ITER: Bygger en Miniature Sol på Jorden

ITER, Vejen til Kernfusion

ITER, en forkortelse for International Thermonuclear Experimental Reactor, som også betyder “Vejen” på latin, er verdens største indsats for at mestre energiproduktion baseret på kernfusion.

ITER finansieres og drives af syv parter: Den Europæiske Union (27 lande), Kina, Indien, Japan, Rusland, Sydkorea og USA. Det har også samarbejdsaftaler med Australien, Canada, Kasakhstan og Thailand.

Storbritannien var tidligere en del af programmet, da det var i EU, og stoppede sin deltagelse i 2023.

Kilde: SciTech Daily

I teorien kunne ITER være prototypen og den eksperimentelle demonstrator for kommerciel fusion, som åbner menneskeheden for praktisk talt ubegrænset billig energi.

Dette ville gøre opgaver som at gøre ørkener grønne, bekæmpe CO2-udledninger eller blive en rumfærende civilisation næsten trivielle.

Så selvom det kan tage et stykke tid, før det bærer frugt, er potentialet så enormt, at det måske vil blive husket som et af de vigtigste megaprojekter nogensinde skabt.

Kernfusion

Ubegrænset Energi

Kernfusion adskiller sig fra klassisk kernekraft (fission) ved, at den bruger meget lette grundstoffer. I stedet for at splitte tunge atomer som uran, smelter den meget lette atomer sammen, typisk hydrogen.

Dette gør teoretisk set kernfusion til en kilde til ubegrænset energi, da hydrogen er den mest almindelige form for stof i universet.

Denne proces producerer enorme mængder energi, hvilket resulterer i 3-10 gange mere energi end kernefission og er energikilden, der driver stjernerne.

Kilde: Nature

Et gram deuterium-tritium brændstofblanding i processen med kernfusion svarer til 11 ton kul. En persons samlede livsenergiforbrug kunne dækkes af lidt mere end en flaske brændstof holdt i hånden.

Fordele ved Kernfusion

Ikke kun leverer kernfusion en masse energi, men den har også nogle få nøglefordele, som ingen anden energikilde kan påstå:

• Deuterium er så rigeligt i Jordens oceaner og overfladevand, at det i praksis er ubegrænset og lige tilgængeligt for hver nation på Jorden.
• Den nukleare reaktion producerer intet radioaktivt affald, kun kemisk harmløs helium.
  • Ingen CO2 eller andre miljøskadelige produkter skabes af reaktionen heller.
• Da den ikke producerer beriget uran, plutonium eller andre radioaktive materialer, medfører kernfusion ingen risiko for nuklear spredning (materiale egnet til atomvåben).
  • Dette ville gøre vedtagelsen af kernfusion til en neutral teknologi uden de restriktioner, der pålægges fissionskernekraft.
• Ingen risiko for smeltning eller ukontrolleret kædereaktion. Reaktionen er faktisk så svær at opretholde, at enhver fejl straks vil føre til forstyrrelse af plasmaet og en afbrydelse af den nukleare reaktion og energiproduktion.
• Hvis den er selvbærende og stærkt energipositiv, forventes kernfusion at være lige så billig eller billigere at drive end fissionsbaserede kernkraftværker.
  • Yderligere teknologisk fremgang og stordriftsfordele ved gentagne konstruktioner af samme reaktordesign bør med tiden sænke omkostningerne.

Fusion er Svært

Når man ser på alt dette, hvorfor har vi så endnu ikke drevet menneskehedens civilisation med kernfusion?

Problemet er, at kernfusion er svært at opnå. Hydrogenatomernes kerner har en positiv elektrisk ladning og frastøder hinanden naturligt. Så det kan være meget svært at få dem tæt nok på hinanden for at fusion, som to ultrastærke magneter, der frastøder hinanden.

I naturen er kun den enorme tyngdekraft fra en hel stjerne tilstrækkelig til at presse hydrogenatomer tæt nok sammen for at udløse fusion. Selv noget så stort som Jupiter er stadig “for lille” til at opnå det. Så at få hydrogenatomer til at komme tæt sammen på Jorden er meget, meget svært.

