Brytning av månbaserat 3 He för användning som fusionsbränsle Jon Fenson
C. Metoder för brytning
Det finns ett antal förslag på hur brytning av helium-3 kan gå till, vilket bland annat illustrerades i figur 6 på sidan 5.
Metod 1
Ett förslag är att använda sig av grävmaskinsliknande enheter och lastare som är ute på olika platser där koncentrationen av solvindpartiklar är hög. Jordskiktet som grävs upp skulle därefter fraktas till en central processanläggning för utvinning av 3He, så kallat open mining enligt figur 6. Utgångspunkten är tillgången på en helhetslösning där allt jordskikt fraktas till en industri- liknande anläggning för utvinning av 3He.
Figur 8. Mobila enheter utför brytning [12].
Metod 2
Ett annat förslag som utvärderas är den metod som föreslås i rapporten av Li och Wittenberg [12] där man använder ett led av mobila enheter som utför stora delar av brytningsprocessen, vilket illustreras i figur 8. De mobila enheterna utför således uppgrävningen av jordskiktet till utvinningen av gasen helium. I förslaget av Li och Wittenberg fraktas därefter gasblandningen till en central processanläggning på månbasen vars uppgift är uppdelningen av heliumisotoperna, 3He respektive 4He .
Metod 3
Utgångspunkten i metod 3 är att föregående metod (metod 2) skulle kunna tillämpas på ett mer fördelaktigt sätt som exempelvis utifrån Kulcinski och Schmitts [14] rapport genom att kombinera enheterna i figur 8 till en enda mobil enhet, en så kallat BWE (eng. Bucket Wheel Excavator) enligt figur 9. Denna enhet utför således hela brytningsprocessen själv. Konceptet för denna mobila enhet är att den utför uppvärmningsprocessen med hjälp av solenergi under månens dagar (en ”mån”-dag är 372 timmar, ca 14 dagar). För att sedermera dela upp heliumisotoperna (3He resp. 4He) fraktas gastankar till en central anläggning för isotopuppdelning, enligt beskrivningen i figur 6 på sidan 5.
Figur 9. BWE på brytningsuppdrag [14].
Enligt en rapport av Sviatoslavsky [15], skulle en sådan mobil enhet kunna framställa ca 33 kg 3He på ett år. Maskinen kallas av Sviatoslavsky för Mark II och förväntas avverka ca 1 km2/år samt är av samma princip som BWE-maskinen i figur 9.
D. Delanalys
Vad som kan sägas är att de tre presenterade metoderna utgår ifrån samma processhantering. Det finns inga aktuella planer på att frakta ner jordskikt till jorden för att där bearbeta och utvinna 3He. Det skulle vara direkt opraktiskt, då mycket stora mängder irrelevant jordskikt skulle behöva fraktas.
Om utgångspunkten är att använda den mobila enheten som beskrivs i metod 3, kan det konstateras att stora områden på månen måste avverkas av flera Mark II
maskiner för att tillgodose behovet av 3He till en 1000 MWe reaktor. En närmare analys av andelen 3He som behövs görs i avsnitt 5 i samband med kostnads- bedömningen.
4. TRANSPORTERING A. Bakgrund
Följande avsnitt berör området transportering av 3He från månen till jorden. I avsnitt 3 gjordes en undersökning om tillvägagångssättet för brytning av 3He på månen. Således är det även aktuellt att transportera 3He till jorden. I följande avsnitt beskrivs tre olika metoder för transportering av 3He. Viktiga parametrar i bedömnings- processen för transportmetoden kan vara mängden bränsle, rakettyp och vad som är ett bra miljöval. B. Metoder
Tanken är att visa tre stycken alternativa metoder för transportering. Utifrån bedömningen av dessa metoder visas en metod som är mest lämpad för transportering av 3He.
Metod 1
Förslaget är ett alternativ som kan ge en enkel lösning på transporteringen av 3He.
