Gegroet Minatica,

ik heb de eer om met jullie een van mij creaties te mogen delen.

Tijdens het vak seminarie kregen we een tijd geleden de opdracht om onderzoek te doen naar een elektromagnetisch apparaat dat gebruikt maar van elektrische en magnetische velden om te functioneren. Ondanks dat dit niet een van de gegeven suggesties was, kozen mijn partner en ik voor een actueel en evolutionair onderwerp:

kernfusie op aarde (https://vorming.minatica.be/Powerpoint/Een%20ster%20op%20aarde.ppsx).

In de Powerpoint zal u via een schetsende inleiding naar de werking van de tokamak(1) geleid worden, om te eindigen bij een stukje actualiteit. Ik raad jullie aan om niet te veel te klikken, want vele effecten komen vanzelf.

Indien u vragen of opmerkingen hebt mag u deze natuurlijk altijd posten en zal ik proberen een zo gepast onderwerp te geven. Ik ga hier in dit bericht de slides niet uitleggen, de meeste spreken normaal gezien voor zichzelf. Maar uitleg vragen mag zeker!

Bovendien zou ik ook graag compuchrisje die mij dit mogelijk gemaakt heeft.

Bedankt en met vriendelijke groeten,
General

(1): tokamak = de torusvormige kamer in een fusiereactor waar het plasma zich bevindt

ps: complimenten mogen ook :D

1) Kernfusie
zoals u kan zien is het energieverbruik hier op aarde exponentieel gestegen sinds de industriële revolutie. Volgens de huidige groei zouden we binnen 100 jaar meer dan dubbel zo veel energie nodig hebben om de aarde te voorzien. Dit lijkt op zich nog wel doenbaar, maar...


Op de volgende slide ziet u een diagram met de energiebronnen die de dag van vandaag gebruik worden om energie op te wekken. 80% daarvan zijn fossiele brandstoffen. Dit wil zeggen dat er bij de verbranding van deze stoffen CO2 in de lucht vrij komt, wat niet goed is voor de koolstofbalans op aarde. Langst de andere kant zijn de voorraden hiervan meer en meer op aan het geraken en zullen weldra uitgeput zijn.
Waterkrachtcentrales kunnen dan weer niet overal gebouwd worden, tasten de natuur zwaar aan en kunnen afhankelijk zijn van regenval. Nucleaire (kernfissie aka kernsplijting) energie levert dan weer hoogradioactief afval met een lange halfwaardetijd op.
Dit is waarom men de toekomst zag in kernfusie.


We zijn allemaal welbekend met Einstein's formule: E = m.c². Maar wat heeft deze te maken met kernfusie? Ik kan u alvast zeggen dat deze formule een van de steunpilaren van de kernfusie is.
Vervolgens ziet u een proton en een neutron verschijnen, dit zijn 2 kerndeeltjes met respectievelijk een lading van 1+ en 0. Wanneer alleen deze 2 zich in een kern bevinden spreken we van een deuteriumatoom, dat is een isotoop van waterstof. Deze grafische verwijzingen komen nog terug in de rest van de voorstelling.


Wanneer we de 2 nucleonen apart (dus niet samen in een kern) op de ene zijde van de balans en het deuteriumatoom op de andere zijde leggen, zien we dat de balans naar de kant van de 2 aparte nucleonen over slaat. Wreem toch, want in beide schalen lagen dezelfde nucleonen?


Vervolgens berekenen we de energie die de 2 delen hebben. Daaruit blijkt dat de kerndeeltjes apart meer energie hebben dan wanneer ze samen in de kern zitten. Dit wil zeggen dat er van de overgang van losse nucleonen naar een kern een energie-uitstoot moet zijn.


Om dit te verklaren gaan we de kern van het deuteriumatoom eens van dichterbij bekijken. Hoe kan het dat een positief en een neutraal geladen deeltje toch samen blijven in de kern, terwijl normaal gezien positieve voorwerpen geen effect hebben op neutraal geladen voorwerpen?
Elk nucleon is opgebouwd uit nog kleinere deeltjes: quarks. Deze hebben partiële ladingen, waardoor een neutron zowel positief als negatief bezit. Zo voeren het proton en het neutron toch nog een kracht op elkaar uit, die bekend staat als de sterke kernkracht. Deze werk enkel maar op zeeeeer kleine afstand en valt weg buiten de kern, wanneer de afstand dus te groot wordt.


