Europaudvalget 2004-05 (2. samling)
2665 - konkurrenceevne Bilag 6
Offentligt
Medlemmerne af Folketingets Europaudvalg
og deres stedfortrædere
Bilag
1
Journalnummer
400.C.2-0
Kontor
EUK
9. august 2005
I opfølgning af mødet i Folketingets Europaudvalg den 3. juni 2005 -
rådsmødet (konkurrenceevne) den 7. juni 2005 vedlægges Videnskabs-
ministeriets notat om fusionsforskning.
 PDF to HTML - Convert PDF files to HTML files
2
Notat om Fusionsenergi
21. juni 2005
Indhold
1
2
3
4
5
6
7
Synopsis ................................................................................................................. 2
Hvad er fusionsenergi? .......................................................................................... 3
Fusionsforskningens mål, standpunkt og udvikling............................................... 3
Målene med ITER .................................................................................................. 5
Erfaringsbase og forudsigelser ............................................................................... 6
Sikkerhed og miljø ................................................................................................. 7
Det Europæiske fusionsprogram ............................................................................ 7
1 Synopsis
Solens energi kommer fra fusion. Målet med fusionsforskningen er at udvikle
kraftværker baseret på fusion til produktion af elektricitet og eventuelt brint
til en fremtidig brint økonomi. Fusionsenergi er sikker, fri for CO
2
-emission
og i praksis uudtømmelig. Fusion er en kernereaktion men produkterne af
fusionsreaktionen er ikke radioaktive så der er ikke noget radioaktivt brugt
brændsel. Reaktionen bestråler de strukturer der omgiver fusionen så der
efterlades radioaktivt maskineri og byggeri efter endt energiproduktion. Efter
ca. 50 år er denne radioaktivitet dog faldet til et niveau der ligger under
niveauet i slaggerne fra en tilsvarende energiproduktion med kul. Endvidere
forventes en stor grad af genanvendelse mulig.
Udviklingen af fusionsenergi har gjort store fremskridt de sidste 30 år. Denne
udvikling er godt illustreret af forøgelsen af fusions-brændstoffets tryk og af
hvor godt brændstoffet er isoleret fra omgivelserne. Tilsammen danner disse
størrelser en central indikator for hvor langt udviklingen af fusionsenergi er
nået. I 1970 var denne indikator 1 million gange mindre end krævet for et
fusionskraftværk. I år 2000 var samme indikator kun 10 gange for lille.
Fusionsindikatoren var med andre ord blevet 100.000 gange større på 30 år.
Til sammenligning blev regnekraften i computere i samme periode 10.000
gange større. Fortsættelse af udvikling af fusion afventer nu ibrugtagningen
af ITER, et kraftigere og mere avanceret fusionseksperiment. Det forventes
at den sidste forbedring på 10 gange hentes på ITER.
I 1991 blev der for første gang udviklet over 1 Megawatt fusionsenergi i et
kraft-værksrelevant fusionseksperiment. Det var på det Europæiske
fusionsforsknings-center JET. I 1998 nåede JET en fusionseffekt på 16
Megawatt. Målet med ITER er 500 Megawatt fusionseffekt og netto
energiproduktion.
Udover forbedringen i fusionsindikatoren, har de sidste 30 års
fusionsforskning udforsket store dele af fysikken bag fusionsenergi så der nu
er en god basis for at forudsige hvad der skal til for at lave et
fusionskraftværk. Et centralt mål for ITER er at afdække de sidste dele af
 PDF to HTML - Convert PDF files to HTML files
195485_0003.png
3
fysikken bag fusion og dermed verificere og eventuelt tilrette ideerne om
hvordan et fusionskraftværk skal bygges.
2 Hvad er fusionsenergi?
Energiudvikling på solen og andre stjerner skyldes fusion (sammensmeltning)
af det lette element brint til det tungere element helium. Målet med
fusionsforskningen er at udnytte fusionsenergi i kraftværker på jorden til
produktion af elektricitet og eventuelt til produktion af brint til brug i en
fremtidig brintøkonomi.
