Brytning av månbaserat 3 He för användning som fusionsbränsle Jon Fenson
2. FUSIONSPROCESSER A Bakgrund
Syftet med utredningen i avsnittet är att klargöra om D- 3He fusion kan vara att föredra framför D-T fusion. Tanken är att förklara grunden för konceptet med fusionsprocessen. För att illustrera hur de primära reaktionerna ser ut visas först en översikt för grund- koncepten i tabell 2. Det finns ett antal aktuella fusionsreaktioner, som benämns med alternativ 1 respektive alternativ 2 [1] i tabell 2.
Tabell 2. Översikt för primära fusionsreaktioner [1].
Alternativ Reaktion Skapad energi 1 D + T n + 4He 17.6 MeV 2 D + 3He p + 4He 18.3 MeV
I tabell 2 ovan illustreras D-3He fusion av alternativ 2 där det skapas en laddad proton istället för som i D-T fusion (alternativ 1) där det skapas en oladdad neutron. Vad detta har för betydelse för fusionsprocesserna kommer att förklaras mer ingående längre fram i rapporten.
Tanken är att ställa själva fusionsprocessen för D-3He fusion mot den för D-T fusion. Hur kommer fusions- processen att se ut och vad krävs av reaktorn? Frågor som kan tas i beaktande är om det finns tillräckligt med fördelar för att använda 3He som bränsle istället för tritium. Vad finns det för nackdelar med D-3He fusion och vad blir slutsatsen?
Ett syfte med utredningen är att illustrera en framtida fusionsreaktor med D-3He bränsle istället för D-T bränsle.
Deuterium (D eller 2H) är en ickeradioaktiv väteisotop, som finns rikligt på jorden i havsvatten. Deuterium kan utvinnas från havsvatten där ungefär 33 gram deuterium fås ur 1 ton havsvatten. Deuterium är ett aktuellt bränsle i både D-T respektive D-3He fusionsprocesserna.
Helium-3 som är det andra tilltänkta bränslet är likt deuterium inte radioaktivt i sig. 3He är mycket ovanligt förekommande på jorden, men finns i rikliga mängder på månen. En utredning om detta kommer att göras i avsnitt 3 i rapporten.
Grunden för bedömningen i det aktuella avsnittet i rapporten tar dock inte hänsyn till om bränslena finns tillgängliga eller ej. Målet är istället att utreda själva fusionsprocessen mellan deuterium och helium-3. B. Parametrar
Bedömningen för om D-3He fusion är en fördelaktig fusionsprocess grundar sig på följande parametrar: i. Tvärsnittsarean
ii. Lawsonkriteriet iii. betavärdet
Som en parentes ska det nämnas att en mycket mer grundlig utredning kan göras med hänsyn till fler parametrar. För en generell bedömning utgör de tre ovan nämnda punkterna en tillräcklig bas med avseende på jämförelsen mellan fusionsreaktionerna D-T respektive D-3He.
i. Tvärsnittsarean
Figur 1. Tvärsnittsarean för olika fusionsreaktioner [2].
Tvärsnittsarean (eng. cross section) används för att se hur stor sannolikheten är att en reaktion uppstår. Sannolik- heten kan sägas öka med ökad tvärsnittsarea.
I figur 1 ovan visas att tvärsnittet för D-3He är lägre än för D-T fusion. Det är med andra ord lättare att uppnå en fusionsreaktion mellan D-T. Temperaturen, i keV, anger det värde där sannolikheten är stor att en fusionsreaktion skapas.
ii. Lawsonkriteriet
Lawsonparametern skrivs på följande sätt: n!
Lawsonkriteriet illustreras i Lawsondiagrammet i figur 2 där Lawsonparametern sätts i förhållande till temperatur- en T.
Plasmadensiteten är n och τ är energi-inneslutningstiden. Lawson kriteriet är ett mått på vad som måste uppnås, exempelvis vilken temperatur som måste uppnås för att en fusionsrektion ska uppstå. Densiteten, n är olika för
olika reaktioner. Inneslutningstiden, τ säger hur länge energin stannar kvar i systemet (plasmat) innan energi går förlorad till omgivningen i reaktorn.
Figur 2. Lawsondiagram för olika fusionsreaktioner [3].
Om figur 2 ovan tas i beaktande kan en slutsats vara att D-3He fusion kräver förutom högre Lawsonparameter även högre energi för att kunna komma över nollnivå (eng. break-even). Break-even är den nivå där det har tillförts lika mycket energi till fusionsprocessen som det har krävts för att uppnå fusionsprocessen. Ett högre värde på Lawsonparametern krävs alltså vid D-3He fusion jämfört med D-T fusion.