Metoden som förslås av Wittenberg och Kulcinski [16] har som utgångspunkt NASAs Space-Shuttle program. Witttenberg och Kulcinski anser att en möjlighet är att använda en farkost av samma storlek som en Space- Shuttle. NASA har under tidigare rymdfärder använt Shuttles som Endeavour respektive Atlantis som visas i figur 10. Möjligheten finns då att frakta 25 ton flytande 3He från månen till jorden. I rapporten [14] av Kulcinski och Schmitt görs beräkningen att ca 25 ton 3He skulle täcka USA:s totala energibehov under året 1991. 25 ton flytande 3He kan alltså rymmas i en farkost med samma storlek som Shuttle-farkosten på bilden i figur 10.
Figur 10. Bild föreställande NASAs Space-Shuttle Atlantis, 1985.
Rent praktiskt skulle farkosten lyfta från jorden och landa vid månbasen. Alternativt att den inte landar på månen utan istället slutar färden i månens omloppsbana där den möter en farkost från månen som dockar med Shuttlen och lastar över behållare med 3He.
Metod 2
Metod 2 utgår ifrån VASIMR [17] konceptet som illustreras i figur 11. Tanken med metod 2 är att kombinera VASIMR med en raket som har last- kapaciteten likt en Shuttle på 25 ton. VASIMR (eng. Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) bygger på elektrisk framdrivning som enligt Leonard mfl. [17] har en mycket lång livstid. Dock är VASIMR i teststadiet, men konceptet har visat lovande resultat. Anledningen till att konceptet med VASIMR tas upp i rapporten är att den utgör ett framtida alternativ. I Diaz’s rapport [18] beskrivs de tre stegen som får raketen att fungera. Första steget enligt [18] är att skapa plasmat genom att jonisera bränslet som skulle kunna bestå av helium eller väte. Därefter lagras kinetisk energi i plasmat genom ytterligare uppvärmning. Slutligen fås framfart genom att expandera plasmat, dvs. plasmats tillstånd ändras i ett magnetiskt munstycke.
FIGUR 11. Illustration av VASIMR konceptet [17].
Enligt figur 11 ovan används radiovågor (förkortas RF) för att värma upp gasen till plasma. Dessa enheter drivs av elektricitet vilket medför att en strömkälla kommer att behövas. En trolig lösning är användningen av en kärnreaktor.
Metod 3
PARTS är förkortningen för ”plasma accelerated reusable transport system” och beskrivs i rapport [19] av Davis, England m.fl. PARTS är egentligen utvecklad för transporter till och från Mars. Men PARTS skulle lika gärna kunna tillämpas vid transporter till och från månen. PARTS har möjligheten att frakta flera satelliter, fordon och annan last samtidigt. Denna transporteringsmöjlighet är tänkbar vid transport av exempelvis ett flertal Mark II till månen. En fullastad PARTS-raket klarar tre laster från en raket av format Boeing Delta IV Heavy, vilket är ca 70 ton totalt.
Strategin för PARTS är att den utgår ifrån jordens omloppsbana, dvs. den lyfter inte från jorden och landar inte heller på månen. PARTS kan närmast beskrivas som en pendel mellan jordens omloppsbana och månens omloppsbana. Enligt rapporten [19] sätts den samman i jordens omloppsbana i två steg. Första delen, som består
av raketen VASIMR [18], bränsletanken och last- utrymmet fraktas upp av en Delta IV Heavy raket. Andra delen, kärnreaktorn och dockningsenheten fraktas där- efter upp av en Shuttle-raket. Den kompletta PARTS- raketen är illustrerad i figur 12 nedan.
Figur 12. PARTS konfiguration. Från [19]
C. Delanalys
USA hade ett energibehov 1991 på motsvarande 25 ton 3He. Tas metod 1 i beaktande skulle det behövas ca 757 stycken maskiner av typen Mark II enligt metod 3, som beskrevs i avsnitt 3. Dock är tanken i rapporten inte att frakta 25 ton 3He per år. I avsnittet om kostnads- bedömning (avsnitt 5) görs beräkningen att det behövs ca 77-100 kg 3He per år för en 1000 MW
e reaktor. Det innebär ca 3 stycken Mark II, då de har kapaciteten att utvinna ca 33 kg per maskin. Utgångspunkten kan givetvis inte vara att endast en 1000 MWe reaktor är aktuellt om det planeras att etablera 3He-brytning på månen. Det är inte ekonomiskt försvarbart.
