Hvad er Fusionsenergi? » Smartrix.dk

Foto: DTU.dk

I jagten på at finde vedvarende, sikre og miljøvenlige energikilder, der kan erstatte vores stadigt svindende reserver af fossile brændsler, er fusionsenergi blevet fremhævet som en potentiel “hellig gral” af energiløsninger. Fusion, processen, hvor lette atomkerner smelter sammen og frigiver enorme mængder energi, driver vores sol og alle stjerner i universet.

Men hvordan bringer vi denne stellar kraft til vores jordbundne laboratorier og kraftværker? Hvad er fordelene ved fusion over konventionelle energikilder, og hvilke teknologiske, økonomiske og miljømæssige udfordringer står vi overfor i bestræbelserne på at gøre denne energi brugbar?

Introduktion til Fusionsenergi

Historisk baggrund

Fusionsenergi, mens den nu er i forkant af moderne videnskabelig forskning, har sine rødder i de tidlige undersøgelser af atomets natur. Allerede i begyndelsen af det 20. århundrede blev det klart for forskere, at solen og andre stjerner producerede deres energi gennem en proces, der var meget anderledes end de kemiske reaktioner, vi forstod dengang.

I 1930’erne foreslog den britiske astrofysiker Arthur Eddington, at fusion af hydrogen til helium i solens kerne var kilden til dens energi. Denne teori blev senere bekræftet ved hjælp af kvantemekanik og forståelsen af stærke nukleare kræfter.

Det tog dog yderligere årtier før, mennesket aktivt begyndte at overveje muligheden for at efterligne stjernernes energiproduktion her på Jorden. De første eksperimenter med kontrolleret fusionsreaktioner startede i 1950’erne, primært drevet af den kolde krigs våbenkapløb. Begge supermagter – USA og Sovjetunionen – forsøgte at mestre fusion som en energikilde for termonukleare våben.

Sammenligning med fission

Mens fusion og fission begge er nukleare processer, der frigiver enorme mængder energi, er de fundamentalt forskellige. Fission involverer opdeling af tunge atomkerner, som uran eller plutonium, mens fusion kombinerer lette kerner, typisk former af hydrogen, for at danne tungere elementer som helium.

Fordelene ved fusion over fission er mange: Fusion brændstoffer, som deuterium, kan udvindes fra havvand, hvilket gør det rigeligt tilgængeligt. Fusion producerer også meget mindre radioaktivt affald end fission, og fusionens “affald” – primært helium – er ufarligt. Derudover er fusionsreaktioner selvregulerende; i modsætning til en fissionsreaktor, der kan opleve en nedsmeltning, vil en fusionreaktor simpelthen “slukke” under uønskede forhold.

Grundlæggende fysik bag Fusion

Atomets opbygning og kernekraft

Atomet, som er byggestenen for alt materiale, består af en central kerne omgivet af elektroner i orbitaler. Kernen selv indeholder protoner, som bærer en positiv ladning, og neutroner, som er neutrale. Disse subatomare partikler holdes sammen af den stærke nukleare kraft, en af de fire fundamentale kræfter i universet. Dette er den samme kraft, der spiller en afgørende rolle i fusionsprocessen.

Fusion vs. Fission

Som tidligere nævnt adskiller fusion sig fra fission ved processens natur. Mens fission involverer opdeling af tunge atomkerner, kombinerer fusion lette kerner for at danne tungere elementer. Fusion kræver ekstremt høje temperaturer og tryk for at overvinde de elektriske afvisende kræfter mellem de lette kerner, som begge er positivt ladede.

Fusionens brændstoffer: Deuterium og Tritium:

Udvinding af Deuterium fra havvand: Deuterium, også kendt som tungt hydrogen, er en naturligt forekommende isotop af hydrogen. Det findes i små mængder i almindeligt vand. Cirka én ud af hver 6.400 hydrogenatomer i havvand er deuterium. Gennem elektrolyse eller andre metoder kan deuterium udskilles fra vand for at tjene som brændstof i fusionsreaktioner.
Tritiums oprindelse og produktion: Tritium er en anden isotop af hydrogen og har to neutroner i dens kerne, modsat deuterium, som kun har én. Tritium er radioaktivt og findes ikke naturligt i betydelige mængder, da det har en halveringstid på kun 12,3 år. I fusionsreaktorer produceres tritium ofte “in-situ” ved at bestråle lithium med neutroner.

