Gennembrud for fusionsenergi: Hvad betyder det for udviklingen af 'uudtømmelig' energi?
Selvom forskerne muligvis er kommet et skridt tættere på at producere fusionsenergi, er der stadig et godt stykke vej at gå endnu.
Fusionsenergi

Fusionsenergi er blevet beskrevet som en 'emissionsfri, uudtømmelig energikilde'. (Foto: Lawrence Livermore National Laboratory)

Fusionsenergi er blevet beskrevet som en 'emissionsfri, uudtømmelig energikilde'. (Foto: Lawrence Livermore National Laboratory)

Partner The Conversation

Videnskab.dk oversætter artikler fra The Conversation, hvor forskere fra hele verden selv skriver nyheder og bringer holdninger til torvs

Et kæmpe gennembrud for udviklingen af fusionsenergi er blevet annonceret af Lawrence Livermore National Laboratory i USA.

Forskerne i laboratoriet er ved hjælp af kraftfulde lasere lykkedes med at opnå en output-energi på 1,3 megajoules, hvilket svarer til cirka 3 procent af energien i et kilogram råolie.

Fusionsenergi er længe blevet anset for at være fremtidens energi - en 'utømmelig' energikilde, der ikke udleder CO2 - men selvom forskning i kernefusion har stået på i årtier, er det dog stadig kun blevet ved snakken.

Hvor meget tættere på målet bringer det nye gennembrud os? 

Her følger et overblik, som sætter dette videnskabelige fremskridt i perspektiv.

Hvad er kernefusion?

Kerneenergi er energi, som frigøres ved kerneprocesser. Der er to muligheder for at producere energi ved kerneprocesser:

  • Spaltning af kerner (fission), som bruges i kernekraftværker.
  • Sammensmeltning af kerner (fusion).

Ved fissionsprocessen bliver tunge uranatomer spaltet i mindre atomer for at producere energi.

Kernefusion er derimod en sammensmeltningsproces , hvor lette atomkerner bliver omdannet til tunge atomer for at producere energi.

Det er den samme proces, som sker ved sammensmeltning af brint- og helium-kerner ved fusionsprocesser i Solens indre.

En fusionsreaktor forstærker energien: Den reaktion, der bliver udløst, gør, at der bliver produceret mere fusionsenergi end den energi, der bliver skudt ind i systemet for at igangsætte reaktionen.

Denne tilstand, hvor reaktoren begynder af sig selv at kunne skabe et overskud af energi, kaldes ignition. Det har forskerne dog endnu aldrig formået.

Veje til fusion

Joint European Torus i Storbritannien er rekordindehaver på nuværende tidspunkt. Her formåede forskerne i 1997 at generere 16 megawatt ved magnetisk fusion, men der skulle 23 megawatt til for at udløse den.

Fusion kan opnås på to måder:

  • Magnetisk indeslutning, MCF (magnetic confinement fusion), der bruger et stærkt eksternt magnetfelt til at indeslutte plasmaet i meget lange perioder.
  • Inertial indeslutning, ICF (inertial confinement fusion), hvor brændselsmaterialet (typisk deuterium og tritium) er samlet i en lille kugleformet kapsel, som beskydes fra alle sider med kraftige lasere for at igangsætte fusionsreaktionen.

Historisk set har magnetisk fusion været foretrukket, fordi teknologien, der er nødvendig til inertial fusion, især laserne, ikke var tilgængelig. 

Inertial fusion kræver også langt mere for at kompensere for den energi, som laserne bruger.

Inertial indeslutning

De to største ICF-reaktorer i verden er National Ignition Facility (NIF) ved Lawrence Livermore National Laboratory i USA og Laser MégaJoule i Frankrig, som begge hovedsagligt bliver brugt til militær forskning og er finansieret af forskellige forsvarsprogrammer.

Begge de to faciliteter simulerer atomeksplosioner til forskningsformål, selvom NIF også forsker i energi.

National Ignition Facility bruger 192 laser-stråler, som kan producere i alt 1,9 megajoule i et meget kortvarigt tidsrum på et par nanosekunder for at sætte i gang fusionsreaktionen. 

Brændstoffet placeres inde i en lille metalkapsel (en såkaldt hohlraum), som typisk har en diameter på et par millimeter, der - når den er opvarmet - udsender røntgenstråler og komprimerer brændstoffet. 

