Fuld fart på forskningen i fusionskraft

Når lette atomkerner smelter sammen, frigives der store mængder energi. Det er denne fusionsenergi, der får Solen og andre stjerner til at skinne.

Hvis det er muligt at tæmme atomkernernes pardans og få dem til at komme i nærkontakt under kontrollerede forhold, kan fusionskraft blive en af de energikilder, der skal afløse de fossile brændstoffer.

Derfor forskes der på livet løs i fusionskraft, og rundt omkring i verden eksperimenteres der med forskellige former for fusionsreaktorer.

»Vi regner med, at de første rigtige fusionskraftværker vil levere strøm til det europæiske elnet i slutningen af 2040'erne,« fortæller Søren Bang Korsholm, der er seniorforsker på Institut for Fysik på Danmarks Tekniske Universitet. Vi fanger ham på en lettere ustabil Skype-forbindelse, mens han flyver til Barcelona for at deltage i møder om opbygningen af den store forsøgsreaktor ITER - mere om den senere.

Mange fordele ved fusionskraft

»Vi får brug for en lang række CO2-neutrale energikilder i fremtiden. Det bliver en kæmpe udfordring at udfase kul og gas. Jeg tror, at fusionsenergi kommer til at spille en central rolle som grundlastværk, der kan levere energi når som helst. Faktisk har jeg svært ved at forestille mig, hvordan vi kan bevare noget, der ligner vores levestandard, uden at have fusionsenergi,« fortsætter Søren Bang Korsholm.

Og det lyder da også tillokkende med fusionskraft, der ikke bare kan spare miljøet for en masse CO2, men også vil have mange fordele frem for den eksisterende atomkraft, hvor energien kommer fra tunge atomkerner, der splittes op:

• Fusionskraft er sikkert. Kraftværkerne kan ikke løbe løbsk, nedsmelte og sende store mængder radioaktivt materiale ud i omgivelserne, som det er sket et par gange med atomkraftværker.
  
• Der er begrænsede problemer med radioaktivt affald, for det er kun selve reaktoren, der bliver radioaktiv og skal deponeres sikkert i en overskuelig årrække, når kraftværket lukker ned.
  
• Der er nærmest ubegrænsede mængder brændstof til rådighed. Reaktorerne bruger typisk tungt brint, der findes i vand.
  
• Der udvikles ikke radioaktive grundstoffer, der kan bruges til atombomber.

Brintkerner klistrer sammen

I princippet er der ikke den store forskel på en fusionsreaktor og et kulkraftværk. I sidstnævnte varmes kul op til en temperatur, hvor det begynder at brænde, og ved forbrændingen udvikles der varme, så forbrændingsprocessen holder sig selv i gang, og overskudsvarmen kan bruges til at producere strøm. I en fusionsreaktor gælder det på samme måde om at udvikle nok varme til at holde processen i gang - og så noget ekstra.

Forskellen er, at forbrænding er en kemisk proces, hvor atomer sætter sig sammen på nye måder, mens fusion involverer atomernes allerinderste. Grundstoffer forvandles til nye grundstoffer, når atomkerner smelter sammen.

Vil man forstå, hvordan energi bliver frigivet ved fusion, kan man starte med at forestille sig fire bolde, der hænger sammen, fordi de er helt klistrede på overfladen. Man kan godt hive boldene fra hinanden, men det kræver noget energi. Omvendt frigives energien, når boldene sætter sig sammen i en klump.

En heliumkerne er fire kernepartikler, der hænger rigtig godt sammen, og præcis som det ville kræve energi at hive dem fra hinanden, bliver den tilsvarende energi frigivet, når kerner af brint - det letteste af grundstofferne - slår sig sammen for at blive en heliumkerne. Det er princippet bag fusionskraft.

Erstatter millioner af tons kul

»Og så skal man huske de utrolige tal, at vi får den samme mængde energi ud af 100 kg deuterium (tungt brint, red.) og 150 kg tritium (supertungt brint, red.), som man får ud af 2,7 millioner ton kul,« siger Søren Bang Korsholm med henvisning til, hvad et 1 GW kraftværk har brug for af brændsel.