Fusionsreaktionen og produktionen af Helium

Den mest populære og studerede fusionsreaktion er kombinationen af deuterium og tritium. Når disse to lette kerner kombineres under ekstreme betingelser, producerer de helium-4, et neutron og en enorm mængde energi. Denne energi frigives primært på grund af Einstein’s berømte ligning, E=mc^2, hvor en lille mængde masse konverteres direkte til energi.

Den grundlæggende reaktion mellem deuterium og tritium: D + T → He-4 + n + 17,6 MeV (hvor MeV står for millioner elektronvolt, en enhed af energi).
Energiproduktion og helium som biprodukt: Den frigivne energi i denne reaktion er mange gange større end den energi, der er nødvendig for at igangsætte reaktionen. Dette gør fusion til en attraktiv energikilde. Det producerede helium er stabilt og ufarligt.

Energiudvinding fra fusion

Energien fra fusionsreaktionen frigives primært i form af kinetisk energi af det frigivne neutron. Dette neutron kan interagere med en reaktors “tæppe” eller dens omgivende struktur, hvilket fører til opvarmning af materialet. Denne varme kan derefter konverteres til elektricitet ved hjælp af traditionelle metoder, som dampcykler og turbiner, meget lig måden traditionelle termiske kraftværker fungerer på.

Teknologier og metoder til Fusionsenergi

Tokamak

Principper og design: Tokamak er en torusformet (ringformet) anordning, der bruger magnetiske felter til at indeholde den varme plasma, hvor fusionsreaktionen finder sted. Navnet “tokamak” stammer fra de russiske ord for “toroidal kammer med magnetiske spoler”. Ved at anvende både ydre magnetfelter og et strømgennemløbende plasma genereres der et stærkt magnetisk felt, som holder plasmaet i ro og forhindrer det i at komme i kontakt med kammerets vægge.
Eksempler: ITER, JET: ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) er et af de mest ambitiøse fusionsprojekter i verden. Beliggende i Cadarache, Frankrig, er det et internationalt samarbejde mellem 35 lande. Når det er færdigbygget, sigter ITER efter at producere netto energi fra fusion, hvilket vil være en vigtig milepæl. JET (Joint European Torus) i Storbritannien er den største operationelle tokamak i verden og har været en vigtig testbænk for fusionsforskning.

Stellarator

Principper og design: Ligesom en tokamak er en stellarator en anordning, der bruger magnetiske felter til at indeholde plasma. Men i stedet for at stole på et elektrisk strømgennemløb i plasmaet, anvender stellaratoren udelukkende komplekst formede eksterne magnetiske spoler til at opretholde plasmaet. Dette kan teoretisk give mere stabile driftsbetingelser, men designet er også mere komplekst.
Eksempler: Wendelstein 7-X: Wendelstein 7-X i Tyskland er verdens største stellarator og repræsenterer en af de mest avancerede forsøg på at realisere stellarator-konceptet. Den blev designet med det formål at teste stellaratorens levedygtighed som en kontinuerlig driftsfusionskilde.

Inertielt fusionsenergisystem

Lasers og direkte drevet fusion: I inertielle fusionsenergisystemer komprimeres og opvarmes små mængder fusionsbrændstof hurtigt ved hjælp af laserstråler eller andre former for strålingsenergi. Målet er at opnå de nødvendige betingelser for fusion i en meget kort tidsperiode, før materialet kan udvide og afkøle.
Eksempler: National Ignition Facility, Laser Mégajoule: National Ignition Facility (NIF) i USA er et af verdens mest kraftfulde laseranlæg, der sigter mod at opnå netto energiproduktion fra inertielt fusion. Laser Mégajoule i Frankrig er et andet betydningsfuldt inertielt fusionsanlæg med lignende mål.

Magnetisk mål fusion og andre alternative metoder

Ud over de primære teknologier som tokamaks, stellarators og inertielle systemer er der flere alternative metoder og designs i udvikling. Magnetisk mål fusion kombinerer ideer fra magnetisk og inertielt fusion ved at bruge magnetiske felter til at komprimere det fusionsbrændstof. Selvom denne metode stadig er i de tidlige stadier af forskning, kan den repræsentere en hybridtilgang, der drager fordel af begge metoders styrker.

Udfordringer og forhindringer for Fusionsenergi

Tekniske udfordringer

Opnåelse af “ignition” og selvbærende fusion: For at en fusionsreaktor kan producere nettoenergi, skal plasmaet ikke kun opnå de nødvendige betingelser for fusion, men også forblive i disse betingelser længe nok til at producere mere energi, end hvad der forbruges på at opretholde reaktionen. At nå dette punkt, kaldet “ignition”, er en monumental udfordring.
Materialevidenskab og stråling: Plasmaet i en fusionsreaktor kan nå temperaturer på flere millioner grader. De materialer, der udgør reaktorvæggen, udsættes for intens varme, neutronstråling og andre belastninger. At finde materialer, der kan modstå disse forhold over lang tid, er en kritisk udfordring.

