Hete Kernfusie

supportBinaryFiles_referenceId_1_supportId_941314.jpg
getimage.jpg

      foto 1

     foto 2

Veel landen (w.o. Nederland) investeren veel geld in het ITER-project wat in Frankrijk wordt uitgevoerd. Hete kernfusie is een techniek waarbij atomen samensmelten waardoor er energie vrij komt. foto 1 en 2

 

Iter

Geschiedenis (Wikipedia)

 
Model van een één-achtste-sectie van de ITER testreactor. 1 omhulling, 2 Primaire transformatorwindingen, 3 entreepoorten naar de plasmakamer, 4 toroïdale plasmakamer, 5 wandmodules, 6 entreepoort voor diverse doelen, 7 centraal constructie-element, 8 medewerker op schaal, 9 diverter voor gas-afvoer, 10 hartlijn van de machine. Ref. naar nummering ook in de artikeltekst.

De ITER-samenwerking begon in 1985 op voorstel van Gorbatsjov tijdens de top in Genève met Reagan. De Sovjet-Unie, de VS, Japan en de Europese Unie richtten een samenwerkingsverband op onder de noemer van de IAEA. De Verenigde Staten, die zich in 1999 terugtrokken uit het ITER-project, zijn begin 2003 weer teruggekeerd. China en Zuid-Korea zijn er sinds 2003 bij. India is lid sinds december 2005.Canada was lid tot 2004, maar haakte af toen hun vestigingsplaats afviel.

Vier landen hebben een locatie aangeboden voor de vestiging van ITER: Frankrijk, Spanje, Canada en Japan. Na een selectieproces bleven er twee locaties over: Cadarache in Frankrijk en Rokkasho-mura in Japan. Europa en Japan konden echter niet tot een akkoord komen en beide locaties hadden onder de toen zes deelnemende landen evenveel steun. In juni 2005 is uiteindelijk besloten de reactor in Cadarache te bouwen, in ruil hiervoor mag Japan een groter deel van de medewerkers binnen het project leveren.

Werking

Het eerste ontwerp van de ITER-machine voorzag in een fusievermogen van 1,5 gigawatt thermisch, vergelijkbaar met dat van een toekomstige commerciële energiecentrale. Na een verzoek van de ITER-partners om een substantiële vermindering van de kosten, werd het ITER-ontwerp verkleind naar een machine van 500 megawatt (MW). Het uiteindelijke ontwerp werd in 2001 goedgekeurd. De totale bouwkosten bedragen ongeveer 5 miljard euro, verspreid over 10 jaar.

De fusie-experimenten van dit moment zoals JET (Culham, Engeland), JT-60 (Naka, Japan), TFTR (Princeton, gesloten in 1997), en de kleinere Europese machines, hebben een grote hoeveelheid kennis opgeleverd over de technologie en fysica van kernfusie. De volgende stap is om de fysica van fuserende plasma’s op de schaal van een energiecentrale te bestuderen, en om de technologie te testen die fusie als veilige en betrouwbare energiebron beschikbaar maakt. Door een elektrische stroom te sturen door primaire windingen (afbeelding: nr 2, zie ook transformator) wordt een elektrisch veld in de toroïdalevacuümkamer geïnduceerd (5), waarin een mengsel van deuterium en tritium van lage druk is toegelaten. Het grootste deel van dat gasmengsel verandert in een plasma vanwege de secundaire stroom (tot 15 mega-ampère) die in dat plasma loopt. Rond de torus staat een ring van supergeleidende magneten (4) opgesteld. De geladen deeltjes in het plasma (deuterium- en tritium kernen en elektronen) draaien met grote snelheid rond de magnetische veldlijnen en zullen daarbij onderling botsen en fuseren. Daarbij komen onder andere hoog-energetische neutronen vrij. Het magnetisch veld dient er tevens voor dat het plasma vrij blijft van de toruswand (de “mantel”). In ITER zullen bijvoorbeeld mantelmodules getest worden (5) voor de tritiumproductie en voor het opvangen van de warmte die met name door de snelle neutronen in de toruswand wordt vrijgemaakt. De neutronen hebben geen lading en worden dus niet door het magneetveld opgesloten. Om deze doelen te bereiken zal ITER een stuk groter zijn dan de grootste huidigetokamak: JET. Deze extrapolatie is mogelijk door de solide basis die de diverse internationale experimenten hebben gelegd, en een gedegen kennis van de fysische principes die aan de tokamak ten grondslag liggen.

