Kernfusie, een zon op aarde Mark-Tiele Westra 19 april 2004 FOM-Instituut voor Plasmafysica ‘Rijnhuizen’ Kernfusie, een zon op aarde Mark-Tiele Westra 19 april 2004

Inhoud De toekomst van de energievoorziening Kernenergie Onderzoek naar kernfusie Fusie als energiebron

Het wereldwijde energiegebruik neemt snel toe Bevolkingsgroei Snelle ontwikkeling, bijv. India, China

Wereld-energiegebruik IIASA B-scenario 1600 “Zuid” 1400 China, India, … “Noord” 1200 1000 Energieconsumptie (EJ) 800 600 400 200 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Jaar

Renewable 0.57% Traditional 6.4% Hydro 6.6% Nuclear 6.0% Coal 21.8% Geothermal 0.12% Wind 0.04% Biomass 0.4% Solar 0.009% Gas 21.1% Oil 37.5% ENG: ‘Here we have a diagram about global energy production in the year 2000’ ‘Currently we derive our energy from: OIL (37.5 percent), GAS (20 percent), and COAL (22 percent). 80% of our energy is derived from these so called FOSSIL resources who cause greenhouse gasses.’ ‘6 Percent is derived from NUCLEAR (fission), 7 percent from HYDRO – energy from water power which is limited in capacity, about 6.5 percent is coming from TRADITIONAL: a lot of people living in rural areas burn wood and cook on open fires’ ‘At the moment the RENEWABLE energy sources account for just more then HALF a percent’ ‘Renewables consist for a big portion of biomass. We see from this top slice that energy from WIND and SOLAR are still in the sub percentage range: they HARDLY contribute to the global energy production yet.’ But they have potential to grow to a significant portion of say 10 – 20 percent. Mind you: this rise in contribution will take SEVERAL DECADES, which is just NORMAL to any new energy technology.’ NL: Laten we eens kijken hoe deze bronnen zich verhouden tot ons totale energieverbruik van tegenwoordig. Olie, gas en kolen maken nog steeds zo’n 80% van onze energiebronnen uit. Kernsplijting telt wereldwijd voor 6 procent, Waterkracht is daar ongeveer gelijk aan maar daar zit een natuurlijk plafond aan vast, ‘Traditional’ is wat mensen in rurale gebieden aan hout verstoken en als laatste is renewable: slechts een half procent op het totaal. Als we binnen die half procent kijken dan valt ons op dat biomassa daar verreweg het grootste deel van uit maakt en dat wind- en vooral zonne-energie nauwlijks nog meetellen in de energiewinning. Dit zijn nog prille technologieën die wel potentieel hebben maar waarvan het nog decennia kan duren voordat ze een redelijk aandeel in de energiewinning van boven de 20% hebben bereikt. Specialisten stellen dat het nauwelijks mogelijk is dat deze duurzame energietechnologieën meer dan 50% van het totale energieverbruik gaan opwekken. Wereldwijde energieproductie door verschillende bronnen in het jaar 2000

Problemen met huidige energievoorziening Aankomend tekort fossiele brandstoffen Energie-afhankelijkheid Klimaatverandering door broeikaseffect

Energievooraden Olie: nog 40 jaar, top productie over 5-10 jaar Gas: nog 60 jaar, top productie over 15-20 jaar Kolen: nog honderden jaren, maar vies en gevaarlijk

Waar is de olie? Billion Barrels (source BP statistical review 2002)

Klimaatverandering Snelle toename CO2 concentratie …

Klimaatverandering En toename temperatuur …

Groei CO2-uitstoot

De uitstoot moet snel naar beneden

De uitstoot moet snel naar beneden: we moeten de rode lijn volgen

We moeten naar CO2-vrije energie!