De første fusionskraftværker vil benytte fusion af de tunge versioner af brint,
kaldet deuterium og tritium. Herved produceres almindeligt helium samt en
neutron. Mens deuterium findes i alt vand, må tritium producers på
kraftværket. Det skal gøres ved at indfange neutroner med det lette metal
litium, hvorved der produceres tritium og helium. Fusionsprocessen er
skitseret i Figur 1.
Figur 1 Deuterium (tungt brint) og tritium (ekstra tungt brint) fusionerer og
producerer helium og en neutron. Tritium produceres ved at neutronen
indfanges af det lette metal litium.
Brændstoffet til et fusionskraftværk er deuterium, der kan udvindes af
havvand, samt litium, der findes jævnt fordelt i jordskorpen. 50 gram litium,
en klump på størrelse med to fingre, og 400 liter vand, indholdet af et
soppebassin, kan ved fusion omdannes til lige så meget energi som over 300
tons olie eller indholdet af 10 olietankbiler. Denne energimængde svarer til
mere end en danskers samlede energiforbrug gennem et helt liv. Reserverne
af litium rækker til at dække jordens samlede energiforbrug i millioner af år.
Reserverne af deuterium i vand rækker endnu længere. Med en senere
generation a fusionskraft, der udelukkende kører på deuterium, er der
reserver til milliarder af år, længere end solens og jordens resterende levetid.
3 Fusionsforskningens mål, standpunkt og udvikling
Kommerciel udnyttelse af fusionsenergi kræver at brændstoffet, en gas af
deuterium og tritium, opvarmes til 200 millioner grader og sammentrykkes til
et tryk på 10 atmosfære for at give en tæthed på 10
20
brændstofatomer per
 PDF to HTML - Convert PDF files to HTML files
4
kubikmeter. Ved den temperatur ioniseres gasserne, de bliver til et plasma, og
kan da fastholdes og sammentrykkes i magnetfelter.
Fusionsforskningen har nået den krævede temperatur på 200 millioner grader
og den krævede tæthed på 10
20
brændstofatomer per kubikmeter. Dog er
begge ikke nået samtidig. Produktet af temperatur og tæthed (T gange
n),
der
har dimension af tryk, skal op på 10 atmosfære og er i dag på cirka 6
atmosfære. De opnåede temperaturer og tætheder førte i 1991 til at der for
første gang blev udviklet over 1 Megawatt fusionsenergi i et
kraftværksrelevant fusionseksperiment. Det var på det Europæiske
fusionsforskningscenter JET. I 1998 nåede JET en fusionseffekt på 16
Megawatt.
Brændstoffet, eller plasmaet, holdes varmt af en del af energiudviklingen i
fusions-processerne og ved ekstern opvarmning, hvor energi sendes tilbage
til plasmaet udefra. I et kraftværk skal den producerede fusionsenergi være
meget større end den energi der bruges til ekstern opvarmning. Forholdet
mellem disse kaldes effekt-forstærkningen,
Q.
I et kraftværk vil det være
hensigtsmæssigt at
Q
er ca. 30. Behovet for ekstern opvarmning afhænger af
hvor hurtigt plasmaet taber sin varme. Et mål for dette er energi-
indeslutningstiden,
, der er den tid det tager plasmaet at køle af hvis al
opvarmningen slukkes. For at holde behovet for ekstern opvarmning på et
rimeligt niveau og nå en effektforstærkning på 30 er det nødvendigt at
er
mindst 6 sekunder. I dag er
cirka 1 sekund.
Hermed er de centrale krav til plasmaet i et fusionskraftværk lagt frem:
temperatur
T
på 200 millioner grader celsius, tæthed af brændstof
n
på 10
20
brændstofatomer per kubikmeter og en energi-indeslutningstid
på 6
sekunder.
Værdien af produktet af de tre størrelser
n
T
(n gange
gange
T)
er en god
indikator for hvad fusionsforskningen skal nå, hvor den er og hvad dens
udvikling har været. Denne indikator skal op på 60 atmosfæresekunder og
var i år 2000 på 6 atmosfæresekunder, 10 gange mindre end målet. I 1970
var den samme indikator 1 million gange mindre end målet. Over 30 år var
denne indikator for fusions-forskningens stade altså blevet 100.000 gange
større. Til sammenligning blev computeres regnekraft i samme periode
10.000 gange større. Udviklingen er skitseret i Figur 2. De blå punkter
markeret med navne som T3, PLT, JT60-U og JET repræsenterer opnåede
værdier for fusionsindikatoren ved forskellige eksperimenter med de
pågældende navne i Rusland, USA, Japan og Europa.
