Fusion Road Show. Fusie zon op aarde

Transcriptie

1 Fusion Road Show Fusie zon op aarde

2 Fusie Van belofte naar realiteit Tony Donné FOM-Instituut DIFFER TU Eindhoven KIVI NIRIAm Den Haagh

3 Gas 20.5% Duurzaam 0.5% Biomassa en afval 10% Waterkracht 2.2% Kernsplijting 6.3% Wereld energiegebruik IEA 2007, REN 2006 Kolen 25.1% Zonnecellen 0.004% Getijden/golf 0.002% Zonnewarmte 0.11% Olie 35.4% Geothermisch 0.24% Wind 0.10%

4 Kernsplijting n U 3n + fragmenten

5 Fusie deuterium + tritium helium + neutron

6 Wereldbevolking (Miljard) Nu Energie 10 Bevolking Jaar

7

8 Wereldbevolking (Miljard) Nu Energie CO 2! 10 Bevolking Olie Jaar

9 Schone energie? Wind Zon Waterkracht Golfenergie Biomassa Kernsplijting Geothermisch CO 2 -opslag

10 Europe, USA, Japan, China, Russia, S-Korea and India willen fusie: Geen CO 2, schoon, veiligheid Brandstof alom voorradig Geen proliferatie issue Nadeel... Fusie is onmogelijk NASA

11 Europe, USA, Japan, China, Russia, S-Korea and India willen fusie: Geen CO 2, schoon, veiligheid Brandstof alom voorradig Geen proliferatie issue Nadeel... Fusie is moeilijk NASA

12 brandstof: waterstof temperatuur: ~150 miljoen C de D en T kernen die moeten versmelten stoten elkaar af

13 De 7 onmogelijkheden van fusie

14 10 heter dan de zon 1

15 2 Zonnevlammen beheersen

16 3 Thermische isolatie nagenoeg perfect

17 4 Materialen die je op de zon kunt leggen

18 5 Bombardement van neutronen

19 6 Brandstofcyclus Tritiumproductie

20 7 ITER: 34 landen onderdelen

21 10 heter dan de zon 1

22 Deuterium en Tritium Verhitting

23 Plasma Verhitting aan

24

25 2 Zonnevlammen beheersen

26 Heet plasma Verhitting hoog

27 Magnetron Heet plasma Verhitting hoog

28 De Torus

29 Plasma verhitting Resultaat: temperaturen van miljoen K zijn relatief eenvoudig te maken

30 JET

31 JET

32 JET

33

34 MAST (Culham, UK)

35 Onderzoek aan magnetische opsluitingsconcepten

36 The winner: the tokamak Sixties: exploring magnetic confinement configurations

37 Conceptverbetering gaat door Spherical Large Stellarator Helical Tokamak Device (W7-X, (MAST, (LHD, Germany) UK) Japan)

38 Progress in fusion ITER Nett energy gain: P fusion = 10 P in Demonstration of technical principles new regime JET (and other machines) Break-even: P fusion = P in Emphasis on physics understanding

39 3 Thermische isolatie nagenoeg perfect

40 Ohmse verhitting: vermogen gekoppeld aan het opsluitende veld? 12 Ohmic 0 W total heating power plasma radius

41 Additionele verhitting: ontkoppel verhitting & opsluitend B-veld? 12 Ohmic Additionele verhitting total heating power 0 W plasma radius

42 Gyro code; Jeff Candy (GA)

43 Hete plasma s hebben een rijke structuur Transport door plasma fluctuaties Lagere performance

44 ASDEX: ontdekking van high confinement mode.? 12 H H transport barriere Ohmic L L Additionele verhitting total heating power 0 W plasma radius

45 Ontdekking van interne transport barrieres? 12 H H transport barriere Ohmic L L Additionele verhitting total heating power 0 W plasma radius

46 Turbulentie controle

47 Turbulentie controle Bart Hennen

48 Turbulentie controle Excitatie en onderdrukking van een instabiliteit

49 De 7 uitdagingen

50 Power multiplication Multiplication power Hoge T, stabiele opsluiting, goede thermische isolatie 10 Target ITER Fusion: power multiplication factor doubles every 1.8 years Pentium 4 Merced P Pentium Pro P6 Pentium P Moore s law: number of transistors doubles every 2 years

