250 kilogram brandstof per jaar verbruiken en elektriciteit produceren zonder koolstofdioxide uit te stoten.Een kolencentrale met dezelfde capaciteit verbrandt 2,7 megaton kolen per jaar.

En in tegenstelling met fissie is fusie geen kettingreactie, zodat het uiteraard en in volle vertrouwen veilig is: om de reactie te stoppen, is het alleen nodig de toevoer van brandstof te stoppen. Daarenboven, alhoewel sommige componenten van een fusiereactor radioactief zullen worden gedurende zijn werking, is die radioactiviteit kortlevend: de materialen moeten veilig opgeborgen worden gedurende ongeveer 100 jaar, dat in tegenstelling met de meerdere duizenden jaren die vereist zijn bij een fissiereactor (voor meer details, zie Warrick, 2006).

Figuur 1: Een fusiecentrale
zal tritium (twee neutronen,
blauw, een proton, rood) en
deuterium (een neutron, een
proton) kernen laten
versmelten, een helium-4
kern en een neutron met
hoge energie genererend
.
Figuur met dank aan EFDA-JET

Wetenschappers van het grootste fusieexperiment, de Joint European Torus (JET) in Culham, UK, hebben significante vorderingen gemaakt op weg naar fusieenergie gedurende meer dan 30 jaar. Alhoewel, het JET experiment vereist nog altijd meer vermogen dan het genereert – en dat is niet goed voor een energiecentrale. De volgende stap zal het internationaal experiment ITER zijn, dat aangeschakeld zou moeten worden in 2019.  Van ITER wordt verwacht als eerste een netto vermogensurplus te produceren – 500 megawatt output bij een input van 50 megawatt (zie Warrick, 2006). Dat zou bewijzen dat fusiecentrales leefbaar zijn.

En hoe werkt fusie?

Om fusie te bekomen op aarde, hebben wetenschappers de meest efficiënte reactie genomen die plaats grijpt in de zon – de fusie van twee isotopen van waterstof: deuterium en tritium. Uit die reactie bekomt men een helium-4 kern en een neutron, die 80% van de fusieenergie bezit (Figuur 1). Deze snelle neutronen worden gevangen in de stalen wand van de fusiereactor, die de warmte overbrengt naar koelvloeistoffen binnen de wand, die op hun beurt een turbine aandrijven om elektriciteit te produceren.

Figuur 2: Doorsnede van de
JET tokamak die het stalen
vat toont omringd door acht
grote koperen spoelen, die de
magnetische velden
produceren. Bemerk de
persoon aan de linkerkant
die een aanduiding geeft van
de omvang
.
Figuur met dank aan EFDA

Het fusietoestel

Voor het ogenblik is het meest geavanceerd type van fusietoestel de tokamak. In het midden van een tokamak bevindt zich de reactor, een stalen vat in de vorm van een ring met veel openingen voor verwarming, meting en andere systemen, en een binnenwand bezet met verwijderbare warmtebestendige tegels (Figuur 2). Om het fusieproces te starten, wordt het vat onder hoog vacuum gebracht – bij JET bedraagt de druk ongeveer 0,00000001 millibar – en enkele grammen van deuterium en tritiumgas worden er in gebracht. Het gas wordt verwarmd tot boven 10 000 °C, waarbij de elektronen ontsnappen aan hun kern. Dit geïoniseerd gas wordt een plasma genoemd, of de vierde toestand van de materie; het is de basis voor het produceren van fusieenergie.

Voorwaarden voor fusie

De zon, zoals afgebeeld door
de Extreme Ultraviolet
Imaging Telescoop aan boord
van het Solar en Heliospheric
Observatorium (SOHO),
gestationeerd op 1,5
kilometer boven de aarde
.
Figuur met dank aan ESA,
NASA, SOHO / EIT team

Kernen er toe brengen om samen te smelten is niet gemakkelijk: ze zijn positief geladen en stoten elkaar af, dus moeten ze botsen met extreem hoge snelheden om samen te smeltenw1. Omdat de snelheid van deeltjes overeenkomt met de temperatuur, moet het plasma op miljoenen graden Celsius gebracht zijn vooraleer het fusieproces zal starten. Alhoewel het plasma warmte verliest aan de zijkanten, kan het zichzelf warm houden door energie te absorberen van de heliumkernen geproduceerd bij de reactie, en dit zichzelf onderhoudend fusieproces kan verder gaan zolang er nieuwe brandstof geïnjecteerd wordt. Maar, de uitdaging is die toestand te bereiken en het plasma te ontsteken. Om te ontsteken, moet het plasma warm genoeg zijn, voldoende dicht zijn (om een voldoende fusiereactiesnelheid te waarborgen) en zijn energie lang genoeg te behouden – deze laatste voorwaarde wordt de opsluitingstijd genoemd.