 PDF to HTML - Convert PDF files to HTML files
195485_0005.png
5
ITER
n
T
Årstal
Figur 2 Udviklingen i mål for ydeevne. I blåt: fusionsplasmaer, fordobling
hver 18. måned. Punkterne repræsenterer opnåede værdier for
fusionsindikatoren ved forskellige eksperimenter med de angivne navne
(fx T3, PLT og JET). I rødt: computere, fordobling hver 24. måned. I
grønt: partikelacceleratorer, fordobling hver 3. år.
Denne udvikling af fusionsplasmaer baserede sig på at ny viden fra store og
små faciliteter førte til stadig bedre udnyttelse af de førende eksperimentelle
faciliteter, og når forbedringsraten tog af på de førende faciliteter blev nye
mere avancerede faciliteter bygget. Siden år 2000 er forbedringsraten på de
førende faciliteter, JET og JT60 taget af. Fortsættelse af udviklingen af
fusionsplasmaer afventer nu ibrugtagning af ITER, næste generation af
fusionseksperiment. Et design for ITER lå faktisk klar i begyndelsen af
1990’erne så et nyt ITER ville have kunnet stå klart nu og udviklingen i
fusionsplasmaerne fortsat. Politiske forhandlinger har udskudt beslutningen
om at bygge ITER hvilket har forsinket udviklingen af fusionsenergi.
4 Målene med ITER
ITER skal demonstrere at vi kan skabe et fusionsplasma af den kaliber der
kræves i et kraftværk. Fusionseffekten skal nå op på 500 Megawatt hvilket
svarer til den termiske effekt i et mindre kulkraftværk, og
effektforstærkningen,
Q,
skal nå op på 10. Plasmaet i ITER vil hovedsageligt
blive opvarmet ved sin egen fusionsenergi hvilket giver adgang til at checke
og forbedre vores forståelse af det sidste og afgørende område af fysikken
bag fusionsenergi.
Endvidere skal ITER hjælpe til udvikling af tekniske systemer i et
fusionskraftværk samt afprøve materialer til brug i konstruktionen af samme.
 PDF to HTML - Convert PDF files to HTML files
195485_0006.png
6
5 Erfaringsbase og forudsigelser
ITER er groft sagt dobbelt så stor som JET, det førende fusionseksperiment
i dag. ITER repræsenterer hermed et skridt fremad der er lige så stort som da
JET i 70’erne blev designet. Selv om JET har afdækket megen ny fysik har
JET nået de mål der blev sat da det blev designet.
Designet af ITER og forudsigelserne af dens ydeevne er baseret på de
erfaringer der er samlet de sidste 30 år med en bred vifte af
fusionseksperimenter, store som små. Eksperimenter der på de fleste punkter
adskiller sig fra hinanden mere end JET adskiller sig fra ITER. På basis af
disse erfaringer er matematiske modeller af fusion blevet udviklet med det
formål at kunne forudsige hvad mere avancerede fusionsfaciliteter vil yde.
Disse modeller skal selvfølgelig korrekt kunne repræsentere de eksisterende
eksperimentelle observationer. Et eksempel på en sådan model, holdt op
imod eksperimentelle målinger, er vist i Figur 3. Denne model benyttes til at
forudsige energi-indeslutningstiden i ITER, den centrale parameter der skal
forbedres med ITER.
Sikkerheden af sådanne forudsigelser afhænger helt af hvor langt ud over det
kendte der forudsiges og af hvor stort erfaringsgrundlaget er. Det ses at
eksperimentelle erfaringer gjort på JET de sidste 20 år (sorte cirkler i figuren)
repræsenterer godt en tredjedel af erfaringsgrundlaget og halverede, groft
sagt, afstanden til ITER.
