Dette indlæg er alene udtryk for skribentens egen holdning.

Magnetisme bag fremtidens energikilde

18. september 2019 kl. 10:0019
Artiklen er ældre end 30 dage

Dette første blogindlæg i ”Magnetismebloggen” starter udenfor magnetverdenen i kælderen på DTU, hvor jeg denne fredag i august er med til indvielsen af fusionsenergiens nye nordlige udpost, NORTH Tokamak.

Prominente gæster fra ITER i Frankrig og EUROfusion-sammenslutningen lovpriser det nye stykke isenkram. Og det er en flot præstation af fusionsforskerne fra DTU, som nu har en enestående mulighed for at udvikle en ny generation af hands-on fusionsfysikere.

Jeg har arbejdet sammen med forskerne de sidste 10 år om industriens involvering i konstruktion af fusionsanlæg, så selvfølgelig er jeg meget interesseret i foredraget fra Tokamak Energy Ltd fra England. De har designet og bygget tokamak’en og venligst udlånt den til DTU.

Illustration: Martin Jessen, mj-foto.dk.

Enorme magnetfelter

Og så til magnetismen: Kort inde i oplægget bliver det klart, at det helt centrale i firmaets fremtidige vision om at lave et kommercielt ”minikraftværk” baseret på fusion, er ekstremt kraftige magnetfelter.

Artiklen fortsætter efter annoncen

Der bliver talt om magnetfelter på 25 Tesla, som er ret vildt – til sammenligning mætter jern, der bruges i elektromotorer, ved ca. 1,5 Tesla.

Specifikt planlægger Tokamak Energy at bruge høj-temperatur superledere (HTS) til at lave deres spoler. Kun HTS kan bære en høj strøm, når de placeres i et kraftigt magnetfelt.

Det er et felt, jeg selv har arbejdet meget med både industrielt og i samarbejde med CERN, og der ligger stadig en del udviklingsarbejde, før HTS-teknologien er industrielt modnet.

Men Tokamak Energy står måske med den ”killer-application”, som HTS leder efter, og som kan modne og opskalere superleder og magnetteknologien i løbet af (efter min vurdering) 3-4 år.

Magneterne på ITER

Det er ikke overraskende, at magneter spiller en central rolle i realiseringen af fusion som fremtidens energikilde.

Artiklen fortsætter efter annoncen

I Sydfrankrig er et konsortium af lande, herunder EU, i gang med at bygge ITER, som har været beskrevet flere gange i Ingeniøren.

For at få ITER til at virke, skal man opretholde et plasma på 150 mio grader. Her er kraftige magnetfelter det eneste, der kan holde plasmaet svævende, så det ikke smelter hele strukturen.

Udviklingen af magneterne til ITER startede for mange år siden. Som led i processen er der bl.a. blevet modnet en ny type superledende kabel bestående af niobium-tin (Nb3Sn).

I alt skal der bruges 900 Ton lav-temperatur superlederkabel til ITER af typerne niobium-titan og niobium-tin og de superledende tråde og kryofaciliteten, der skal køle spolerne ned, er noget af det dyreste i projektet.

Spoler så store som et hus

Illustration: © ITER Organization, http://www.iter.org/.

ITER skal bruge 18 superledende kæmpespoler på 9 gange 17 meter til selve torusen, hvori plasmaet skal opretholdes.

Yderligere 21 cirkulære spoler skal give stabilitet og mulighed for at korrigere magnetfelterne. Hver spole er nærmest et udviklingsprojekt i sig selv, da de største spoler vejer 400 ton inklusive vakuumkammer og kan bære en strøm på 68.000 Ampere i hver vikling.

Selv om ITER er et internationalt partnerskab, har flere partnere insisteret på at producere netop magnetspolerne, da det bliver en af nøglekompetencerne for at kunne producere fusionskraftværker, når (hvis?) det viser sig at være muligt.

De første spoler er ankommet fra Italien til ITER-sitet Cadarache i Sydfrankrig og skal testes i 2019. Andre spoler leveres af Japan, Kina, USA og Rusland.

Elektromagnetismens jubelår

Så når vi i 2020 fejrer 200-året for H.C. Ørsteds opdagelse af elektromagnetismen, så tænk på, at de opdagelser, der blev gjort på Københavns Universitet i 1820’erne har banet vejen for anvendelser langt udenfor universiteternes kældre.

Magnetisme er en central teknologi for både fusionsenergi, mobiltelefoner, vindmøller, elektriske biler, osv. selv om det tit er et overset og svært tilgængeligt fagfelt.

Det er en af grundene til, at vi er en gruppe af virksomheder og universiteter, der sammen driver den almennyttige ”Dansk Magnetisk Forening”.

Med lanceringen af denne Magnetismeblog vil vi slå på tromme for vores passion: den fascinerende verden af magnetisme.

Vi vil skrive om de helt store og de helt små, om de nye og om de historiske, og hvad vi nu ellers støder ind i, som kunne være interessant for folk med teknisk interesse.

19 kommentarer.  Hop til debatten
Debatten
Log ind eller opret en bruger for at deltage i debatten.
settingsDebatindstillinger
18
26. november 2019 kl. 14:15

Samtidig er der pt. ikke et pull fra markedet, da batteriteknologien jo er i en rivende udvikling.

Måske lidt uden for emnet - men er flywheel udviklingen ikke en teknik, der snart kan matche nogle batteri anvendelser ?