Dan gaan we over tot de brandstof die nodig is voor kernfusie. Brandstof, maar niet voor ontbranding. Voor het kernfusieproces zijn 2 isotopen van waterstof nodig: deuterium (²H) en tritium (³H). Deze bestaan respectievelijk uit 2 en uit 3 nucleon, waarvan 1 proton (waardoor het waterstofisotopen zijn).
De eigenschappen van deuterium zijn af te lezen. Tritium is echter een radioactieve isotoop en komt niet vrij in de natuur voor. Daarom dient het gewonnen te worden uit Litium. Door een 6Li-kern te beschieten met neutronen zal deze uit elkaar vallen in 3 tritiumkernen.


Op de zon komen zowel deuterium als tritium in enorme hoeveelheden voor. Zoals iedereen weet, doen sterren aan kernfusie om hun energie te verkrijgen. In de kern van de zon heerst er een enorme druk (massa van de zon onder eigen zwaartekracht) en een zeer hoge temperatuur. Hierdoor krijgen de kernen zeer veel energie en door de druk kunnen de kernen (die allen positief geladen zijn en dus elkaar afstoten) bij elkaar komen. Wanneer een ²H en ³H kern fuseren, ontstaat hieruit een 4He-kern, een vrij neutron en energie.


Nu kon de vraag misschien al gerezen zijn waar de elektronen gebleven zijn in mijn vorige uitleg. Op de slide ziet u een kern met daarond een willikeurig aantal elektronen. Laten we het aantal nucleonen en elektronen buiten beschouwing houden. Wanneer een kern meer kinetische energie krijgt zal deze meer en meer beginnen te trillen, wat wij waarnemen als warmte. Wanneer de warmte zo groot wordt dat de kern té hard trilt, zullen de elektronen loskomen van de kern. Deze toestand is de 4e aggregatietoestand: het plasma. In een plasma bevinden zich dus positieve kernen en negatieve elektronen. (sommigen gaan al beginnen denken aan elektriciteit en geleiders)

2) de tokamak
Het plasma in een kernreactor bevindt zich in een tokamak. Dit is, zoals de benaming het zegt, een torusvormige kamer waarin het plasma door middel van magnetische krachten opgesloten wordt.


Waarom is het nodig dat het plasma opgesloten wordt en niet gewoon in een buid gegoten wordt? Omdat hier op aarde de druk vanop de zon ontbreekt is er een veel hogere temperatuur nodig om het mengsel van deuterium en tritium is de plasmafase te krijgen. Natuurlijk mag dit de rand niet raken, omdat dan zowel het plasma zal afkoelen als de wand zal smelten door de extreem hoge temeratuur. Daar komt nog eens bij dat de elektromagneten die een magnetisch veld op zullen wekken gekoeld zullen worden tot iets boven het absolute nulpunt, voor een zo goed mogelijke geleiding.


Als eerste wil ik met jullie de toroidale magneten beschouwen. Dit zijn de magneten die rond de torus geplaatst zijn. Wie thuis is op het gebied van elektromagnetisme herkent hier al vrij gauw een ringvormige spoel is, dus zonder begin of einde.


Deze supergeleiders / elektromagneten worden doorstroomd met een hoge amperage. Volgens de regel van de rechterhand (duim wijst volgens de stroomzin, magnetische veldlijnen volgen de kromming van de vingers) lopen de magneetlijnen allemaal parallel door de spoel en in de tegengestelde zin buiten de spoel.
Het plasma, bestaande uit positieve kernen en negatieve elektronen, gaat de magnetische veldlijnen volgen. Opmerking: de kernen en de elektronen gaan in tegenovergestelde zin. De snelheid waarmee het plasma beweegt hangt af van de grootte van de magnetische inductie (sterkte van het magnetisch veld), wat afhangt van de stroomsterkte.