ITER
Eksperime
nt
Energi-
indeslutnings
-tid
Fusions-
eksperiment
er
Model
Figur 3 For alle typer plasmaer på en række fusionseksperimenter, store
som små, er målte værdier af energi-indeslutningstiden plottet imod
værdier beregnet ved hjælp af en og samme matematiske model. Det ses at
model-beregningerne er i fin overensstemmelse med målte værdier.
 PDF to HTML - Convert PDF files to HTML files
7
Model-beregningen bruges til forudsigelse af energi-indeslutningstiden i
ITER.
6 Sikkerhed og miljø
Fusionskraft er baseret på kernereaktioner og medfører radioaktivitet. Et
fusions-kraftværk kan ikke komme ud for en nedsmeltning; hvis kontrollen
mistes med plasmaet, hvor fusion finder sted, vil plasmaet ramme vægen, der
omslutter plasmaet. Herved afkøles plasmaet prompte, og fusionsprocesserne
stopper. Tritium benyttes i fusionsreaktionen og produceres på kraftværket.
Tritium er radioaktivt med en levetid på 12 år. Det er sundhedsfarligt, hvis
det kommer ind i kroppen. I reaktionskammeret vil der være ca. 1 gram
tritium, mens der i eksterne systemer rundt om reaktoren vil være nogle få kg
tritium. Ved ulykker, hvor bygninger beskadiges, kan udslip af tritium finde
sted. Ved den værst tænkelige ulykke, inklusive terror med store fly, vil det
dog ikke være nødvendigt med evakuering uden for kraftværkets område.
Energiproduktionen er fri for CO
2
-emmision. Produkterne af
fusionsreaktionen er ikke radioaktive, så der er ikke noget radioaktivt brugt
brændsel. Reaktionen bestråler de strukturer, der omgiver fusionen, så der
efterlades radioaktivt maskineri og byggeri efter endt energiproduktion. Efter
50 år er denne radioaktivitet dog faldet til et niveau, der ligger under niveauet
i slaggerne fra en tilsvarende energiproduktion med kul, og det forventes at
en stor grad af genanvendelse er mulig. Fusionsenergi giver derfor ikke
anledning til væsentlige affaldsproblemer.
Et rentabelt fusionskraftværk vil formodentligt producere 1.5 Gigawatt
elektrisk. Med Danmarks eksisterende energiforbrug og under antagelse af at
en brintøkonomi er etableret, og at brinten hertil skal produceres uden CO
2
emission, ville dækning af Danmarks energibehov med fusion kræve 15 til 20
fusionskraftværker.
7 Det Europæiske fusionsprogram
Det Europæiske fusionsprogram udføres af forskningscentre i Europa, der
har indgået associeringsaftaler med EURATOM. Gennem
associeringsaftalerne sikres det at fusionsforskningen er koordineret og at
Europa har et integreret og sammenhængende program med effektiv
kvalitetssikring. En række forskningscentre uden associeringsaftaler deltager i
programmet via associerede centre. I Danmark har Risø en associeringsaftale
og kan derfor fungere som brohoved til deltagelse i fusionsprogrammet.
Associeringerne deltager i udviklingen af ITER og driver JET i fællesskab.
Associeringsaftalerne tilgodeser også en fælles udnyttelse af større faciliteter i
nationale forskningscentre. Koordineringen og den åbne adgang til
Europæiske faciliteter gør det muligt for mindre fusionsgrupper, som den
Danske, at koncentrere indsatsen om få emner og samtidig få denne
specialiserede indsats integreret i en effektfuld sammenhæng. Endvidere giver
deltagelsen i fusionsprogrammet adgang til hele programmets set af
kompetencer og dermed til hurtigere udbygning af kompetencer lokalt,
hvilket fusionsgruppen på Risø har draget stor fordel af. EURATOM
 PDF to HTML - Convert PDF files to HTML files
195485_0008.png
8
medfinansierer forskningen i nationale centre med 20 % generelt og 40 %
ved visse større investeringer.
Eventuelle spørgsmål kan rettes til
Henrik Bindslev
Programleder
Plasmafysik og - teknologi
Afdelingen for Optik og Plasmaforskning
Forskningscenter Risø
Telefon: 4677 4531
e-mail:
[email protected]
web:
www.risoe.dk/ofd/people/hebi.htm