Kernefusion output-energi energikilde magnetisk indeslutning inertial indeslutning magnetfelt

Inde i DIII-D tokamakkens fusionskammer, San Diego, USA. (Foto: Rswilcox, CC BY-SA)

Skelsættende forsøg

Det var denne proces, der 8. august 2021 formåede at skabe den skelsættende energiproduktion på 1,3 megajoules, den højeste værdi, der nogensinde er registreret ved inertial fusion: Det vil sige det tætteste, vi er kommet på ignition.

Den samlede forøgelse på 0,7 svarer til den rekord, JET opnåede i 1997 ved hjælp af magnetisk indeslutning, men i dette tilfælde absorberede brændstoffet 0,25 megajoule energi og genererede 1,3 megajoules: Fusionsprocessen genererede derfor en god del af den varme, der er nødvendig for reaktionen, og nærmede sig ignitionspunktet.

Alligevel skal en reaktor opnå meget større forøgelser (mere end 100) for at være økonomisk attraktiv.

Fakta
Om Forskerzonen

Denne artikel er en del af Videnskab.dk’s Forskerzonen, hvor forskerne selv formidler deres forskning, viden og holdninger til et bredt publikum – med hjælp fra redaktionen.

Forskerzonen bliver udgivet takket være støtte fra vores partnere: Lundbeckfonden, Aalborg Universitet, Roskilde Universitet og Syddansk Universitet.

Forskerzonens redaktion prioriterer indholdet og styrer de redaktionelle processer, uafhængigt af partnerne. Læs mere om Forskerzonens mål, visioner og retningslinjer her.

Magnetisk indeslutning

Den magnetiske indeslutningsmetode er mere lovende set fra en udviklingsmæssig vinkel og er dermed den hidtil foretrukne metode til energiproduktion.

Langt størstedelen af forskningen fokuserer på tokamakker, som er en reaktortype opfundet i Sovjetunionen i 1960'erne, hvor plasmaet er indesluttet af et stærkt magnetfelt.

ITER, en demonstrationsreaktor under opførelse i det sydlige Frankrig, der involverer 35 lande, bruger tokamak-konfigurationen. Når den er færdigbygget, vil ITER være verdens største fusionsreaktor, og den har til formål at demonstrere en forøgelse på 10 - plasmaet vil blive opvarmet af 50 megawatt energi og vil formentlig generere 500 megawatt. 

Ambitiøst program

Det første plasma forventes nu officielt i slutningen af 2025, med en demonstration af fusion forventet i slutningen af 2030’erne.

Storbritannien lancerede for nylig STEP-projektet (Spherical Tokamak for Electricity Production), der har til formål at udvikle en reaktor, der kan blive koblet til energinettet i 2040'erne. 

Kina har også gang i et ambitiøst program for at producere tritiumisotoper og elektricitet i 2040'erne, og endelig planlægger Europa at åbne endnu en tokamak-demonstrator, DEMO, i 2050'erne.

En anden konfiguration (kaldet en stellarator) viser meget gode resultater, som eksempelvis Tysklands Wendelstein-7X, hvor plasmaet indesluttes i en tokamak ved hjælp af en kombination af et eksternt magnetfelt og en plasmastrøm.

Selvom stellaratornes præstationer er lavere, end hvad en tokamak kan opnå, betyder dens iboende stabilitet og lovende nylige resultater, at det er et seriøst alternativ.

Kernefusion output-energi energikilde magnetisk indeslutning inertial indeslutning magnetfelt

To forskellige scenarier for implementering af nuklear fusion sammenlignet med vindenergi, solceller (PV) og nuklear fission. (Graf: G. De Temmerman, D. Chuard, J.-B. Rudelle for Zenon Research)

Fremtiden for fusion

I mellemtiden er private nukleare fusionsprojekter blomstret op i de seneste år. De fleste af dem forestiller sig en fusionsreaktion i de næste 10 til 20 år.

Sammenlagt har de tiltrukket 2 milliarder dollars i finansiering for at give den traditionelle udviklingssektor baghjul.

Selvom disse initiativer bruger andre innovative teknologier for at opnå fusion og dermed meget vel kan levere operationelle reaktorer hurtigt, vil det uden tvivl tage tid at implementere en flåde af reaktorer i hele verden.

Hvis udviklingen bliver ved med at halse afsted med syvmileskridt, kan atomfusion udgøre omkring 1 procent af det globale energibehov inden 2060.

Så selvom det seneste gennembrud er spændende, er det værd at huske på, at fusion tidligst vil være en energikilde for sidste del af århundredet.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.

The Conversation

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs mere om blandt andet det mikroskopfoto, som du kan se herunder.


Annonce: