Atomfusion:Hvor begejstrede skal vi være?

Der har været enorm begejstring over de seneste resultater fra Joint European Torus (JET)-anlægget i Storbritannien, der antyder, at drømmen om atomfusionskraft nærmer sig virkeligheden. Vi ved, at fusion virker - det er den proces, der driver Solen og giver varme og lys til Jorden. Men i årtier har det vist sig vanskeligt at lave overgangen fra videnskabelige laboratorieforsøg til vedvarende energiproduktion.

Det grundlæggende formål med fusion er at bringe atomkerner, der smelter sammen for at skabe en anden, tungere kerne - der frigiver energi i processen. Dette er anderledes end nuklear fission, hvor en tung kerne, såsom uran, opdeles i mindre, samtidig med at den frigiver energi.

En væsentlig vanskelighed har været processen med at smelte lette atomer, isotoper af brint eller helium sammen. Da de er elektrisk ladede og frastøder hinanden, modstår de at smelte sammen, medmindre kerner bevæger sig hurtigt nok til at komme fysisk meget tæt på hinanden - hvilket kræver ekstreme forhold. Solen opnår dette i sin kerne takket være dens enorme gravitationsfelter og dens enorme volumen.

En tilgang, der bruges i laboratorier på Jorden, er "inertial indeslutning", hvorved en lille fusionsbrændstofpellet omkring en tiendedel centimeter i diameter opvarmes og komprimeres udefra ved hjælp af laserenergi. I de senere år er der blevet gjort nogle opmuntrende fremskridt med denne teknik, måske mest bemærkelsesværdigt af National Ignition Facility i USA, hvor et fusionsudbytte på 1,3 millioner Joule (et mål for energi) blev rapporteret sidste år. Selvom dette producerede en effekt på 10 quadrillion watt, varede det kun i en brøkdel (90 billiontedele) af et sekund.

En anden teknik, "magnetisk indeslutning", er blevet anvendt mere bredt i laboratorier verden over og menes at være en af ​​de mest lovende veje til at realisere fusionskraftværker i fremtiden. Det involverer at bruge fusionsbrændstof indeholdt i form af et varmt plasma - en sky af ladede partikler - begrænset af stærke magnetiske felter. For at skabe betingelserne for, at fusionsreaktioner kan finde sted, skal indeslutningssystemet holde brændstoffet ved den passende temperatur og tæthed og i tilstrækkelig tid.

Heri ligger en væsentlig del af udfordringen. Den lille mængde fusionsbrændstof (typisk kun et par gram) skal opvarmes til enorme temperaturer i størrelsesordenen 10 gange varmere end Solens centrum (150 millioner °C). Og dette skal ske, mens man opretholder indespærring i et magnetisk bur for at opretholde en energiudgang.

Forskellige maskiner kan bruges til at forsøge at bevare denne magnetiske indeslutning af plasmaet, men den mest succesfulde til dato er det såkaldte "tokamak" design, som bruger en torus (doughnut form) og komplekse magnetfelter til at begrænse plasmaet, som f.eks. ansat på JET-anlægget.

Små skridt eller stort spring?

De seneste resultater markerer et sandt springbræt i jagten på fusionskraft. De 59 millioner Joule energi i alt, produceret over en periode på fem sekunder, gav en gennemsnitlig fusionseffekt på omkring 11 millioner Watt. Selvom dette kun er nok til at opvarme omkring 60 kedler, er det ikke desto mindre imponerende - at skabe en energiproduktion på 2,5 gange den tidligere rekord, sat tilbage i 1997 (også på JET-anlægget, der opnåede 22 millioner Joule).

Succesen hos JET er kulminationen på mange års planlægning og et meget erfarent team af dedikerede videnskabsmænd og ingeniører. JET er i øjeblikket den største tokamak i verden, og den eneste enhed, der er i stand til at gøre brug af både deuterium og tritium brændstof (begge isotoper af brint).

Maskinens design, ved hjælp af kobbermagneter, som opvarmes hurtigt, betyder, at den kun kan fungere med plasmaudbrud på op til få sekunder. For at tage skridtet til længere vedvarende højeffektoperationer vil der være behov for superledende magneter. Heldigvis er dette tilfældet på ITER-anlægget, der i øjeblikket bygges i det sydlige Frankrig som led i en international indsats, der involverer 35 nationer, som nu er 80% færdig. De seneste resultater har derfor givet stor tillid til det tekniske design og den fysiske ydeevne for ITER-maskindesignet, også en magnetisk indeslutningsenhed, som er designet til at producere 500 millioner watt fusionskraft.

Andre vigtige udfordringer er dog stadig tilbage. Disse omfatter udvikling af passende holdbare materialer, der er i stand til at modstå det intense tryk i maskinen, håndtering af den enorme strømudstødning og, vigtigst af alt, generering af energi, der er økonomisk konkurrencedygtig med andre former for energiproduktion.

At opnå bemærkelsesværdige udgangseffekter og opretholde dem i mere end meget korte perioder har vist sig at være den største udfordring inden for fusion i årtier. Uden at dette i sidste ende er løst, kan et eventuelt fusionskraftværk simpelthen ikke fås til at fungere. Dette er grunden til, at JET-resultaterne repræsenterer et væsentligt vartegn, omend det blot markerer et skridt på vejen.

Det gigantiske spring vil komme med opskalering af de nuværende fusionsresultater i efterfølgende fusionssystemer, såsom ITER og derefter i demonstrationskraftværker ud over dette. Og dette burde være inden for rækkevidde i en ikke alt for fjern fremtid, med sigte på drift i 2050'erne eller muligvis lidt tidligere.

Væsentlige fordele

Der er meget på spil. Fusion producerer mere energi pr. gram brændstof end nogen anden proces, der kunne opnås på Jorden. Nogle af de vigtigste fordele ved fusion er, at processens produkter er helium og neutroner (partikler, der udgør atomkernen sammen med protoner) - der frigives ingen kuldioxid eller andre drivhusgasser. De rå brændstoffer er deuterium, som kan findes i havvand, og lithium - som også er rigeligt og findes i store saltsletter. Den potentielle fusionsenergi, der frigives fra lithium indeholdt i en bærbar computers batteri og et badekar med vand, anslås at svare til omkring 40 tons kul.

Fusion producerer en vis radioaktivitet i de materialer, der indgår i reaktoren. Men dette forventes ikke at være nær så langtidsholdbart eller intenst som det radioaktive affald, der produceres ved nuklear fission – hvilket gør det potentielt til et sikrere og mere velsmagende valg end konventionel atomkraft.

I sidste ende blev Rom ikke bygget på en dag. Forskellige andre aspekter af menneskelig opfindsomhed, såsom luftfart, har historisk taget betydelige mængder tid at udvikle sig til frugtbarhed. Det betyder, at skridt på vejen, der gør fremskridt, er enormt vigtige og med rette bør fejres.

Fusion kryber ubønhørligt fremad, og vi kommer tættere og tættere på at nå den engang så fjerne drøm om kommerciel fusionskraft. En dag vil det give en næsten ubegrænset forsyning af kulstoffattig strøm til mange kommende generationer. Så selvom det ikke er helt der endnu, kommer det.