DEMOnstrationskraftverk

Konstnärens koncept av DEMO kopplat till elnätet

DEMO hänvisar till en föreslagen klass av experimentella kärnfusionsreaktorer som är avsedda att demonstrera nettoproduktionen av elkraft från kärnfusion. De flesta av ITER- partnerna har planer på sina egna reaktorer av DEMO-klass. Med eventuellt undantag för EU och Japan finns det inga planer på internationellt samarbete som det var med ITER.

Planerna för reaktorer av DEMO-klass är avsedda att bygga vidare på ITERs experimentella kärnfusionsreaktor.

Den mest välkända och dokumenterade reaktorkonstruktionen i DEMO-klass är den från Europeiska unionen (EU). Följande parametrar har använts som baslinje för designstudier: EU DEMO bör producera minst 2000 megawatt (2 gigawatt ) fusionskraft på en kontinuerlig basis, och den bör producera 25 gånger så mycket effekt som krävs för vetenskaplig breakeven, vilket inkluderar inte den effekt som krävs för att driva reaktorn. EU DEMO-designen på 2 till 4 gigawatt termisk effekt kommer att vara i skalan för ett modernt elkraftverk . Det nominella värdet på ångturbinen är dock 790 megawatt, vilket, efter att ha övervunnit en förlust på 5 % på grund av kopplingen från turbinen till synkrongeneratorn, resulterar i ett nominellt värde för uteffekten på cirka 750 megawatt. ^:5

Projekt	Injicerad termisk ingång	Brutto termisk effekt	Q plasmavärde
JET	24 MW	16 MW	0,67
ITER	50 MW	500 MW	10
EU DEMO	80 MW	2000 MW	25

För att uppnå sina mål, om man använder en konventionell tokamak-konstruktion, måste en DEMO-reaktor ha linjära dimensioner som är cirka 15 % större än ITER och en plasmadensitet som är cirka 30 % större än ITER. Enligt tidslinjen från EUROfusion planeras driften att påbörjas 2051.

Det uppskattas att efterföljande kommersiella fusionsreaktorer skulle kunna byggas för ungefär en fjärdedel av kostnaden för DEMO. Erfarenheterna från ITER tyder dock på att utvecklingen av en tokamak-baserad teknikinnovationscykel på flera miljarder US-dollar som kan utveckla fusionskraftverk som kan konkurrera med icke-fusionsenergiteknik sannolikt kommer att stöta på problemet med "dödens dal" i riskkapital . , dvs. otillräckliga investeringar för att gå längre än prototyper, eftersom DEMO-tokamaks kommer att behöva utveckla nya leveranskedjor och är arbetsintensiva.

DEMO:s plats i utvecklingen av fusionskraft

De amerikanska nationella akademierna för vetenskap, teknik och medicin 2019 'slutrapport från kommittén för en strategisk plan för amerikansk brännplasmaforskning' noterade, "en stor DEMO-enhet verkar inte längre vara det bästa långsiktiga målet för det amerikanska programmet Istället tyder innovationer inom vetenskap och teknik och det växande intresset och potentialen för företag inom den privata sektorn att främja fusionsenergikoncept och -teknologier att mindre, mer kompakta anläggningar bättre skulle attrahera industriellt deltagande och förkorta tiden och sänka kostnaderna för utvecklingsvägen till kommersiell fusionsenergi". Ungefär två dussin företag inom den privata sektorn siktar nu på att utveckla sina egna fusionsreaktorer inom DEMO:s färdplan. USA verkar arbeta för ett eller flera nationella DEMO-klassade fusionskraftverk på kostnadsdelningsbasis.

Tillkännagivandet av UK Atomic Energy den 3 oktober 2019 av sin sfäriska Tokamak for Energy Production (STEP) nätanslutna reaktor för 2040 antyder att en kombinerad DEMO/PROTO-fasmaskin tydligen ska vara designad för att överskrida ITER-tidtabellen. Kinas föreslagna CFETR- maskin, en nätansluten gigawatt-genererande reaktor, överlappar DEMO-tidtabellen. Japan har också planer på en DEMO-reaktor, JA-DEMO, via sin uppgraderade JT-60 , liksom Sydkorea (K-DEMO).

I november 2020 granskade en oberoende expertpanel EUROfusions design och FoU-arbete med EU:s DEMO, och EUROfusion bekräftade att de gick vidare med nästa steg i sin Roadmap to Fusion Energy, nämligen den konceptuella utformningen av en DEMO i samarbete med den europeiska fusionsgemenskap och industri, och föreslår en EU-stödd DEMO-fasmaskin som formellt skulle kunna bära DEMO-namnet.

