Ekstreme maskiner giver os uendelig energi

Fusion er en ren, sikker og uudtømmelig energikilde, men det kræver verdens mest avancerede maskiner at efterligne Solen. Nu tager fysikerne næste skridt mod fusion ved at fylde en reaktor med rigtigt kraftværksbrændstof.

ITER

Fusion svarer til at tænde et bål med drivvådt brænde. De positivt ladede brintkerner frastøder hinanden og gør alt, hvad de kan, for at undgå kontakt. Derfor kræver det verdens mest ekstreme maskiner at tvinge de modvillige brintatomer sammen med enten en glohed temperatur eller et enormt tryk.

Når det lykkes, kan de umådelige mængder energi, som fusionerne ud­løser, forsyne os med ren og billig strøm.

Jagten på at udnytte energien fra fusion har strakt sig over årtier. Nu tager fysikerne et nyt skridt på vejen mod fremtidens energikilde, når den europæiske reaktor JET i slutningen af 2020 bliver fyldt med tung og supertung brint.

JET er den største af de nuværende forsøgs­reaktorer og den eneste, som er bygget til at kunne håndtere rigtigt kraftværksbrænd­stof. De andre reaktorer bruger kun tung brint, og det giver for få fu­sioner til at kunne bruges i et kraftværk.

Forsøgene på JET bliver forpremieren på næste generation af fusionsreaktorer, den otte gange større ITER, som er ved at blive bygget i Frankrig. Forsøgene på det nye fusionsflagskib, der begynder i 2025, skal skabe den første selvkørende fusionsproces – det, som fysikerne kalder antænding – og derved producere et stort overskud af energi.

Perspektiverne ved fusionsenergi er enorme. Råstofferne er tung brint, som udvindes af havvand, og supertung brint, der fremstilles af litium. Det gør fusionsenergi til en nærmest uudtømmelig energikilde.

Havvand er der nok af i al evighed, og de kendte reserver af litium rækker til mindst tusind års forbrug. Men de teknologiske udfordringer er til gengæld enorme.

Målet er en selvkørende fusionsproces

I dag skal der løbende tilføres energi for at holde fusionerne igang, men målet er at gøre processen selvkørende, når den først er startet.

Laser konkurrerer med reaktorer

De fleste fusionsanlæg følger en af to hovedveje til fusionsenergi. Den ene er laserfusion, hvor USA er længst fremme. Her bombarderer energirige laserstråler en brintpille fra alle sider og presser brinten så voldsomt sammen, at brinten fusionerer til helium.

I 2014 hentede det gigantiske laseranlæg NIF halvanden gang mere energi ud af en lille brintpille end den energimængde, laserstrålerne pumpede ind i brændstoffet. Men fysikerne nåede ikke deres mål om at få fusionsprocesserne til at fortsætte af sig selv, når de først var sat i gang.

På den baggrund har reaktorerne nu erobret førertrøjen, og her er der skarp konkurrence mellem to teknologier. Begge opvarmer brinten til et glohedt plasma, hvor kernen og elektronerne er skilt, og holder det fanget i et kraftigt magnetfelt, så det ikke rører reaktorvæggen og bliver nedkølet.

Den ene type er de klassiske reaktorer som JET og ITER, der kaldes tokamakker. Det er den reaktortype, som er lettest at bygge. Men ulempen er, at en tokamak højst vil kunne fastholde fusionsbrændstoffet i det magnetiske bur i en time ad gangen. Herefter må reaktoren tømmes og nyt brændstof pumpes ind og antændes. Det skal ske lynhurtigt i et kraftværk, så kunderne ikke oplever udfald i elproduktionen.

Den anden reaktortype er stellaratoren, hvor magneterne er vredet i skæve former for at skabe et ekstremt jævnt magnetisk bur, som i princippet kan opretholdes i årevis. Her kan der løbende fyldes nyt brænd­stof i reaktoren, ligesom når man smider mere kul ind en kedel.

Men de forvredne magneter gør det ekstremt kompliceret at konstruere reaktoren, og i 2003 var tyskerne lige ved at opgive byggeriet af verdens første store stellarator, Wendelstein 7-X. Heldigvis fortsatte de, for reaktoren kører nu som smurt og har allerede efter et par års forsøg klaret at holde brændstoffet indesluttet i 100 sekunder ad gangen.