Het product van de drie parameters – temperatuur, dichtheid en opsluitingstijd – is het tripelproduct, een essentiële parameter voor de fusiewetenschap. Typisch, om de fusiereactie te starten, moet het plasma een temperatuur hebben van 100-200 miljoen °C, met een dichtheid van ongeveer 1020 deeltjes per kubieke meter, (ongeveer 1 mg/m3, een miljoenste van de dichtheid van lucht) en die toestand moet in stand gehouden worden gedurende ongeveer 3-6 secondenw2. Zulk een hoge temperatuur klinkt uitdagend, maar opwarmen is geen probleem (zie hieronder). In tegenstelling,  is het de opsluitingstijd die moeilijk te bekomen is – die temperatuur (en dichtheid) in stand houden – omdat het plasma vlug energie verliest en ook deeltjes (die ook energie meenemen).

Hoe werkt een tokamak?

1) Het plasma bij elkaar houden: magnetische velden

Om de hoge temperatuur in stand te houden en de reactorwanden te beschermen (die anders vlug zouden verweren), moet het plasma weggehouden worden van de reactorwanden. Om dit te doen, maken de fusiewetenschappers gebruik van de Lorentzkracht die op een bewegend geladen deeltje werkt wanneer er een magnetisch veld aangelegd wordt. Die kracht staat loodrecht op zowel de richting waarin het deeltje beweegt als op het magnetisch veld, en veroorzaakt dat het deeltje wentelt rond de magnetische veldlijnen. Als gevolg daarvan zal het deeltje in een spiraal bewegen rond de veldlijnen – waarbij elektronen en kernen in tegengestelde richtingen bewegen (Figuur 3).

Figuur 3: Een magnetisch veld met magnetische inductie B oefent een kracht uit op bewegende geladen deeltjes. De totale elektromagnetische kracht op een geladen deeltje met lading q en snelheid v wordt de Lorentzkracht genoemd en wordt gegeven door
F = qE + qv × B
De eerste term (qE) is afkomstig van het elektrisch veld. De tweede term (qv x B) is de magnetische kracht en heeft een richting loodrecht op zowel de snelheid v als de magnetische inductie B. De magnetische kracht is rechtevenredig met q en met de grootte van v x B. In functie van de hoek ϕ tussen v en B, is de grootte van de kracht qvB sin ϕ.
(Bron: Encyclopædia Britannica Online (magnetische kracht: bewegende ladingen). www.britannica.com/EBchecked/media/1319/Magnetic-force-on-moving-charges)

A: Bewegende geladen deeltjes in een magnetisch veld zijn onderworpen aan de Lorentzkracht en wentelen op spiralen rond de veldlijnen. Positief en negatief geladen deeltjes bewegen in tegengestelde richtingen.

B: De beweging van de deeltjes zonder magnetisch veld.
Figuur met dank aan EFDA

Figuur 4: Verschillende
stellen spoelen, tesamen met
een plasmastroom, creëeren
het spiraalvormig
magnetisch veld dat het
plasma opsluit. De  binnenste
poloïdale veldspoelen in de
centrale solenoïde induceren
de plasmastroom. Klik op het
beeld om dit te vergroten
.
Figuur met dank aan EFDA

Het meest geavanceerde magnetisch ontwerp voor opsluiting is de tokamak, een vacuumkamer in de vorm van een ring omringd door spoelen. Een elektrische stroom vloeiend door een stel van spoelen (de toroïdale veldspoelen, Figuur 4) genereert een ringvormig magnetisch veld. De sterkte van dit toroïdale (in de vorm van een donut) veld is niet uniform over de ring, omdat de spoelen dichter bij elkaar liggen aan de binnenkant van de torus (donut). Daarom ondergaan de deeltjes een sterkere Lorentzkracht aan de binnenkant van de veldlijn waarrond zij wentelen. Als gevolg daarvan drijven ze geleidelijk weg van hun veldlijn naar de rand van het plasma.

Om dit effect te verminderen wordt een tweede magnetisch veld, het poloïdale veld, gegenereerd. Het resulterend spiraalvormig magnetisch veld wentelt in spiralen rond het plasma en sluit het zeer effectief op. De gemakkelijkste manier om een poloïdaal veld te genereren is met een plasmastroom.