»Der skal kun bruges 25 gram deuterium og tritium for at levere den energi, en dansker bruger i løbet af et liv.«

Men så er der jo lige det med temperaturen. Hvor fossile brændstoffer kan brændes af ved temperaturer på omkring 1.000 grader, skal vi op på mange millioner grader for at smelte atomkerner sammen. Det er her, udfordringen ligger, for det er uhyre svært at holde styr på noget, der er så ekstremt varmt.

Der skal skrues op for varmen

I Solens indre er der ikke bare 15 millioner grader varmt, der er også et kolossalt tryk, og det er kombinationen af tryk og temperatur, der gør det muligt for brintkerner at fusionere. I en reaktor på Jorden kan vi ikke opnå samme tryk, så det er nødvendigt med højere temperaturer på langt over 100 millioner grader.

I øvrigt er Solen ikke værd at efterligne, for den er faktisk ikke en særlig effektiv fusionsreaktor. Det er fint nok, for så er det kun godt 600 millioner tons brint, der hvert sekund omdannes til helium i Solens indre, og det betyder, at Solen kan blive ved med at skinne i adskillige milliarder år endnu.

For at få gang i en proces, der er mere effektiv end i Solen, skal en gas af brint - eller mere præcist et plasma, hvor elektronerne for længst har løsrevet sig fra atomkernerne - altså opvarmes til ekstreme varmegrader. Så er problemet, at der ikke findes materialer, der kan holde til så høje temperaturer.

Det varme plasma skal på en eller anden måde holdes på plads i reaktoren, uden at det rører ved dens vægge. Forskerne har fundet ud af, at det bedst gøres med magnetfelter. Overskudsvarmen, der produceres ved fusionsreaktionerne, skal opvarme vand, der bliver til damp og driver dampturbiner, der producere elektricitet.

ITER skal vise vejen

I øjeblikket er den store forsøgsreaktor ITER (forkortelse for International Thermonuclear Experimental Reactor og latin for "vejen") ved at blive bygget i Sydfrankrig. ITER skal vise, at det rent faktisk kan lade sig gøre at bygge en fusionsreaktor, der spytter mere energi ud, end man bruger på at have den kørende.

Reaktoren skal producere en effekt på mindst 500 megawatt uden at bruge mere end 50 megawatt på at opvarme plasmaet. Der skal også bruges energi på at holde magneterne kolde og på mange andre ting, men forskerne håber og tror, at ITER vil vise, at fusionsenergi kan blive en god forretning.

I ITER skal plasmaet være spærret inde i et baderingsformet kammer, der kaldes en tokamak. Et kraftigt magnetfelt dannet af superledende spoler skal holde på plasmaet, så det ikke rammer væggene. Det lyder måske simpelt nok, men i virkeligheden er det uhyre vanskeligt at inddæmme 150 millioner grader varmt plasma.

ITER har været ramt af masser af forsinkelser og er blevet langt dyrere end ventet. Reaktorkomplekset kommer til at koste mere end 100 milliarder kroner, hvoraf EU-landene betaler 45 procent af udgifterne, mens USA, Indien, Japan, Kina, Rusland og Sydkorea deles om resten. Det er mange penge, men det er også mere end halvdelen af Jordens befolkning, der er med til at finansiere ITER.

Først omkring 2025 vil det første plasma være klar i reaktoren, og så vil der gå yderligere nogle år, før den er helt oppe at køre.

Danske forskere er med

Der er slet ingen tvivl om, at ITER bliver verdens største fusionsreaktor, hvis det altså lykkes at få den uhyre komplicerede konstruktion til at fungere efter hensigten. Hvis ITER virker, vil den bane vejen for rigtige fusionskraftværker, der kan dække en stor del af fremtidens energibehov. Sådan nogle er allerede i planlægningsfasen under navnet DEMO.

»Med et kig på fusionsforskningen gennem de seneste årtier, så er tokamakken det klart mest udviklede og succesfulde koncept. Selvom ITER er en stor maskine med store tekniske udfordringer, så vil jeg mene, at tokamak er det koncept, der lige nu har størst sandsynlighed for succes,« siger Søren Bang Korsholm.

Han er dog ikke er helt neutral i sagen, for han leder et projekt, som går ud på at udvikle avanceret måleudstyr til ITER-reaktoren.

Konkurrenterne rører på sig

Samtidig med, at ITER langsomt tager form, arbejdes der på andre fusionsteknologier andre steder i verden. I det nordlige Tyskland er forskerne i fuld gang med at fyre op for et forsøgsanlæg ved navn Wendelstein 7-X, og her er der tale om en reaktor af typen stellarator.

