fusionsenergi

En fusionsreaktor er en slags ovn, hvori der udvikles energi ved fusionsprocesser. Brændstoffet skal have en meget høj temperatur og befinder sig derfor i den gaslignende tilstand, som kaldes plasma. De enkelte partikler bevæger sig rundt i plasmaet med høje termiske hastigheder og udsættes derfor jævnligt for kraftige stød mod andre partikler, hvilket er nødvendigt for processernes forløb. Med en blanding af hydrogenisotoperne deuterium (D) og tritium (T) som brændstof kan fusionsprocessen D + T → ⁴He + n + 17,6 MeV finde sted, når en D- og en T-atomkerne støder sammen.

Denne proces kan kun forløbe, når de positivt ladede D- og T-kerners termiske energi er tilstrækkelig høj til at overvinde den elektriske frastødning mellem dem; det kræver en temperatur over 100 mio. °C. Andre fusionsprocesser kræver endnu højere temperaturer og er derfor mindre interessante for fusionsforskningen.

Den ved fusionsprocessen dannede ⁴He-kerne er en positivt ladet kerne af det velkendte og helt uskadelige grundstof helium. Neutronen (n) er en kendt atomar partikel, der indgår som bestanddel i atomkerner; den er elektrisk neutral. Den dannede energi på 17,6 mio. eV er mere end 1 mio. gange større end den energi, der frigøres ved en almindelig forbrændingsreaktion mellem fx ilt og kulstof. De 17,6 MeV forekommer som bevægelsesenergi på de to dannede partikler: ⁴ He får 3,5 MeV, og neutronen 14,1 MeV.

Hvis varmetabene fra brændstofblandingen kan holdes tilstrækkelig lave, kan den høje temperatur opretholdes ved, at de dannede ⁴He-kerner ved stød afgiver deres energi til brændstofpartiklerne og derved opvarmer dem. Da neutronerne er elektrisk neutrale, bevæger de sig gennem brændstofplasmaet og det magnetfelt, der omslutter det, uden at støde, og de afgiver så deres energi i afskærmningen omkring brændsstoffet.

Et fusionsbrændstof, hvis høje temperatur opretholdes ved den energi, som heliumpartiklerne afsætter i det, siges at være antændt. Det svarer til en almindelig kendt forbrænding, hvori fx et stearinlys, når det er antændt, vedbliver med at brænde og derved selv producerer den varmeenergi, som er nødvendig for at opretholde forbrændingen. Den væsentligste forskel mellem de to slags forbrændinger er, at mens den almindelige forbrænding, som består af kemiske processer, hvor kun atomernes "elektronskyer" smelter sammen, blot kræver temperaturer på ca. 1000 °C, så er det i fusionsprocesserne selve kernerne, der smelter sammen, og det kræver meget høje temperaturer.

En almindelig forbrænding antændes ved, at brændstoffet opvarmes udefra til antændelsestemperaturen. Således antændes fx en tændstik ved, at den gnides mod tændstikæskens side, hvorved gnidningsvarmen opvarmer svovlet til antænding. På tilsvarende måde skal fusionsbrændstoffet opvarmes til antændingstemperaturen på ca. 100 mio. °C ved varme tilført udefra.

Fusionsforskningens hovedopgave er derfor at finde metoder til at opvarme en deuterium-tritium-blanding til 100 mio. °C og samtidig holde varmetabene fra blandingen så lave, at antænding opnås. For D+T-processen kan kravet om små varmetab udtrykkes ved formlenn∙τ_E ≥ 5∙10²⁰ s∙m^-3, hvor n er antallet af brændstofkerner pr. m³ i fusionsplasmaet, og τ_E er den tid i sekunder, som varmeenergien kan holdes indesluttet i brændstoffet. De to krav kaldes under et Lawsonkriteriet.

For at holde varmetabene fra et 100 millioner °C varmt fusionsbrændstof tilstrækkelig lave er det nødvendigt, at det er effektivt isoleret og uden direkte kontakt med væggene i den omgivende reaktorbeholder. Det søger man at opnå ved at holde brændstoffet indesluttet i et magnetfelt.