Det er dog blevet gjort, og det blev første gang opnået af en fusionsmaskine i 1950’erne. Disse maskiner demonstrerede muligheden for at skabe fusion, men formåede ikke at returnere nok energi i forhold til den energi, der blev brugt til at udløse den.

(Technisk set blev storskalig kernfusion opnået allerede i 1952 med den første termonukleare bombe, men dette er næppe en anvendelig teknik til at skabe en sikker energiforsyning).

Et andet problem med fusion er, at kernfusionsplasma er ekstremt varmt, typisk over 100 millioner grader Celsius. Så det skal indeholdes perfekt, ellers vil det smelte reaktoren.

På grund af alle disse problemer, der skal løses, har kernfusion været et langsomt bevægende felt, med den sarkastiske kommentar, “Fusion er altid 30 år ude i fremtiden”.

Få Fusion til at Ske på Jorden

Forskere har formået kernfusion i eksperimentelle reaktorer i mange år. To hoveddesigns anvendes:

• Den ene baserer sig på lasere, som koncentrerer en enorm mængde energi på en lille hydrogenpille for at udløse fusion.
• Den anden bruger en donutformet maskine kaldet tokamaks og ultrastærke magneter til at indeholde og komprimere hydrogen til et selvantændende plasma.

Problemet med fusion er, at skabelsen af de rette betingelser med titusinder af grader er meget energikrævende. Så selvom vi kan få det til at ske, har fusionsreaktionen ofte ikke nok energi tilbage og viser sig at være en nettoenergiforbruger.

Plasmaer er også meget ustabile, så det er svært at opretholde fusionsreaktionen i mere end et par sekunder.

Den første tokamak blev bygget i 1958, og de betragtes som de mest sandsynlige designs til at kunne opretholde fusion i flere minutter, eller ideelt set timer, og producere positivt energitilbage.

Kilde: DOE

ITER er et tokamak-design og vil blive den største nogensinde skabte kernfusionsreaktor, med 10 gange plasmavolumen af den hidtil største (JT-60SA i Japan) på 830 kubikmeter (29.000 kubikfod).

Kilde: ITER

ITER Tidslinje

ITER er arvtageren til International Tokamak Reactor, eller INTOR, et samarbejde mellem Vesten & Japan og Sovjetunionen, der startede i 1978.

Samarbejdet fortsatte selv på højden af den kolde krig. Det første mål blev besluttet i 1992, og de første Engineering Design Activities (EDA) blev afsluttet i 1998, med et design valideret i 2001.

En ophedet diskussion om det endelige design, hvilket land der skulle finansiere hvad, samt hvor reaktoren skulle bygges, forsinkede projektet i en periode, indtil stedet Cadarache i Frankrig blev valgt i 2005.

Kilde: Wikipedia

I den periode sluttede Kina og Sydkorea sig til projektet i 2003 og Indien i 2005. Det første byggearbejde startede i 2007.

Maskinens samling startede i 2020, med installationen af den 1.250-tons cryostat-base i maj 2020. De civile arbejder (byggeri) på stedet blev afsluttet i 2023.

Lukning af cryostaten bør være færdig inden 2033. Fuld magnetisk energi bør opnås inden 2036, og starten på driftsfasen med deuterium-tritium i 2039.

ITERS Budget

Det oprindelige budget for ITER blev forestillet som “kun” €6 mia. i byggeomkostninger, men som det ofte sker for videnskabelige megaprojekter, steg det til en nuværende estimering på $25,2 milliard, mens andre estimeret af det amerikanske Department of Energy sætter det på $65 mia., noget ITER kraftigt har benægtet.

Projektet har indtil videre genereret 34.000 “job-år” og vil generere yderligere 74.000 job-år før færdiggørelsen af byggeriet.

ITERS Mål

Jo større plasma kammeret er, desto mere sandsynligt er det, at det er stabilt nok til at producere positivt energitilbage.

Men selvfølgelig, jo større det er, desto dyrere og mere komplekst bliver det.

Det erklærede mål for ITER er at opnå en produktion af termisk energi, der er 10 gange større end den injicerede termiske effekt. Fusionspulsen bør vare op til 8 minutter.

