Fusionsenergi - fremtidens bæredygtige energikilde
I denne øvelse måler du nogle af de vigtigste parametre, som skal optimeres på et fremtidigt fusionskraftværk, nemlig plasmaets tæthed og temperatur. Du laver et plasma på tokamakken NORTH her på DTU, en maskine af samme type som fremtidige fusionskraftværker og analyserer måledata fra en såkaldt Langmuir-probe.
Hvad går øvelsen ud på?
I denne øvelse måler du på et varmt plasma indesluttet i et stærkt magnetfelt i en såkaldt tokamak, der er en maskine af samme type som fremtidens fusionskraftværker.
Når vi i fremtiden skal bygge et fusionskraftværk, skal vi skabe et fusionsplasma med så høj temperatur og tæthed som muligt, hvis fusionsreaktioner skal ske ofte nok til at producere et overskud af energi.
Formålet med øvelsen er at måle elektronernes temperatur og tæthed i et plasma, som er magnetisk indesluttet i en tokamak. I tokamakken NORTH på DTU opvarmes elektronerne til en meget høj temperatur. Temperaturen og tætheden er dog ikke ligetil at måle. Elektrontemperaturen og -tætheden måles med en såkaldt Langmuir-probe, hvorigennem strømmen afhænger af plasmaets temperatur og tæthed.
Når probens spænding ændres, ændres strømmen igennem den også, afhængig af plasmaets temperatur og tæthed. Langmuirproben giver data for strømmen igennem proben som funktion af tid, og sammenholdt med spændingens tidsudvikling kan du lave en såkaldt IV-karakteristik, hvorfra tæthed og temperatur beregnes.
Hvordan foregår øvelsen?
På øvelsesdagen får du først en generel introduktion til fusionsenergi og til de Langmuir-prober, som du skal bruge til at foretage målingen med.
Derefter vil du selv, fra kontrolrummet, få lov at lave et plasma i NORTH, hvor der ved hvert forsøg måles med Langmuir-proberne. Ved en måling med Langmuir-proberne på NORTH får du et sæt datapunkter for spændingen og strømmen som funktion af tid, samt øvrige data for maskinen. Disse datapunkter skal plottes i en IV-karakteristik og fittes til en kendt form. Ud fra dette fit kan elektrontemperaturen og elektrontætheden beregnes.
Du laver plasmaet på NORTH selv, og efterfølgende får du dit eget datasæt med hjem, så du kan arbejde med dataene. Du får også andre data fra maskinen, som f.eks. den strøm, der producerer magnetfeltet i spolerne, og du kan desuden tage billeder af maskinen og plasmaet, som du kan bruge i din rapport.
På øvelsesdagen er der afsat tid til, at vi gennemgår dataanalysen på en eksempelmåling.
Hvilke faciliteter kommer du til at bruge?
Du vil møde NORTH - den eneste tokamak i Skandinavien.
Derudover vil du også se noget af det andet udstyr, vi har i plasmalaboratoriet.
Fysik: Øvelsen lægger op til at inddrage fysik som primært fag i relation til målingerne. De målte størrelser, plasmaets temperatur og tæthed, er to ud af tre vigtige størrelser, og indgår i det såkaldte fusions tripleprodukt. Læs mere på Wikipedia
Naturgeografi, samfundsfag, (idé-)historie, dansk: Ved at koble fysik med naturgeografi, samfundsfag, historie eller dansk, kan fokus være på triple-produktets betydning for at realisere fusionsenergi i en fusionsreaktor, fordele og ulemper ved fusionsenergi i det fremtidige elnetværk, fusionsenergiforskning i historisk kontekst, eller en formidlingsopgave om fusionsenergi.
Matematik: Ligesom for de øvrige sekundære fag, vil koblingen til matematik strække sig udover selve øvelsen. Der vil altså ikke være tilstrækkelig matematik i databehandlingen, til at denne alene kan bære det matematiske aspekt. Der er dog gode emner i matematik, der relaterer sig til fusionsenergi og som går udover det, som du har haft i gymnasiet. Det kan f.eks. være den topologiske årsag til, at vi indeslutter plasmaet i donut-former, eller udledning af (nogle af) de ladede partiklers bevægelser i elektromagnetiske felter, som i sidste ende sætter energiindeslutningstiden i triple-produktet, ved hjælp af 3D-vektorgeometri.
I litteraturlisten, som finder i afsnittet 'Litteratur' længere nede på siden, kan du finde links til artikler, som tager udgangspunkt i nogle af forslagene til fagkombinationer.
10.00 - 12.00 : Introduktion til fusionsenergi og øvelsen
12.00 - 13.00 : Frokost
13.00 - 14.30 : Målinger på NORTH
14.30 - 16.00 : Foreløbig databehandling
16.00 - 17.00 : Evt. spørgsmål og afrunding
Dit data vil bestå af to tidsserier; probens bias-spænding (målt i V) og strømmen gennem proben (målt i A).
Ved at kombinere de to får man en såkaldt I-V karakteristik, som beskriver strømmen som funktion af bias-spændingen. Ved at fitte, et kendt udtryk til I-V karakteristikken, kan elektronernes tæthed og temperatur aflæses fra fitting-parametrene.
Afhængig af hvad der er til rådighed på maskinen på forsøgsdagen, vil du få data fra prober fra forskellige positioner i maskinen, som du kan sammenligne.
Forslag til litteratur, du kan bruge i din opgave og som baggrund for øvelsen:
Generel introduktion:
Fysik-Matematik:
Fysik-Naturgeografi/Samfundsfag:
Fysik-(Idé)Historie:
NB: Når du har tilmeldt dig, vil du få besked, hvis der er litteratur, du skal læse som forberedelse til øvelsen.
Relevante gymnasiefag
- Fysik: Fysik vil typisk være det primære fag. Fysik bruges både til at forklare, hvordan kernefusion kan producere energi, processerne i et plasma, samt de fysiske målinger af strøm og spænding.
- Matematik: Kan kobles med fysik for at beskrive f.eks. partikelbaner for ladede partikler i et magnetfelt (3D vektorer) eller hvorfor vi skaber et donut-formet plasma (topologi).
- Naturgeografi: Kan kobles med fysik med fokus på fusionsenergi som fremtidig bæredygtig energikilde.
- Samfundsfag: Kan kobles med fysik med fokus på fusionsenergi som fremtidig bæredygtig energikilde.
- Teknologi: Kan kobles med fysik med fokus på en eller flere af de mange teknologier nødvendige for et fusionskraftværk; superledning, robotteknologi, robuste materialer.
- (Idé)Historie: Kan kobles med fysik med fokus på den internationale udvikling af fusionsenergi, opfindelsen af tokamakken under Den Kolde Krig.
- Dansk: Kan kobles med fysik med fokus på formidling af fusionsenergi og de misforståelser eller udfordringer det er forbundet med.
Kan kombineres med:
- Teknologi
- Samfundsfag
- Naturgeografi
- Matematik
- Idéhistorie
- Fysik
- Dansk
- Historie
Faglige nøgleord
- Bæredygtighed
- Energiforsyning
- Kerneenergi
- Fusionsenergi
- Plasmafysik