Der er stadig et stykke vej op til verdensrekorden på seks og et halvt minut, som blev sat af den lille franske tokamak WEST i 2003, men de tyske fysikere vurderer, at det vil lykkes at holde brændstoffet indesluttet i en halv time ad gangen i Wendelstein 7-X-reaktoren.

Stellarator kører kontinuerligt

Wendelstein 7-X er af typen stellarator. Reaktortypen har et mere stabilt magnetfelt, så den kan holde fusionen kørende i længere tid. Til gengæld er den krævende at konstruere.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Skæve magnet­spoler skaber et stabilt magnetfelt, der er lige stærkt overalt i reaktorringen.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Brintplasmaet er fanget, så det ikke kan røre reaktorvæggene.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Tokamakreaktor skal genstartes

JET er en reaktor af tokamaktypen. Det er den enkleste og teknisk mest stabile reaktortype, men ulempen ved den er, at den løbende skal genstartes.

Mikkel juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

En magnetspole midt i reaktor­ringen trækker det elektrisk ledende plasma af atomkerner og elektroner ind mod reaktorens centrum.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

D-formede mag­neter skal hindre det varme plasma i at røre reaktorvæggen og nedkøles, men der er større mellemrum mellem spolerne på ydersiden end på indersiden, så magnetfeltet er svagere på ydersiden.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

To runde magneter kompenserer for svagheden på ydersiden, men alligevel kan plasmaet højst fastholdes i en time, før det kommer i berøring med reaktorvæggen.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Glohed plasma bryder ud af buret

Ingen af nutidens største forsøgsreaktorer vil passere break-even og producere mere energi, end de bruger på at opvarme brændstoffet. Men tilsammen afdækker reaktorerne de udfordringer, som skal løses for at bane vej for rigtige fusionskraftværker.

På JET vil forskerne få uvurderlige erfaringer fra de kommende forsøg med rigtigt kraftværksbrændstof bestående af både tung og supertung brint. Når fysikerne indtil nu har været tilbageholdende med at lukke supertung brint ind i deres reaktorer, skyldes det, at supertung brint er et radioaktivt stof, som kræver dyre sikkerhedsforanstaltninger.

Men den største udfordring er at fastholde fu­sionsplasmaet i længere tid, den såkaldte indeslutning. Det glohede og turbulente brændstof prøver hele tiden at bryde ud af det magnetiske greb og komme i kontakt med reaktorvæggen. Derfor er det nødvendigt at omslutte reaktorringen med ekstremt stærke og stabile magnetfelter.

Den aldrende JET-reaktor har kun almindelige magneter og kan derfor kun holde brænd­stof­fet indesluttet i få sekunder. Men til næs­te år afprøves et mere effektivt magnetisk bur i den japanske tokamakreaktor JT60-SA, som er blevet opgraderet med su­per­­le­den­de magneter, der skal holde brændstoffet indesluttet i 100 sekunder ad gangen.

Tre jokere udfordrer fusionskæmperne

Indtil nu har fusion krævet enorme reaktorer, men små og anderledes maskiner kan være en bedre løsning.

  • Reaktoren bruger almindelig brint og bor i stedet for tung brint og supertung brint og bliver derfor ikke radioaktiv.

    Fusion helt uden radioaktivitet

    Fusionsenergi helt uden neutronstråling – det mål vil det amerikanske firma TAE Technologies opnå ved at få almindelige brintkerner, protoner, til at fusionere med boratomer.

    Når en bor-11-atomkerne sluger en proton og frigiver fusionsenergi, omdannes borkernen til tre helium­kerner. Ingen neutroner udsendes ved fusionen, og reaktoren bliver derfor ikke radioaktiv.

    Ulempen er, at temperaturen i kraftværket skal helt op på en milliard grader. Det skal opnås med en accelerator, der smadrer plasmabobler sammen. I en 30 meter lang prototype har TAE Technologies opnået en temperatur på 20 millioner grader i brændstoffet. Større acceleratorer vil ifølge firmaet kunne nå målet.

  • Den kugleformede reaktor måler kun 2 m i diameter og klarer sig uden superledende metalliske magneter.

    Kuglereaktor bruger billige magneter

    Det engelske firma Tokamak Energy har bygget en lille, kugleformet tokamakreaktor med en diameter på blot to meter, og sidste år blev miniputten opvarmet til 15 millioner grader med et fusionsbrændstof. Næs­te trin bliver at øge temperaturen til de 100 millioner grader, som kræves i et kraftværk.