Kombineret betyder det, at der skabes 500 MW varme på blot 400-6000 sekunder. Den bør nå op til 150 millioner °C, eller 10 gange kernen af Solens temperatur.

For at opnå disse resultater skal ITER opnå en såkaldt “brændende plasma”, hvor mere end halvdelen af den energi, plasmaet modtager, kommer fra fusionsreaktioner (i stedet for fra eksterne stimuli). Brændende plasma er et must for enhver energipositive, kommercielle kraftværk, der bruger kernfusion.

ITERS energigenerering vil ikke blive omdannet til elektricitet, da dette er en teknologisk demonstrator, og konvertering af denne varme til strøm er en velkendt teknologi, der allerede rutinemæssigt anvendes i kommercielle fissionsbaserede kernkraftværker, der bruger uran.

Et andet mål for reaktoren er at teste nøgle-teknologier under reelle forhold, som stadig er uprøvede, såsom superledende magneter, fjernbetjening (vedligeholdelse af robot), neutronafskærmning, varmeomdannelse og konceptet med tritiumavl (se nedenfor).

DEMO Fusionsreaktorer

ITER vil blive efterfulgt af DEMO-klassens reaktorer, som genbruger ITER-design (med potentielle forbedringer fra eksperimentel feedback), og disse vil udgøre den 1^st generation af kommercielle kernfusionskraftværker.

DEMO-reaktorer forventes at producere 300 til 500 megawatt nettoelektricitet til levering til elnettet.

• Kina: Den Kinesiske Fusion Engineering Testing Reactor (CFETR) design blev udført i 2020, og bør bygges inden 2040.
• Europa: DEMO-kraftværket bør bygges inden 2050. En forløber til dette projekt vil være opbygningen af en plasma-baseret volumetrisk neutronkilde (VNS) facilitet til test af de teknologier, der overvejes til DEMO.
• Japan: JA-DEMO, som skal færdiggøres i 2040’erne-2050’erne, vil sigte mod stabil energiproduktion ud over flere hundrede MW og en fusionsoutput på 1500 MW eller højere.
• Sydkorea: K-DEMO vil blive bygget efter 2050, mens den forudgås af en Virtual DEMO (V-DEMO) baseret på supercomputing, kunstig intelligens og digital tvilling-teknologi.
• Rusland: DEMO-RF bør bygges inden 2055. En fusion-fission hybrid facilitet overvejes også.
• Indien: landet vil først fokusere på en fusionspilotplant på 200–300 MW før opbygning af en DEMO-reaktor.
• USA: USAs DoE overvejer stadig de næste skridt, herunder partnerskab med private virksomheder for de skridt, der følger efter ITER.

Tritiumavl

Som et projekt i spidsen af videnskaben er der mange koncepter, der skal demonstreres eksperimentelt.

Et kritisk er produktionen af tritium, da ITER-designet er afhængigt af fusion af deuterium og tritium (begge isotoper af hydrogen).

Kilde: Climate & Hope

Deuterium-deuterium ville være ideelt, da deuterium er et naturligt forekommende element, men dette ville gøre kunstig fusion meget sværere på grund af endnu højere nødvendige temperaturer.

Problemet er, at tritium ikke findes i naturen og skal produceres kunstigt i kernkraftværker (20 kg pr. år globalt). Men ITER ville forbruge al Jordens tritiumproduktion.

Under alle omstændigheder vil fremtidige kernfusionsreaktorer ikke have nok tritium til at producere energi, da hver fusionsreaktor vil kræve 100 til 200 kilogram pr. år.

Derfor skal tritium produceres direkte inde i reaktoren. Dette er opgaven for “tritiumavlsblanketten.”

Dette 600 m² store dække over reaktorens vægge, indeholdende lithium, har den dobbelte opgave at skabe energi, når det rammes af neutroner (grundlaget for fremtidig elproduktion), samtidig med at det producerer tritium gennem nedbrydning af lithiumatomer.

Kilde: C&EN

Det bør bemærkes, at mellemliggende elementer som beryllium sikrer, at mindst 1 tritium “genproduceres” for hver kernfusionsreaktion ved at multiplicere antallet af neutroner.