wind zon water biomassa CO2-opslag kernsplijting ENG: ‘At the moment there are technologies who produce energy without affecting the climate, the so called renewable energy sources’ ‘We have SOLAR energy, WIND energy, energy from WATER power, BIOMASS and NUCLEAR FISSION is also a way to produce energy without emmiting CO2’ ‘Apart from all kinds of restrictions of each of these technologies, let’s have a look at their share in WORLD ENERGY PRODUCTION’. NL: Op dit moment zijn er al technieken op de markt die op een klimaatvriendelijke manier energie opwekken: Zonne- & windnergie, waterkracht, energie uit biomassa en ook kernsplitsing, de huidige vorm van kernenergie. In welke mate kunnen deze bronnen onze toekomstige energiebehoefte dekken? (Bovendien: zouden we allemaal grootschalige kernenergie in willen gaan zetten?) Niek: Doelstelling regering: in 2020 10% duurzame energie. Ik leg uit wat zon en wind op dit moment kunnen, wat de energieterugverdientijd inhoud, waarom het principieel onmogelijk is om op termijn van 20 jaar meer dan ca 10 procent van de energie duurzaam op te wekken. Nog afgezien van de techniwche problemen van een groot aandeel van fluctuerende bronnen aan het net. Recente studies: tegen 2100 nog steeds minstens 30% energiebehoefte niet uit zon en wind etc. Vandaag gaat ‘t over fusie. Fusie is een optie, in feite de enige, voor het produceren van elektriciteit op grote schaal. Maar de ontwikkeling ervan kost tijd en geld. Ik zal proberen u inzicht te geven in het waarom. aardwarmte kernfusie

Renewable 0.57% Traditional 6.4% Hydro 6.6% Nuclear 6.0% Coal 21.8% Geothermal 0.12% Wind 0.04% Biomass 0.4% Solar 0.009% Gas 21.1% Oil 37.5% ENG: ‘Here we have a diagram about global energy production in the year 2000’ ‘Currently we derive our energy from: OIL (37.5 percent), GAS (20 percent), and COAL (22 percent). 80% of our energy is derived from these so called FOSSIL resources who cause greenhouse gasses.’ ‘6 Percent is derived from NUCLEAR (fission), 7 percent from HYDRO – energy from water power which is limited in capacity, about 6.5 percent is coming from TRADITIONAL: a lot of people living in rural areas burn wood and cook on open fires’ ‘At the moment the RENEWABLE energy sources account for just more then HALF a percent’ ‘Renewables consist for a big portion of biomass. We see from this top slice that energy from WIND and SOLAR are still in the sub percentage range: they HARDLY contribute to the global energy production yet.’ But they have potential to grow to a significant portion of say 10 – 20 percent. Mind you: this rise in contribution will take SEVERAL DECADES, which is just NORMAL to any new energy technology.’ NL: Laten we eens kijken hoe deze bronnen zich verhouden tot ons totale energieverbruik van tegenwoordig. Olie, gas en kolen maken nog steeds zo’n 80% van onze energiebronnen uit. Kernsplijting telt wereldwijd voor 6 procent, Waterkracht is daar ongeveer gelijk aan maar daar zit een natuurlijk plafond aan vast, ‘Traditional’ is wat mensen in rurale gebieden aan hout verstoken en als laatste is renewable: slechts een half procent op het totaal. Als we binnen die half procent kijken dan valt ons op dat biomassa daar verreweg het grootste deel van uit maakt en dat wind- en vooral zonne-energie nauwlijks nog meetellen in de energiewinning. Dit zijn nog prille technologieën die wel potentieel hebben maar waarvan het nog decennia kan duren voordat ze een redelijk aandeel in de energiewinning van boven de 20% hebben bereikt. Specialisten stellen dat het nauwelijks mogelijk is dat deze duurzame energietechnologieën meer dan 50% van het totale energieverbruik gaan opwekken. 80% van de nederlandse groene energie is huisvuilverbranding

De toekomst van de energievoorziening Kernenergie De zon op aarde Fusie als energiebron

E = m c2 Lichtsnelheid Energie Massa Een rozijn van 1 gram bevat 0.001 x 300.000.0002 = 9·1013 Joule, oftewel evenveel als 4 duizend ton kolen!

Hoe maak je die energie vrij? Kernsplijting Kernfusie

Kernsplijting

Kernfusie                                                     

Kerncentrales: kernsplijting

Voordelen Nadelen Geen CO2 Op grote schaal mogelijk Nieuwe ontwerpen inherent veilig Nadelen Kapitaal-intensief en grootschalig Langlevend radioactief afval Kettingreactie: gevaar voor ongelukken Verspreiding kernwapen-materialen

Gevaarlijk om mee te werken? Radioactieve straling is niet gevaarlijk als je er goed mee omgaat Kernenergie is voor werknemers de veiligste energiebron om mee te werken.