Ved stuetemperatur er deuterium og tritium luftformige gasser af neutrale molekyler, men ved opvarmning til blot ca. 1000 °C begynder molekylerne at støde så kraftigt sammen, at de spaltes i positive kerner og negative elektroner. Denne blanding kaldes et plasma. I et ca. 100 mio. °C varmt plasma er alle molekylerne spaltet, og det kaldes derfor et 100% ioniseret plasma. Et fusionsplasma består derfor udelukkende af ladede partikler: positivt ladede atomkerner og negative elektroner.

Ladede partikler påvirkes i et magnetisk felt og kan derfor styres af magnetiske kræfter. I et homogent magnetfelt, hvor feltlinjerne er rette linjer, og hvor feltstyrken overalt er den samme, vil ladede partikler bevæge sig i skrueformede baner omkring feltlinjerne. Et homogent magnetfelt kan derfor holde ladede partikler indesluttet i de to retninger vinkelret på feltlinjerne, mens de bevæger sig frit langs feltlinjerne. De vil derfor uvægerligt komme i kontakt med væggene, hvor disse skæres af feltlinjerne. Ved at udforme feltet og beholderen således, at feltlinjerne ikke skærer beholderens vægge, kan plasmaets partikler holdes isoleret fra væggene. Flere mulige konfigurationer har denne egenskab. Fælles for dem er, at beholderen har form som en torus, dvs. som en oppustet bilslange, og at feltlinjerne løber rundt inde i denne torus uden noget sted at berøre eller skære gennem torusvæggen.

Den simplest tænkelige toroidale konfiguration ville være en torus, hvor cirkelformede magnetfeltlinjer med deres centre i navet løber rundt i torussen. De fysiske love for magnetisme siger, at et sådant felt må være svagere på de yderste feltlinjer med store radier end ved de inderste. I et plasma i et sådant felt vil der opstå instabiliteter, som vil føre plasmaet ud mod torusvæggen (se tekstboksen om instabiliteter i plasmaer under opslaget "plasma"). Det har derfor været nødvendigt at udtænke andre konfigurationer.

Tokamakken er den toroidale konfiguration, der hidtil har givet de bedste resultater. Idéen er russisk og stammer fra begyndelsen af 1960'erne. Omkring torus er lagt en række strømførende spoler, som sammen med en strøm i plasmaet genererer det specielle tokamakfelt, som indeslutter plasmaet i form af en lukket ring i torus. Efter den succes, russiske forskere havde med den første tokamak, er der verden over bygget mange tokamakker af tiltagende størrelse, og de opnåede resultater med henblik på opfyldensen af Lawsonkriteriet er blevet stadig bedre.

JET , Joint European Torus, der blev bygget i England i perioden 1977-83 som led i det fælleseuropæiske program for fusionsforskning, er endnu verdens største tokamak. Hovedformålet med JET har været at fremstille og studere plasmaer, der er så tæt som muligt ved at opfylde Lawsonkriteriet. I JET lykkedes det i 1991 for første gang på kontrolleret måde at producere fusionsenergi i betragtelig målestok, nemlig 2 MW i to sekunder lange pulser. I 2000 blev ansvaret for JET lagt under det britiske fusionsprogram, og det videnskabelige arbejde blev rettet mod problemløsninger, der kunne udnyttes under designet af næste generation, ITER.

ITER er en endnu meget større tokamak, som er under opbygning i Frankrig i perioden fra 2007 til 2016. Den er et virkeligt internationalt projekt, hvor næsten alle verdens industrialiserede lande er partnere. Den er designet til at producere 500 MW af fusionsenergi i mindst seks minutter lange pulser og skal dermed vise, at fusionsenergi har potentialet til at blive en betydningsfuld energikilde for menneskeheden.