Vervolgens staat in de het middelpunt van de tokamak een verticale 'kern'. Deze wordt met gelijkspanning doorstroomd, wat ook (volgens de regel van de rechterhand) een magnetisch veld opwekt in dezelfde zin dan het magnetisch veld van de toroidale magneten.


We kennen allen het effect van de centrifugale kracht, dus volgens dit principe zou het plasma door zijn snelheid weggeslingerd worden. Daarom is het belangrijk dat het plasma nog een 2e beweging krijgt, die haaks op de centrifugale kracht staat.
Laten we een doorsnede van de plasma bekijken. We beschouwen het als een geleider, waarin de elektronen tussen de positieve kernen door bewegen. Zoals elke doorstroomde geleider wekt het plasma een magnetisch veld op. Volgens de regel van de rechterhand (ja deze blijft terug keren) loopt het magnetisch veld dus rond het plasma. Maar, het plasma kan ook binnen zichzelf beschouwd worden als een doorstroomde geleider, wat maakt dat de veldlijnen die hij zelf opwekt ook in het plasma zelf voorkomen. We weten dat de positieve kernen en de negatieve elektronen vrij kunnen bewegen, waardoor ze de rondgaande veldlijnen zullen volgen (in tegengestelde zin). Dit wordt de poloidale component genoemd.
De toroidale en de poloidale bewegingen vormen samen een hellische beweging, waardoor het plasma door de tokamak en rond zichzelf draait, waardoor de centrifugale kracht geen effect meer heeft.


Vervolgens zonder de 6 ringvormige horizontaal geplaatste magneten voor een vervorming van het hierboven ontstane magnetisch veld. Het veld zal zo vervormd worden, dat de binnenste veldlijnen nog altijd gesloten zijn, maar de de buitenste elkaar (raar maar waar) zullen kruisen.

3) Warmte




3.1) Input
Natuurlijk zal het plasma niet vanzelf de vereiste temperatuur bereiken. Het plasma zal op 3 manieren opgewarmd en op temperatuur gehouden worden via 3 principes.


a) elektromagnetische golven
een elektromagnetische golf bestaat uit 2 haaks op elkaar geplaatste componenten. Een elektrische golf, en een magnetische. Voor het effect van deze golf op het plasma gaan we de elektrische golf buiten beschouwing laten, aangezien deze enkel effect heeft op polaire moleculen en niet op de kernen en elektronen in het plasma.




de magnetische golf daarintegen zal zoals een magnetisch veld de beweging van de geladen deeltjes veroorzaken. Als eerste beschouwen we de stilstaande golf met een geladen deeltje dat de beweging van de golf volgt. Maar, de golf staat niet stil, het is de golf die voorbij de kern komt en deze zo heen en weer laat bewegen, waardoor deze harder begint te bewegen, wat gelijk is aan toenemende temperatuur.


b) neutronen
Iedereen kent een biljarttafel en de bijhorende ballen. Wanneer de ballen op tafel stil liggen hebben zij een positieve potentiële energie, maar geen kinetische energie. Wanneer een bal in beweging gebracht wordt zal deze een toenemende kinetische energie krijgen. Als de bal een andere raakt zal deze zijn kinetische energie doorgeven, waardoor de bal tot stilstand komt en de andere beweegt.


Wat heeft dit te maken met plasma? In de tokamak worden bundels met neutronen afgeschoten. Deze hebben geen lading en worden dus niet beïnvloed door het magnetisch veld. De neutronen botsen tegen de kernen in het plasma en geven zo een gedeelte van hun kinetische energie door. Nadien gaan zij een andere richting uit en zullen uiteindelijk weer uit het plasma komen. De kernen kregen meer kinetsche energie, wat gelijk is aan ... juist, warmte.


c) het Joule-effect
In het plasma wordt een inductiestroom opgewekt door gebruik te maken van pulsen. De kern, die eerder besproken is geweest, zal telkens de stroomsterkte opbouwen en dan stoppen, weer opbouwen, stoppen, ... Zo is er zoals in een transformator een fluxverandering, wat zorgt voor een inductiestroom.

We aanschouwen 2 geleiders: een geleider waarvan de temperatuur nadert naar het absolute minpunt en een geleider met hoge temperatuur, het plasma.

