FUSION 22 – fusionskraft på väg in i verkligheten

Själva tokamaken i genomskärning. De brunaktiga, genomskurna fyrkanterna, och den grå rundeln i mitten är de supraledande magneterna. Det gulaktiga, lite krångliga ”badkaret” i reaktorinneslutningens botten är divertern som plockar ut föroreningar, i form av det helium som bildas vid reaktionen. Bild: Conleth Brady / IAEA, CC BY-SA 2.0.

Världen behöver fusionskraft! Om det är nog de flesta överens, men hur ska det gå till? Ett antal forskare och industrimän-kvinnor samlades på Londons Science Museum den 18 oktober för att försöka reda ut saken och berätta om framtiden.

AV JÖRGEN STÄDJE

Det handlade om frågor som ifall världen faktiskt behöver fusionskraft, hur denna kommer att förändra världen och hur fusionskraften ska industrialiseras. Men eftersom fusion inte riktigt fungerar ännu, diskuterade man också de innovationer som måste till för att fusionsreaktorer ska bli verklighet.

bild

Bland talarna märktes folk från UKAEA (UK Atomic Energy Authority), ITER, Tokamak Energy, EUROfusion, Marvel Fusion, TAE Technologies, U.S. Department of Energy, First Light Fusion, Helion Energy, M.I.T. med flera, i stort sett ett konglomerat av hela fusionsbranschen, så som den ser ut nu.

bild

Professorn i Earth System Science, Mark Maslin från University College London fick inleda och berätta om klimatförändringarna, hur växthusgaserna upptäcktes och varför Jorden värms upp av växthusgaser och det trista resultatet av detta, att havsnivån höjs med 5 millimeter per år. Han gick igenom de olika klimatavtalen och att de inte lyckats särskilt bra, men att en genomsnittlig höjning på 1,5 grader verkar möjlig. Vårt problem är att vi inte är kapabla att hantera följderna. Vi kan inte släcka de stora skogsbränderna eller klara de stora översvämningarna, vi kan inte hantera uppvärmningen helt enkelt.

Men människan ger sig inte, utan vår energiförbrukning ökar enormt. Men 80 % av den kommer från fossila bränslen. Samtidigt kommer vi att fördubbla förbrukningen till år 2050. Den fattiga världen kommer att ligga kvar i energifattigdom och måste ha hjälp. Det måste rättas till med global elektrifiering. Resultatet kommer att bli en ökning av elektriska och vätgasdrivna fordon och flygplan, som kräver mera elkraft.

Det går att åtgärda. Den grundläggande vetenskapen bakom fusionen verkar vara avklarad. Nu handlar det om att utföra det i praktiken, med bättre datorsimulationer, supraledande magneter, skaffa tillräckligt med tritium osv.

Det viktiga

Paneldeltagarna menade att fusionen är här om tio år och National Ignition Facility i USA kommer att kunna visa något nästa år.

bild

Å andra sidan sågade panelen vind- och solenergi eftersom lagringskostnaderna kommer att öka våldsamt om vi ska upp till 100 % sol och vind, eftersom kraften är slumpmässig och batterierna kommer att bli ohemult dyra.

Men vill någon investera på riktigt för att få fusionskraft? Ett vanligt fossilt kraftverk kostar några miljarder dollar. Den första fusionsanläggningen kommer sannolikt att hamna kring 5-10-20 miljarder dollar. Det kan bli svårt att hitta finansiärer och politikerna kommer att ha svårt att förstå funktionen och nyttan. Det kan också bli svårt att få samhället att förstå att den här typen av kärnreaktioner är ofarliga – vetenskapsfientligheten. Å andra sidan kommer energisäkerheten att bli total. Vi kommer aldrig att få brist på elkraft.

