5. december 2022 lykkedes det for første gang en gruppe amerikanske forskere på ”Lawrence Livermore National Laboratory” i Californien at skabe mere energi fra en fusionsproces, end der blev brugt til at starte processen.
To af Danmarks største eksperter inden for fusionsenergi, seniorforsker Søren Bang Korsholm og lektor Stefan Kragh Nielsen fra DTU, forklarer med svar på fem spørgsmål, hvorfor resultatet er så interessant.
Et amerikansk forskningsresultat inden for fusionsenergi har midt i december 2022 vakt stor international og dansk opsigt. Vil I kort beskrive, hvad forskerne har opnået?
De amerikanske forskere har opnået et bemærkelsesværdigt resultat inden for fusionsenergi, der øger forventningerne til, hvornår fusionsenergi kan blive en realitet.
Kort fortalt er fusionsenergi en kopi af de processer, som sker i solen og får den til at lave lys og varme. Fusionsenergien opstår, når atomer smelter sammen og skal ikke forveksles med fissionsenergi, der sker i et atomkraftværk, hvor meget store atomer spaltes.
Når atomerne smelter sammen i fusionsprocessen, frigives en stor mængde energi, der kan bruges til at generere elektricitet.
Forskningen i fusionsenergi har fundet sted i adskillige årtier. Resultatet fra Lawrence Livermore National Laboratory er væsentligt, fordi forskerne for første gang er lykkedes med at bruge fusion til at skabe mere energi, end der er anvendt til at lave den.
Hvordan har de amerikanske forskere opnået resultatet?
I det amerikanske forsøg blev der brugt 2,05 megajoule på at igangsætte fusionen. Det resulterede i 3,15 megajoule som output. Det er ikke en stor mængde energi, det svarer nogenlunde til den energi, der skal bruges til at koge en liter vand. Men det vigtige er forholdet 1,5 gange så meget ud, end det der blev brugt til at skabe fusionsprocesserne.
De amerikanske forskere arbejder med en teknologi inden for fusionsenergi, der benævnes ’intertial confinement fusion’ eller laserfusion. Teknologien gør brug af kraftigere lasere, der rettes mod en brændstofpille af brintisotoper. I det amerikanske eksperiment blev anvendt i alt 192 lasere og en lille ’dråbe’ brint på størrelse med et peberkorn.
De yderste lag af pillen bliver med laserne opvarmet til meget høje temperaturer, hvilket får dem til at udvide sig og trykke atomerne inden i sammen. Herved opstår fusionen, hvor atomerne smelter sammen og derved frigiver en stor mængde energi. Teknologien kræver meget stor præcision og varer kun få nanosekunder. Sagt på en anden måde brugte man laserne til ganske kortvarigt at skabe forhold svarende til dem i midten af en stjerne/solen.
I Danmark arbejder I som forskere bl.a. på DTU med en anden teknologi til fusionskraft. Hvorfor anvender I ikke den samme teknologi, som amerikanerne gør – og som tilsyneladende er succesfuld?
Der er to teknologier til at skabe fusionsenergi. Den ene er ’Inertial confinement fusion’, som de amerikanske forskere har anvendt. Den anden teknologi er at anvende ’Magnetic confinement fusion’ - magnetisk fusion, og det udføres som regel i en reaktor, benævnt en tokamak. Her varmer man brændstoffet (et plasma dannet af brintisotoper) op til 200 mio. grader C, mens det holdes svævende i et kraftigt magnetfelt der omslutter et stort vakuumkammer. Temperaturen er 10-15 gange højere end solens kerne og får atomerne til at smelte sammen.
I Danmark, Europa og Asien har vi typisk anvendt tokamak-teknologien til at forsøge at skabe fusionsenergi. Tokamak-teknologien gør det muligt at holde plasma på den ønskede temperatur i længere tid. Dermed bliver det også muligt på sigt at opskalere teknologien, så den ikke kun kan anvendes af forskere i laboratorier, men udvikles til egentlige kraftværker, der kan fungere kontinuerligt og forsyne samfundet med energi.
Der var et meget omtalt resultat fra det fælleseuropæiske laboratorium JET i England, der anvender tokamak-teknologi, i starten af året. Hvilket gennembrud skete dengang, og kan det sammenlignes med det amerikanske?
I februar 2022 lykkedes det europæiske (deriblandt danske) forskere at anvende tokamakken JET, der er placeret i Oxford, til at producere i alt 59 megajoule energi ved at holde plasmaen i gang i fem sekunder. Det er den største mængde fusionsenergi, der nogensinde er skabt i et laboratorium. De 59 megajoule er næsten 20 gange mere, end den energi, der blev skabt af de amerikanske forskere ved hjælp af ’intertial confinement fusion’.
Forskningsresultatet fra JET er yderligere med til at bekræfte de modelleringskoder, som bruges til at forudsige performance i de fremtidige eksperimenter og kraftværker – såsom ITER.
I øjeblikket er en kæmpe tokamak under opførelse i Sydfrankrig, ITER, som i alt 35 lande – herunder Danmark - står bag. Hvornår forventer I, at der vil komme resultater derfra? Og kan vi risikere, at opførelsen af ITER til i størrelsesordenen 150 mia. kr. viser sig at være en fejlslagen investering, fordi fusionskraft fremover vil basere sig på Intertial Confinement fusion?
ITER bliver verdens største tokamak. Hele 35 lande, nemlig alle EU’s medlemslande, Schweiz, England, Kina, Indien, Japan, Korea, Rusland og USA, står bag det enorme energiforskningsprojekt. ITER kommer til at 10-doble mængden af energi, der skabes ved fusionen sammenlignet med den energi der bruges til at opvarme brændstoffet (altså en faktor 10, hvor de amerikanske resultater var en faktor 1,5). Og det vel at mærke i drift i op til en time ad gangen.
ITER er fortsat under opbygning og forventes færdig inden for de næste 4-5 år og i stand til at levere de ønskede resultater omkring 2035. Det er dog vigtigt at understrege, at ITER er et forskningsprojekt, hvor der kan vise sig nye muligheder, som skal gribes undervejs.
Det nylige amerikanske resultat med ’intertial confinement’- teknologien er imponerende. Dette ændrer dog ikke ved potentialet af tokamak-teknologien som umiddelbart virker til at være mere egnet som et kommende kraftværk. Vi er derfor ikke i tvivl om, at ITER er en fornuftig investering inden for fusionsenergiforskningen og vil være med til at sikre verden grøn energi i fremtiden.