Typen straling Alpha: een groot, langzaam bewegend deeltje afkomstig van een radioactief element. Het is de kern van een helium-atoom. Beta: een klein, snel deeltje, afkomstig van een radioactief element. Het is een elektron. Gamma: gammastraling is elektromagnetische straling zoals zichtbaar licht, maar met veel meer energie

Stralingsbescherming

Stralingsbescherming Afscherming alpha – papier, kleding beta – lab jas, handschoenen gamma- lood, dik beton Zo kort mogelijke blootstelling Houd afstand van bron

De toekomst van de energievoorziening Kernenergie De zon op aarde Fusie als energiebron

Fusie is de energiebron van de zon en de sterren De zon zet elke seconde 600 miljoen ton waterstof om in helium

fusie reactor ENG: ....you would design your own fusion reactor.’ Ontwerp je eigen fusie ENG: ....you would design your own fusion reactor.’ ‘Don’t worry, you design and I’m your coach, we’ll find out together’ ‘Let’s do this in a little workshop, that works best’ NL: Hier begint de aanstekerproef. aansteker uit publiek. ‘We gaan met zijn allen een reactor bouwen’, (workshop) Eerst maar eens een conventionele, fossiele brander. Neem een aansteker als voorbeeld. Stel, u bent een ingenieursburo en ik vraag u een zakaansteker te ontwerpen: een apparaatje die je in je zak steekt. Er moet een knop op zitten, die een vlam produceert wanneer ik erop druk. Vraag: aan welke ‘onwerpcriteria’ moet je dan zoal denken? reactor

brandstof temperatuur druk warmteverlies ENG: .... yes, these are the same things we have to decide upon when designing our FUSION REACTOR: fuel, temperature and heat loss’ ‘Now, what type of fuel a fusion reactor would use? (Tip: think about the lightest element) Dus waar moeten we aandacht aan geven: kies een brandstof, daarmee ligt de ontstekingstemperatuur min of meer vast (werk bij zo hoog mogelijke druk (hoge efficiency), maar het moet wel uitvoerbaar blijven) Minimaliseer de afkoeling (voor hogere efficiency) Bij fusiereactoren gaat het precies zo. warmteverlies

Brandstof waterstof + - deuterium + - tritium + - ENG: ‘Hydrogen comes in 3 tastes: there is ordinary hydrogen available in large quantities in water of all kinds, and there are two heavier versions: DEUTERIUM and TRITIUM. They are heavier then ordinary hydrogen since they have more particles in the nucleus. A very SMALL FRACTION of water consists of Deuterium. ‘Now, deuterium and tritium are the fuels which we actually use in our fusion reactor according to the following REACTION.....’ NL: Waterstof bestaat we in 3 smaken: Gewoon waterstof en 2 zwaardere vormen: Deuterium en Tritium. Deze twee laatsten gebruiken we als brandstof voor onze kernfusiereactor

De fusiereactie deuterium tritium helium neutron … en heel veel energie!

Op aarde: 150 miljoen graden! Temperatuur De zon: 15 miljoen graden Op aarde: 150 miljoen graden!

Tussen fietsband (6 bar) en espresso-apparaat (14 bar) Druk 10 bar Tussen fietsband (6 bar) en espresso-apparaat (14 bar)

(grote dingen koelen minder snel af) Hoe houd je iets warm? isolatie grootte ENG: ‘...how would we keep things WARM?’ ‘Yes, INSULATION is a good method’. ‘Now, suppose you have applied insulation to the maximum, what other trick could we apply to keep things warm for longer time?. ‘Make it BIGGER:.... Hoe zou u bijvoorbeeld uw huis warmhouden? (grote dingen koelen minder snel af)

Plasma Voorbeelden: de zon, bliksem, TL-buis, neon-buis

Hoe maak je iets 150 miljoen graden? In een oven!

oven waterstof gas ENG: verhitting ENG: ‘This ‘s a caricature of an oven. Let’s put in some hydrogen gas and switch on the heating’

‘A hydrogen plasma will be formed’ oven waterstof plasma ENG: ‘A hydrogen plasma will be formed’ verhitting