51 Power multiplication Multiplication power Hoge T, stabiele opsluiting, goede thermische isolatie 10 Target ITER Fusion: power multiplication factor doubles every 1.8 years Pentium 4 Merced P Pentium Pro P6 Pentium P Moore s law: number of transistors doubles every 2 years

52 4 Materialen die je op de zon kunt leggen

53 Thermische belasting Rolls Royce Trent 900 ITER steady-state ITER transients ~1 < Power load [MW/m 2 ] HWR Ariane 5/Vulcain 2 Re-entry vehicle

54 Scrape-off laag ~ 2 cm dik Vermogensdichtheid 1 GW/m 2

55 Hoe kan 1 GW/m 2 worden gereduceerd tot hanteerbare waarde? Keuze van de geometrie van de divertor Straal 90% van het vermogen weg Ontkoppel het plasma in de divertor (T<10 ev) JET

56

57 Plasma wand materialen: vele uitdagingen Erosie Redepositie Tritium retentie Smelten Plasmavervuiling Materiaalkeuze: Koolstof, Wolfraam, Beryllium. Belangrijke randvoorwaarden: neutron fluentie activatie

58 Alcator C-Mod (MIT)

59 Depositie van koolstof in TEXTOR (FZ-Julich) 50 micron

60 Erosie/redepositie Reflectivity for eroded mirrors V. Voitsenya, Rev. Sci. Instrum. 76 (2005) Material eroded away elsewhere can be redeposited on mirrors M. Rubel, 18 th ITPA Diagnostics meeting Courtesy: A. Litnovsky

61

62

63

64

65 High-power linear plasma generators at FOM (NL): operationeel: Pilot-PSI In aanbouw: Magnum-PSI

66

67 MAGNUM-PSI First super-conducting linear plasma simulator: steady state 3T 10 MW/m 2 G D =10 24 m -2 s -1 Water cooled target (100 kw) Water cooled wall (50 kw/m 2 ) Modular plasma source Roots blowers: m 3 /h Turbo: 4400 l/s Large targets (60 x 12 cm) up to 100 kg Separate target analysis chamber In-situ transfer from exposure to analysis chamber in 30 s

68 MAGNUM-PSI

69 MAGNUM-PSI Superconducting Magnet Diagnostics Plasma beam Target position Movable source RF heating Thomson Scattering

70 5 Bombardement van neutronen

71 Hoge deeltjesfluxen JET ITER 50 hogere ionenflux 5000 hogere ionenfluentie > 10 5 hogere neutronenfluentie

72 Nieuwe fenomenen voor diagnostieken Magnetic coils Radiation Induced Conductivity (RIC) Radiation Induced Electric Degradation (RIED) Radiation Induced Electromotive Force (RIEMF) Bolometers RIC Nuclear Heating Sputtering Contact degradation Differential swelling and distortion Pressure gauges RIC RIED Filament aging Neutron cameras Noise due to -ray, proton, Radiation damage on solid state detectors Optical diagnostics Mirror Deposition, erosion Swelling, distortion Window Permanent transient absorption Radioluminescence Swelling, distortion Impurity monitoring Mirror and windows same as above Fibers Permanent transient absorption Radioluminescence

73 Stralingsgeinduceerde absorptie en emissie E.R. Hodgson Stralingsgeinduceerde Emissie (RL or RIE) van twee typen quartz fibers in gammastralingsveld van 700 Gy/s Refractieve componenten kunnen niet dicht bij plasma worden gebruikt Stralingsgeinduceerde Absorptie (RIA) door neutronenstraling

74 Transmutatie was een issue voor weerstandsbolometers met Au meanders (transmutatie naar Hg) Transmutatie Goede resultaten met Pt meanders

75 radiation damage (dpa) Materiaalontwikkeling 200 fusion power plant Gen IV Fission Gen II Fission 0 ITER 0 Temperature (C) 1200

