Fusionsenergi
- Fremtidens dominerende energikilde?

• Hele bogen - pdf-fil 2,8 MB

• Kapitel 1 og 2 - pdf-fil 273 kB
• Kapitel 3 - pdf-fil 1,0 MB
• Kapitel 4 - pdf-fil 429 kB
• Kapitel 5 - pdf-fil 742 kB
• Kapitel 6 - pdf-fil 364 kB
• Kapitel 7 - pdf-fil 382 kB

Forord, 4

1 Indledning, 6

2 Det globale energiforbrug, 8

2.1 Definition og måling af energi, 7

2.2 Menneskehedens energiforbrug før, nu og fremover, 9

2.3 De primære energikilder, deres potentialer og miljøpåvirkning, 10

2.3.1 De vedvarende energikilder, 10

2.3.2 De fossile energikilder, 12

2.3.3 Atomenergi, 13

2.3.3.1 Fission, 14

2.3.3.2 Fusion, 14

2.4 Resume og konklusioner, 15

3 Fusionsprocesserne, 16

3.1 Lidt om atomkernefysikkens historie, 16

3.2 Fusionareaktorens virkemåde, 18

3.2.1 Fusionsprocesser, der er egnet til en fusionsreaktor, 18

3.2.2 Forekomster af fusionsbrændstoffer i naturen, 19

3.2.3 Termonuklear fusion. Plasmabegrebet, 20

Boks 3.1 Kinetisk temperatur, 21

Boks 3.2§ Lidt gasteori og den producerede effekt i et fusionsplasma, 23

B.3.2.1 Kinetisk gasteori, 23

B.3.2.2 Beregning af den producerede effekt i et fusionsplasma, 25

B.3.2.2.1 Fusionsprocesserne tværsnit, 25

B.3.2.2.2 Reaktionshastighed og effekttæthed i fusionsplasma, 27

3.2.4 Antænding i fusionsplasma, 30

3.2.5 Lawson-kriteriet, 33

4 Plasmafysik, magnetisk indeslutning, 35

4.1 Plasmabegrebet, 35

4.1.1 Et plasmas hovedparametre, 35

4.1.2 Plasma egenskaber, der er fælles med almindelige gassers, 35

4.1.3 Specielle plasmaegenskaber. Stødfri plasmaer og kollektiv

vekselvirkning, 36

4.2 Kvalitativ forklaring på magnetisk indeslutning og instabiliteter, 37

4.2.1 Definition af magnetfelt, 37

4.2.2 Magnetfelters kilder og deres fremstilling, 37

4.2.3 Kræfter i magnetfelter, 39

4.2.4 Ladede partiklers bevægelse i magnetfelter, 39

4.2.5 Magnetisk plasmaindeslutning i simple toroidale systemer, 41

4.2.6 Tokamakken 43

4.3 Sammenfattende om magnetisk plasmaindeslutning, 44

5 Plasmaopvarmning, 45

5.1 Ohmsk opvarmning, 45

5.2 Højfrekvensopvarmning, 46

5.3 Opvarmning ved injektion af neutrale partikler, 47

6 Plasmadiagnostik, 49

6.1 Tætheds- og temperaturmålinger ved Thomsonspredning, 49

7 Fusionsforskningen fremover, 56

7.1 De næste fusionseksperimenter: ITER-FEAT, 56

7.2 Fusionskraftværket, 58

7.3 Sikkerhed og miljø omkring fusionsenergien, 58

Boks 7.1 Fusionsforskningens omkostninger og administration, 61

Stikordsregister, 63

Supplerende læsning, 65

Fusionsforskningen er det største forskningsprojekt, som menneskeheden nogensinde har sat i gang. Forskningens mål er at sætte os i stand til at beherske og udnytte Solens og stjernernes energikilde, fusionsenergien, hvorved vi vil få en uudtømmelig og miljøvenlig energikilde til rådighed. Hovedemnet for denne bog er en beskrivelse af fusionsforskningens problemer og de resultater, som er opnået. Da argumentationen for at forske i fusionsenergien er, at den vil kunne komme til at dække den dominerende del af menneskehedens energiforsyning på langt sigt, har det været naturligt at begynde bogen med et kapitel, der omhandler vort globale energiforbrug og de vanskeligheder, vi har med skaffe os den energi. Alle de øvrige kapitler omhandler selve fusionsforskningens problemer, resultater og udsigter.

