Ekstreme maskiner kan gi oss uendelig energi

Fusjon er en ren, trygg og uuttømmelig energikilde, men det krever verdens mest avanserte maskiner å etterligne sola. Nå tar fysikerne neste skritt mot fusjon ved å fylle en reaktor med ekte reaktordrivstoff.

ITER

Fusjon er som å tenne et bål med våt ved. Hydrogenkjernene har positiv ladning og frastøter hverandre. De gjør alt de kan for å unngå kontakt. Derfor krever det verdens mest ekstreme maskiner å tvinge de motvillige hydrogenatomene sammen, enten med skyhøy temperatur eller enormt trykk.

Når det lykkes, kan de umåtelige mengdene energi som fusjonene utløser, forsyne oss med ren og billig strøm.

Jakten på å utnytte energien fra fusjon har vært i gang lenge. Nå tar fysikerne et nytt skritt på veien mot framtidens energikilde, når den europeiske reaktoren JET på slutten av 2020 blir fylt med tungt og supertungt hydrogen.

JET er den største av dagens forsøksreaktorer og den eneste som er bygget for å kunne håndtere ekte drivstoff. De andre reaktorene bruker bare tungt hydrogen, og det gir for få fusjoner til å kunne brukes i et kraftverk.

Forsøkene på JET blir førpremieren på neste generasjon fusjonsreaktorer, den åtte ganger så store ITER, som er under bygging i Frankrike. En rekke eksperimenter i det nye fusjonsflaggskipet, som starter opp i 2025, skal skape den første selvdrevne fusjonsprosessen – det fysikerne kaller antenning – og dermed produsere et stort overskudd av energi.

Fusjonsenergi rommer enorme muligheter. Råstoffet er tungt hydrogen, som utvinnes av sjøvann, og supertungt hydrogen, som produseres av litium. Det gjør fusjonsenergi til en nærmest uuttømmelig energikilde.

Havvann er det nok av i all evighet, og de kjente reservene av litium er nok til minst tusen års forbruk. Men de teknologiske utfordringene er enorme.

Målet er en prosess som går av seg selv

I dag må det stadig tilføres ny energi for å holde fusjonen i gang, men målet er at prosessen skal bli selvdreven når den først har startet.

Laser konkurrerer med reaktorer

De fleste fusjonsanlegg bruker en av to strategier. Den ene er laserfusjon, der USA er lengst framme. Her bombarderer energirike laserstråler en hydrogenpille fra alle kanter og presser hydrogenet så voldsomt sammen at det fusjonerer til helium.

I 2014 hentet det gigantiske laseranlegget NIF halvannen gang mer energi ut av en liten hydrogenpille enn den energimengden laserstrålene pumpet inn i drivstoffet. Men fysikerne nådde ikke målet om å få fusjonsprosessene til å fortsette av seg selv.

På den bakgrunnen har reaktorene nå erobret ledertrøya, og her er det skarp konkurranse mellom to teknologier. Begge varmer hydrogenet opp til et glovarmt plasma der kjernen og elektronene er skilt, og holder det fanget i et kraftig magnetfelt slik at det ikke berører reaktorveggen og blir nedkjølt.

Den ene typen er de klassiske reaktorene, som JET og ITER, som kalles tokamaker. Det er den typen som er lettest å bygge. Men ulempen er at en tokamak ikke kan holde fusjonsdrivstoffet fast i det magnetiske buret i mer enn en time om gangen. Deretter må reaktoren tømmes og nytt drivstoff pumpes inn og antennes. Det må skje lynraskt i et eventuelt kraftverk, slik at kundene ikke opplever variasjon i strømproduksjonen.

Den andre reaktortypen er stellaratoren, der magnetene er vridd i skjeve former for å skape et ekstremt jevnt magnetisk bur som i prinsippet kan opprettholdes i årevis. Her kan det løpende fylles nytt drivstoff på reaktoren, akkurat som når man fyller på en olje­fyr.

Men de forvridde magnetene gjør det ekstremt komplisert å konstruere reaktoren, og i 2003 holdt tyskerne på å gi opp arbeidet med verdens første store stellarator, Wendelstein 7-X. Heldigvis fortsatte de, for reaktoren går nå som smurt og har allerede etter et par år med forsøk klart å holde drivstoffet innesluttet i 100 sekunder om gangen.

