Fusion energy:a future base load renewable energy source

1
FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen
Kernfusie, een zon op aarde
Mark-Tiele Westra
19 april 2004
2
Inhoud

1. De toekomst van de energievoorziening
2. Kernenergie
3. Onderzoek naar kernfusie
4. Fusie als energiebron

3
Het wereldwijde energiegebruik neemt snel toe

• Bevolkingsgroei
• Snelle ontwikkeling, bijv. India, China

4
Wereld-energiegebruik
IIASA B-scenario
1600
Zuid
1400
Noord
1200
1000
Energieconsumptie (EJ)
800
600
400
200
0
Jaar
5
Wereldwijde energieproductie door verschillende
bronnen in het jaar 2000
6
Problemen met huidige energievoorziening

1. Aankomend tekort fossiele brandstoffen
2. Energie-afhankelijkheid
3. Klimaatverandering door broeikaseffect

7
Energievooraden

1. Olie nog 40 jaar, top productie over 5-10 jaar
2. Gas nog 60 jaar, top productie over 15-20 jaar
3. Kolen nog honderden jaren, maar vies en
   gevaarlijk

8
Waar is de olie?
Billion Barrels
(source BP statistical review 2002)
9
Klimaatverandering
Snelle toename CO2 concentratie
10
Klimaatverandering
En toename temperatuur
11
Groei CO2-uitstoot
12
De uitstoot moet snel naar beneden
13
De uitstoot moet snel naar beneden we moeten de
rode lijn volgen
14
We moeten naar CO2-vrije energie!
15
wind
zon
water
biomassa
CO2-opslag
kernsplijting
aardwarmte
kernfusie
16
80 van de nederlandse groene energie is
huisvuilverbranding
17

1. De toekomst van de energievoorziening
2. Kernenergie
3. De zon op aarde
4. Fusie als energiebron

18
E m c2
Een rozijn van 1 gram bevat 0.001 x
300.000.0002 91013 Joule, oftewel evenveel
als 4 duizend ton kolen!
19
Hoe maak je die energie vrij?

• Kernsplijting
• Kernfusie

20

• Kernsplijting

21
Kernfusie
22
Kerncentrales kernsplijting
23
Voordelen

• 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

24
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.

25
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

26
Stralingsbescherming
27
Stralingsbescherming

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

28

1. De toekomst van de energievoorziening
2. Kernenergie
3. De zon op aarde
4. Fusie als energiebron

29
Fusie is de energiebron van de zon en de sterren
De zon zet elke seconde 600 miljoen ton
waterstof om in helium
30
Ontwerp je eigen
fusie
reactor
31
brandstof
temperatuur
druk
warmteverlies
32
Brandstof
33
De fusiereactie
deuterium tritium helium
neutron
en heel veel energie!
34
Temperatuur
De zon 15 miljoen graden
Op aarde 150 miljoen graden!
35
Druk
10 bar
Tussen fietsband (6 bar) en espresso-apparaat (14
bar)
36
Hoe houd je iets warm?
isolatie
grootte
(grote dingen koelen minder snel af)
37
Plasma
Voorbeelden de zon, bliksem, TL-buis, neon-buis
38
Hoe maak je iets 150 miljoen graden?
In een oven!
39
oven
waterstof gas
40
oven
waterstof plasma
verhitting
41
oven
heet
waterstof plasma
verhitting
hard aan
42
probleem
wandcontact!
verhitting
hard aan
43
Voorkom
wandcontact met magnetisch veld
44
Voorkom
wandcontact met magnetisch veld
Plasmadeeltjes volgen het magnetisch veld
45
(No Transcript)
46
Voorbeeld van plasma dat magneetveldlijnen volgt
47
uiteinden
probleem
48
uiteinden
vermijdt
torus !
dit werkt fantastisch!
49
De Tokamak
Dit is de Joint European Torus, JET, in Engeland.
Jet is het grootste kernfusie-experiment ter
wereld.
50
JET van binnen
51
Vooruitgang in getallen
Fusie-vermogen Watt
Voorspelden we dit
Hier
2010
2015
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
52
Vooruitgang in getallen
Door politieke vertraging komt ITER pas in 2015
Kolencentrale
ITER
Fusie-vermogen Watt
Voorspelden we dit
Hier
2010
2015
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
53
De geschiedenis van fusie, van 1960 tot 2015
54
1960
55
1970
56
1980
57
1990
JET
58
2010
ITER
59
ITER vergeleken met een kolen centrale
60

1. De toekomst van de energievoorziening
2. Kernenergie
3. De zon op aarde
4. Fusie als energiebron

61
Fusie als energiebron
Elektriciteits- productie 13 GW
62
Fusie als energiebron

• Elektriciteitsproductie 1000 3000 MW
• Jaarlijks brandstofverbruik 1000 MW 100 kg D,
  300 kg Li
• Brandstofkosten verwaarloosbaar
• Investeringskosten hoog
• Kosten van elektriciteit 0.050.10 Euro per kWh,
  vergelijkbaar met andere duuzame, schone bronnen
  in 2070

63
Voordelen

• 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

64
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.

65
Afval
Kernsplijting
Kernfusie
Kolenas
66
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

67
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
68
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

69
Wanneer is het zover?
Duizend commercieële reactoren
100 jaar
Commercieële reactor
50 jaar
DEMO (demonstratiereactor)
35 jaar
ITER (10-voudige energiemultiplicatie)
15 jaar
JET (wetenschappelijk experiment,
geen energieproductie
nu
70
(No Transcript)
71
the end
www.fusie-energie.nl