Technische specificatie

ITER wordt een tokamakmachine met een fusievermogen van 500 MW thermisch en een inputvermogen van 50 MW, zodat de energievermenigvuldiging Q=10 bedraagt. De tijdsduur (opsluitingsduur) van het plasma bedraagt 500 seconden, wat met geavanceerdere technieken uit te breiden is tot zo'n 3000 seconden. ITER is ongeveer 24 meter hoog en 34 meter in doorsnede, en het plasmavolume bedraagt 850 m3. De straal van de torus is ongeveer 6 meter, en de plasmakamer is ongeveer 8 meter hoog.

 

 

Lockheed

Lockheed heeft in 2014 aangekondigd dat het een kleine kernfusiecentrale gaat ontwikkelen. Deze zou in een container kunnen passen. Hiermee hoopt het bedrijf (ruimte) schepen van een krachtige motor te kunnen voorzien die geen brandstofgebrek zal kennen.

 

foto 3

Compact-Fusion-Reactor-Diagram_0.png

 

De Amerikaanse wapenfabrikant Lockheed Martin zegt binnen 10 jaar een werkende en rendabele kernfusiereactor te kunnen bouwen. Het bedrijf heeft een reactor ontwikkeld ter grote van een vliegtuigmotor die ongeveer 100 MW aan energie moet gaan produceren. Dat is genoeg om zo’n 80.000 mensen van energie te voorzien. Het mooie aan kernfusie is dat het, in tegenstelling tot een normale kernreactor, (bijna) volledig schone energie produceert.

Kernfusie is het proces waarbij twee atomen samensmelten tot één atoom. In een kernfusiereactor worden twee waterstof atomen samengesmolten tot één heliumatoom. Bij deze samensmelting komt en gigantische hoeveelheid energie vrij. Van nature wordt onze zon aangedreven door kernfusie. In zekere zin is kernfusie dus verantwoordelijk voor het leven op aarde. Het grote probleem met het toepassen van deze vorm van energie op aarde is dat er ontzettend veel warmte, of druk voor nodig is om atomen samen te laten smelten. Dit kost zoveel energie dat geen enkele kernfusiereactor tot nu toe meer energie heeft opgewekt dan dat het heeft gekost. Al decennia lang wordt er door duizenden wetenschappers gewerkt aan dit probleem.

Skunk Works, de afdeling van Lockheed Martin die in het verleden al verantwoordelijk was voor revolutionaire technologieën zoals bijvoorbeeld het snelste bemande vliegtuig aller tijden (SR-71, Blackbird), zegt nu een doorbraak te hebben met een revolutionair nieuw design. Andere prototype kernfusiereactoren gebruiken het uit de Sovjet tijd stammende Tokamak model. Deze reactoren reactoren zijn gigantisch groot en verbruiken enorme hoeveelheden energie om kernfusie tot stand te brengen. Waardoor het moeilijk is om deze rendabel te krijgen.

Design kernfusiereactor van Skunk Works

De sleutel in het ontwerp van Skunk Works is de buisvormige reactor. Door dit ontwerp kan de reactor volgens Lockheed veel meer plasma vasthouden dan een normale reactor. Hierdoor kunnen kleine reactoren toch enorme hoeveelheden energie produceren. Volgens Lockheed zelfs 10 keer zoveel als andere kernfusiereactoren.

Overigens is Lockheed niet het eerste bedrijf dat met een kleine kernfusiereactor komt. Er zijn een aantal interessante kleine bedrijven die hier al langere tijd druk mee bezig zijn.

Als Lockheed het voor elkaar krijgt om dit type reactor werkelijkheid te maken, opent dit de deur tot oneindig veel mogelijkheden. Grote vrachtschepen, drones, vliegtuigen en hele steden kunnen volledig van schone energie voorzien worden. Zelfs ruimtereizen naar Mars en verder zullen een stuk sneller en goedkoper worden. Deze reactor zou namelijk, door zijn kleine formaat, overal ingebouwd kunnen worden.

 

Door veel wetenschappers is echter sceptisch gereageerd op het nieuws van Lockheed. Lockheed heeft namelijk weinig details naar buiten gebracht waaruit blijkt dat ze een kans van slagen hebben. Professor Steven Cowley, directeur van het Culham Centre voor Fusion Energy in Oxfordshire, zegt dat “perplex” staat van de aankondiging van Lockheed. “Lockheed heeft alle gebruikelijke dingen gezegd over hoe ze met kernfusie de wereld gaat redden, maar ze leveren geen enkel bewijs.” “Kernfusie zal voor 2050 nog geen onderdeel gaan uitmaken van de energievoorziening van de wereld ” zei hij.