Det er fortsatt et stykke igjen opp til verdensrekorden på seks og et halvt minutt, som ble satt av den lille franske tokamaken WEST i 2003, men de tyske fysikerne mener at de vil klare å holde drivstoffet innesluttet i en halv time om gangen i Wendelstein 7-X-reaktoren.

Stellaratoren går kontinuerlig

Wendelstein 7-X er av typen stellarator. Reaktortypen har et mer stabilt magnetfelt, slik at den kan holde fusjonen i gang lenge. Til gjengjeld er den krevende å konstruere.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Skjeve magnetspoler skaper et stabilt magnetfelt som er like sterkt overalt i reaktorringen.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Hydrogenplasmaet er fanget, slik at det ikke berører reaktorveggene.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Tokamakreaktoren må startes på ny

JET er en reaktor av tokamaktypen. Det er den enkleste og teknisk sett mest stabile reaktortypen, men ulempen er at den stadig må startes på ny.

Mikkel juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

En magnet­spole midt i reaktorringen trekker det elektrisk ledende plasmaet av atomkjerner og elekt­roner inn mot reaktorens sentrum.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

D-formede magneter skal hindre at det varme plasmaet berører reaktorveggen og kjøles ned, men det er større mellomrom mellom spolene på utsiden enn på innsiden, så magnetfeltet er svakere der.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

To runde magneter kompenserer for svakheten på utsiden, men likevel kan ikke plasmaet holdes på plass i mer enn en time før det kommer i berøring med reaktorveggen.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Plasma bryter ut av buret

Ingen av dagens største forsøksreaktorer vil produsere mer energi enn de bruker på å varme opp drivstoffet. Men til sammen avdekker reaktorene de utfordringene som må løses for å bane vei for ekte fusjonskraftverk.

På JET vil forskerne få uvurderlige erfaringer fra de kommende forsøkene med ekte drivstoff, som består av både tungt og supertungt hydrogen. Når fysikerne har vært tilbakeholdne med å slippe inn supertungt hydrogen i reaktorene sine, skyldes det at det er radioaktivt, så bruken gjør det nødvendig med dyre sikkerhetstiltak.

Men den største utfordringen er å holde plasmaet innesperret over lang tid, den såkalte inneslutningen. Det glovarme og turbulente drivstoffet prøver hele tiden å bryte ut av det magnetiske grepet og komme i kontakt med reaktorveggen.

Derfor er det nødvendig å omslutte reaktorringen med ekstremt sterke og stabile magnetfelt. Den aldrende JET-reaktoren har bare vanlige magneter og kan derfor bare holde drivstoffet innesluttet i noen få sekunder. Men til neste år testes et mer effektivt magnetisk bur i den japanske tokamakreaktoren JT60-SA, som har blitt oppgradert med superledende magneter som skal holde drivstoffet innesluttet i 100 sekunder om gangen.

Tre jokere utfordrer fusjonskjempene

Så langt har fusjon krevd enorme reaktorer, men små maskiner kan være en bedre løsning.

  • Reaktoren bruker vanlig hydrogen og bor i stedet for tungt og supertungt hydrogen og blir derfor ikke radioaktiv.

    Fusjon helt uten radioaktivitet

    Fusjonsenergi helt uten nøytronstråling – det målet vil det amerikanske firmaet TAE Technologies oppnå ved å få vanlige hydrogenkjerner, protoner, til å fusjonere med boratomer.

    Når en bor 11-atomkjerne sluker et proton og gir fra seg fusjonsenergi, gjøres atomkjernen om til tre heliumkjerner. Ingen nøytroner sendes ut ved fusjonen, og reaktoren blir derfor ikke radioaktiv.

    Ulempen er at temperaturen i kraftverket må helt opp i en milliard grader. Det skal oppnås med en akselerator som dundrer sammen plasmabobler. I en 30 meter lang prototype har TAE Technologies oppnådd en temperatur på 20 millioner grader i drivstoffet. Større akseleratorer vil kunne nå målet, ifølge selskapet.

  • Reaktoren måler bare to meter i diameter og klarer seg uten superledende metalliske magneter.

    Kulereaktor bruker billige magneter

    Det engelske firmaet Tokamak Energy har bygget en kuleformet tokamakreaktor med en diameter på bare to meter, og i fjor ble den varmet opp til 15 millioner grader med et fusjonsdrivstoff. Neste trinn blir å øke temperaturen til 100 millioner grader – det som kreves i et kraftverk.