76 IFMIF - International Fusion Materials Irradiation Facility creep testing

77 6 Brandstofcyclus Tritiumproductie

78 Tritium moet minstens 1000 worden gebruikt zonder gevangen te worden Pb-17Li inlet Plasma Pb-17Li outlet First wall

79 7 ITER: 34 landen onderdelen

80 ITER in bouw is onderweg

81 Seismic Isolation Pads

82 Poloidal Field Coil Winding Facilicity Building

83 ITER Headquarters opened 15 October 2012

84

85

86 ITER vacuum vessel more heavy than the Eiffel tower

87 Neutral Beam heating

88 ITER cryogenic system

89 Superconducting cables

90 Cooling system

91

92

93 ITER is een wereldwijd project Bouwkosten: 12 miljard Euro Eerste experimenten: 2020 ITER Energieproductie: 500 MW Energievraag: 50 MW

94 De toekomst? JET ITER DEMO Fusion power

95 Aziatische landen hebben zeer agressief programma

96 De 7 onmogelijkheden van fusie OK ITER ITER IFMIF ITER ITER MAGNUM ITER

97 The End Dank aan: Niek Lopes Cardozo Gieljan de Vries

98 Verdieping: Veiligheid Wanneer komt het, wat kost het? Andere vormen van fusie Economie wat bepaalt de kostprijs?

99 Komt fusie op tijd?

100 Groei van diverse energiebronnen (G.J. Kramer, Nature 2009)

101 Fusie tov andere bronnen Courtesy N.J. Lopes Cardozo

102 Veiligheid Fusie is géén kettingreactie Brandstof voor paar seconden

103 Veiligheid Waterstof en helium zijn ongevaarlijk Géén vervoer radioactieve stoffen tijdens bedrijf Géén lang-levend kernafval Géén uitstoot broeikasgas

104 Kernfval Kernsplijting Kernfusie Kolenas

105 Economie: electriciteitskosten fusion specific Most of the plant is conventional, not fusion specific!

106 Economie: electriciteitskosten Samenstelling van directe kosten Brandstofkosten bedragen slechts 0.5%!

107 Economie: electriciteitskosten Kosten voor diverse componenten Belangrijkste kosten: Mantel Supergeleidende spoelen Site+gebouwen

108 Economie: electriciteitskosten The plant must be an affordable, reliable, maintainable energy source and all of these factors are contained in the cost of electricity: coe = [C AC + (C O&M + C SCR + C F ) * (1 + y) Y + C D&D, where (8760*P E * P f ) C AC is the annual capital cost charge (total capital cost x Fixed Charge Rate) C O&M is the annual operations and maintenance cost Minor Effect (salaries, equip) C SCR is the annual scheduled component replacement cost Minor Effect (cost, life) C F is the annual fuel costs y is the annual escalation rate Y is the construction and startup period in years P E is the net electrical power (MWe) P f is the plant capacity factor Major Effect C D&D is the annual decontamination and decommissioning converted to mills/kwhr

109 Economie: electriciteitskosten Schaling van kosten met capaciteit A: Availability h th : thermodynamic efficiency b N : normalized plasma pressure N: normalized plasma density

110 Economie: beschikbaarheid Availability = Operational Time Operational Time + Scheduled Down Time + Unscheduled Down Time Operational Time is the power production time over a set period of time. Scheduled Down Time is the sum of regularly scheduled maintenance periods for the power core, other reactor plant equipment, and balance of plant equipment Unscheduled Down Time is the summation of maintenance times to repair unexpected operational failures that cause the plant to cease power production

111 Permanent 5-6 year 2 year Coolant manifold Magnet Blanket Cold shield Divertor Vessel (Power Plant Conceptual Study)

112 Economie: beschikbaarheid Snelle warmteverliezen beperken de levensduur van ITER 8.5MJ Transient heat losses of 1 ms duration are caused by edge instabilities (so called ELMs) Large ELMs are unacceptable Energy loss from plasma due to transients Mode of Operation should avoid ELMs

113 Economie: beschikbaarheid Beschikbaarheid moet groeien via ITER, DEMO tot een fusie-elektriciteitscentrale P r o j e c t i o n o f E l e c t r i c P l a n t A v a i l a b i l i t y Fission, Fossil Now F P P O p e r a t i o n? 5 0 DEMO I T E R O p e r a t i o n

114 Andere vormen van fusie

115 Traagheidsopsluiting (laserfusie)

116 Magnetized Target Fusion

117 Muon-gekataliseerde fusie

118 Confusie Koude fusie Fusor Bubble fusion Bolbliksem