I alt vil 6 forskellige tritiumavlsystemer blive testet i ITER for at bestemme den optimale materialestruktur, kølesystemer, flydende vs fast lithium, lithiumudvindingsmetode osv.

ITERS Design

Bygningen Selv

Mens den interessante del af ITERS ingeniørkunst ligger i den avancerede teknologi, der bruges til kernfusion, er selve bygningen massiv og indeholder ikke kun high-tech elementer, men også alle støttestrukturer, energiforsyning, kølesystemer, vedligeholdelsessystemer osv.

Kilde: ITER

ITER-reaktoren selv er også massiv, vejer 23.000 ton, 3 gange vægten af Eiffeltårnet. I alt vil 400.000 ton hvile på den nederste basemat i Tokamak-komplekset, eller mere end vægten af New Yorks Empire State Building.

Kilde: ITER

For at håndtere alt dette blev omkring 120.000 kubikmeter beton anvendt under den civile byggefase af Tokamak-komplekset, med en stor betonfabrik bygget direkte på stedet for at producere et bredt udvalg af betonformler, hver tilpasset de specifikke krav til ITER’s bygninger og strukturer.

Bygningen er også konstrueret med seismiske isolatorer og beskyttet af en nuklear-godkendt struktur af armeret beton.

Logistik & Infrastruktur

Et andet “grundlæggende” problem med ITER-projektet var logistikken omkring at bringe alle de store komponenter, der er bygget i specialiserede forskningsinstitutter verden over, til stedet.

For eksempel vejer hver af ITER Tokamaks 18 D-formede toroidale feltspoler 310 ton, og de tungeste elementer, inklusive transportkøretøjet, vejer op til 900 ton. Derfor skal de sendes med skib i stedet for fly.

De transporteres derefter på en specielt modificeret 104 km lang vej (64 miles), da nogle af elementerne vil være så lange som 33 meter (108 fod).

Installationen krævede også en 400 kV kraftlinjeudvidelse og omfattende faciliteter til kontorer, værksteder, udstyrsopbevaring og komfort.

Kilde: ITER

Selve byggeriet, som ofte krævede at passe ind i trange rum, førte til designet af mere end 100 specialfremstillede enheder til samling af ITER-maskineri og bygninger.

Kilde: ITER

Samlingen af tokamaken, med sine over 1.000.000 komponenter, var et projekt i sig selv.

Superledende Magneter

I kernen af ITER-maskineriet vil magneterne bruge superledende tråde af niobium-tin (Nb3Sn). I alt vil 100.000 kilometer (62.000 miles) af disse tråde være nødvendige, nok til at omslutte Jordens ækvator to gange.

Kilde: ITER

Dette krævede en enorm industriel produktionsindsats. Før ITER-opskaleringen var den globale produktion af niobium-tin tråde kun 15 ton/år. Kina, Europa, Japan, Korea, Rusland og USA øgede den til 150 ton/år.

Kryoplanter & Køletårn

Superledende magneter er kun superledende (ingen elektrisk modstand), når de er ultrakolde. Det er så koldt, at det kun er 4,5 grader Celsius over det absolutte nulpunkt.

Derfor kræver de kryoplanen, en installation på størrelse med en fodboldbane, der lagrer helium og nitrogen for at køle dem og omdanne disse gasser til ultrakolde væsker.

Kilde: ITER

De 50 ton/dag af flydende nitrogen bruges som forkøler til flydende helium-anlægget, og flydende helium bruges til at køle magneterne. Næsten 25 ton flydende helium ved minus 269 °C vil cirkulere i ITER-installationen under drift.

Mens magneten skal være ultrakold, vil kernfusionen producere en maksimal varmebelastning på 1150 MW, som skal evakueres. Dette er køletårnets opgave.

Kemikalier injiceres for at minimere korrosion af rørene og opretholde den ønskede pH i vandet. Et ozongenereringssystem opretholder en kontinuerlig injektion af ozon, som forbruger organisk materiale og forhindrer bakterievækst.

Magnet Strømkonverteringsbygninger

Et andet system, der understøtter magneterne, er strømkonverteringen, som omdanner netværkets AC-strøm til DC, der kan bruges af de superledende magneter.

