Nuclear fusion energy and comparison of tokamak and stellarator reactors

Abstract

This bachelor’s thesis presents the basic principles of nuclear fusion energy, its sustainability and compares the two most prominent fusion reactors; tokamaks and stellarators. Work is done through a literature review. Topic is relevant because energy demand is increasing and environmentally friendly ways of producing energy are needed. Fusion energy could have potential to produce vast amounts of pollution free energy without the long-lived radioactive waste or the risk of runaway reactions. However, fusion reactors have not yet been able to prove their feasibility in power generation due to its challenging physics and technology.

Fusion and fission are nuclear reactions. In fusion, light atoms fuse together whereas in fission heavy atoms break apart. The reactions produce energy based on the nuclear binding energy as the created atoms are more stable i.e. have a greater binding energy than the initial ones. Produced energy is related to the created mass defect between the nuclei and the separate nucleons.

Fusion reactions happen inside plasma. Temperature, density and confinement of plasma, i.e. triple product, need to reach high enough values for fusion to work. Both tokamaks and stellarators use magnetic confinement as plasma is electrically charged and can be controlled with magnetic fields. Magnetic configurations set the two reactors apart.

Tokamaks have toroidal and poloidal superconducting magnetic coils. They also have a transformer creating an electric current in the plasma. Their biggest advantage is their symmetrical and simple structure, but a big disadvantage is the transformer-driven current that forces tokamaks to work only in pulses. Stellarators have only magnetic coils and no current inside the plasma. To ensure plasma confinement, their structure is helically twisted and non-axisymmetric making the complicated structure their biggest disadvantage. Lack of current makes them work continuously, which is their biggest advantage.

ITER’s tokamak in France and IPP’s Wendelstein 7-X stellarator in Germany show the current state of fusion research. These are used as examples in the thesis. Currently tokamaks are more advanced and closer in generating more energy than is needed to heat the plasma. As plasma physics evolves and the stellarator instabilities are fixed, their continuous operation might make them more viable for the future.

Tämä kandidaatintyö esittelee ydinfuusioenergian perusperiaatteet, sen kestävyysnäkökulmat, ja vertailee kahta lupaavinta reaktoria; tokamakia ja stellaraattoria. Työ on kirjallisuuskatsaus. Aihe on ajankohtainen, sillä energiantarve kasvaa ja ympäristöystävällisempiä energiamuotoja tarvitaan. Fuusioenergialla on potentiaalia tuottaa suuria määriä päästötöntä energiaa ilman pitkäikäistä radioaktiivista jätettä tai suurien ydinonnettomuuksien riskiä. Fuusioreaktorit eivät vielä ole onnistuneet todistamaan fuusiovoimaloiden toteutettavuutta johtuen fuusion haastavasta fysiikasta ja teknologiasta.

Fuusio ja fissio ovat ydinreaktioita. Fuusiossa kevyet atomit sulautuvat yhteen ja fissiossa raskaat atomit hajoavat pienemmiksi. Reaktiot tuottavat energiaa johtuen sidosenergiasta, kun syntyneet atomit ovat vakaampia eli omaavat korkeamman sidosenergian kuin alkuperäiset. Syntynyt energia voidaan laskea massavajeesta atomiytimien ja erillään olevien nukleonien välillä.

Fuusioreaktiot tapahtuvat plasmassa. Plasman lämpötilan, tiheyden ja koossapitoajan eli kolmitulon tulee saavuttaa riittävän korkeat arvot, jotta fuusio voi onnistua. Tokamakit ja stellaraattorit molemmat käyttävät magneettista koossapitoa, sillä plasma on sähköisesti varautunutta ja siten sitä voidaan kontrolloida magneettikenttien avulla. Magneettien kokoonpano on reaktorien suurin eroavaisuus.

Tokamakeissa on toroidaalisia ja poloidaalisia suprajohtavia magneettikeloja. Niissä on myös muuntaja, joka luo sähkövirran plasmaan. Tokamakien suurin etu on niiden symmetrinen ja yksinkertainen rakenne, mutta muuntajan tuottaman epäjatkuvan virran takia voivat ne toimia vain pulsseissa. Stellaraattorit käyttävät vain magneettikeloja, ilman sähkövirtaa plasmassa. Varmistaakseen plasman koossapidon, ovat stellaraattorit epäsymmetrisiä ja kierteisiä. Muuntajan poissaolon takia niiden suurin etu on mahdollisuus jatkuvatoimisuuteen. Suurin haitta stellaraattoreilla on kuitenkin niiden monimutkainen rakenne.

ITERin tokamak Ranskassa ja IPP:n stellaraattori Wendelstein 7-X Saksassa kuvaavat hyvin fuusioreaktoreiden tutkimuksen nykytilaa. Nämä reaktorit ovat esimerkkeinä tässä työssä. Tällä hetkellä tokamakit ovat kehittyneempiä ja lähempänä tuottamaan enemmän energiaa kuin mitä plasman lämmittämiseen tarvitaan. Kun plasmafysiikka kehittyy ja stellaraattorien epävakauksia korjataan, voi jatkuvatoimisuus tehdä niistä paremman vaihtoehdon tulevaisuuteen.