Nye idéer fyrer op under fusionen

Maskinen er udviklet af det amerikanske firma Helion Energy, og den er et helt nyt bud på, hvordan fusionsenergi kan give os ren strøm – ikke om 30-40 år, som fusionsforskerne hidtil har stillet os i udsigt, men allerede inden for en tiårshorisont.

Helion Energy står ikke alene med den målsætning. På verdensplan har 30 private fusionsfirmaer tilsammen skaffet over 16 milliarder kroner – primært fra private investorer – til at realisere deres ambitiøse projekter.

Hvis firmaernes tidsplaner holder, bliver fusionskraftværker klar tidsnok til at yde et afgørende bidrag i kampen for at udfase de fossile brændstoffer inden 2050.

Fysikere vil kopiere Solen

Fusionsenergi bliver ofte beskrevet som “drømmen om at hente Solen ned på Jorden”, og det er i princippet også det, fysikerne vil forsøge at gøre. Solen skaber sin energi ved, at lette atomkerner af brint smelter sammen til tungere heliumkerner, og i den proces frigives der store mængder energi.

Fusion er dermed den modsatte proces af den, som foregår i nutidens atomkraftværker. De er baseret på fission, hvor tunge atomkerner spaltes til lettere kerner.

Drømmen om fusionsenergi har givet grobund for store internationale forskningsprojekter. Flagskibet er den gigantiske europæiske reaktor ITER, som er under konstruktion i Frankrig.

Fusion har en række fordele i forhold til fission. Først og fremmest er brændstoffet af brint til rådighed i ubegrænsede mængder, da vi kan udvinde den af havvand, mens den uran, vi bruger i nutidens atomkraftværker, er sjælden og dyr.

Dernæst er fusion sikrere, fordi en fusionsreaktor ikke kan løbe løbsk og smelte ned. Og endelig efterlader fusionsprocessen ikke noget radioaktivt affald, som skal deponeres i tusinder af år.

Masse bliver til energi

Det er dog langtfra let at efterligne Solens energiproduktion. Udfordringen ved at få brinten til at fusionere er, at de positivt ladede atomkerner frastøder hinanden. Det kræver derfor ekstreme varmegrader og et højt tryk at tvinge kernerne helt tæt sammen.

Når det sker, overvinder den tiltrækkende stærke kernekraft den elektriske frastødning mellem brintkernerne, så de smelter sammen til helium. Og fordi de to brintkerner tilsammen vejer mere end heliumkernen, frigives den overskydende masse som energi.

Traditionelt har fysikerne satset på tung brint med en proton og en neutron i atomkernen og supertung brint med en proton og to neutroner i kernen som fusionsbrændstof.

De to typer brint fusionerer i stor stil ved temperaturer på 100-200 millioner grader, mens andre stoffer kræver endnu højere temperaturer, for at der opstår såkaldt antænding i brændslet.

Antænding betyder, at fusionsprocesserne kører videre af sig selv, når de først er sat i gang. Det sker ved, at de ekstremt varme heliumkerner, der dannes i fusionen, sørger for den fortsatte opvarmning og så at sige holder gryden i kog.

Gennem de seneste seks årtier har fysikerne især satset på en reaktortype, der kaldes en tokamak og har form som et bildæk eller en donut.

Reaktorringen er omgivet af magneter, som holder brændstoffet indespærret og svævende i et magnetisk bur, mens det cirkulerer rundt i ringen. Magnetfeltet sikrer, at brændstoffet ikke kommer i kontakt med reaktorvæggene, som ellers vil smelte ved de ekstreme temperaturer. I ITER er magneterne hele 25 meter høje og vejer 400 tons.

I 2025 indleder ITER forsøg med plasmaer af tung brint, men de egentlige eksperimenter med et rigtigt fusionsbrændstof af tung brint og supertung brint begynder først i 2035. ITER kommer aldrig til at producere strøm til elnettet. Det vil først ske i et efterfølgende anlæg på den anden side af 2050.

Minireaktor bliver billigere

Så længe vil det amerikanske firma Commonwealth Fusion Systems ikke vente. Firmaet udvikler nu en minitokamak kaldet SPARC, som trækker på den viden, den internationale fusionsforskning har opbygget gennem årene.

Faktisk ligner SPARC en miniudgave af ITER, men den rummer et afgørende teknologisk gennembrud i form af en ny type uhørt kraftige magneter. Som i andre tokamakker består spolerne i magneterne af såkaldte superledere, dvs. materialer, som strøm kan løbe igennem uden modstand.

For at blive superledende skal magneterne i ITER køles ned til minus 269 grader, mens SPARC's magneter, som består af det nye keramiske materiale ReBCO, bliver superledende allerede ved minus 196 grader. Det betyder, at SPARC kan bruge flydende kvælstof til nedkølingen i stedet for det meget dyrere flydende helium, som er nødvendigt i ITER.

Commonwealth Fusion Systems har med succes testet den første magnet til SPARC.

Forsøgene viser, at magnetspolen med en højde på bare 2,5 meter leverer et magnetfelt, som er halvanden gang kraftigere end felterne fra de enorme magneter på ITER. Det betyder, at det er muligt at bygge fusionskraftværker, som kun fylder en tiendedel.

SPARC bliver klar til de første forsøg i 2025, og målet er, at minitokamakken skal antænde et brændstof af tung brint og supertung brint og producere et energioverskud.

Hvis det lykkes, bygger Commonwealth Fusion Systems i begyndelsen af 2030’erne en lidt større efterfølger kaldet ARC, som skal være et prototypekraftværk, der leverer strøm til elnettet. ARC vil få en ydelse på omkring 100 megawatt, som kan forsyne 100.000 husstande med strøm – eller fx drive elmotoren i et stort CO₂-neutralt containerskib.