Stellaratoren er en anden toroidal konfiguration, som har vist sig velegnet til at holde et plasma indesluttet. Den afviger fra tokamakken ved, at magnetfeltet genereres alene ved de toroidale feltspoler, som så må have en kompliceret vindskæv form. Der er ikke opnået de samme gode resultater for plasmaindeslutningen med stellaratoren som med tokamakken, men stellaratorens simplere udformning uden strøm i selve plasmaet vil gøre den mere attraktiv som fusionsreaktor, hvis det lykkes at forbedre dens evne til at holde et plasma indesluttet. Inden for det europæiske fusionsprogram blev det i 1995 besluttet at bygge en stor stellarator, Wendelstein VII X, som forventedes i drift omkring 2002. Den er imidlertid blevet meget forsinket bl.a. pga. problemer med at fremstille de komplicerede toroidale spoler. Den bygges i Greifswald i Tyskland og forventes nu i drift ca. 2015.

RFP-konfigurationen (Reversed Field Pinch) er den vigtigste af en række andre toroidale konfigurationer, som måske kan udvikles til en fusionsreaktor. I RFP-eksperimenter skabes et meget specielt magnetfelt, som skifter retning, når man går fra plasmaets overflade ind mod centret. Det gør det muligt at holde et tættere plasma indesluttet. Inden for EU's fusionsprogram er der opbygget et stort RFP-eksperiment i Padova i Italien.

Ved sin start i slutningen af 1950'erne foregik fusionsforskningen i små universitetsgrupper i de involverede lande. De eksperimentelle opstillinger var små, og de opnåede resultater langt fra Lawsonkriteriets krav. De opnåede temperaturer var karakteristisk på 1 mio. °C og indeslutningsprodukterne, n∙τ_E, var kun ca. 1/1000 af kravet. Det var klart, at der måtte bygges større og større forsøgsanlæg for at komme videre. I 1960'erne og 70'erne byggede flere af de største lande fusionsforskningsinstitutioner med op til 1000 medarbejdere og tilsvarende store opstillinger. I denne periode opnåedes temperaturer op mod 100 mio. °C og indeslutninger, der var bedre end 1% af Lawson-kravet.

I Europa havde EF-landene allerede omkring 1960 dannet et fælleseuropæisk fusionsprogram, som omfattede al fusionsforskning i medlemslandene. Inden for dette program besluttede man i midten 1970'erne at bygge et stort fusionseksperiment, JET, som blev placeret nær Oxford i England. JET stod færdig i 1983, og det har i sine 25 år givet imponerende resultater. Allerede i slutningen af 1980'erne opnåedes temperaturer på over 100 mio. °C, og hurtigt derefter indeslutningsprodukter, der kun lå seks gange under Lawsonkriteriets krav for antænding. Dette har skabt en tro blandt fusionsforskere på, at det kan lykkes at udnytte fusionsenergien. Det er på den baggrund, at der i årtiet omkring år 2000 blev lavet en langsigtet plan for den fremtidige forskning. Planen indebærer, at der skal bygges tre store fusionseksperimenter med faciliteter for tilhørende følgeforskning samt et stort teknologiprogram.

ITER er første led i denne plan; den er en tokamak ca. 10 gange større end JET, som bygges i Frankrig 2010-19. Den er et virkeligt internationalt projekt med mange af verdens industrialiserede lande som partnere. Den er designet til at producere 500 MW af fusionsenergi i mindst seks minutter lange pulser. ITER forventes at få en udnyttelsesperiode på ca. 20 år. De første 10 år vil man studere fysikken af varme plasmaer, hvori der frigøres fusionsenergi, med henblik på at finde de bedste metoder til at opfylde Lawsonkriteriet. De sidste 10 år vil man koncentrere sig om teknologiske problemer, først og fremmest med henblik på at finde de bedst egnede materialer til det torusformede reaktorkammer.

Næste generation af store fusionsforskningsanlæg bliver DEMO, en el-producerende fusionsreaktor, der skal demonstrere acceptable løsninger på alle væsentlige plasmafysiske og teknologiske problemer samtidig med, at den skal benyttes til fortsat plasmafysisk og teknologisk forskning. Hvis forskningen forløber som ventet, kan DEMO blive bygget omkring 2030.