‘Will we reach 250 million degrees using this method?’ oven heet waterstof plasma ENG: ‘Temperature rises and the plasma – particles start to move more and more.’ ‘Will we reach 250 million degrees using this method?’ verhitting hard aan

probleem: wandcontact! waterstof plasma heet ENG: ‘Aha, we didn’t apply insulation: the particles hit the inside of the wall and will cool down again.’ ‘How to keep the plasma away from the wall? Remember, we’re still in a workshop where you are designing the fusion reactor. How can we manipulate plasma’s?’ verhitting hard aan

‘We can manipulate plasma’s using magnetic fields’ Voorkom wandcontact met magnetisch veld hydrogen plasma heet ENG: ‘We can manipulate plasma’s using magnetic fields’ hard aan verhitting

Voorkom wandcontact met magnetisch veld hydrogen plasma heet ENG: ‘The particles will align with the magnetic field lines, just like this.’ hard aan verhitting Plasmadeeltjes volgen het magnetisch veld

heet waterstof plasma ENG: ‘But will we reach 250 million degrees this way? Or do we have another problem? Is the plasma now sufficiently insulated?’ hard aan verhitting

Voorbeeld van plasma dat magneetveldlijnen volgt

‘No. We have heat losses at the ends. probleem: uiteinden waterstof plasma heet ENG: ‘No. We have heat losses at the ends. How to avoid these end losses? Anyone?’ ‘Fusion scientists are very clever. To overcome the end losses, they have re-invented.....’ hard aan verhitting

vermijdt uiteinden : torus ! ENG: ‘...THE WHEEL! The wheel in this shape <show the scooter tire> is called a torus.’ ‘Besides, a torus is a very stable shape which occurs frequently in nature. To demonstrate their stablility, we’ll show you some tori made up of smoke. These smoke rings maintain their shape for quite some time’. dit werkt fantastisch!

De Tokamak Dit is de Joint European Torus, JET, in Engeland. Jet is het grootste kernfusie-experiment ter wereld. ENG: ‘This machine is called a Tokamak which is russian for Toroidal Magnetic Chambre / Vessel. This machine is our fusion reactor capable to produce plasma’s of 250 million degrees confined from the wall using strong magnetic fields. If we would enter the vessel in the centre.....’

The man is just about to leave so we can put in the plasma...’ JET van binnen ENG: ‘...this is how it looks from the inside. In here, high temperature plasma’s can be made without any problem. The man is just about to leave so we can put in the plasma...’

Vooruitgang in getallen 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 1010 Kolencentrale ITER 16 MegaWatt JET Fusie-vermogen [Watt] ENG: ‘Now let’s have a look on the progress of fusion expressed in numbers.’ ‘In the 1970’s fusion produced not even enough to power your hearing aid. In 1997 JET produced an amount of 16 Megawatts, equivalent to 50 large wind turbines. This was only during 3 seconds and we still had to put in 25 megawatts first. But JET is a machine to study large scale plasma’s, not to generate net-energy.’ (In 2003 we hope to surpass the 20 MW line with JET with an upgraded set of heating systems). ‘The ITER machine will multiply it’s input energy by 10. Although the blue line indicates a rapid increase of results over the decades – remember: each step on the vertical scale indicates a tenfold increase in power – the ITER-project is off this line. Although drawings for an ITER machine were ready 15 years ago, due to the international character of the project it has been delayed for several years. It takes a lot of time before all participating countries are in tune with each other for international projects of this scale.’ D-T D-D Voorspelden we dit Hier 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Door politieke vertraging komt ITER pas in 2015 Vooruitgang in getallen Door politieke vertraging komt ITER pas in 2015 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 1010 Kolencentrale ITER 16 MegaWatt JET Fusie-vermogen [Watt] ENG: ‘Now let’s have a look on the progress of fusion expressed in numbers.’ ‘In the 1970’s fusion produced not even enough to power your hearing aid. In 1997 JET produced an amount of 16 Megawatts, equivalent to 50 large wind turbines. This was only during 3 seconds and we still had to put in 25 megawatts first. But JET is a machine to study large scale plasma’s, not to generate net-energy.’ (In 2003 we hope to surpass the 20 MW line with JET with an upgraded set of heating systems). ‘The ITER machine will multiply it’s input energy by 10. Although the blue line indicates a rapid increase of results over the decades – remember: each step on the vertical scale indicates a tenfold increase in power – the ITER-project is off this line. Although drawings for an ITER machine were ready 15 years ago, due to the international character of the project it has been delayed for several years. It takes a lot of time before all participating countries are in tune with each other for international projects of this scale.’ D-T D-D Voorspelden we dit Hier 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

De geschiedenis van fusie, van 1960 tot 2015

1960

1970

1980

1990 JET

2010 ITER

ITER vergeleken met een kolen centrale ENG: ‘You can see that although ITER operates at the same scale as this coal burner, it’s only a fraction of such a plant.’