Globala framsteg

bild

Vad händer med fusionstekniken? Melanie Windridge från Fusion Energy Insights berättade om utvecklingen. UKAEAs tokamak JET i Culham har lyckats hålla en reaktion igång i fem sekunder!! Sen blir de icke-supraledande magneterna för varma. Brittiska STEP förväntas leverera kraft till Englands elnät år 2040. Kinesiska supraledande tokamaken EAST har uppnått temperaturer på 120 miljoner grader under tusen sekunder, dock utan att utvinna mer energi än man stoppade in. Japanska supraledande JT-60SA förväntas hålla en reaktion igång i 100 sekunder under 2023. Laser-reaktorn National Ignition Facility vid Lawrence Livermore Laboratory i Kalifornien har uppnått 1,3 MJ fusionsenergi i en smäll, dock utan att ha uppnått en fusionsreaktion (”ignition”).

Men tritium är lite svårt att få tag i. Istället har TAE Technologies fusionerat deuterium och bor vid 50 miljoner graders temperatur. Tritium är faktiskt en knäckfråga. En reaktor måste producera sitt eget tritium och gärna mer än vad som förbrukas. Sen måste man lösa problemet med hur man förvarar tritium på ett effektivt sätt. Tritium uppkommer i det litium som används i reaktorns skal, men det ska utvinnas på ett effektivt sätt, också.

bild

Men det verkligt viktiga är att den privata industrin är på väg in i branschen, antingen själv eller i partnerskap med den offentliga sektorn. Man kan konstatera att fusion inte kommer att fungera om den inte används globalt – tekniskt, utbildning, politiskt etc.

bild

Tokamaken ITER i Marseille i Frankrike är ungefär 85 % klar. Delar från hela världen skeppas in och installeras. Det handlar om 350 tons magneter som ska skeppas från Japan och monteras med millimeterprecision. Tyvärr har man funnit en del korrosion i olika kylkanaler, vilket var oväntat. Dessutom har Brexit kommit emellan och satt en del politiska käppar i hjulet för samarbetet, men ITER jobbar på saken.

Fusion och industrin

Hur ska fusionsexperimenten flyttas ut från labben och bli kommersiell vardag? Fusionsresan? Allt handlar om att bygga upp en industriell infrastruktur och börja leverera. Leveranskedjan måste börja redan nu för att få igång serieproduktion till 2050, trots att alla principer inte är klara. En tråkig sak är att utbildningen i England inte är up to date vad gäller fusion. Det handlar alltså om att skaffa mera expertis och att få studenter och universitet att inse vad som är framtiden inom energisektorn.

bild

Scott Hsu, Lead Fusion Coordinator vid amerikanska Energidepartementet berättade att fysikinstitutionen vid Pricenton University erbjuder doktorander att arbeta med fusion och därefter erbjuder dem arbete i branschen. M.I.T. i Boston gör något liknande. Det är sådant som behövs.

Fusion behöver inte bli allenarådande i framtiden. Det kan faktiskt fortfarande finnas områden där SMR (fission) kan ta marknadsandelar som fusionsreaktorer inte kan ta. SMR kan göras mycket mindre och mindre komplexa än fusionsreaktorer och ta marknadsandelar där effekter under cirka 50 megawatt är önskvärda.

Det finns cirka 30 privata företag som vill bygga prototyper av fusionskraftverk och ungefär 50 % av dem kan börja bygga inom fem år. Marknaden förutsätts vara värd cirka 40 biljoner dollar år 2050, så det kan vara värt att investera i ett tidigt stadium.

Men inget företag kan bygga ett helt kraftverk själv. Det skulle kräva för stor organisation. Man kan till exempel ta tillverkning av högtemperatursupraledare för de kanske 100.000 magneter som kan behövas. Det kommer att kräva miljoner kilometer supraledare. Hela världen måste samarbeta.