Det medför längre energi-inneslutningstid, τ och tätare densitet, n. I rapporten av Kulcinski mfl. [4] menar man approximativt 5 till 7 gånger högre Lawsonparameter jämfört med D-T fusion.
iii. Betavärdet
Betavärdet anges i procent och kan sägas visa kostnadseffektiviteten för en reaktor. Vanligen bör beta- värdet ligga över 5 %. Utgångspunkten i en tokamak är att ställa det kinetiska trycket mot det magnetiska trycket. Det som eftersträvas är att betavärdet respektive magnetiska fältet i en reaktor ska vara så stora som möjligt för att få maximal fusionskraft. För att beräkna betavärdet används följande formel:
!= "p#
B2
/ (2µ0)
Täljaren anger det kinetiska trycket och nämnaren det magnetiska trycket.
Normalt förekommande betavärde är det toroidala och det poloidala betavärdet som alltså anger riktningen på magnetfältet i en tokamak.
C. Fusionsreaktionen
Den primära fusionsreaktionen mellan deuterium och helium-3 är följande:
D + 3He p (14.7 MeV) + 4He (3.6 MeV)
Det ger som tidigare visats (se tabell 2) en total energi på 18.3 MeV.
Dock skall det nämnas att en D-3He reaktion inte kan bli fri från dotterreaktioner [5] av typen D-D samt D-T.
Tabell 3. Dotterreaktioner vid D-3He fusion [5].
# Dotterreaktioner
1 D + D n (2.45 MeV) + 3He (0.817 MeV) 2 D + D p (3.02 MeV) + T (1.01 MeV) 3 D + T n (14.1 MeV) + 4He (3.5 MeV)
Som tabell 3 ovan uttrycker, skapas alltså bland annat tritium och en neutron i de två första (se #1,2 i tabell 3) dotterreaktionerna. Det är även så att D-T fusion skapas från ovan D-D reaktioner (se #3 i tabell 3). Ett förslag från Stott [5] går ut på att ta tillvara på det tritium som skapas och låta det sönderfalla till 3He (tritium har en halveringstid på ca 12 år). Det kan sedan återanvändas i den primära D-3He processen.
Således skapas även neutroner samt tritium i fusions- processen vilket medför att D-3He reaktionen inte blir helt fri från radioaktivitet.
Den stora skillnaden mellan D-T fusion och D-3He fusion är att det i reaktionen med deuterium och helium-3 istället skapas laddade protoner, jämfört med D-T fusion där neutroner skapas.De laddade protonerna medför en avsevärd skillnad eftersom de möjliggör direkt- konvertering av energi till elektricitet (eng. Direct Energy Conversion). Enligt rapporten av NIFS [6] konverteras ca 70 % av den skapade energin direkt till elektricitet. I D-T fusion skapas istället oladdade neutroner som inte kan utnyttjas för direktkonvertering. Vid D-T fusion utnyttjas värmen som skapas av neutronerna, som utgör ca 80 % av den skapade energin, till att driva en ångturbin som kopplas till en generator, vilket möjliggör en effektivitet på ca 40-45% [7] maximalt, dvs. energi till elektricitet. D. Framtiden
Förebilden för en D-3He reaktor är ITER, vars tokamak är illustrerad i figur 3. Antag att en ny reaktor konstrueras i framtiden som liknar ITER, den benämns FutureFusion och har effekten 1000 MWe.
ITER bygger på magnetiskt innesluten plasma. Detkan noteras att det finns andra reaktorer med t.ex. sfärisk tokamak eller FRM (Field-reversed Mirror), som också skulle kunna vara lämpliga för D-3He fusion.
Uppbyggnaden av FutureFusion antas vara i princip densamma som ITERs nuvarande modell, men med skillnaden D-3He istället för D-T bränsle och kapaciteten 1000 MWe. Vad som bland annat är aktuellt att omvärdera är strukturen på första väggen samt en anläggning för direkt konvertering av energi till elektricitet.
Figur 3. Schematisk illustration av tokamaken vid ITER. Bild från ITER.
Modifikationer
Primära modifikationer i en D-3He reaktor jämfört med en D-T reaktor är enligt följande punkter:
i. Bränsle ii. DEC
iii. Neutronproduktion iv. Manteln
i. Bränsle
I FutureFusion består bränslet av deuterium samt helium- 3 istället för tritium. Detta utgör en viss förändring vad gäller processen i helhet. En D-T reaktor kommer att ha ett sekundärt bränsle i form av litium, vilket beskrivs under punkt 3 nedan.
ii. DEC
För att göra det möjligt med direktkonvertering i FutureFusion är ett tillägg av en DEC ett viktigt steg. DEC-modellen är en direktkonverteringsanläggning framtagen av NIFS [6], vilket möjliggör en konvertering av den skapade energin med effektiviteten 70 % till elektricitet. I en D-T reaktor används konventionellt vanliga ångturbiner för att framställa elektricitet. Ångan fås från den värme som skapas av neutronerna i en D-T reaktor vilket kan illustreras med samma princip som i figur 4 nedan.
Figur 4. Schematisk illustration av DT-fusion. Bild från Princeton plasma physics laboratory.