I juni 2021 tillkännagav General Fusion att de skulle acceptera den brittiska regeringens erbjudande att vara värd för världens första betydande offentlig-privata partnerskapsdemonstrationsanläggning vid Culham Center for Fusion Energy . Anläggningen kommer att byggas från 2022 till 2025 och är tänkt att leda vägen för kommersiella pilotanläggningar i slutet av 2020-talet. Anläggningen kommer att vara 70 % av full skala och förväntas uppnå en stabil plasma på 150 miljoner grader.

Begreppets historia

DEMO-reaktorkonceptet går tillbaka till 1970-talet. En graf av WM Stacey visar att 1979 fanns det färdiga DEMO-designer av General Atomics och Oak Ridge National Laboratory .

Vid ett möte i juni 1986 anordnat av IAEA enades deltagarna om följande, kortfattade definition av en DEMO-reaktor: "DEMO är ett komplett elkraftverk som visar att all teknik som krävs för en kommersiell prototypreaktor fungerar tillräckligt tillförlitligt för att utveckla tillräckligt förtroende för sådana kommersiella reaktorer för att vara konkurrenskraftiga med andra energikällor. DEMO behöver inte vara ekonomiskt i sig och behöver inte heller vara fullskalig reaktorstorlek."

Följande år visar ett IAEA-dokument designparametrar för en DEMO-reaktor i USA av Argonne National Laboratory, en DEMO-reaktor i Italien som heter FINTOR, (Frascati, Ispra, Napoli Tokamak Reactor), en DEMO-reaktor i Culham (Storbritannien) och en europeisk DEMO-reaktor som heter NET (Next European Torus). De viktigaste parametrarna för NET var 628 MW elektrisk nettoeffekt och 2200 MW brutto termisk effekt, nästan samma som den nuvarande EU DEMO-designen.

Tidslinje

EU DEMO-tidslinjen har halkat flera gånger, efter att ITER-tidtabellen försvunnit. Följande tidtabell presenterades vid IAEA Fusion Energy Conference 2004 av Christopher Llewellyn Smith :

Konceptuell design färdigställdes 2017
Ingenjörsdesignen ska vara färdig 2024 (efter input från ITER DT-tester och data från IFMIF - båda försenade från 2016)
Den första byggfasen kommer att pågå från 2024 till 2033
Den första fasen av driften ska pågå från 2033 till 2038
Stationen ska sedan byggas ut och uppdateras (t.ex. med fas 2 filtdesign)
Den andra fasen av verksamheten ska starta 2040

Under 2012 presenterade European Fusion Development Agreement (EFDA) en färdplan för fusionskraft med en plan som visar DEMO-aktiviteternas beroende av ITER och IFMIF.

Konceptuell design ska vara färdig 2020
Teknisk design färdig och beslut att bygga 2030
Byggnad från 2031 till 2043
Drift från 2044, Elproduktionsdemonstration 2048

Denna färdplan för 2012 var tänkt att uppdateras 2015 och 2019. EFDA ersattes av EUROfusion 2013. Färdkartan uppdaterades därefter 2018.

Konceptuell design ska vara färdig före 2030
Teknisk design 2030-2040
Byggnad från 2040

Detta skulle innebära att verksamheten påbörjas någon gång på 2050-talet.

Tekniska överväganden

deuterium - tritium (DT ) anses vara den mest lovande för att producera fusionskraft .

Schematisk bild av ett DEMO kärnfusionskraftverk

När deuterium och tritium smälter samman, kommer de två kärnorna samman för att bilda ett resonant tillstånd som delar sig för att i sin tur bilda en heliumkärna (en alfapartikel ) och en högenergineutron .

²₁ H
+
³₁ H
→
⁴₂ He
+ ¹
₀ n
+ 17,6 MeV

DEMO kommer att konstrueras när konstruktioner som löser de många problemen med nuvarande fusionsreaktorer har konstruerats. Dessa problem inkluderar: innehålla plasmabränslet vid höga temperaturer, upprätthålla en tillräckligt stor täthet av reagerande joner och fånga högenergineutroner från reaktionen utan att smälta reaktorns väggar.

Aktiveringsenergin för fusion är mycket stor eftersom protonerna i varje kärna kraftigt stöter bort varandra; de är båda positivt laddade . För att smälta samman måste kärnorna befinna sig inom 1 femtometer (1 × 10 ⁻¹⁵ meter) från varandra, där kvanttunneleffekter tillåter moderkärnorna att smälta samman till det resonanta tillståndet. Principen är att bilda en kvasi-Maxwellsk fördelning för deuteronerna och tritonerna, vid mycket höga temperaturer, där kärnorna i Maxwellians svans genomgår sammansmältning, medan de kontinuerliga elastiska kollisionerna mellan de andra kärnorna inte kommer att förändra tillståndet hos den Maxwellian. plasma.
DEMO, en Tokamak -reaktor, kräver både tät plasma och höga temperaturer för att fusionsreaktionen ska upprätthållas.
Höga temperaturer ger kärnorna tillräckligt med energi för att övervinna deras elektrostatiska repulsion . Detta kräver temperaturer i området 100 MK och uppnås med hjälp av energi från olika källor, inklusive ohmsk uppvärmning (från elektriska strömmar inducerade i plasman), mikrovågor , jonstrålar eller neutral strålinjektion.
Inneslutningskärl smälter vid dessa temperaturer, så plasman ska hållas borta från väggarna med hjälp av magnetisk inneslutning .