10. december skal der være stabilt plasma i reaktoren - i første omgang et plasma af helium, derefter af brint.

Wendelstein 7-X er en fantastisk reaktor med en vild form. Her ses det, hvordan den blev konstrueret. (Video: Science)

I en stellarator er det - i hvert fald i princippet - nemmere at holde plasmaet stabilt, for 50 superledende magnetspoler skal ikke blot sørge for at holde plasmaet væk fra væggene, de skal også få plasmaet til at sno sig i et kompliceret mønster.

Det magnetiske bur, som plasmaet i en stellarator holdes indespærret i, er ikke bare baderingsformet som i en tokamak-reaktor, men har en nærmest surrealistisk, snoet form. Det skulle gøre plasmaet mere stabilt og nemmere at have med at gøre, og så bliver det muligt at lade reaktoren køre kontinuert i stedet for i pulser, som ITER skal gøre det.

I Wendelstein 7-X har plasmaindeslutningen et rumfang på 30 kubikmeter, og det er verdens største stellarator. Til sammenligning vil ITER's tokamak få et rumfang på 840 kubikmeter. Der er ingen planer om at få stellaratoren til at producere strøm, for i første omgang er målet blot at vise, at et mere end 100 millioner grader varmt plasma kan holdes stabilt.

Private vil også være med

I USA lader forskerne ved National Ignition Facility (NIF) 192 ekstremt kraftige laserstråler pege mod det samme lille område for at trykke brintatomer så tæt sammen, at de fusionerer og måske en dag frembringer mere energi, end lasersystemet forbruger. Der er dog rigtig lang vej endnu, før det lykkes, og det hører med til historien, at NIF også bruges til andre ting, for eksempel til forskning omkring atombomber.

NIF er et meget stort projekt til 25 milliarder kroner, der betales af de amerikanske skatteydere, men mindre kan måske også gøre det. I hvert fald er der de seneste år dukket firmaer op, hvor private investorer har skudt penge i udviklingen af nye former for fusionsreaktorer.

For eksempel har det amerikanske firma Tri Alpha Energy udviklet en 23 meter lang maskine, hvor to plasmaskyer skydes mod hinanden og skaber en ring af plasma, der holdes på plads af sit eget magnetfelt.

Det er lykkedes at holde et 10 millioner grader varm plasma stabilt i fem millisekunder, hvilket er et ganske lovende resultat, men temperaturen skal meget højere op, hvis der skal opnås fusion. Faktisk har Tri Alpha Energy en plan om at få temperaturen helt op over tre milliarder grader, for så vil brint og bor fusionere, og så kan reaktoren blive simplere og billigere, skriver Sciencemag.org.

Firmaet General Fusion har en anden tilgang til fusion. Her arbejder forskerne på at udvikle en reaktor, hvor et magnetfelt holder plasmaet stangen, samtidig med at en masse stempler sørger for at trykke det sammen, så temperaturen kan komme helt derop, hvor fusionen starter.

Små reaktorer vil kunne forsyne en by

Faktisk er der en hel del virksomheder med ambitioner inden for fusionsenergi - både store firmaer som Lockheed Martin og meget mindre som Tokamak Energy, Helion Energy og LPPFusion - som ikke mindst satser på at udvikle små fusionsreaktorer, der ikke kan levere strøm til en hel landsdel, men for eksempel blot til en provinsby.

»Det er da spændende, hvis nogen kunne udvikle et koncept, der var mere kompakt. Jeg synes, det er positivt, at der er folk, der også går den vej,« siger Søren Bang Korsholm om disse firmaer.

I hvert fald er der så meget røre inden for fusionsforskningen, at det skulle være mærkeligt, om fusionsreaktorer ikke en dag komme til at levere strøm til forbrugerne. Forskere fra Durham University i England har regnet sig frem til, at strømmen fra fusionskraftværker ikke bliver dyrere end den strøm, der i dag kommer fra atomkraftværker, og fusionsenergi er jo meget mere sikkert.

Det store spørgsmål er så, om fusionskraft - når den engang er klar til brug - kan betale sig i forhold til velkendt vedvarende energi, der bliver stadig billigere. Måske vil fusion være det perfekte match til sol og vind, så vi også er sikret strøm en vindstille nat.