Økonomiske overvejelser

Omstilling fra forskning til kommerciel produktion: Selvom fusionsenergi har været et forskningsfokus i årtier, er overgangen fra eksperimentelle anlæg som ITER til kommercielle kraftværker en kompleks og dyr proces.
Konkurrence med andre energikilder: Med den hurtige udvikling og omkostningsreduktion af vedvarende energikilder som sol- og vindkraft, skal fusionsenergi kunne konkurrere både teknisk og økonomisk for at blive en dominerende energikilde i fremtiden.

Miljømæssige og sikkerhedsmæssige bekymringer

Radioaktivt affald: Selvom fusionsprocessen i sig selv producerer minimalt radioaktivt affald sammenlignet med fission, vil neutronstrålingen fra fusion gøre reaktorvæggen og andre komponenter radioaktive over tid. Håndteringen af disse materialer er stadig et bekymringspunkt.
Tritium-håndtering: Tritium er radioaktivt, og selvom det har en relativ kort halveringstid, er der bekymringer omkring lagring, transport og potentielle lækager.

Sociale og politiske udfordringer

Offentlig opfattelse og accept: Efter ulykkerne ved Chernobyl og Fukushima er der bekymringer i offentligheden omkring alle former for kerneenergi, selvom fusionsenergi er væsentligt anderledes og potentielt meget sikrere end fissionsenergi.
Internationale samarbejder: Projekter som ITER er resultatet af internationale samarbejder. Mens dette samarbejde kan være en styrke, kan det også medføre forsinkelser og komplikationer på grund af de mange involverede parter.

Fordele ved Fusionsenergi

Stor energitæthed

En lille mængde brændstof giver stor energi: Fusionsbrændstoffer som deuterium og tritium er utroligt energitætte. For at give et perspektiv: En liter vand indeholder tilstrækkeligt med deuterium til at producere den samme mængde energi som 300 liter benzin gennem fusion.

Begrænset radioaktivt affald

Kortlivede isotoper: Som tidligere nævnt genererer fusion langt mindre radioaktivt affald end fission, og det affald, der produceres, er generelt kortvarigt. Dette reducerer de langsigtede opbevaringsudfordringer, som findes med traditionelle kernekraftaffaldsprodukter.

Sikkerhed

Ingen kedel-eksplosioner: Fusion kræver ekstremt høje temperaturer og tryk for at starte og opretholde, men i modsætning til fission er der ikke risiko for en kedel-eksplosion, da forholdene ville falde tilbage til en sikker tilstand, hvis noget går galt.
Ingen risiko for kædereaktioner: Fusion har ikke den samme risiko for ukontrollerede kædereaktioner, som fission har. Dette giver en indbygget sikkerhedsfaktor.

Brændstofforsyning

Rigeligt brændstof tilgængeligt: Deuterium findes i rigelige mængder i havvand, hvilket potentielt giver en næsten ubegrænset brændstofforsyning. Lithium, der kan bruges til at producere tritium in-situ i reaktoren, findes også i betydelige mængder globalt.

Miljøvenlig

Ingen drivhusgasemissioner under drift: Fusion genererer elektricitet uden emission af kuldioxid eller andre drivhusgasser, hvilket gør det til en attraktiv løsning i kampen mod klimaforandringer.

Energiforsyningssikkerhed

Bidrager til diversificering: Da fusion er en anden form for energiproduktion, bidrager den til diversificeringen af energikilder, hvilket øger energiforsyningssikkerheden.

Potentielle anvendelser og fremtiden for Fusionsenergi

Elektricitetsproduktion

Storskala kraftværker: Den primære tænkte anvendelse af fusionsenergi er at generere elektricitet i storskala kraftværker. Fusion kan i teorien supplere eller endda erstatte konventionelle fissionsbaserede kernekraftværker og fossile brændstofbaserede kraftværker, hvilket giver en mere bæredygtig og langvarig energikilde.

Rumfart

Avancerede fremdrivningssystemer: Med dens høje energitæthed kan fusion potentielt anvendes i rumfartsmotorer, der giver hurtigere rejsetider til fjerne destinationer i vores solsystem og muligvis endda til andre stjerner.

Varme til industrielle processer

Erstatning for fossile brændsler i industrielle applikationer: Mange industrielle processer kræver høj varme, som ofte genereres ved afbrænding af fossile brændsler. Fusion kan give en renere måde at generere denne nødvendige varme på.