När fusion har börjat kommer högenergineutroner vid cirka 160 GK att strömma ut ur plasman tillsammans med röntgenstrålar , varken påverkas av de starka magnetfälten. Eftersom neutroner tar emot huvuddelen av energin från fusionen kommer de att vara reaktorns huvudsakliga källa för värmeenergi. Den ultraheta heliumprodukten på ungefär 40GK kommer att finnas kvar (tillfälligt) för att värma plasman och måste kompensera för alla förlustmekanismer (mest bremsstrahlung röntgenstrålar från elektronretardation) som tenderar att kyla plasman ganska snabbt.

Tokamak-inneslutningskärlet kommer att ha ett foder som består av keramiska eller kompositplattor som innehåller rör i vilka varm flytande litiummetall kommer att flöda och kyler fodret.
Litium absorberar lätt höghastighetsneutroner för att bilda helium och tritium, och blir varmt i processen.
Denna temperaturökning leds vidare till en annan (mellan) kylvätska, eventuellt (trycksatt) flytande vatten i ett tätat trycksatt rör.
Värme från den mellanliggande kylvätskan kommer att användas för att koka vatten i en värmeväxlare .
Ånga från värmeväxlaren kommer att användas för att driva turbiner och generatorer, för att skapa elektrisk ström .
Spillvärmeenergi som överstiger den genererade elektriska energin dumpas i miljön.
Heliumbiprodukt är "askan" av denna fusion, och kommer inte att tillåtas ackumuleras för mycket i plasman.
Noggrant uppmätta mängder deuterium och tritium tillsätts tillbaka till plasman och värms upp.
Litiumet bearbetas för att ta bort helium och tritium, och resten återvinns för att samla upp mer värme och neutroner. Endast en liten mängd litium förbrukas.

DEMO-projektet är planerat att bygga vidare på och förbättra koncepten för ITER. Eftersom det bara föreslås vid denna tidpunkt är många av detaljerna, inklusive uppvärmningsmetoder och metoden för att fånga högenergineutroner, fortfarande obestämda.

Konceptdesign

Alla aspekter av DEMO diskuterades i detalj i ett dokument från 2009 av Euratom-UKAEA Fusion Association. Fyra konceptuella mönster PPCS A,B,C,D studerades. Utmaningar som identifierats inkluderar:

strukturella material som är resistenta mot det höga neutronflödet
högtemperatursupraledare , för att undvika behovet av stora mängder helium för kylning, som skulle utmana världens heliumreserver
behov av hög verkningsgrad i värme- och strömdrivsystemen.

I 2012 års tidslinje bör den konceptuella designen vara klar 2020.

Radioaktivt avfall

Medan fusionsreaktorer som ITER och DEMO varken kommer att producera transuran- eller klyvningsproduktavfall , som tillsammans utgör huvuddelen av kärnavfallet som produceras av klyvningsreaktorer , kommer vissa av komponenterna i ITER- och DEMO-reaktorerna att bli radioaktiva på grund av neutroner som träffar dem . Förhoppningen är att plasmabeklädda material ska utvecklas så att avfall som produceras på detta sätt kommer att ha mycket kortare halveringstid än avfallet från fissionsreaktorer, med avfall som förblir skadligt i mindre än ett sekel. Utveckling av dessa material är det främsta syftet med International Fusion Materials Irradiation Facility . Processen att tillverka tritium kommer för närvarande med produktion av långlivat avfall. Men medan ITERs tritium i tidiga skede huvudsakligen kommer från den nuvarande driften av tungvattenklyvningsreaktorer från CANDU , bör ITER i det sena skedet (i viss utsträckning) och DEMO kunna producera sitt eget tritium tack vare tritiumförädling , utan att fissionsreaktor som för närvarande används för detta ändamål.

PROTO

PROTO var ett förslag till ett experiment utanför DEMO, en del av Europeiska kommissionens långsiktiga strategi för forskning om fusionsenergi. PROTO skulle fungera som ett prototypkraftverk, ta in eventuella återstående tekniska förbättringar och demonstrera elproduktion på kommersiell basis. Det förväntades först efter DEMO, efter 2050, och kommer förmodligen inte att vara den andra delen av ett DEMO/PROTO-experiment eftersom det inte längre förekommer i officiell dokumentation.

Se även