Fusionsenergiforskning – internationalt samarbejde mod fremtidens energikilde

Af seniorforsker Søren Bang Korsholm, Risø DTU, Roskilde, Danmark

Den tyske forbindelse

Jeg har netop afsluttet vores gruppes online input til det eksperimentelle program for de første måneder af 2010 i fusionseksperimentet TEXTOR, som er lokaliseret på Forschungszentrum Jülich (FZJ) tæt ved Köln i Tyskland. FZJ har i flere år været en meget vigtig samarbejdspartner for fusionsforskningsgruppen på Risø DTU, og det er mere reglen end undtagelsen inden for fusionsforskningen, at man i stor stil samarbejder på tværs af grænserne. Det og TEXTOR kommer jeg tilbage til om lidt.

Fusionsenergiforskning

Målet for fusionsenergiforskningen er basalt set at kopiere Solens energiform i kraftværker på jorden. Hvis man sammensmelter (fusionerer) meget lette atomkerner såsom brint og får dannet større kerner, vil der blive frigivet energi (såkaldt bindingsenergi), og det er denne energi man i et kraftværk kan omdanne til f.eks. elektricitet.

Fusionsenergi har en række tiltrækkende kendetegn: brændselsmængden, man skal bruge, er helt minimal. Hvis man skal forsyne Danmark med elektricitet i et år, skal man bruge ca. 1 ton brændstof i et fremtidigt fusionskraftværk. Hvis man skal producere den tilsvarende energi ved kulkraft, vil man skulle bruge over 10.000.000 ton. Og brændstoffet er deuterium (en brintisotop med en ekstra neutron – såkaldt tung brint), samt tritium (en brintisotop med to ekstra neutroner). Tritium kan man lave på selve kraftværket fra litium, og deuterium kan man finde i al havvand.

Fusionsprocessen er en kerneproces, og der er derfor intet CO2-udslip ved fusionsenergiproduktion.

Faktisk er der deuterium nok til at forsyne menneskeheden med energi i nogle mia. år! Bemærk, at energiressourcerne til fusionsenergi – havvand og litium – er jævnt fordelt over hele kloden. Ydermere vil en gennemsnitlig danskers totale energiforbrug gennem et helt liv kunne dækkes af 25 g brændsel – det vil man kunne trække ud af 500 liter vand og litium fra 2 laptop-batterier!

Fusionsprocessen er en kerneproces, og der er derfor intet CO2-udslip ved fusionsenergiproduktion, og dermed opfyldes det helt centrale kriterium for fremtidens energiforsyning. Men der er altid konsekvenser af energiproduktion. Affaldet fra fusionsenergiproduktion er selve de indre dele af kraftværket, der bliver radioaktive pga. neutronbestråling. Imidlertid er denne radioaktivitet så kortlivet, at allerede ca. 100 år efter nedlukning af et kraftværk vil radioaktiviteten være faldet så meget, at man kan genanvende materialerne. Man har således ikke behov for langtidsdeponering. Ligeledes er et fusionskraftværk meget sikkert. Til ethvert tidspunkt er der kun få gram brændstof samlet i kraftværkets kammer, så man kan sekund for sekund styre brændstoftilførslen.

Men hvorfor har vi så ikke fusionsenergi nu?

Jo, der er en række udfordringer, som vi mener, vi er ved at have styr på. For det første skal brint-brændstoffet opvarmes til meget høje temperaturer for at fusionsprocesserne kan foregå. Ja, faktisk skal man op på 200.000.000 grader C eller ca. 15 gange temperaturen i centrum af Solen. Det har vi klaret, men problemet er, at man bliver nødt til at holde brændstoffet svævende i et meget kraftigt magnetfelt formet som en bilslange – en torus. På den måde undgår man, at det varme brændstof afkøles ved at røre væggene i maskinen.

Men samtidig vil der være et tab af partikler og energi ud af magnetfeltet, og det bliver man nødt til at balancere ved opvarmning. Og lige nu bruger vi mere energi på opvarmning af brændstoffet, end den energi vi får ud af fusionsprocesserne. Verdensrekorden for et fusionseksperiment holdes af det fælleseuropæiske Joint European Torus (JET) ved Oxford i England. Der producerede man 16 MW fusionseffekt, men brugte 25 MW på opvarmning.

ITER

Med det internationale fusionsenergiprojekt ITER, der bygges nu i Sydfrankrig med EU, Japan, Indien, Kina, Sydkorea, Rusland og USA som partnere, vil man ændre på det forhold. I ITER er det planen, at man ved en opvarmning på blot 50 MW vil kunne producere en fusionseffekt på 500 MW, og man vil dermed være et stort skridt længere mod realiseringen af fusionsenergikraftværker.

Med det internationale fusionsenergiprojekt ITER er det planen, at man ved en opvarmning på blot 50 MW vil kunne producere en fusionseffekt på 500 MW. Dermed vil man være et stort skridt nærmere fusionsenergikraftværker.

Man forventer, at vi hen mod midten af dette århundrede vil kunne bygge kommercielle fusionskraftværker. Til den tid er det knap 100 år siden, at verden gik sammen og fandt ud af, at udviklingen af fusionsenergi var for vanskelig og for vigtig til hemmelighedskræmmeri. Derfor er der i feltet en særpræget stor grad af internationalt samarbejde – også på tværs af politiske skel (og jerntæppe – da det fandtes).

Det europæiske fusionssamarbejde

I Europa er fusionsforskningen koordineret gennem EU Kommissionen og European Fusion Development Agreement (EFDA). Fusionseksperimenter er komplicerede at bygge og køre, og for at udnytte ressourcerne bedst samarbejder fusionslaboratorier fra forskellige lande på et begrænset antal eksperimenter. Samtidig lader man de enkelte laboratorier specialisere sig, så ikke alle laver det samme. Det betyder også, at et lille land som Danmark, med en relativ lille fusionsgruppe (ca. 15 mand), kan opretholde meget vigtige kompetencer og bidrag til fusionsforskningen.

Faktisk er vores gruppe på Risø DTU verdensførende inden for en særlig målemetode kaldet kollektiv Thomson spredning (CTS). Og det er netop denne målemetode, jeg lige har indsendt forslag til eksperimenter med. Vi har nemlig ikke noget eksperiment i Danmark, så vores forskning med vores to målesystemer udføres på to eksperimenter i Tyskland, ASDEX Upgrade i Garching ved München og førnævnte TEXTOR. På TEXTOR samarbejder vi tillige med en hollandsk gruppe om målesystemet, og gennem en årrække var også MIT fra Boston i USA involveret.

Nu må vi så afvente prioriteringerne fra vores samarbejdspartnere, og når tiden er inde til eksperimenterne, tager vi et hold af sted til TEXTOR eller ASDEX Upgrade og udnytter i bedste europæiske ånd de gode faciliteter, som vores nabo stiller til rådighed gennem det europæiske fusionsforskningsprogram. Hjemme igen kan vi så analysere data og i samarbejde med de europæiske kolleger præsentere og publicere resultaterne og forhåbentligt bringe ny indsigt til forskningsfeltet – og i sidste ende bidrage til at give kloden en bæredygtig og uudtømmelig energikilde!

Note: Jeg mener, at udfordringen med at skaffe tilstrækkelig bæredygtig energi til kloden er så stor, at vi bliver nødt til at satse på en lang række energiteknologier. På den måde ser jeg ikke fusionsenergi som den eneste løsning på energiproblematikken, men som en del af løsningen.