Fusionsenergi ?NBI Gymnasie-temadag, 2015

Jacob Trier Frederiksen Niels Bohr International Academy

Fakta!Global energiomsætning, 1965-2010

Electricitetsbehov - VerdenFremskrivning, 2015-2040 (antag “sky is the limit”)

Electricitetsbehov - VerdenFremskrivning, 2015-2040 (antag ‘peak fossils’ ~ 2030)

??

?

Electricity > 21TWh(~100% af “behov”)

Biler > 5TWh(~80% af “behov”)

Ferskvand > 3TWh(20% af behov)

Nødvendighed• Fordobling af elektricitetsbehov frem til 2040.

• Vedvarende energi kan bære ~ 20%.

• Fissionskraftværker kan bære ~ 20%

• Olie, kul, gas påtvunget — hvis den er der.

• Ny kilde tvingende nødvendig (eller spare…).

Krav til ny energikilder• Sikkerhed: produktion og nærmiljø, non-meltdown

• Sikkerhed: geopolitisk, non-proliferation.

• ‘Ren’ energi: klima, ej forbrændingsprocess.

• Billig: pro-aktiv miljø-/geo-politik.

• Nem: shipping/handling, reparation, redundans.

• Vedvarende: “uudtømmelig”, ej olie/gas/kul.

Konventionelle kraftværker idagFUNDAMENTALE ENERGISKALAER

Nuklear fusion (fremtid)? Ditto!

Energitæthed (a.u.)Teknologi?Approximativt ‘yield’ (eV)

E/m == 1• Mekanisk energi produktion

(vind, vand) ~ 0.000001eV/atom

E/m == 50.000.000• Atomar forbrænding ~ 5eV/atom

E/m == 200.000.000.000.000• Nuklear fission ~ 200MeV/atom

Plasmas: where do we find them?

Fusion ReactorsGalaxy Clusters

Gamma-ray BurstsAll of the Sun

Gamma-ray flashesPlasmasphere, Earth

Fusion Reactors

Fission & FusionTo muligheder — ned eller op?

E bin

d / n

ukle

on (M

eV)

Isotop (A = N+Z)

Barium-144Krypton-89

Nuclear fission ~102 MeV

Nuclear fusion ~101 MeV

Tritium

Deuterium

Helium-4Uran-235

“NEMT”!

“SVÆRT”!

Hvorfor er nuklear fusion “svært”?

• Atomkerner skal bringes indenfor afstand af 10-14

m for at kunne fusionere, det er ca. 0.0001 x Hydrogen-atomets radius!

• Kernerne skal kollidere og gennemtrænge Coulomb-barrieren.

• Herefter kan den stærke kernekraft (residualet) tage over og fusionere kernerne.

• For at opnå dette kræves ekstrem høj tæthed og/eller temperatur!

Hvorfor er nuklear fusion “svært”?Deuterium-Tritium

• Mindst 100.000.000 oC

• Max. reaktionstværsnit ~1b (barn) = 10-28m2.

• Tritium findes ikke i fri form på Jorden…

Deuterium-Deuterium

• Mindst 10.000.000.000 oC

• Max. reaktionstværsnit ~0.1b (barn) = 10-29m2.

Fusion i naturen• Solen

• Gravitation presser og holder sammen på tætheden

• Varmen indesluttet pga tæthed

• Fører til fusion af brint med brint

Fusion på Jorden? Strategier…• Kold Fusion(?)

• Elektrokemisk nukleo-syntese.

• Driv fx deuterium-ioner gennem fast stof, fx Palladium.

• Indeslutning ikke nødvendig.

• Process langsom.

• ‘Excess heat’ aldrig eftervist, men påstået.

• Mangelfuldt dokumenterede og ikke-reproducérbare eksperimenter

Fusion på Jorden? Strategier…

• Inertiel Indesluttet Fusion

• Ekstreme højenergi-lasere beskyder lille brintkugle

• Kuglen opvarmes og sammenpresses

• Varmen og tætheden starter fusionsprocesserne

• Fører til fusion af brint med brint

• Opnået sekundær helium-brænding (vigtigt skridt henimod kædereaktion) på NIF/LLNL i 2014

Fusion på Jorden? Strategier…

• Magnetisk Indesluttet Fusion (Tokamak)

• Ekstreme magnetfelter holder fast på et meget varmt tyndt plasma.

• Indeslutning længe nok til at fusionsprocesserne begynder.

• Ekstrem varme og lang indeslutningstid starter fusionsprocesserne.

• Fører til fusion af deuterium med tritium

• Break-even endnu ikke nået (efter 50 år)

Fusion på Jorden? Strategier…• Magnetisk Indesluttet Fusion (Polywell)

• Ekstreme magnetfelter indeslutter et tæt varmt plasma.

• Indeslutning af ioner længe nok til at fusionsprocesserne begynder

• Lang indeslutningstid starter fusionsprocesserne

• Fører til fusion af deuterium og tritium, (eller deuterium og deuterium)

• Meget ny forskning/udvikling de seneste 15 år, selvom konceptet er fra 50’erne.

Hvorfor er nuklear fusion “svært”?

USTABIL

NIF ICF-chamber

Magnetisk indeslutning

• Plasmaet er ustabilt => varmetab, strømafbrydelse => ødelagt reaktor

• Tritium findes ikke i fri form på Jorden, skal produceres in situ

• Ablation fra reaktorvægge forurener fusionsplasmaet

Inertiel indeslutning

• Præcision ved beskydning af fuel-kugle er vigtig.

• Plasmaet er ustabilt => varmetab => ingen fusion.

Polywell Magnetisk indeslutning

• Plasmaet er i (MHD) ligevægt, så meget stabilt i sammenligning.