Om figur 4 tas i beaktande, så ersätts alltså delen med värmekonverteringen och istället antas en DEC- anläggning som fångar upp energin från de laddade protonerna i D-3He reaktionen.
iii. Neutronproduktion
Den tredje modifikationen är den första väggen. Första väggen är den del i tokamaken som är närmast plasmat. I FutureFusion krävs delvis att första väggen klara en högre temperatur beroende på att värmeflödet från fusionsreaktionerna antas öka, då en plasmatemperatur på minst 55 keV kommer att behövas, vilket kan avläsas från figur 2 på sidan 2. 55 keV är temperaturen för maximal D-3He reaktivitet. Det ska inom parentes nämnas att det kan vara mer fördelaktigt att utgå ifrån högre temperaturer. Vid exempelvis 80 keV uppnås fusion med ett lägre värde på Lawsonparametern, vilket resulterar i en lägre plasmadensitet och lägre energi- inneslutningstid, vilket även illustreras i figur 2. Beaktas D-T linjen i figur 2, avläses att maximala reaktiviteten för D-T reaktion är vid ca 6-7 keV.
Vid D-T fusion uppstår det skador på första väggen vilket är den främsta anledningen till att första väggen behöver bytas ut i en D-T tokamak. Dessa skador uppkommer på grund av att neutroner från reaktionerna bombarderar väggen. Beroende på plasmatemperatur och bränsleblandning i D-3He reaktioner kan andelen neutroner i reaktionerna vara olika. Som lägst kan andelen neutroner approximeras till 2-4 % vilket ges av båda D-D reaktionerna, där det antas att D-D reaktionerna förbränner 50 % av T enligt [8] och [1]. Neutroner har uppstått i de så kallade dotterreaktionerna som nämnts i tabell 3. Den största andelen neutroner i en D-3He reaktion skulle kunna utgöras av ca 40 % beroende på om T finns med i reaktionen, där T skapas via dotterreaktionerna enligt tabell 3. Tas tritium bort i fusionsprocessen minskar andelen neutroner till ca 20% eller som lägst 2-4 % av totala reaktionen för D-3He inklusive dotterreaktionerna för D-D enligt en modell beskriven av [5]. Jämförelsevis utgörs 80 % av energin av neutroner i en D-T reaktion. Om andelen neutroner är ca 2-4 %, kan det vara möjligt med en permanent första
vägg i D-3He tokamaken enligt Sawan och Sviatoslavsky [9].
Utgångspunkten är att en reaktor med D-T respektive D- 3He bränsle, har en livslängd på ca 30 aktiva år. I rapporten av Sawan och Sviatoslavsky [9] konstaterar man att i en D-T reaktor kan första väggen behöva bytas ut maximalt 1 gång per år.
iv. Manteln
Vid D-3He fusion behövs inte framställningen av tritium i processen. Således kan en uteslutning göras av litium- manteln (eng. breedning blanket) som är avsedd att skapa tritium. Litium-manteln utgör delen precis bakom första väggen i en D-T reaktor. Eftersom FutureFusion inte behöver denna mantel ges ett större utrymme i tokamaken. Således finns inte heller behovet av litium som alltså används i manteln för framställningen av tritium.
E. Delanalys
Det finns således ett antal parametrar att ta hänsyn till vid bedömningen. Om en återblick görs till delen om parametrar, samt avläsning av diagrammen i figur 1 respektive figur 2 fås approximativa värden för en D-3He reaktion enligt tabell 4.
Tabell 4. Sammaställning av D-3He parametrar.
Parametrar Alt. 1 Alt. 2
Temperatur 55 keV 80 keV
Lawsonparameter 6! 1020
s/m3 2! 1020
s/m3 Betavärde 10% - 30% 10% - 30% Tvärsnittsarea 4! 10"31m2 6! 10"30m2 För att förtydliga resultatet i tabell 4 skulle det vara mest gynnsamt att få till en fusionsreaktion vid alternativ 2. I alternativ 2 finns en större tvärsnittsarea, vilket gör att sannolikhet för fusion ökar jämfört med alternativ 1. Det är även mer fördelaktigt att komma över break-even vid högre temperaturer, vilket betyder att det krävs en lägre Lawsonparameter vid alternativ 2. Genom Lawson- kriteriet påvisas det att det är lättare att uppnå fusion vid högre temperaturer. Observera att svårighetsgraden för att värma upp plasmat till 80 keV jämfört med 55 keV är betydande.
Vid D-T fusion är värdet för Lawsonparametern 6! 1019s/m3 vid temperaturen 20 keV samt 1! 1021s/m3 vid temperaturen 6 keV. Det krävs således en betydligt lägre uppvärmningstemperatur av plasmat för att D-T fusion ska uppnås.
Beträffande betavärdet är det svårt att säga hur stort det kommer att vara utan att gå in på specifika parametrar i en tokamak. Man gör bedömningen att betavärdet bör ligga över 10 % och kan antas ha ett maxvärde vid 30 % för en D-3He tokamak. Antagandet görs med stöd av rapporten [10].
Som en jämförelse ligger beta-värdet normalt under 10 % för en D-T tokamak.
3. BRYTNING AV 3He PÅ MÅNEN