    Normalt bruger fusionsreaktorer superledende metalliske magneter, der skal nedkøles med helium, men reak­toren er så lille, at det er muligt at bruge superledende keramiske magneter, der nedkøles med billigt flydende kvælstof.

    Tokamak Energy satser på, at kombinationen af kugleformen og keramiske magneter vil bane vej for et forsyningsnet med mange små og billige fusionskraftværker.

  • 20 hydrauliske hamre slår ind på reaktoren i midten og skaber chokbølger, der får brint og supertung brint til at fusionere.

    Hamre skaber fusion med chokbølger

    Fusions­reaktoren ligner et pindsvin, men de 20 “pigge” er 100 kg tunge, hydrauliske stempler, som banker ind på reaktortanken med 200 km/t. Slagene udløser chokbølger, som presser en boble af tung brint og supertung brint sammen.

    Det canadiske firma General Fusion har bygget en prototype af maskinen, der i større skala kan producere et stort energioverskud, hvis plasmaboblen lever i et sekund.

For at tage det næste skridt mod frem­tidens rene og uudtømmelige energikilde arbejder forskerne nu med at konstruere verdens største og mest komplekse maskine til en pris på 145 milliarder kr.

Reaktoren ITER opføres i Sydfrankrig i et sam­arbejde mellem EU, USA, Rusland, Japan, Kina, Indien og Sydkorea. Bygningen er lige så høj som et 15-etagers hus, og reaktoren kommer til at veje 23.000 tons. Reaktorringen får en diameter på 19,4 m og vil blive omgivet af enorme superledende magneter, som måler op til 25 m fra top til bund.

Den gigantiske reaktor skal passere den afgørende milepæl på vejen til kraftværker og antænde brændstoffet, så fusionsprocesserne kører videre af sig selv, når reaktorens varmeapparat slukker.

I det brændende plasma kolliderer de ekstremt varme heliumkerner fra fusionerne med brintkernerne og opvarmer dem og tvinger dem til nye fusioner. Energiproduktionen fortsætter, så længe der tilføres nyt brændstof til reaktoren, og så længe det magnetiske bur kan holde brændstoffet fanget. Målet er at opretholde indeslutningen i en time ad gangen.

Forsøg med rigtigt kraftværksbrændstof af tung brint og supertung brint starter i 2035, og her skal antændingen gøre det muligt at producere ti gange mere energi, end reaktoren bruger til at opvarme brændstoffet. Senere skal energioverskuddet øges til 30 gange den tilførte energimængde.

ITER skaber fusionsenergi med ekstrem varme og kulde

1 / 3

undefined

123

Brændstoffet i reaktorringen opvarmes til 150 mio. °C varmt plasma med mikrobølger og energirige brintatomer, der skydes ind.

© ITER

Det er endnu uvist, om efterfølgeren til ITER bliver en tokamak eller en stellarator. Resultaterne fra Wendelstein 7-X kan blive så gode, at stellaratoren bliver den vindende teknologi – eller et af de alternativer, som private firmaer afprøver i helt lille skala, kan ende med at overhale giganterne indenom.

Almindeligt havvand erstatter kul

Det første fusionskraftværk ventes at levere strøm til elnettet omkring 2060. Uanset hvilken version der vinder, vil fusion være en helt sikker energikilde, fordi der ikke er risiko for løbske kædereaktioner som i et atomkraftværk. Så snart tilførslen af brændstof stoppes, går reaktoren i stå som en bilmotor, der løber tør for benzin.

Fusion efterlader heller ikke noget højradioaktivt brændselsaffald, som skal opbevares sikkert i 100.000 år, for det eneste restprodukt er helium.

Tung brint fra 40 liter havvand og supertung brint fra fem gram litium – svarende til indholdet i en mobiltelefon – kan levere lige så meget energi som 40 tons kul og vil hverken forurene luften eller udlede CO2. Det kan give fusion en hovedrolle i frem­tidens klimaneutrale energiforsyning.

Læs også:

Transport

Brint vs batterier: Her er fremtidens brændstof

3 minutter
Energi

Fire bud på fremtidens grønne fusionsenergi

3 minutter
Atomkraft

Verdens mest sikre atomkraftværk

0 minutter
Mest populære

Log ind

Fejl: Ugyldig e-mailadresse
Adgangskode er påkrævet
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klik hér

Ny bruger? Få adgang nu!