De elektronen die door de koude geleider gaan kunnen zeer gemakkelijk voorbij de stilstaande kernen bewegen en raken deze bijna nooit. Hierdoor zal de stroom zeer weinig weerstand ondervinden.
Maar in het plasma bewegen de kernen enorm hard. Hierdoor krijgen de elektronen het moeilijk (= grotere weerstand) en zullen zij ook frequenter tegen de kernen botsen. Hierbij geven ze, net als hierboven al uitgelegd, hun kinetische energie over aan de kernen (wat resulteert in warmte).


3.2 Output
Laten we even terugkomen op de rare vorm van het magnetische veld in de tokamak dat we al eerder aanhaalden. Onderaan de tokamak bevindt zich een divertor. Dit is een constructie van verschillende materialen dit 3 hoofdfuncties heeft. Deze kan u zien op de voorstelling.


Het helium dat ontstaat bij de fusiereacties is zwaarder, en ontsnapt uit het magnetisch veld. Doordat het niet meer in de gecentreerde veldlijnen draait komt het terecht op de opvangplaten van de divertor. Deze nemen het helium niet op, maar onttrekken er wel bijna alle kinetische energie uit, waardoor het helium onder de zwaartekracht naar beneden valt waar het afgezogen wordt. De opvangplaten worden gekoeld door langsstromend water.


De neutronen die vrijkomen bij de fusie en die in het plasma worden geschoten botsen tot ze er weer uit komen, waarbij ze willekeurige plekken van de wand zullen raken. De wand van de tokamak wordt zelf ook gekoeld met water en de neutronen worden ofwel opgenomen door de wand (waardoor die na een tijd radioactief is!) of worden afgezogen onderaan.


De voorstelling is de site waar ITER, de huidige kernreactor die men aan het bouwen is. Het koelwater van de tokamak en de divertor wordt het primaire circuit genoemd. Zoals in de kernsplijtingscentralen komt die circuit niet buiten de reactormantel. Het secundaire circuit neemt de warmte van het primaire circuit over een geeft deze door aan het tertiaire circuit dat volledig buiten de reactormantel is. Zo is de kans op besmetting van het water minimaal. Het water in het 3e circuit wordt gekoel door het door koeltorens naar beneden te laten storten. Het water voor dit circuit komt uit de naastgelegen rivier.


De 4 baden onderaan worden gebruikt voor verschillende redenen:
* fill: dit bad wordt gevuld alvorens men het testbad gaat vullen. Dit water wordt daarna ook geloost (hangt af van het getijde van de rivier).
* test: dit bad wordt regelmatig gevuld om testen uit te voeren met het water, om het te controleren op zuurtegraag, radioactiviteit en besmettingen. Tevens wordt er biologisch onderzoek gedaan naar de voorkomende organismen.
* release: hierdoor stroomt al het overtollige water dat in het 3e circuit terecht gekomen is (bijvoorbeeld door regenval)
* back up: dit bad wordt altijd gevuld gehouden, voor wanneer er meer water nodig is in een van de circuits

4) Fusiereactoren

ITER is een project dat gefinancierd wordt door verschillende landen. Op de eerste slide van dit gedeelte ziet u een kleine geschiedenis met de belangrijkste feiten. De VS waren even uit het project gestapt omdat er toen nog geen bewijs op rendement was.

De reactor is ontworpen om aan fusie te kunnen doen met een input vanaf 50 000 000 W. Het vermogen dat deze reactor zal opleveren zodra hij gestart is zal 500 000 000 W zijn, dit wil zeggen dat hij 10x zo veel opbrengt dan er nodig is om het proces in stand te houden. Het proces (temperatuur en druk) zullen door de fusie-energie zelf op peil gehouden worden.

De deelnemende landen: VS, EU, Rusland, Japan, India, China & Zuid-Korea.

Bouwplaats: Cadarache, maar daarom mag Japan een groot aantal wetenschappers sturen.

--------------------------------------------------------------------------

Indien er specifiekere vragen zijn in verband met deze voorstelling,
zowel qua inhoud als qua vormgeving,
stel ze gerust hier!

Alvast bedankt voor uw interesse!