Desalination

Fremstilling af ferskvand: Fusion kan bruges til at drive desalinationsanlæg, der omdanner saltvand til drikkevand. Dette kan være afgørende for tørre regioner eller steder, hvor ferskvandskilder bliver knappe.

Brintproduktion

Elektrolyse drevet af fusionskraft: Fusion kan også bruges til at generere elektricitet nødvendig for at drive elektrolyseprocesser, som producerer brint, en potentiel ren brændstofkilde for fremtiden.

Potentialet for grundlæggende videnskabelig forskning

Studier af stjerners interne processer: Ved at forstå fusion på Jorden kan vi få indsigt i, hvordan stjerner, inklusiv vores egen sol, producerer energi og hvordan de udvikler sig over tid.

Helium-3 og dets rolle i Fusionsenergi

Hvad er Helium-3?

Isotop af helium: Helium-3 (He-3) er en isotop af helium med to protoner og kun én neutron i dens kerne, i modsætning til almindeligt helium, som har to neutroner.

Fordele ved Helium-3 fusion

Minimal neutronproduktion: En af de største fordele ved fusion med Helium-3 er, at det primært producerer protoner, ikke neutroner. Dette betyder mindre aktivering af reaktorvægge og materialer, hvilket reducerer mængden af radioaktivt affald.
Høj energitæthed: Fusion, der involverer He-3, kan producere en betydelig mængde energi med en relativ lille mængde brændstof.

Udfordringer ved Helium-3 fusion

Høje temperaturkrav: For at opnå fusion med Helium-3 kræves meget højere temperaturer end deuterium-tritium fusion. Dette gør det teknisk vanskeligere at opnå og opretholde en fusionstilstand.
Begrænset tilgængelighed på Jorden: Helium-3 er ekstremt sjældent på Jorden. Dette gør det til en mindre praktisk kilde til fusionsbrændstof, medmindre alternative forsyningskilder kan identificeres.

Månen som en potentiel kilde

Solvind-beriget overflade: Månen har ingen atmosfære, hvilket betyder, at den konstant er blevet bombet med solvind over milliarder af år. Dette har beriget dens regolit (overflademateriale) med helium-3.
Udfordringer ved minedrift: Selvom idéen om at udvinde helium-3 fra månen er blevet foreslået, præsenterer det betydelige teknologiske og økonomiske udfordringer. Fra det nuværende perspektiv ville de nødvendige operationer for at udvinde helium-3 fra månen og transportere det tilbage til Jorden være meget komplekse og dyre.

Fremtidige perspektiver

Mens helium-3-fusion bærer et enormt potentiale, er teknologien endnu ikke moden, og der er mange forhindringer at overvinde. Den begrænsede tilgængelighed af helium-3 på Jorden kombineret med de teknologiske og økonomiske udfordringer ved minedrift på månen gør det til en langvarig mulighed snarere end en umiddelbar løsning.

Udfordringer og kritik af Fusionsenergi

Teknologiske udfordringer

Opnåelse og vedligeholdelse af fusionsbetingelser: At opnå de nødvendige høje temperaturer og tryk for fusion er en teknisk udfordring. Selvom vi kan opnå disse betingelser, er det at opretholde dem i en stabil tilstand over længere tid endnu mere komplekst.
Materialer under ekstremt stress: Fusionen udsætter reaktorvæggene for enormt tryk og stråling. Materialerne skal kunne modstå disse forhold i lang tid uden at nedbrydes.
Neutronstråling: Selvom fusion producerer færre radioaktive affaldsprodukter end fission, genererer den stadig neutronstråling, som kan beskadige reaktormaterialer og gøre dem radioaktive.

Økonomiske udfordringer

Høje opstartsomkostninger: Bygning af fusionsreaktorer, især den første generation, er ekstremt dyrt. Spørgsmålet er, om energiproduktionen kan blive omkostningseffektiv over tid.
Konkurrence fra andre energikilder: Med hurtige fremskridt inden for vedvarende energiteknologier, såsom sol og vind, kan fusion stå over for hård konkurrence i omkostningseffektivitet.

Kritik

Har altid været “30 år væk”: Et almindeligt kritikpunkt er, at fusion altid synes at være et par årtier væk fra realisering. Dette har ført til en vis skepsis over for, hvorvidt fusion nogensinde vil blive en praktisk energikilde.
Mulig fortrængning af investeringer: Nogle kritikere hævder, at de enorme summer penge, der investeres i fusionsforskning, kunne være bedre brugt på at fremme eksisterende vedvarende energiteknologier.