Sidste led i planen er en prototypereaktor. Den skal demonstrere, at fusionsenergi kan produceres og udnyttes på en sikker og miljømæssig acceptabel måde samtidig med, at fusionsreaktoren er tilstrækkelig driftsikker, og at den kan producere energi til priser, der er konkurrencedygtige i forhold til andre energikilder.

Parallelt med opførelsen og driften af de tre nævnte fusionsreaktorer skal der iværksættes et stort forskningsprogram om fusionsteknologi, som bl.a. skal omfatte 1) udvikling af materialer til fusionskammeret, som kan modstå varme- og neutronstrålingen fra plasmaet uden at erodere for hurtigt; 2) udvikling af en sikker teknologi til håndtering af det radioaktive tritiumbrændstof; 3) udvikling af en robotteknologi, som gør det muligt at reparere og udskifte alle radioaktive reaktorelementer ved fjernbetjening; 4) udvikling af superledende magnetfeltspoler til at generere magnetfeltet omkring plasmaet.

Efter årtusindskiftet har derværet en voksende bekymring for de skadelige miljøpåvirkninger, som følger den udstrakte brug af de fossile brændstoffer kul, olie og naturgas. Denne bekymring har medført en stigende interesse for at accelerere fusionsforskningen, og der er opstået tanker om at slå Demo og prototypereaktoren sammen til ét skridt. En sådan acceleration menes at kunne skære ca. fem år af tiden frem til den praktiske udnyttelse af fusionsenergien. Den er endnu i 2008 ikke vedtaget på højt politisk plan, men den har fået navnet Den Bredere Tilgang (engelsk: The Broader Approach). Hvis der opnås enighed om denne forøgelse af indsatsen, vil det betyde, at der skal allokeres væsentlig flere midler, og at der skal bygges en del mindre eksperimenter til at løse specielle problemer. Det vil bl.a. kræve en forøget indsats på udviklingen af materialer til reaktorens kammer, der kan modstå den kraftige neutronbestråling. Til dette formål blev der i 2008 indgået en samarbejdsaftale mellem EU og Japan om at opbygge et forskningscenter i Japan, som skal huse et forsøgsanlæg med navnet IFMIF, (International Fusion Materials Irradiation Facility).

På internationalt plan er fusionsforskningen karakteriseret ved samarbejde og stor åbenhed med fri udveksling af forskningsresultater. EU, Japan, Rusland og USA er de største partnere i det internationale forskningsprogram, men efter århundredskiftet har flere andre lande etableret betydelige programmer og tilsluttet sig det internationale samarbejde, som har et samlet globalt budget på ca. 15 mia. danske kroner. Det europæiske fusionsprogram koordineres og støttes af EU-Kommissionen, og det udgør en højt prioriteret del af EU's rammeprogram for forskning og udvikling. Forskningen foregår på nationale laboratorier i EU-landene, på JET og gennem det europæiske bidrag til ITER. Det samlede europæiske budget for fusionsforskning var omkring 2008 på ca. 6 mia. danske kroner, heraf betaler EU ca. 4 milliarder kroner. Ca. 2000 forskere og ingeniører arbejder med fusionsforskning i Europa..

Risø DTU er den danske partner i det europæiske fusionsforskningsprogram. På Risø arbejder en gruppe på ca. 15 forskere med fusionsrelaterede opgaver, som bl.a. omfatter grundforskningsmæssige studier af stabilitetsforhold i magnetisk indesluttede plasmaer, udvikling af udstyr til måling af plasmapartiklernes hastigheder i ITER samt deltagelse i forskellige eksperimenter på store anlæg i andre EU-lande, bl.a. på JET.