Mot bakgrund av de tre alternativen ovan kan följande slutsats dras: metoden som kombinerar VASIMR raketen med lastutrymmet på en Shuttle ter sig mest lämpad för frakt av 3He från månen till jorden. Dock kan en trovärdig kostnadsbedömning för den metoden vara svåröverskådlig, då den inte finns i produktion.
5. KOSTNADSBEDÖMNING A. Bakgrund
I följande avsnitt kommer en kostnadsjämförelse att göras. Vilka kostnader är förknippade med D-3He- bränsleförsedda reaktorer respektive D-T reaktorer? Inom parentes kan det klargöras att det inte på exakta grunder går att bestämma kostnader för fusionskraft, vare sig det gäller D-T eller D-3He fusion. Fusion är, som tidigare nämnts en framtida energikälla vilket gör att nya tekniker och möjligheter kan bli aktuella.
Kostnaderna kommer att baseras utifrån de tidigare avsnitten. Det medför att följande punkter är aktuella för en kostnadsbedömning av fusionsreaktionen mellan D- 3He:
• brytning av 3He på månen
• transportering av 3He från månen till jorden • kostnad för fusionsprocessen mellan D-3He
Summan av de tre punkterna ovan kommer att ställas mot kostnaderna för D-T fusion. Det skall dock nämnas att det inte endast är kostnaderna för respektive fusionsprocesser som avgör vilket alternativ som är bäst. Det finns även andra fördelar respektive nackdelar i de två fusionsprocesserna som skulle kunna väga tyngre i en
allmän bedömning, mer om det under diskussion och slutsats.
En återblick till avsnitt 2 görs för att se de viktiga skillnaderna mellan D-T respektive D-3He fusion. Delvis är en väsentlig skillnad metoden för framställning av tritium i D-T fusion, dvs litium-mantelns funktion. Väteisotopen tritium finns, som sagts tidigare inte heller i tillräckliga mängder på jorden.
B. Strategi
Antag scenariot av två reaktorer enligt tabell 5 nedan. Första reaktorn (1) använder deuterium och helium-3 som bränsle. Andra reaktorn (2) använder deuterium och tritium som bränsle.
Tabell 5. De två reaktorerna i jämförelsen.
Reaktor Effekt Bränsle
1 1000 MWe D-3He
2 1000 MWe D-T
Strategin är först att måla upp de primära skillnaderna i de båda fusionsprocesserna. Detta görs för att underlätta bedömningsprocessen. Deuterium (D) används i båda fusionsreaktionerna och kommer att exkluderas i be- räkningarna.
Reaktor 1
Reaktor 1 använder alltså deuterium och helium-3. Kostnaderna för denna reaktor bygger på nedan angivna punkter i ordningsföljden:
i. Brytning av 3He på månen
ii. Transport av 3He från månen till jorden iii. Fusionsprocessen
i. Brytning av 3He
Inom ramen för denna punkt ingår kostnader för brytningsmaskiner, utvinningsprocessen av 3He samt en central anläggning för isotopuppdelning. Det finns även en rad andra kostnader som kan sättas under denna punkt, exempelvis kostnader för personalen och deras liv på månen i form av mat och vatten. I Kulcinskis och Wittenbergs rapport [13] har man angett ett värde på mellan 1000 och 3000 dollar per gram för 3He. Detta värde inkluderar alla kostnader för brytning av 3He på månen, vilket inkluderar brytning och utvinning av helium samt isotopuppdelning mellan 3He och 4He. Kostnaderna inkluderar även transporten till och från månen. Inom ramen för kostnaderna görs antagandet att det finns en etablerad månbas av NASA, således kan användningen av deras etablerade transportmöjligheter användas istället för att upprätta en egen. Antagandet är verifierat via personlig epostkontakt med Gerald Kulcinski vid Wisconsin-Madison universitetet i USA, dvs. en av författarna till rapporten [13].