    Vanligvis bruker fusjonsreaktorer superledende metallmagneter som skal kjøles ned med helium, men reaktoren er så liten at det er mulig å bruke superledende keramiske magneter som kjøles ned med billig flytende nitrogen.

    Tokamak Energy satser på at kombinasjonen av kuleformede og keramiske magneter vil bane vei for et forsyningsnett med mange små og billige fusjonskraftverk.

  • 20 hydrauliske hammere slår på reaktoren i midten og skaper sjokkbølger som får supertungt hydrogen til å fusjonere.

    Hamrer seg fram til fusjon

    Fusjonsreaktoren ligner på et pinnsvin, men de 20 «piggene» er hydrauliske stempler som veier 100 kilo hver. De treffer reaktortanken i 200 km/t. Det utløser sjokkbølger som presser en boble av tungt og supertungt hydrogen sammen.

    Det kanadiske firmaet General Fusion har bygget en prototype som i større skala kan produsere et stort energioverskudd hvis plasmaboblen lever i ett sekund.

For å ta det neste skrittet mot framtidens rene og uuttømmelige energikilde arbeider forskerne nå med å konstruere verdens størs­te og mest komplekse maskin. Prisen er på 190 milliarder kroner.

Reaktoren ITER oppføres i Sør-Frankrike i et samarbeid mellom EU, USA, Russland, Japan, Kina, India og Sør-Korea. Bygningen er like høy som et 15-etasjers hus, og reaktoren kommer til å veie 23 000 tonn.

Reaktorringen får en diameter på 19,4 meter og vil bli omgitt av enorme superledende magneter som måler opptil 25 meter fra topp til bunn.

Den gigantiske reaktoren skal passere den avgjørende milepælen på veien til kraftverk: Drivstoffet skal antenne, slik at fusjonsprosessene går videre av seg selv når varmeapparat skrus av. I det antente plasmaet kolliderer de ekstremt varme heliumkjernene fra fusjonen med hydrogenkjernene. Dermed varmes de opp og blir tvunget til nye fusjoner. Energiproduksjonen fortsetter så lenge det tilføres nytt drivstoff til reaktoren, og så lenge det magnetiske buret kan holde drivstoffet fanget. Målet er å opprettholde inneslutningen i en time om gangen.

Forsøk med ekte drivstoff av tungt og supertungt hydrogen starter i 2035, og da skal antenningen gjøre det mulig å produsere ti ganger mer energi enn reaktoren bruker til å varme opp drivstoffet. Senere skal energioverskuddet økes til 30 ganger den tilførte energimengden.

ITER skaper fusjonsenergi med ekstrem varme og kulde

1 / 3

undefined

123

Drivstoffet i reaktorringen varmes opp til 150 millioner grader med mikrobølger og energirike hydrogenatomer som skytes inn.

© ITER

Det er fortsatt uvisst om etterfølgeren til ITER blir en tokamak eller en stellarator. Resultatene fra Wendelstein 7-X kan bli så gode at stellaratoren blir den vinnende teknologien – eller så kan et av de alternativene som private firmaer tester i liten skala, ende opp med å gå forbi gigantene.

Vanlig sjøvann erstatter kull

Det første fusjonskraftverket ventes å levere strøm til nettet omkring 2060. Uansett hvilken versjon som vinner, vil fusjon være en helt trygg energikilde, siden det ikke er risiko for løpske kjedereaksjoner som i et atomkraftverk. Så snart tilførselen av drivstoff stoppes, går reaktoren i stå som en bilmotor som går tom for bensin.

Fusjon etterlater seg heller ikke noe høyradioaktivt avfall som må oppbevares trygt i 100 000 år, for det eneste restproduktet er helium.

Tungt hydrogen fra 40 liter sjøvann og supertungt hydrogen fra fem gram litium – som svarer til innholdet i en mobiltelefon – kan levere like mye energi som 40 tonn kull og vil verken forurense lufta eller slippe ut CO2. Det kan gi fusjon en hovedrolle i framtidens klimanøytrale energiforsyning.

Les også:

Atomkraft

Flytende atomkraftverk seiler forbi

1 minutt
Energi

Fire veier til grønn fusjonsenergi

3 minutter
Energi

Kjempemølle slår grønn verdensrekord

2 minutter

Logg inn

Feil: Ugyldig e-postadresse
Passord er påkrevd
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klikk her

Ny bruker? Få adgang nå!