Når fusionsforskerne har nået målet at kunne bygge en velfungerende fusionsreaktor, råder menneskeheden over en ny energikilde, som vil kunne yde et meget betydeligt bidrag til den globale energiforsyning. Energien vil blive fremstillet i store kraftværker, og den vil optræde i form af el og varme. Den kan derfor erstatte de nuværende olie-, kul- og gasfyrede kraftværker og levere energi til bl.a. opvarmning, fabriksfabrikation, belysning og eldreven transport, men den vil ikke være egnet til den del af transportsektoren, som ikke kan elektrificeres, dvs. visse biler, skibsfart og fly. For også at kunne benyttes til sådanne transportmidler må der udvikles metoder til fremstilling af kemiske brændstoffer, fx brint, ved brug af fusionsenergien..

Fusionsenergien vil være en uudtømmelig energikilde. Brændstoffet deuterium findes i store mængder i almindeligt vand, også i havvand. Det andet brændstof, tritium, findes ikke i naturen, men det vil kunne fremstilles i selve reaktoren ud fra grundstoffet litium, som findes i rigelige mængder i naturen. Prisen for at fremskaffe disse brændstoffer vil være meget lille og uden betydning for prisen for fusionsenergi.

Da fusionsprocesserne er processer mellem atomkerner, er der nødvendigvis radioaktive stoffer i og omkring en fusionsreaktor. De væsentligste er tritium, som indgår i selve fusionsprocessen, og de radioaktive stoffer, som dannes i afskærmningen omkring reaktorkammeret ved indfangning af neutronerne. Reaktoren og reaktorhallen bliver højaktive, og al vedligeholdelse og udskiftning af komponenter skal derfor ske ved fjernbetjening med robotter. Ved normal drift holdes de radioaktive stoffer indesluttet i reaktorhallen, og der er ikke udslip af radioaktivitet til omgivelserne.

Ved nedlukning af en udtjent fusionsreaktor og ved udskiftning af komponenter skal de radioaktive affaldsstoffer opbevares i sikre depoter. I forhold til de kendte atomkraftværker bliver det lettere at opnå tilstrækkelig sikkerhed, fordi fusionsreaktoren danner mindre og lettere håndterbart radioaktivt affaldsmateriale. Dertil kommer, at det radioaktive affald fra fusionskraftværker har en kort halveringstid på under 100 år. Derfor har fusionsenergien ikke de problemer med langtidsdeponering af radioaktivt affaldsmateriale, som kendes fra de nuværende atomkraftværker.

I reaktorkammeret på et fusionskraftværk vil der kun være brændstof til få minutters forbrug. Derfor er en eksplosion, hvor der frigøres store mængder fusionsenergi, en fysisk umulighed. Skulle et fusionskraftværk blive udsat for ødelæggelse ved jordskælv, flystyrt, sabotage eller bombning, vil der kunne spredes radioaktive stoffer i miljøet. Man har vurderet, hvor farlige de vil kunne være, og fundet, at det ikke vil blive nødvendigt at evakuere befolkningen, der bor umiddelbart uden for kraftværkets område.

Da man endnu ikke ved, hvor kompliceret det vil blive at bygge og drive et fusionskraftværk, er det ikke muligt at lave en sikker vurdering af den pris, som det vil koste at fremstille fusionsenergi. De bedste vurderinger, der kan gives nu, viser, at fusionsenergien vil kunne fremstilles til priser, der er meget nær dem, der i øjeblikket betales for energi fra de kilder, vi benytter i dag.

Alt i alt er fusionsenergien en attraktiv energikilde. Den er miljøvenlig, idet den ikke forurener miljøet, dens råbrændstoffer findes i uudtømmelige mængder i naturen, og de er tilgængelige overalt. Problemet er, at det kræver endnu et stort forsknings- og udviklingsarbejde, før den kan benyttes om tidligst 40 til 50 år. Det er naturligvis ikke helt sikkert, at forskningen vil føre til en bæredygtig energikilde, og det kan derfor diskuteres, om denne forskning bør gennemføres. Hvis man imidlertid sætter fusionsforskningsbudgetterne i forhold til prisen for det globale energiforbrug, vil man finde, at fusionsforskningens årsbudget svarer til prisen for ca. to timers globalt energiforbrug.