Toch is Lockheed Martin niet de zomaar een bedrijfje dat een toekomstdroom achterna jaagt. Het is een high-tech militair bedrijf met een omzet van zo’n 45 miljard dollar per jaar en wordt gigantisch gefinancierd vanuit de Amerikaanse overheid. Het zou zeker niet de eerste keer zijn dat ze het onmogelijke waar zouden maken.

Al met al lijkt het een fantastische toekomstdroom, maar in hoeverre kan Lockheed woord bij daad voegen? Het bedrijf gaat dit jaar nog een prototype bouwen, en wil over vijf jaar het eerste volledig werkende model klaar hebben.

 

 


Ontwikkelingen hete kernfusie


September 2017

Onderzoekers hebben een nieuwe methode voor kernfusie uitgevonden. Dat schrijft de site Engadget. Kernfusie maakt gebruik van chemische reacties die ook plaatsvinden op de zon om energie op te wekken. In theorie is het een onuitputtelijke bron van schone energie, maar de huidige methoden zijn nog niet efficiënt genoeg. Normaal gesproken vindt fusie plaats met de elementen waterstof en deuterium, maar nu werd ook helium-3 toegevoegd. Hierdoor bleek veel meer energie te kunnen worden opgewekt. Volgens experts is de nieuwe methode een belangrijke stap voor de toekomst van kernfusie.


Augustus 2017

Wanden van kernfusiereactoren moeten enorme hitte kunnen weerstaan. Nederlandse onderzoekers bedachten een oplossing.

Het kan de energiebron van de toekomst worden. Kernfusie is duurzaam, schoon en veilig. Maar tot nu toe is het nog niet gelukt om het op een rendabele en duurzame manier te laten plaatsvinden. Een van de problemen is dat de wanden van kernfusiereactoren bestand moeten zijn tegen de enorme hitte die vrijkomt bij deze manier van energie opwekken. Onderzoekers van het Nederlandse instituut voor fundamenteel energie-onderzoek DIFFER in Eindhoven hebben een manier ontdekt om met vloeibaar metaal de wanden van de reactor te beschermen. Een damp-laagje dat boven het vloeibare metaal ontstaat, vangt veel van de hitte weg. De onderzoekers publiceerden hun resultaten vrijdag in Nature Communications.

Mei 2017

De eerste magneetspoel voor de ITER-fusiereactor is gereed. Het gevaarte is 14 m bij 9 m en weegt 110 ton. In totaal moeten 18 van deze spoelen het superhete plasma in de speciale reactor in toom houden. ITER is een verkenning van koude fusie, een vorm van energieproductie die veiliger is dan reguliere kernenergie. (…) e magneetspoelen zijn een van de belangrijkste onderdelen van het donutvormige apparaat: het magneetveld dat de spoelen opwekken moet ervoor zorgen dat het superhete plasma van wel 150 miljoen °C zijn vorm behoud en niet in aanraking komt me de wanden van de reactor. Die hoge temperatuur is nodig om de fusieractie tot stand te brengen: waterstofatomen smelten samen tot helium, waarbij veel energie vrijkomt. De supergeleidende spoelen moeten een Herculiaanse prestatie leveren: er gaat een stroom van 68.000 A doorheen, waarmee een magneetveld van bijna 12 Tesla wordt gecreëerd. Dat veld is een miljoen keer sterker dan het magneetveld van de aarde. Op de kabels van de spoel komen enorme krachten te staan. (…)
Het zal nog wel enige jaren duren voordat alle 18 spoelen gereed zijn, op hun plek in de fusiereactor zitten en daadwerkelijk een magnetisch veld gaan opwekken. Volgens de meest recente planning zal dat niet voor 2025 zijn.


Maart 2017

Kernfusie gaat veel makkelijker als de betrokken kernen al samen in één molecuul zitten. In elk geval in theorie, claimen Amerikaanse en Chileense chemici.

Hun berekeningen verschenen zojuist in een speciaal nummer van Chemical Physical Letters,opgedragen aan de vorig jaar overleden Nobelprijswinnaar Ahmed Zewail. Die geldt als vader van de femtochemie, waarbij je chemische reacties op gang brengt met uiterst korte laserpulsen. Eduardo Berrios (Universidad de Chile), Martin Gruebele (University of Illinois at Urbana–Champaign) en Peter Wolynes (Rice University) stellen eigenlijk een soort femto-kwantumfysica voor, al noemen ze het zelf coherent control.