ii. Transport av 3He från månen
Transporteringen av 3He innebär kostnader i form av rakettyp, raketbränsle och lastutrymme. I Kulcinski och Wittenberg rapporten [13] utgår man ifrån en Shuttle- liknande raket, och menar att en Shuttle har kapaciteten att lasta ca 25 ton flytande 3He. Som nämndes ovan, ingår
kostnader för transport i deras beräkningar tillsammans med brytningen av 3He.
iii. Fusionsprocessen
Fusionsprocessen utgör den slutliga fasen dvs. själva fusionsreaktionen mellan D-3He. Kostnader gäller primärt för drift och underhåll av reaktorn. Det som i stora drag skiljer D-3He reaktorn från D-T reaktorn är DEC (direktkonverteringsanläggningen) samt första väggen, vilket är beskrivet i avsnitt 2, angående fusionsprocesser.
Reaktor 2
Reaktor 2 bygger sedermera på bränslena deuterium och tritium. Det som är relevant att ta reda på är de specifika kostnaderna för framställningen av tritium. Denna kostnad är jämförbar med kostnaden för helium-3. C. Metod
Tanken är att bestämma kostnaden för 3He respektive T i de två fusionsreaktionerna. För att kunna se vad kostnaderna blir är det lämpligt att först vara införstådd med mängden bränsle som krävs. Beaktas tabell 5 ovan, antogs en kapacitet på 1000 MWe för respektive reaktor. Reaktionerna för reaktor 1 respektive reaktor 2 är kända och återges enligt tabell 6.
Tabell 6. Fusionsreaktionerna för de två reaktorerna.
# Fusionsreaktion Total energi
1 D + 3He p (14.7MeV) + 4He (3.6MeV) 18.3 MeV 2 D + T n (14.1MeV)+ 4He (3.5MeV) 17.6 MeV
Reaktor 1
Enligt tabell 6 ovan ges att reaktor 1 dvs. D-3He har en total energi på 18.3 MeV.
I första steget beräknas hur mycket 3He som behövs i en reaktor under ett år. En reaktor har energin P enligt ekvation (1). Därefter anges reaktorns effekt W som i detta fall är 1000 MWe. För att få fram antalet 3He- partiklar per sekund divideras P med W där svaret ges i ekvation (3). Sedan anges vikten för en 3He-partikel i kg enligt (4). Sedermera krävs det ca 0.147 kg/dygn (5) av 3He till en 1000 MW e reaktor. W = 18.3 !106eV= 1eV = 1.602 !10#$ "19J%& = 2.93!10"12J (1) P= 1000 !106W (2) ' P W = 1000!106J / s 2.93!10"12J = 3.4 !10 20 3He / s (3) 3He= 3.0160293u ( 5.03 !10"27kg (4) ' 0.147kg / dygn (5)
Det betyder att det krävs ca 54 kg/år av 3He. Används direktkonvertering med en effektivitet på 70 % medför det att det krävs ca 77 kg 3He på ett år för en 1000 MW
e reaktor. Effektiviteten är ett mått på hur mycket av den producerade energin som kan omvandlas till elektricitet.
Om det sedan antas att en D-3He reaktor har en livstid på 30 aktiva reaktorår går det åt 2310 kg 3He totalt.
Reaktor 2
Med en liknande beräkning som ovan, fås att mängden tritium som behövs i en D-T reaktor är ca 56 kg/år. Det som kan konstateras är att effektiviteten i en D-T reaktor är ca 40-45% [7], vilket istället skulle kunna innebära att ca 124-140 kg/år krävs.
D. Kostnader
Om en 1000 MWe D-3He reaktor är utgångspunkten, krävs det ca 77 kg 3He per år. Antag att en arbetsdag är 8 timmar och att verksamheten är igång 365 dagar om året. Det ger 2920 timmar på ett år. Då skulle det krävas en utvinning av ca 26 gram 3He per timme. Är utgångsläget att 1 gram kostar mellan 1000-3000 dollar, blir kostnaden för 26 gram 26 000 – 78 000 dollar. För 77 kg fås en årlig kostnad av 77 miljoner dollar, då 1 g kostar $1000. Alternativt, 77 kg då 1 gram kostar $3000 medför en kostnad på 231 miljoner dollar per år. för att förtydliga kostnaderna redovisas resultatet i tabell 7 nedan.
