Drøm om ubegrænset, ren nuklear fusionsenergi inden for rækkevidde

Den gamle joke er, at nuklear fusion altid er 30 år væk. Alligevel er drømmen om rigelig ren energi ikke til grin, da vi møder en ITER-forsker for at indhente fremskridt ved reaktoranlægget.

Solen har givet næring til livet på Jorden i milliarder af år og skabt lys og varme gennem kernefusion. I betragtning af den utrolige kraft og lang levetid, ser det ud til, at der næppe kan være en bedre måde at generere energi på end ved at udnytte de samme nukleare processer, som forekommer i vores egne og andre stjerner.

Nukleare fusionsreaktorer sigter mod at replikere denne proces ved at fusionere brintatomer for at skabe helium, der frigiver energi i form af varme. At opretholde dette i stor skala har potentialet til at producere en sikker, ren, næsten uudtømmelig strømkilde.

Søgen begyndte for årtier siden, men kunne en langvarig joke om, at nuklear fusion altid er 30 år væk, snart begynde at se gammel ud?

Nogle håber det, efter et stort gennembrud under et nuklear-fusionseksperiment i slutningen af ​​2021. Dette skete på Joint European Torus (JET) forskningsfacilitet i Oxfordshire, U.K., i en gigantisk, doughnut-formet maskine kaldet en tokamak.

Indeni genereres overhedede gasser kaldet plasmaer, hvori fusionsreaktionerne finder sted, indeholdende ladede partikler, der holdes på plads af kraftige magnetfelter. Sådanne plasmaer kan nå temperaturer på 150 millioner grader Celsius, ufattelige 10 gange varmere end solens kerne.

I et vedvarende udbrud på fem sekunder frigav forskere i EUROfusion-konsortiet rekordstore 59 megajoule (MJ) fusionsenergi. Dette var næsten tredoblet af den tidligere rekord på 21,7 MJ, der blev sat på samme anlæg i 1997, med resultaterne udråbt som "den klareste demonstration i et kvart århundrede af potentialet for fusionsenergi til at levere sikker og bæredygtig energi med lavt kulstofindhold."

Resultaterne gav et stort løft forud for den næste fase af udviklingen af ​​nuklear fusion. En større og mere avanceret version af JET kendt som ITER (som betyder "vejen" på latin) er under opførelse på en 180 hektar stor grund i Saint-Paul-lès-Durance, det sydlige Frankrig.

ITER, som bygges som et samarbejde mellem 35 nationer, herunder dem i EU, har til formål at styrke fusionsbegrebet yderligere. En af de mest komplicerede maskiner, der nogensinde er blevet skabt, var planlagt til at begynde at generere sin første plasma i 2025, før den gik i drift omkring 2035 – selvom forskere på projektet forventer nogle forsinkelser på grund af pandemien.

Stor milepæl

Resultaterne på JET repræsenterer et stort vartegn, sagde professor Tony Donné, programleder for EUROfusion-projektet, et stort konsortium af 4.800 eksperter, studerende og faciliteter i hele Europa. "Det er en enorm milepæl - den største i lang tid," sagde han.

"Det har bekræftet al modelleringen, så det har virkelig øget tilliden til, at ITER vil fungere og gøre, hvad den er beregnet til." Mens den energi, der blev genereret ved JET, varede kun et par sekunder, er målet at øge dette til en vedvarende reaktion, der producerer energi.

Resultaterne var kulminationen på mange års forberedelse, hvor professor Donné forklarede, at en af ​​de vigtigste udviklinger siden 1997 involverede ændring af den indre væg af JET-fartøjet.

Tidligere var væggen lavet af kulstof, men dette viste sig at være for reaktivt med brændstofblandingen af ​​deuterium og tritium, to tungere isotoper - eller varianter - af brint, der blev brugt i fusionsreaktionen. Dette resulterede i dannelsen af ​​kulbrinter, der låste tritiumbrændstoffet i væggen.

I genopbygningen, som involverede 16.000 komponenter og 4.000 tons metal, blev kulstoffet erstattet med beryllium og wolfram for at reducere tilbageholdelse af tritium. I sidste ende var holdet i stand til at reducere mængden af ​​indespærret brændstof med et stort multiplum, hvilket bidrog til succesen med det nylige fusionsskud.

DEMO-kørsel

Som forberedelse til næste fase af fusionens episke rejse sikrede opgraderinger til JET, at dens konfiguration stemmer overens med planerne for ITER. Længere i fremtiden vil det næste skridt ud over ITER være et demonstrationskraftværk kendt som DEMO, designet til at sende elektricitet ind i nettet – hvilket fører til, at fusionsanlæg bliver en kommerciel og industriel realitet.

"ITER er en enhed, som vil skabe 10 gange mere fusionsenergi end den energi, der leveres til plasmaet," sagde professor Donné. "Men da det er et forsøgsanlæg, vil det ikke levere strøm til nettet. Til det har vi brug for en anden enhed, som vi kalder DEMO. Det vil virkelig bringe os til fundamentet for den første generation af fusionskraftværker."

Prof Donné tilføjede:"JET har nu vist, at fusion er plausibel. ITER skal vise, at det er yderligere gennemførligt, og DEMO bliver nødt til at demonstrere, at det virkelig virker."

Han er planlagt til at levere op til 500 megawatt (MW) til nettet, og han mener, at det er realistisk, at DEMO træder i drift omkring 2050. "Vi håber at bygge DEMO meget hurtigere, end vi byggede ITER, hvilket gør (brug af) erfaringerne, " han sagde.

Alligevel er der andre vigtige udfordringer at overvinde på vejen til at få atomfusion op at køre. Ikke mindst er det, at mens deuterium er rigeligt i havvand, er tritium ekstremt knapt og svært at producere.

Forskerne planlægger derfor at udvikle en måde at generere det inde i tokamak ved hjælp af et "avlstæppe" indeholdende lithium. Tanken er, at højenergi-neutroner fra fusionsreaktionerne vil interagere med lithium for at skabe tritium.

Væsentlig energi

Professor Donné sagde, at nuklear fusion kunne vise sig at være en afgørende grøn og bæredygtig energikilde for fremtiden. "Jeg vil sige, at det er vigtigt," sagde han. "Jeg er ikke overbevist om, at vi i 2050 kan lave kuldioxid-omstillingen med kun vedvarende energi, og vi har brug for andre ting."

Og selvom han siger, at den nuværende metode til at skabe atomenergi gennem fission bliver sikrere og sikrere, har fusion nøglefordele. Fortalere for ITER taler om fordele såsom fravær af nedsmeltningsrisiko og tilføjer, at nuklear fusion ikke producerer langlivet radioaktivt affald, og at reaktormaterialer kan genbruges eller genbruges inden for 100 til 300 år.

"Det er helt sikkert meget mere sikkert," sagde professor Donné. Med henvisning til stigmatiseringen af ​​atomenergi sagde han:"Det, vi ser, når vi interagerer med offentligheden, er, at folk meget ofte ikke har hørt om atomfusion. Men når vi forklarer fordele og ulemper, så tror jeg, at folk bliver positive. "

Med henvisning til Lev Artsimovich, som er døbt "tokamakkens fader," sagde han, "Artsimovich sagde altid, at fusion vil være der, når samfundet virkelig har brug for det. Hvis vi får fusion op at køre, så har vi virkelig en meget sikker og ren energikilde som kan give os energi i tusinder af år." + Udforsk yderligere

Fransk videnskabsmand, der leder nuklear fusionsprojekt, dør i en alder af 72