Man kan ta bilindustrin som exempel. Den lyckas tack vare modularisering och standardisering. Det går inte att specialtillverka vartenda kraftverk utefter olika ritningar. Dessutom arbetar bilindustrin starkt med olika underleverantörer. Detta behövs för att få ned kostnaderna och för att få företag i leveranskedjan att tycka att det är värt att utveckla och investera. Regelverken måste också harmoniseras över alla territorier för att få ned kostnaderna.

Fusion, och sen?

Fusionstekniken skulle kunna öppna dörren till andra områden, som syntetsiska bränslen och medicinsk diagnos. Hur kan man dra mest nytta av dessa synergier?

bild

Värdet av synergierna kan vara av större värde än själva fusionen. TAE Technologies i USA utvecklade en maskin som genererar neutronstrålar för cancerbehandling. Man strålar ihjäl cancerceller som är märkta med särskilda substanser som gör dem känsliga för neutroner.

bild

Fusionsteknik behöver stora energimängder i starten och TAE Technologies tvingades utveckla batterier och kraftstyrenheter som kunde ge gigawattpulser, eftersom elnätet bara kunde ge dem megawatt.

Panelen fortsatte att debattera spinoff-effekter och tillämpningarna blev allt mer fantastiska. Underhållsarbete i fusionsreaktorer är svårt och måste skötas med robotar. Man har funnit att motsvarande teknik också kan användas inom sjukvården.

Vi är på väg in i en väteekonomi och måste kunna mäta vätgasens egenskaper noggrant. Då kan tekniken som används till att mäta väteisotoperna i ett fusionskraftverk vara till nytta.

Och varför inte fusionsdrivna rymdraketer? Forskning pågår faktiskt. Jonmotorer är ingen direkt nyhet.

Och sista frågan, varför gör vi sånt här? Varför inte ägna sig åt fusionsfrågan utan börja pilla med AI, neutronstrålar och terahertz istället? Svaret: Vi är nördar. Och om idéerna kan lyckas rent kommersiellt, så varför inte? Och snart kommer fusionsindustrin att skalas upp fantastiskt. Det kan få avknoppningsindustrin att skalas upp i samma mån, vilket kan ge ännu mera energi åt fusionsindustrin. Det är en sorts ekosystem.

Sammanfattning

bild

Det är som synes mycket jobb kvar innan vi kan utvinna utsläppsfri energi ur havsvatten, men hela världens skarpaste hjärnor jobbar på saken. Det kommer nya upptäckter hela tiden, om hur man styr plasmat så att det inte smälter reaktorns väggar, hur man undviker att partiklarna flyr ur plasmat, hur man leder ut värmen på ett effektivt sätt, lösningar på underhållsproblemet och hur man får in nytt väte i plasmat när det befintliga vätet har förbrukats. Med tanke på att alla stora tekniknationer funderar på saken, är det inte osannolikt att vi får reaktorer med en elektrisk verkningsgrad över 100 % omkring år 2040. Det tror man åtminstone i Vita Huset.

Faktaruta

Det här är fusion

bild

Deuterium-tritium-fusion går till så här: Väteisotopen tungt väte, deuterium, 2H, med en extra neutron och tritium, 3H, med två extra neutroner, slås ihop till helium. Helt vanligt helium. Då blir det en neutron och en hel massa energi över, som strålar ut i form av olika typer av strålning, alltså fotoner. Dessa fångas upp i reaktorns väggar och blir till värme, som kokar vatten till ånga, som får driva en turbin. Vips: elenergi. Men observera att detta inte är riktigt samma reaktion som sker i Solen, men, nåväl, resultatet blir detsamma.

Man använder sig av de sällsynta väteisotoperna deuterium och tritium som ingår i tungt vatten. Världshaven är fulla av deuterium och redan under andra världskriget kunde tyskarna utvinna tungt vatten, i destillationsanläggningen i Rjukan i Norge.

Normalt finns bara ett par gram väte i reaktorn, så världshaven innehåller tungt väte som kommer att räcka längre än mänskligheten kan förväntas existera.