Deze op zijn beurt wordt gegenereerd wanneer de plasmadeeltjes bewegen in de ring rond de toroïdale veldlijnen – waarbij elektronen en ionen bewegen in tegengestelde richtingen. Zoals bij een draad, creëert die stroom een ringvormig magnetisch veld rond zichzelf. Het wordt geïnduceerd door een transformator waarin het plasma zelf zich gedraagt als een secondair spoel rond een grote primaire spoel (de binnenste poloïdale veldspoelen). Omdat het plasma de neiging heeft om verticaal af te drijven, wordt een bijkomend magnetisch veld gecreëerd door de buitenste poloïdale veldspoelen om de positie en vorm van het plasma te regelen.

2) Opwarming

Om het plasma op te warmen tot 100-200 °C, gebruiken fusiewetenschappers drie aanvullende systemen (Figuur 5).

Figuur 5: Opdat een plasma
een temperatuur van
100-200 miljoen °C zou
bereiken, worden drie
aanvullende systemen voor
verwarming gebruikt:
ohmsche verwarming,
injectie van een neutrale
bundel en radiofrequentie
verwarming. Klik op de
afbeelding om die te
vergroten
.
Figuur met dank aan EFDA
  1. De plasmastroom produceert zelf warmte (ohmse verwarming) – op dezelfde manier als dat een draad opwarmt wanneer een elektrische stroom erdoor vloeit.
  2. Bundels van hoogenergetische deeltjes, meestal waterstofatomen, worden geïnjecteerd in het plasma, waarbij ze hun energie overbrengen naar de plasmadeeltjes via botsingen (denk aan een snelle biljardbal botsend tegen een tragere bal, die dan versnelt). De deeltjesbundel wordt gegenereerd door ionen te versnellen met hoge spanning. Omdat geladen deeltjes niet kunnen binnendringen in het magnetisch veld rond het plasma, worden ze veranderd in neutrale atomen vóór de injectie.

In de praktijk is dit geen gemakkelijke taak. Om de deeltjes de noodzakelijke sneheid te geven, maakt een deeltjesversnelller gebruik van de aantrekkende kracht die een hoge spanning uitoefent op een geladen deeltje (of ion). Enkel ongeladen (neutrale) deeltjes kunnen echter het magnetisch veld rond het plasma binnendringen, zodat de (ongeladen) waterstofatomen eerst moeten ontdaan worden van hun elektronen, versneld en dan terug geneutraliseerd vóór injectiew3.

  1. Antennes in de wand van het vat worden gebruikt om elektromagnetische golven met bepaalde frequenties te laten lopen in het plasma. Deze veroorzaken dat de op spiralen bewegende plasmadeeltjes resoneren en de golfenergie absorberen.

Waarom duurt het zo lang eer we beschikken over fusieenergie?

Zullen energiecentrales in de
toekomst werken op fusie?

Figuur met dank aan Khánh
Hmoong; Bron: Flickr

In de jaren zeventig, dachten de wetenschappers dat eens dat ze het plasma voldoende konden opwarmen en konden zorgen voor magnetische velden die groot genoeg waren, ze fusieenergie zouden kunnen bekomen. Maar het plasma bleek heel onstabiel te zijn en heel wat meer energie te verliezen dan ze verwacht hadden. Sindsdien, hebben wetenschappen de fysica achter deze fenomenen onderzocht en methodes ontwikkeld om die instabiliteiten te beheersen. Als, zoals verwacht, ITER uiteindelijk een netto surplus aan fusievermogen genereert, zullen deze problemen als opgelost kunnen beschouwd worden en zou de eerste fusiecentrale in werking kunnen treden rond 2050.

 

Fusie energie

De fusie van een tritium (T) en een deuterium (D) kern maakt 17,6 MeV aan energie vrij, waarvan 80% – 14,1 MeV – meegevoerd wordt door het neutron en kan gebruikt worden om elektriciteit te produceren. De fusie van 1 kg D met 1,5 kg T (de massa van T is 1,5 keer die van D) geeft 14,1/(2*1,67262·10-27) = 4,2 ·1027 MeV, in acht nemend dat een D kern bestaat uit een proton en een neutron, elk met een massa van 1,67262·10-27 kg.

Een kilogram van D bevat 3·1026   kernen (een D kern bevat een neutron en een proton, elk met een massa van 1,6·10-27 kg). De fusie van 1 kg van D (met 1,5 kg van T, omdat de massa van T 1,5 keer die is van D) resulteert daardoor in 3·1026 fusiereacties en levert 14,1 x 3·1026  = 4,2·1027 MeV energie.

Een fusiecentrale met een rendement van 40% kan 70 GWh elektriciteit (waarbij 1 eV = 1,61·0-19 J of Ws) genereren met 1 kg D, genoeg om gemiddeld 20 huishoudens in een geïndustrialiseerd land van elektriciteit te voorzien.