På grund af den enorme strømstyrke, der anvendes, kan traditionelle kabler ikke bruges til at føre strømmen til magneterne.

I stedet anvendes stålindkapslede aluminiumstænger kaldet “busbars” – aktivt afkølet gennem en konstant strøm af trykluft, der bruges. De er i bund og grund strømledninger, men tykkere end jernbaneskinner.

Kilde: ITER

I alt vil 5 km (3,1 miles) af bipolare busbars løbe gennem ITER-komplekset.

Neutrale Stråleinjektorer

Når strømforsyningen og magneterne fungerer, skal ITER injicere deuterium, som vil drive fusionsreaktionen.

Strålen vil bruge elektrisk strøm til at accelerere partiklerne til meget høje hastigheder og injicere 33 MW af den nødvendige 50 MW inputeffekt. Den “neutraliserer” dem derefter, så de kan passere magnetfeltet og overføre deres energi til plasmaet.

Dette vil bruge mere end 1 MW af jævnstrømsspænding, en meget usædvanlig mængde. Det vil kræve specialbyggede komponenter, der går “ud over den nuværende teknologi”, og passer ind i en bygning på 11.700 m² (126.000 kvadratfod).

Kilde: ITER

Da dette er en nøglekomponent, blev Neutral Beam Test Facility (NBTF) bygget i Padova, Italien. Dette bør hjælpe med at fjerne nogle tekniske forhindringer, for eksempel at partikelstrålen, der anvendes i ITER, er meget tykkere end i tidligere kernfusionsforsøg.

Neutralisering af ionerne i denne skala kan også være vanskelig, og de reelle resultater skal testes, før de installeres i ITER.

Kilde: ITER

Cyclotron Opvarmning

De andre varmekilder, der skal målrettes mod plasmaet, er elektron- og ioncyclotron-opvarmningssystemerne. Dette inkluderer Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) og Ion Cyclotron Resonance Heating (ICRH).

De benytter højfrekvente elektromagnetiske bølger til at skabe en resonanseffekt på partiklerne i plasmaet, og overfører fjernstyrt kraft/varme ind i reaktorens kerne. ECRH får elektronerne til at resonere ved 170 GHz, mens ICRH får ionerne i plasmaet til at resonere ved 40‑55 GHz.

ITERS Konkurrenter

ITER er så et massivt projekt, at mange af de videnskabsfolk, der var involveret i dets tidlige design, sandsynligvis ikke vil være til stede, når det er i drift.

Denne ambition kan også være en begrænsning for projektet. Det er hovedsageligt baseret på fusions-teknologidesign fra slutningen af 1990’erne og begyndelsen af 2000’erne, med manglende antagelser og teknologivalg.

Dette skyldes, at der siden da er opstået nye fusionskoncepter, og flere private virksomheder undersøger måder at gøre kernfusion til virkelighed med meget mindre maskineri.

Dette har endda fået nogle kritikere af ITER til at kalde det “forældet”. ITER’s internationale karakter, som medfører en vis mængde bureaukrati og politik, der påvirker videnskaben, er også blevet beskrevet som et problem.

Vi diskuterede mange af disse fusionsvirksomheder (mest private), som General Fusion (GFUZ ), TAE Technologies, Helion, og Lockheed Martin Corporation (LMT ) i vores artikel “Kernfusion – Den Ultimative Rene Energiløsning på Horisonten”, som også diskuterer alternativer til tokamak-designs for at opnå kernfusion.

• Magnetiseret Target Fusion (MTF) teknologi.
• 3D-printning af reaktorkomponenter.
• Plasmakanon, måske mere til fusionsrumfart end til energiproduktion.
• Direkte elektricitetsopsamling fra plasmaet ved at bruge Faradays lov til at inducere en strøm i stedet for varmeopsamling.

I december 2024, Commonwealth Fusion Systems (CFS) annoncerede, at de sigter mod, at deres ARC-reaktor skal generere 400 MW til Virginias elnet, hvilket er nok til at forsyne 150.000 hjem, med en start i begyndelsen af 2030’erne (CFS bruger højtemperatur-superledende magneter).