Hvorfor er nuklear fusion “svært”?Magnetisk indeslutning

• Plasmaet er ustabilt => varmetab, strømafbrydelse => ødelagt reaktor.

• Tritium findes ikke i fri form på Jorden, skal produceres in situ da ustabil isotop.

• Ablation fra reaktorvægge forurener fusionsplasmaet.

Inertiel indeslutning

• Præcision ved beskydning af fuel-kugle er vigtig.

• Plasmaet er ustabilt => varmetab => ingen fusion.

Hvorfor er nuklear fusion “svært”?

Diagnostik ? Modellering !

Hvorfor er nuklear fusion “svært”?— og hvorfor er modellering…?

100 milliarder partikler100.000 cpu’erUgers kørsel

10.000’e linier kode

Hvad er chancen for at få rigtige fusionskraftværker?

“Fusion power is always 20 years away”….

Der ER gjort fremskridt!

- Investering > DKR 1.000.000.000.000 siden 1970.

- Endnu ikke break-even.

+ Fusion output stiger hurtigere end Moore’s Law (calc’s)

Omsætning: > DKR 3.500.000.000.000 (kun 2012!)

Hvad er chancen for at få rigtige fusionskraftværker?

Svar: større og større!

Potentielle valg — designInertial confinement fusion

• Sikkerhed? => Check.

• ‘Ren’? => Check.

• Billig? => Nope (DKR 180+ milliarder)

• Nem? => Nok aldrig.

• Vedvarende? => Ikke endnu.

• Stabilitet? => Ustabil per konstruktion!

Potentielle valg — designMagnetic confinement fusion (Tokamak / Wendelstein)

• Sikkerhed? => Check.

• ‘Ren’? => Check.

• Billig? => Nope (DKR 150+ milliarder)

• Nem? => Nok aldrig.

• Vedvarende? => Ikke endnu.

• Stabilitet? => Ustabil per konstruktion!

Potentielle valg — designMagnetic confinement fusion (Polywell, others)

• Sikkerhed? => Check.

• ‘Ren’? => Check.

• Billig? => Check (DKR 200 millioner, <1/1000 af NIF+ITER)

• Nem? => Per konstruktion.

• Vedvarende? => Ikke endnu.

• Stabilitet? => Ja! per konstruktion!

ReactorHuman

(Jaeyoung Park, EMC2)

Fremtiden?• Fusions-kraft synes

uundgåelig, næsten tvingende nødvendig i fremtiden.

• Vi bør investere mere i forskning & udvikling af alternative idéer indenfor fusion (Polywell, etc.).

• Risikabelt at satse på een slags maskine, som hidtil. Jeg sætter nok nogle af mine

penge på den hér kombination.

Fremtiden?

• Tiden er knap.

??

?

Fremtiden?

Et ‘aber dabei’…Vi kan ikke bare bruge løs.

Ejheller selvom energien er ren og uudtømmelig!

• Idag: 16 TW

• Ca. +2% per år, siden 1915.

• 2015: Ejord/Esol ~ 1/10000

• Fremskrivning 200 år: 850 TW

• 2215: Ejord/Esol ~ 1/100

• Samme som fordobling af CO2 i atmosfæren alene fra direkte opvarmning (ikke Solen via drivhus).

År + 2015

Ener

giom

sætn

ing

(PW

)

50 100 150 200

200

400

600

800

Hvis tiden tillader…Hvad vi også især laver på NBI

NBI og fusion?NBI med i COST Action MP1208 netværk, som har til formål at styrke fusionsforskningen i Europa.

Kinetisk Modellering af Plasma

Particle-In-Cell Koder

NBI og fusion?Plasmafysik og supercomputermodeller er uundgåelige ingredienser i sammenhængen.

Mange andre emner som NBI forsker i, deler disse ingredienser.

Astrofysik:

• Solens indre og ydre • Solsystemets plasma

• Jordens magnetosfære

• Supernovaer, Gamma-glimt • Stjernedannelse, Planetdannelse

Fundamental fysik:• Laser-plasma vekselvirkning

• Partikel-acceleratorer

• Inkohærent Røntgen-stråling til biologi

Plasma modellering på supercomputere er centralt placeret i mange af disse emner.

• Plasmafysik modellering kræver:

• Fluid dynamik

• Magnetohydrodynamik (MHD)

• Hall-MHD

• Hybrid kinetik (elektron-fluid + ion partikler)

• Fuldstændig Vlasov-Maxwell dynamik

• Kvante-elektrodynamik

• Kernefysik

• Parallelisering på supercomputere, millioner af CPUer!

• Observationel kryds-validering af model-data

• Håndtering af “Big(!)Data” (PBytes)

• Videnskabelig visualisering of massive mange-dimensionale data

NBI og fusion?

Højenergi-laboratorie-plasmafysik

Puls-laser wakefield partikel-acceleration in the Laboratory (CILEX, Orsay area, Frankrig)

• Femtosekund, petawatt lasere!

• Electroner surfer med lysets hastighed!

• Kan producere ultra-intense røntgenstråler.

Simuleringer i supercomputere (CINECA, Italien)

• Femtosekund, petawatt lasere!

• Electroner surfer med lysets hastighed!

• 100.000 CPUer, ugers kørsler, terabytes RAM

Konstruktioner i Numerisk Modellering — Kreativitet og tanke!

• Eksempel: Partikel kontrol gennem merging/splitting

• Merging ekstremt krævende opgave

• Fysikken skal være bevaret

• Datakompression med informationstab i 6-dimensionelle faserum.

Klynge-analyse af massive, mange-dimensionale datasæt.