Deuterium kan bekomen worden uit zeewater, dat 35 gram bevat per kubieke meter. Tritium wordt niet in grote hoeveelheden gevonden in de natuur maar kan bekomen worden uit het lichte metaal lithium, met behulp van enkele neutronen geproduceerd in de fusiereactie:

6Li + n => 4He + 3H + energy

of uit een gelijkaardige reactie met 7Li. De meeste van de mineralen op aarde bevatten lithium, 2,3 kg ervan levert 1 kg tritium. Een fusiecentrale die 1 GW electriciteit produceert (een vermogen  gelijkaardig met deze van nucleaire fissiecentrales) zal 150 kg T en 100 kg D gebruiken per jaar.

Meer over EFDA-JET

Als  joint venture, wordt JET gezamelijk gebruikt door meer dan 40 europese fusielaboratoria. Het European Fusion Development Agreement (EFDA) voorziet in het platform om JET uit te baten met meer dan 350 wetenschappers en ingenieurs van over gans Europa die nu bijdragen tot het JET programma.

EFDA-JET is een lid van EIROforumw4, de uitgever van Science in School.

Dankbetuiging

We wensen onze dank te betuigen aan Örs Benedekfi, vroeger hoofd van de voorlichting van het publiek van EFDA, voor zijn bijdrage aan dit artikel.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – Op het  Science on Stage internationaal onderwijsfestival in 2007, won Zoltán Köllö een prijs voor zijn eenvoudige demonstratie van nucleaire fusie en de Coulomb barrière waarbij hij gebruik maakte van koppel van waterdruppels en de onderkant van een drinkbeker. Om te vernemen hoe je dat doet, zie: www.esa.int/SPECIALS/Science_on_Stage/SEMRE58OY2F_0.html
    • Om meer te weten te komen over Science on Stage, het network van europese leraars wetenschappen, zie: www.scienceonstage.eu
  • w2 – Om meer te vernemen over fusie, fusiereactors en EFDA-JET, zie: www.efda.org
  • w3 – Voor meer details over hoe deeltjesbundels met hoge energie geproduceerd worden, zie de EFDA website (www.efda.org) of gebruik de directe link: http://tinyurl.com/neutralbeam
  • w4 – Om meer te vernemen over EIROforum, zie: www.eiroforum.org

Resources

  • Om meer te weten te komen over fusie in de zon, zie:
  • Voor een diepgaand overzicht van fusieresearch in Europa, met inbegrip van achtergrondinformatie over plasmafysica en reactortypes, en eveneens wondermooie animaties en videos, zie: www.efda.org
  • Om te weten te komen hoe wetenschappers per toeval plasma creëerden in hun microgolfoven, en hoe ze het gebruikten voor hun reseach, zie:

Institution

EUROfusion

Author(s)

Dr Christine Rüth is de uitgever van de EFDA nieuwsbrief Fusion in Europe. Ze behaalde haar fysica PhD in het domein van klimaatresearch en vindt het interessant nu betrokken te zijn bij het zoeken naar klimaatvriendelijke oplossingen voor energie. Na gewerkt te hebben als fysicus in de industrie, behaalde ze een masterdiploma in wetenschapcommunicatie en werkt sindsdien als wetenschap en technologie communicator.


Review

Dit artikel beschrijft de research in verband met het produceren van elektrische energie bij de fusie van lichte atoomkernen – zoals ook de zon dat doet. Het geeft leraars fysica of wetenschap een gedetaileerd overzicht van hoe fusie werkt, en wat de uitdagingen zijn om energie te produceren in een fusiecentrale.

De problemen van het veranderen van het klimaat en het broeikasteffect maken dat vele landen het probleem moeten oplossen hoe hernieuwbare energie te produceren op een duurzame manier. Dit artikel kan daarom niet alleen gebruikbaar zijn voor fysicalessen, maar ook voor biologie, aardrijkskunde en taallessen.

Het artikel kan discussies stimuleren over een breed bereik van vragen, met inbegrip van:

  • Hoe werkt fissie?
  • Waarom, zelfs na 30 jaar research, zijn we nu nog niet energie aan het produceren in fusiecentrales? Welke zijn de uitdagingen?
  • Wat zouden de voordelen kunnen zijn van het gebruik van fusiereactors?
  • Is de productie van energie door fusie duurzaam?

Gerd Vogt, Hogere Secundaire School voor Milieu en Economie, Yspertal, Oostenrijk




License

CC-BY-NC-ND