Volgens mijn weten probeert men al lang energie door kernfusie op te wekken, maar is men er nog nooit in geslaagd omdat de noodzakelijke starttemperatuur van enkele miljoenen graden celsius enkel kon bekomen worden door een kernspltsing, een atoombom dus. Is er daar al vooruitgang geboekt? Ik denk dat er wel wat wetenschappelijke onderzoeksinstallatie bestaan, maar echt rendabele kernfusiereaktoren nog niet. Ik zou ook niet graag in de buurt van zo'n experimenteel ding wonen. Misschien heeft Japan geluk dat ITER niet bij hen is gestart, maar in Frankrijk. En dat is helaas dicht bij ons, maar 1200 km!

Ik denk dat afstand er niets toe doet indien er iets fout zou gaan bij een kernfusie, denk maar aan de collider in Zwitserland. Maar zonder testen kan niets uitgeprobeerd worden. Toen Nobel het dynamiet uitvondt wist hij ook niet dat het zou worden gebruikt om mensen te vernietigen. En Graham Bell wist ook niet dat zijn uitvinding zou zorgen voor een grote misvorming aan één oor van vele mensen, in de vorm van een gsm. En het Eureka van Archimedes heeft ook niet enkel geluk en goud gebracht... Maar iemand moet de moed en de wil hebben om iets uit te proberen. En er moeten ook mensen zijn die in die wetenschappers gelooft.

Volgens mijn weten probeert men al lang energie door kernfusie op te wekken, maar is men er nog nooit in geslaagd omdat de noodzakelijke starttemperatuur van enkele miljoenen graden celsius enkel kon bekomen worden door een kernspltsing, een atoombom dus. Is er daar al vooruitgang geboekt? Ik denk dat er wel wat wetenschappelijke onderzoeksinstallatie bestaan, maar echt rendabele kernfusiereaktoren nog niet. Ik zou ook niet graag in de buurt van zo'n experimenteel ding wonen. Misschien heeft Japan geluk dat ITER niet bij hen is gestart, maar in Frankrijk. En dat is helaas dicht bij ons, maar 1200 km!

De eerste waterstofbommen (koude oorlog) waren kernfusiebommen, en daar was eerst de energie van een kernsplijting voor nodig.

Hier in deze soort kernfusiecentrales werkt men met deze tokamak, waardoor mn druk en temperatuur kan opvoeren tot deze hoog genoeg zijn. ITER is nog geen commerciele reactor, maar zal wel rendabel zijn als hij opstart. De vorige reactoren die gebouwd zijn (bv JET) waren te klein om rendabel te zijn. Grotere kernfusiereactoren zullen rendabeler zijn.

De volgende kernfusiereactor (DEMO) die op het programma staat en wél commercieel gaat zijn komt in Japan en gaat nog veel groter zijn.

Daarom ineens uw volgende zorg van de baan helpen:
wanneer bij kernsplijtingsreactoren een ernstige fout gebeurd kan een van de gevolgen een ontploffing van de reactor of een meltdown zijn. Hierbij komt de radioactieve splijtstof in d lucht verder of blijft deze, zoals in Japan, verder splijten.

Wanneer in de kernfussie reactor de reactor zou ontploffen, dan komt er in de omgeving enkel een hoeveelheid helium vrij, wat niet schadelijk is. De waterstof in de reactor zal, omdat de druk en temperatuur weg zijn, uit de plasmafase komem waardoor het proces vanzelf stopt. Zo is er ook geen kans op een meltdown, omdat het fusieproces niet mogelijk is onder aardse omstandigheden.

Ik denk dat afstand er niets toe doet indien er iets fout zou gaan bij een kernfusie, denk maar aan de collider in Zwitserland.

Het CERN is inderdaad een installatie waar veel schrik voor is bij sommige groepen mensen. Sommigen geloven bijvoorbeeld dat er een zwart gat zal ontstaan en de aarde op zal slokken. Ook is mn daar niet (meer) bezig met kernfusie, maar onderzoekt men de deeltjes waaruit een kerndeeltje bestaat. Er zijn nog enkele deeltjes waarvan men theoretisch vermoedt dat ze bestaan, maar waarvan men nog geen visueel bewijs heeft.