Citat: " ..The main components and parameters of the GTR flywheel energy storage system are as follows: carbon fiber composite rotor, high speed and high efficiency permanent magnet motor, passive magnetic bearing, needle spherical spiral groove bearing, vacuum chamber, and shell. .. "

Kilde:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5118707

16
23. november 2019 kl. 18:06

Det tror jeg ikke man kan. Magnetfeltet skal bruges til at holde plasmaet svævende, og så tapper man varmen fra plasmaet på en eller anden måde.

15
23. november 2019 kl. 17:52

Hvordan kan man tappe energi fra et magnetfelt lavet med en superledende spole?

13
7. oktober 2019 kl. 04:18

"Er der ren, sikker og billig energi forude? Fysiker Stefan Kragh Nielsen giver en indføring i fusionskraftens historie fra de overmodige 1970ere til nutidens forsigtige optimisme. Med Danmarks nye privatfinansierede fusionsreaktor er han selv med til at opklare, hvad der sker inde i det 'sexede' lyserøde plasma, hvor energien dannes."https://www.24syv.dk/programmer/24-spoergsmaal-til-professoren/55724401/fusionsiver?start=0

11
6. oktober 2019 kl. 13:17

SMES (superconducting magnetic energy storage) området er ikke dødt, men jeg har nu heller ikke hørt om nogen gennembrud de seneste år. Jeg var ikke selv på den europæiske konference for superledning i år i Galsgow (EUCAS, https://www.eucas2019.org/), men jeg kan da se på programmet, at der stadig udvikles på området. Som det gælder med flere andre superleder-anvendelser venter man stadig på billigere superleder/kryoteknologi. Samtidig er der pt. ikke et pull fra markedet, da batteriteknologien jo er i en rivende udvikling.

10
24. september 2019 kl. 22:50

jeg prøvede faktisk at høre repræsentanten fra Tokamak Energy om det var noget de havde taget højde for, hvis de gerne ville lave 25 Tesla spoker ............ ............ er det faktisk muligt at "indefryse" den superledende tilstand i en HTS magnet

Den "sande" hellige gral, i min verden, er magnetiske lagerringe. Er dette et dødt område, eller noget der stadig forskes i? Den dag man får styr på feltrelaksation er det jo nærmest det ideelle energilager (hvis man ikke brænder det hele af i køling). Med ideelle energilagre er der nærmest ikke brug for andet end vind og sol til at holde elnettet i live.

6
20. september 2019 kl. 19:22

Magnetiske felter har altid været lidt perifert for mig. Elektriske felter er lettere da alle kan måle volt og afstand. En af enhederne for Tesla (der er mange) er Vs/m2, og det er ikke helt indlysende da magnetfelter dannes af strøm. Jeg mener at have hørt, at det kan tage en uge at lade en MR scanner op. En anden spøjs anvendelse er rail gun.

5
18. september 2019 kl. 17:22

Interessant problemstilling, Kristian - og jeg prøvede faktisk at høre repræsentanten fra Tokamak Energy om det var noget de havde taget højde for, hvis de gerne ville lave 25 Tesla HTS spoler. Uden at jeg skal blive for teknisk med fluxoids og pininng centers i superledere, er det faktisk muligt at "indefryse" den superledende tilstand i en HTS magnet, så tidskonstanten for feltrelaksation er lang (måneder). Det kræver dog, at magneten driftes ved 5-10 Kelvin, hvilket er lavere end man normalt ville ønske, men stadig muligt at opnå med kryokølere.

  • og ja: når man taler om spoler og magneter, så er der ikke meget "høj-temperatur" ved høj-temperatur superledere:) (men dog stadig flere attraktive fordele)
4
18. september 2019 kl. 16:49

Tak for modtagelsen! - godt input med links. Her er til en start et med mere info om magneterne på ITER: https://www.iter.org/mach/Magnets

Vedr. feltudbredelse aftager feltet med afstanden i anden, så det falder jo hurtigt af. Tokamak'en på DTU kører med meget lave felter (der er heller ikke anvendt superledere), så det er nok kun et problem hvis man svinger sit dankort rundt tæt på spolerne. Men måske der er en frisk DTU-repræsntant, der kan give sit besyv med - evt. lige måle efter med en probe? (jeg mener grænsen for hospitalsarbejdere er på 50 gauss). På ITER er det en helt anden (og meget støre) sag, og der er stor opmærksomhed på vekselvirkningen mellem stray fields og de anvendte materialer. Og der arbejder man både med umagnetiske ståltyper til fx vakuumkamrene for at undgå fejlfelter fra inducerede hvirvelstrømme (som du nævner), samt materialer med høj-permeabilitet, fx mu-metal, til at afskærme elektroniske systemer.

3
18. september 2019 kl. 14:01

Hej Nikolaj,

Er der ikke noget med at HTS magneterne har et problem med at der kan "krybe" feltlinier ind, langs krongrænser og defekter i superlederen, hvorfor HTS ikke egner sig til konstante felter?

2
18. september 2019 kl. 11:09

Nikolaj Zangenberg er uddannet PhD i ...

- dén formulering springer mig på én eller anden vis i øjnene! Kan man så også være eksempelvis uddannet dr. scient?

1
18. september 2019 kl. 10:26

God start på informativ blog. Måske kan der med fordel bruges links til uddybning af delemner, som ikke er almen viden for alle ingeniør-retninger.

Spørgsmål: disse kraftige magnetfelter har vel også udbredelse omkring ITER og DTUs tokamak. Hvor kraftige er de, hvordan er de rumligt fordelt, hvordan er sikkerhedsafstandene, skal alt i “nærheden” være umagnetisk og/eller ikke-ledende (inducerede strømme ved feltændringer / kollaps) ?

Mange kender sikkerhedsforskrifterne omkring analogt hospitalsudstyr med stærke felter.