De toekomst van de energievoorziening Kernenergie De zon op aarde Fusie als energiebron

Fusie als energiebron Elektriciteits- productie: 1–3 GW

Fusie als energiebron Elektriciteitsproductie: 1000 – 3000 MW Jaarlijks brandstofverbruik 1000 MW: 100 kg D, 300 kg Li Brandstofkosten: verwaarloosbaar Investeringskosten: hoog Kosten van elektriciteit: 0.05–0.10 Euro per kWh, vergelijkbaar met andere duuzame, schone bronnen in 2070

Voordelen Nadelen Geen CO2, dus geen bijdrage broeikaseffect Geen andere chemische afvalstoffen Veilig Brandstof ruim voorradig en voor iedereen beschikbaar Nadelen Kapitaal-intensief en grootschalig Tritium is radioactief Produceerd radioactief afval, maar laag-radioactief en relatief kortlevend

Afval Tijdens bedrijf wordt geen afval geproduceerd, slechts helium Tijdens het bedrijf is er geen vervoer van radioactieve materialen nodig De wand van het plasmavat wordt tijdens het bedrijf radioactief en moet na ontmanteling 50-100 jaar worden opgeslagen. Daarna is het niveau vergelijkbaar met dat van kolenas, en kan het materiaal hergebruikt worden, of opgeslagen als laag-actief afval.

Afval Kernsplijting Kernfusie Kolenas

Veiligheid Geen kettingreactie De brandstoffen deuterium en lithium zijn stabiel en onschadelijk Brandstof voor slechts een minuut aanwezig Als er iets mis gaat, dooft de reactie Tritium is radioactief en giftig

Brandstofgebruik Brandstofgebruik 1000 MW centrale per jaar: Brandstof Hoeveelheid Kolen 2.700.000 ton Olie 1.900.000 ton Fusie 100 kg D+ 150 kg T 25 gram fusie-brandstof is genoeg voor de levenslange elektriciteitsbehoefte van een westers persoon

Brandstof Deuterium: uit zeewater (33 gram in 1 m3) Winnen via elektrolyse of chemische techniek Genoeg deuterium voor 40 miljard jaar energie Deuterium uit 1 liter zeewater levert evenveel energie als 340 liter benzine Lithium genoeg voor duizenden jaren Winnen uit erts, overvloedig beschikbaar Er is ongeveer evenveel lithium op aarde als koper

JET (wetenschappelijk experiment, Wanneer is het zover? 100 jaar Duizend commercieële reactoren Commercieële reactor 50 jaar DEMO (demonstratiereactor) 35 jaar ITER (10-voudige energiemultiplicatie) 15 jaar ENG: ‘If we would plot a roadmap towards a fusion economy for the future, it would look like this:’ ‘At the moment we have JET, it is the current biggest experiment but doesn’t produce net energy’ ‘Then comes ITER which is a 10 fold energy multiplier at the scale of common power plants’ ‘This will be followed by a PROTO-type reactor which will produce real electricity, yet under laboratory conditions’ ‘This device will ignite the plasma to maintain the plasma burning, like our cigarette lighter does.’ ‘From that point, the market has to take over the development and will probably built the first commercial fusion reactor’ ‘This path will take 35 years at the minimum.’ ‘But to make a real impact, we need a THOUSAND of these reactors which will take another 20 years to built.’ ‘In total, we need at least 50 years before fusion will account for at least 10 percent of the world energy production: our final goal.’ ‘We have to remember that alternative sources like solar and wind energy develop more or less at the same time scale before they can have a significant share of the energy portfolio too.’ ‘Our message is: to be sure to have enough energy technologies to choose from in the future, we have to start today investigating them!’ JET (wetenschappelijk experiment, geen energieproductie nu

the end www.fusie-energie.nl