Bogen er skrevet for brug i gymnasiets naturvidenskabelige linie. Det er tilstræbt at skrive hovedteksten, så den med udbytte også kan læses af studerende på det obligatoriske niveau og give dem et bredt indtryk af fusionsforskningen uden at gå i detaljer med fysiske forklaringer og beviser. En mere dybtgående fysisk og matematisk behandling af detailproblemer svarende til det høje niveau er henvist til bokse, som er mærket §. Det er op til et valg at afgøre, i hvilken grad disse bokse skal indgå i undervisningen. Bogen indeholder også en række opgaver, som illustrerer de problemer, der omtales i teksten. De fleste opgaver vil kunne løses på obligatorisk niveau. De, der er så svære, at de kræver viden, der kun kan forudsættes på højt niveau, er også mærket §.

Fusionsforskningen er i udstrakt grad baseret på plasmafysik, som er en relativ ny gren af den generelle fysik. Der er derfor medtaget et kapitel, hvori de mest basale plasmaegenskaber nævnes. Plasmafysik har den særlige karakter, at den kombinerer en række af de kendte fysikdiscipliner som mekanik, varmelære, elektricitets- og magnetismelære m.m. En del af opgaverne har også til formål at give eleverne mulighed for at arbejde med at kombinere disse nævnte discipliner.

Ideen til at skrive denne bog stammer fra et fusionskursus for gymnasielærere, som Elmuseet i Bjerringbro arrangerede i efteråret 1998 i samarbejde med Forsøgscenter Risøs fusionsforskergruppe og EURATOMs fusionsforskningsprogram. Jeg skylder Elmuseet og de deltagende lærere stor tak for deres interesse for at udbrede viden om fusionsforskningen til gymnasieelever og for den inspiration, de gav mig til at skrive denne bog. Som nypensioneret forsker, der har tilbragt hele sit aktive liv med fusionsforskning og undervisning i dette fag på DTU, troede jeg, at det ville være en let sag at skrive bogen. Det var det ikke. Mit kendskab til nutidens gymnasieundervisning var simpelthen for lille, så det var meget svært at ramme det rigtige niveau. Under arbejdet med at skrive bogen har jeg brugt tidligere og nuværende medlemmer af fusionsforskergruppen på Risø som sparringspartnere; de har med stor velvillighed og tålmodighed diskuteret forskellige dele af teksten med mig og givet mig mange gode råd, hvilket jeg er meget taknemmelig for. Forsøgscenter Risø har velvilligt stillet kontorfaciliteter til min rådighed, mens jeg skrev bogen. Det er jeg meget taknemmelig for. Ove Østergaard har som gymnasielærer været min støttepædagog; han har læst teksten igennem og givet mange gode råd med henblik på at få den lagt på det rette pædagogiske niveau. Jeg og læserne skylder ham megen tak. Uden hans råd ville bogen have været meget tungere at læse. Også tak til Niels Trautner fra Roskilde Katedralskole, som har gennemlæst manuskriptet og givet mange nyttige rettelsesforslag. Endelig skal der lyde en stor tak til Bitten Skårup og Monika Jensen, som begge har læst sproglig korrektur på manuskriptet og rettet mange af mine værste bommerter.

Det er mit håb, at denne bog vil hjælpe med til at øge interessen og forståelsen for fusionsforskningen blandt gymnasieelever. Nogle skulle gerne blive så interesserede, at de lader sig rekruttere som forskere inden for dette felt. Mange andre skulle gerne få en så reel viden om området, at de på sagligt grundlag kan deltage i den demokratiske beslutningsproces om fusionsforskningen.

PS.

Dette manuskript er skrevet med henblik på at blive offentliggjort i bogform. Det er derfor udarbejdet i henhold til forlagets ønsker, både hvad angår omfang, indhold og form. Da manuskriptet var færdigt, følte forlaget ikke, at det ville trykke det i bogform, men i stedet gøre det tilgængeligt på interrnettet. I den forbindelse ville det have været naturligt at omskrive og udvide manuskriptet med fx. opgaveløsninger og en vektorbehandling af ladede partiklers bevægelse i magnetiske og elektriske felter. For at fremskynde offentliggørelsen blev det dog besluttet her og nu at lægge det oprindelige manuskript ind på nettet. Af samme grund er figurerne ikke blevet rentegnet.