Andre teknologier kan også hjælpe. En vigtig er AI, som kan bruges til at opdage og korrigere plasmainstabilitet i realtid.

En anden er potentielle rumtemperatur-superledende materialer, som nu er tættere på end nogensinde. Dette ville radikalt ændre energiforbruget i en fusionsreaktor ved at gøre dens magneter meget mere energieffektive og pålidelige.

Konklusion

ITER kan være en af de vigtigste bestræbelser, menneskeheden nogensinde har foretaget, på samme skala eller måske endda vigtigere end Apollo-programmet.

Og selvom det er muligt, at private initiativer opnår kommerciel fusion før ITER, er dette også langt fra sikkert.

Hvis kernfusion er en teknologi, der kræver megareaktorer for at være energipositive og økonomisk levedygtige, er det sandsynligt, at kun en international indsats som ITER kan opnå det.

Selv hvis den fejler, vil den have udviklet den industrielle base og uddannet den videnskabelige talent, der kræves for at finde nøglen til kernfusion gennem andre designvalg. Så i hvert fald kan den næppe betragtes som spild; især når man overvejer den indvirkning, kernfusionens energi vil have på menneskeheden.

I fremtiden kan vi forvente, at ITER-lignende design vil blive forbedret med nye teknologier, herunder AI, rumtemperatur-superledere, direkte elektricitetssamling osv.

Det vil dog tage mere end et årti, før ITER kører sine eksperimenter, hvilket gør det til et af de mest ventede og mest eftertragtede videnskabsprojekter i dette årtusinde.

ITER-relateret Virksomhed

Mitsubishi Heavy Industry

Mange af de komponenter, der er bygget til ITER, er unikke og designet af kernforskningsinstitutter. Men mange andre blev bygget af industriledere i de deltagende lande, som bringer deres fremstillings- og ingeniørekspertise til det videnskabelige megaprojekt.

En vigtig bidragyder er Mitsubishi Heavy Industry.

Virksomheden har en historie, der går helt tilbage til 1884, inden for skibsbygning. Senere begyndte den at producere tungt maskineri, fly, tog og biler.

I 1995 blev Mitsubishi Atomic Power Industry integreret i konglomeratet og har konstrueret 24 reaktorer i Japan.

I dag er virksomhedens hovedindtægtskilde energisystemer (kerne, gas og dampsystemer) samt logistik & termisk (HVAC, motorer, turboladere). Den er nummer 1 globalt inden for gasturbiner og CO₂-opsamlingssystemer. Den beskæftiger over 77.000 personer på 300 lokationer verden over.

Kilde: Mitsubishi Heavy Industry

Mitsubishi bidrog til mange kernekomponenter i ITER, herunder den toroidale feltspole (magnet), divertoren (plasmaindeslutning) og komponenterne med høj varmestrøm, inklusive plasmaopvarmningssystemet.

Kilde: Mitsubishi Heavy Industry

Udover ITER har virksomheden til hensigt at udnytte genopstarten af den nukleare industri i Japan og den voksende strøm af nukleare projekter globalt. Virksomheden planlægger også at udvikle sin egen SMR-teknologi, samt en hurtig reaktor (der forbrænder nukleart affald) og højtemperatur-gasafkølede reaktorteknologier.

Stigende forsvarsbudgetter bør også gavne virksomhedens luft- og rumfarts- samt skibsbygningssegmenter.

Inden for fremtidig teknologi arbejder Mitsubishi på produktion af grøn brint og grøn ammoniak, herunder verdens første ammoniak-bunkringsprojekt i Singapore for at drive skibe og gasturbiner med ammoniak i stedet for brændstof og naturgas.

Kulstofopsamling kan også blive en voksende grøn aktivitet, ligesom højeffektiv køling til datacentre.

Kilde: Mitsubishi Heavy Industry

Samlet set er Mitsubishi Heavy Industry en leder inden for mange nøgle-teknologier for fremtiden, især inden for køling, energiproduktion (gas og kernekraft) og skibsbygning, som illustreret ved at blive valgt til at bygge mange af de vigtigste komponenter i ITER.