Tabell 7. Kostnader för brytning och transport av 3He i US dollar. 1 g kostar ($) 26 g/h kostar ($) 211 g/dag kostar ($) 77 kg/år kostar ($) 2.3 ton på 30 år kostar ($) 1000 26 000 211 000 77 milj. 2.3 miljarder 3000 78 000 633 000 231 milj. 6.9 miljarder
År 2009 hade Sverige en installerad generatoreffekt på ca 34 167 MWe [20], inkluderat vattenkraft, kärnkraft, vindkraft samt konventionell värmekraft.
Ponera att Sveriges generatorkraft är uppdelad i D-3He reaktorer med effekten 1000 MWe per reaktor, dvs ca 36 stycken reaktorer, så skulle det krävas ca 2 ton 3He per år för att försörja hela Sverige.
Om det krävs 124 kg tritium på ett år för en D-T reaktor och metodiken grundar sig precis som i tabell 7 av 8 timmars framställning per dag samt att det antas att reaktorn är aktiv i 30 år fås resultaten enligt tabell 8.
Tabell 8. Kostnad för framställning av tritium i US dollar. 1 g kostar ($) 42 g/h kostar ($) 339 g/dag kostar ($) 124 kg/år kostar ($) 3.7 ton på 30 år kostar ($) 1000 42 000 339 000 124 milj. 3.7 miljarder 1420 59 640 481 380 176 milj. 5.2 miljarder
I en jämförelse mellan olika typer av D-T reaktorer kommer man i rapporten av Maisonnier mfl. [21] fram till att det skulle kosta omkring 5 – 9 Eurocents per kWh (den så kallade coe = cost of electricity). Kostnaden för en ITER-liknande modell skulle motsvara ca 5 Eurocents/kWh (ca 7 USDcents/kWh) enligt rapporten. Detta värde kan då jämföras med en uppskattning gjord av Dabiri [10], där man kom fram till ett värde av 5
USDcents/kWh. Här ska faktum givetvis klargöras att bedömningen grundar sig på en reaktortyp av modellen FRM (eng. Field-reversed mirror reactor).
Kostnaden för en reaktor med D-3He bränsle uppgår i en uppskattning av Wittenberg i rapporten [22] till ca 8 USDcents/kWh jämfört med ca 7 USDcents/kWh för D- T fusion. Det viktiga i slutsatsen Wittenberg gör är det faktum att prisnivåerna för de båda fusionsprocessen ligger nära varandra kostnadsmässigt.
E. Delanalys
I rapporten av Sviatoslavsky [15] utvärderas en mobil brytmaskin kallad Mark II, vars uppgift är att bryta och framställa 3He. Sviatoslavsky menar att Mark II kan framställa 33 kg 3He per år, vilket innebär att det behövs minst tre stycken Mark II för att klara kravet på 77 kg per år för att tillgodose en 1000 MWe reaktor. I rapporten [15] förutsätter man att maskinen är aktiv ca 10 timmar om dagen.
Det anses vara rimligt att ställa kostnaderna för 3He mot kostnaderna för tritium. I kostnadsberäkningarna ovan inkluderas själva framställningsprocessen för tritium respektive brytningsprocessen och transporteringen för 3He.
Kostnader för deuterium (D) har exkluderats eftersom isotopen används i båda reaktorerna, dvs. D-T respektive D-3He.
Kostnaderna för tritium baseras på kostnaderna för reaktorn AREIS-I som använder D-T fusion. I rapporten av Wittenberg [22] menar man att tritiumproduktionen skulle kosta mellan 1000-1420 USD per gram.
6. DISKUSSION
För att underlätta hanteringen av information har diskussionsavsnittet delats in inom ramen för respektive avsnitt i rapporten.