Ze redeneren dat de grote uitdaging bij kernfusie bestaat uit het tegen elkaar aan duwen van positief geladen atoomkernen, tegen hun onderlinge afstoting in. De huidige fusiereactoren (en trouwens ook de zon) doen dit door losse atomen in een plasma extreem ver op te warmen.

In een molecuul zitten die kernen van nature al veel dichter op elkaar, bijeen gehouden door hun elektronenwolk. Als je met uitgekiende laserpulsen de onderlinge afstand nog wat verder kunt verkleinen, kun je de kans dat ze fuseren wellicht zo sterk vergroten dat het gaat opvallen.


December 2016

Een team van onderzoekers uit de VS en Duitsland heeft nu bevestigd dat de steller van de Wendelstein 7-X (W 7-X) de supersterke, bochtige, magnetische 3D-velden produceert die het ontwerp voorspelde, met " ongekende nauwkeurigheid". De onderzoekers vonden een foutenpercentage minder dan één op 100.000.

"Voor zover wij weten, is dit een ongekende nauwkeurigheid, zowel in termen van de as-built engineering van een fusie-apparaat, als in het meten van magnetische topologie", schrijven de onderzoekers in Nature Communications.

Dat klinkt misschien niet zo opwindend, maar het is cruciaal, want dat magnetische veld is het enige dat hete ballen plasma lang genoeg in de val kan laten lopen om kernfusie te krijgen.


Februari 2016

De Chinese kernfusiereactor, genaamd Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), slaagde er onlangs ook in om een wolk van waterstof plasma te produceren en hield deze stabiel voor maar liefst 102 seconden. Dit meldt het Hefei Institute of Physical Science in een persbericht. Het wetenschappelijke paper dat dit statement onderbouwt en daadwerkelijk bewijst, moet nog wel gepubliceerd worden.

Het produceren en stabiel houden van waterstof plasma is een essentieel onderdeel van kernfusie. Als een kernfusiereactor dit voor een langere tijd doet, kan vrijwel onbeperkt schone energie geproduceerd worden.

Lees ook: Is de fusiereactor de energiebron van de toekomst?


Mei 2015

Deze kunstmatige mini-zon moet ons van energie gaan voorzien

16 mei 2015 10:05

In het Zuid-Franse Cadarache heeft een team van wetenschappers en bouwkundigen nieuw leven in een stokoud project geblazen: ze zijn begonnen aan de bouw van een enorme kernfusiereactor die fossiele brandstoffen definitief tot het verleden moet laten behoren.

Het ITER-project – ‘iter’ betekent ‘de weg’ in het Latijn – werd al in 1987, tegen het einde van de Koude Oorlog, gestart door de EU, de Verenigde Staten, de Sovjet-Unie en Japan in de zoektocht naar schone en veilige energie. ITER raakte echter in het slop nadat de VS zich terugtrok. Maar de grootmacht heeft zich ondertussen weer aangesloten, net als China en Zuid-Korea. In het zuiden van Frankrijk bouwt een team onder leiding van de Franse wetenschapper Bernard Bigot nu met man en macht aan de ‘mini-ster’ ter grootte van zestig voetbalvelden die onze toekomst totaal moet gaan transformeren.

Botsing
De energie die wordt uitgestraald door de zon en andere sterren ontstaat doordat atoomkernen op elkaar botsen en versmelten. Wetenschappers zoeken al jaren naar efficiënte manieren om dit kernfusieproces op kleinere schaal in te zetten op aarde om zo schone energie op te wekken. Anders dan bij nucleaire energie blijft er bij kernfusie namelijk geen gevaarlijk radioactief afval over als bijproduct.

Enorme hitte
Het team van Bigot zegt de reactor, die zo’n vijf miljard euro zal kosten, in 2020 te hebben afgebouwd. Daarna kunnen de wetenschappers zich op energieproductie door middel van kernfusie gaan richten. Voorlopig kunnen de wetenschappers en bouwkundigen hun tanden echter nog even stukbijten op het ontwerp. Met name de enorme hitte die vrijkomt in de reactiekamer vraagt om de inzet onconventionele bouwmaterialen.

Mochten de mannen en vrouwen van ITER onverhoopt (weer) vertraging oplopen met hun bouwsel: de Amerikaanse wapenfabrikant Lockheed Martin wil op eigen houtje binnen 10 jaar met een werkende kernfusiereactor de markt betreden.