Centrifuge skaber fusion

Mens nogle private firmaer bygger videre på kendte reaktortyper, går andre helt nye veje. Et markant eksempel er den canadiske virksomhed General Fusion, som bogstavelig talt vil antænde fusionsbrændstoffet med et gevaldigt brag.

Virksomheden har udviklet et koncept, hvor selve reaktortanken roterer hurtigt rundt, så en blanding af flydende bly og litium presses op ad væggene som vand i en centrifuge.

Mens centrifugen kører, sprøjter forskerne fusionsbrændstoffet af brint ind i tomrummet midt i reaktoren, hvorefter trykluftsstempler hele vejen rundt om reaktortanken banker samtidigt ind mod ydersiderne.

Slagene fra stemplerne skaber en voldsom trykbølge, der presser det flydende metal sammen omkring fusionsbrændstoffet, så det komprimeres og opvarmes til høje temperaturer.

I 2022 er General Fusion gået i gang med byggeriet af en stor fusionsmaskine ved forskningscentret Culham i England. Den nye reaktor bliver udstyret med 500 stempler, som vil komprimere fusionsbrændstoffet så hårdt, at temperaturen stiger til 150 millioner °C.

Maskinen vil efter planen stå færdig i 2025, og den får den ekstra fordel, at den selv kan producere en del af den supertunge brint, den skal fodres med. Det sker, når neutroner fra fusionsprocesserne rammer litiumatomer i det flydende metal og omdanner dem til supertung brint, som kan bruges til nye fusioner sammen med tung brint, som hentes fra havvand.

I tokamakker er forskerne nødt til at fore indersiden af reaktorringen med en kappe af litium for at danne supertung brint, hvilket er en mere kompliceret og teknologisk krævende proces.

Ifølge General Fusion er firmaets næste skridt et prototypekraftværk, som skal stå klart i begyndelsen af 2030’erne.

Accelerator fusionerer helium

Selvom tung og supertung brint er det mest oplagte fusionsbrændstof, eksperimenterer nogle af de private firmaer med andre muligheder. Det gælder fx Helion Energy, som står bag udviklingen af den specielle accelerator, der ligner to overdimensionerede kaffetragte.

Brændstoffet, som mødes i midten af den 12 meter lange accelerator, er en blanding af tung brint og såkaldt helium-3, som har to protoner og en neutron i atomkernen. Ved fusionen opstår almindelig helium-4 med to protoner og to neutroner i kernen samt en fri proton.

Problemet med helium-3 som brændstof er, at denne variant af helium er meget sjælden på Jorden. Derfor har forudsætningen været, at stoffet skulle hentes på Månen, hvor det til gengæld findes i rigelige mængder. Her bliver det skabt, når kosmisk stråling fra rummet rammer Månens ubeskyttede overflade.

Men minedrift på Månen bliver ikke nødvendig for Helion Energy. Firmaet har nemlig udviklet og patenteret en metode til at fremstille helium-3 ved fusion af to tunge brintkerner, som skal finde sted i en sideproces i acceleratoren.

Helion Energy startede i 2020 forsøgene på firmaets sjette accelerator, som har fået navnet Trenta. Siden har firmaets forskere gennemført over 10.000 kollisioner i maskinen, og i 2021 nåede de en vigtig milepæl. For første gang lykkedes det her for et privat fusionsfirma at opvarme et fusionsbrændstof til 100 millioner grader.

Det geniale ved Helion Energys koncept er, at fusionsprocessen skaber strøm direkte vha. af det magnetfelt, som opstår i reaktoren. Der er ikke brug for dampturbiner og generatorer til at omsætte varme til strøm som på et traditionelt kraftværk, og det gør fusionsstrømmen billigere.

Men det er ikke den eneste fordel ved designet. For at opnå antænding – altså en selvkørende fusionsproces – i et fusionsbrændstof af helium-3 og tung brint skal temperaturen op på flere hundrede millioner grader. Men antænding er ikke nødvendig i Helion Energys koncept. Det er nok, at det ekspanderende fusionsbrændstof i kortvarige pulser sender magnetfelter ud i de omgivende spoler.

Trenta kan kun levere en kollision hvert tiende minut, men Helion Energy har allerede taget første spadestik til efterfølgeren, Polaris. Den skal skabe sammenstød en gang i sekundet, og i 2024 vil den som den første fusionsmaskine rent faktisk producere strøm til elnettet – omend kun i små mængder.

Hvis Polaris lever op til forventningerne, regner Helion Energy med at bygge kommercielle fusionskraftværker i begyndelsen af 2030’erne.

Fusion supplerer sol og vind

Fusionsenergi er en ideel makker til sol- og vindenergi, hvor elproduktionen svinger med vejret og årstiderne. Fusionskraftværker kan udligne variationerne, på samme måde som vores kul- og gasfyrede kraftværker gør det i dag.

Også i forhold til atomkraft står fusionskraften stærkt. Fusionsenergien efterlader ikke højradioaktivt brændselsaffald, som skal opbevares i 100.000 år. Først når et fusionskraftværk er udtjent, opstår der et mindre affaldsproblem, fordi neutroner fra fusionsprocessen gør reaktorerne radioaktive. Dette byggeaffald skal kun deponeres i ca. 100 år.

Alle disse fordele gør fusionskraft til et supervåben i kampen mod den truende klimakatastrofe. Og hvis de private firmaers optimistiske tidsplaner holder, vil vi få det i hænderne tidsnok til at bruge det.