Kernefusion: muligheder for ren energi og udfordringer ved kommerciel anvendelse

Stjernernes energi

Atomkraft vækker bekymring hos mange. Ulykker som Tjernobyl og Fukushima har præget debatten om sikkerhed og miljøpåvirkning.

Andre fremhæver atomkraftens lave CO2-udledning og stabile elproduktion. En samlet vurdering må inddrage omkostninger, sikkerhed, affald og krav til driften.

Atomkraft kan blive en del af vores fremtidige energimiks, blandt andet gennem udviklingen af 4^. generations reaktorer. De nye konstruktioner sigter mod bedre sikkerhed og brændselsudnyttelse, men alle er ikke allerede kommercielt dokumenterede.

Konventionelle atomreaktorer bygger på kernespaltning. Tunge atomkerner som uran eller plutonium spaltes i lettere kerner og frigiver energi. I en thoriumbrændselscyklus skal thorium først omdannes til en spaltbar isotop.

En anden proces er kernefusion. Lette atomkerner smelter sammen til tungere kerner og kan derved frigive energi.

Fusion er den vigtigste energikilde i stjerner. Hvert sekund omdanner Solen omkring 600 millioner ton hydrogen til helium. Kun en del af massen omdannes til energi; det er ikke hele hydrogenmassen, der forsvinder.

Solenergi, vind og planters vækst hænger sammen med Solens energi. Fossile brændsler stammer også fra tidligere biologisk aktivitet, men energikildernes miljøvirkninger er meget forskellige.

Kontrolleret fusion kunne give adgang til en meget stor energikilde. Hydrogens kosmiske udbredelse løser dog ikke automatisk forsyningen med de bestemte isotoper, eksempelvis deuterium og tritium, som reaktorerne skal bruge.

Spaltning og fusion

Forbrænding af gas og olie frigiver energi gennem ændringer i kemiske bindinger. Kernereaktioner udnytter ændringer i atomkernernes bindingsenergi og kan frigive langt mere energi pr. masseenhed.

Derfor kan kernebrændsel give langt mere energi end samme masse kul. Den præcise sammenligning afhænger af isotop, reaktion og udnyttelsesgrad.

Hvordan kan både sammensmeltning og spaltning af kerner frigive energi?

Forklaringen er bindingsenergien pr. nukleon. Kerner omkring jern og nikkel er særligt stabile. Når en tung kerne spaltes til mere stabilt bundne kerner, falder den samlede masse lidt, og forskellen frigives som energi.

Når meget lette kerner fusionerer til en stærkere bundet kerne, kan det samme ske. Det betyder ikke, at ethvert let atom generelt indeholder mere energi end ethvert tungt atom.

Kilde: Nature

Fusion kan give høj energi pr. masseenhed brændsel. En fast faktor på tre til ti i forhold til spaltning gælder dog ikke på tværs af alle reaktioner.

Lette grundstoffers udbredelse giver store teoretiske muligheder. Den praktisk tilgængelige energi begrænses også af brændselscyklus, teknologi og økonomi, ikke kun af universets samlede stofmængde.

Gasplaneterne indeholder meget hydrogen, men det gør ikke nødvendigvis dette hydrogen til en tilgængelig eller økonomisk brændselskilde.

For jordbaserede anlæg er blandt andet tritiumforsyning, materialer og samlet virkningsgrad mere umiddelbare udfordringer end mangel på hydrogen i universet.

Helium er kemisk inert og ugiftigt. Deuterium–tritium-fusion danner imidlertid neutroner, som kan gøre reaktormaterialer radioaktive, og tritium er selv radioaktivt. Fusion er derfor ikke uden radioaktivt affald eller krav til sikker håndtering.

Fusion er vanskelig

Hvorfor producerer vi endnu ikke kommerciel elektricitet med fusion?

De positivt ladede kerner frastøder hinanden elektrisk. Der skal skabes passende temperatur, tæthed og indeslutningstid, så tilstrækkeligt mange kerner kommer tæt nok på hinanden til at fusionere.

I stjerner holder tyngdekraften store stofmængder samlet og muliggør de nødvendige forhold. Jupiter har ikke nok masse til vedvarende hydrogenfusion som i en stjerne.

På Jorden må vi skabe og styre disse forhold på andre måder.

Forsøgsanlæg har frembragt fusion i årtier. Udfordringen er at opnå pålidelig elproduktion med positiv samlet energibalance og konkurrencedygtige omkostninger.

(Den første termonukleare bombe i 1952 udnyttede fusion i stor skala. En eksplosion er naturligvis ikke en metode til sikker, kontrolleret energiforsyning).

Mange konstruktioner kræver plasma over 100 millioner grader Celsius. Plasmaet skal holdes væk fra væggene, mens materialerne også skal modstå varme og stråling under normal drift.

De mange udfordringer har ført til den sarkastiske bemærkning, at »fusion altid ligger 30 år ude i fremtiden«.

At skabe de rette betingelser

Energigevinst skal defineres præcist. Energi fra fusion i forhold til opvarmningen af et plasma eller en brændselspille er ikke det samme som nettoelektricitet fra hele anlægget.

Flere forskellige metoder undersøges.

Nogle har dokumenteret bestemte fysiske principper eller fusionsreaktioner. Det betyder ikke, at alle har demonstreret en komplet reaktor eller kommerciel energiproduktion.

Tokamakker

I en tokamak indeslutter magnetfelter plasmaet i et ringformet område.

Det er en af de vigtigste forskningsretninger og grundlaget for ITER, et stort internationalt fusionsforsøg med deltagelse af mange lande.

Kilde: DOE

ITER har oplevet store forsinkelser og tekniske vanskeligheder. Den reviderede plan fra 2024 placerede drift med deuterium og tritium i 2039. ITER er et forsøgsanlæg og skal ikke levere kommerciel elektricitet til elnettet.

Andre former for magnetisk indeslutning

Stellaratorer, spheromakker og andre kompakte toroidale systemer bruger også magnetfelter. Deres geometri og måden at skabe felterne på er forskellige.

I en stellarator skaber ydre spoler et komplekst tredimensionalt felt. Det kan have fordele ved langvarig drift, men kræver præcis konstruktion og fremstilling. Geometrien gør også modellering og optimering vanskelig.

Spheromakker har en anden fordeling af magnetfelter og elektriske strømme end en konventionel tokamak.

Kompakte toroider søger blandt andet at undgå den centrale spole i visse ringformede konstruktioner. Det ændrer kravene, men fjerner ikke alle problemer med indeslutning.

Lasere

Ved inertiel fusion bruges kraftige laserpulser til at komprimere en lille brændselspille. Opvarmningen og kompressionen skal foregå meget hurtigt og symmetrisk.

Et eksempel er den amerikanske National Ignition Facility (NIF), der fokuserer 192 laserstråler mod et lille mål. En meget høj spidseffekt i et kort øjeblik er ikke det samme som tilsvarende kontinuerlig elproduktion.

Kilde: Britannica

Inertiel fusion er en anden vigtig forskningsvej. Kommerciel drift ville kræve effektive lasere, billige mål og pålidelig gentagelse af pulserne.

Magnetiske anlæg har udfordringer med indeslutning, varmebelastning og materialer. Laserbaserede anlæg kræver præcis energioverførsel og kompression samt gentagen drift.

Pulskompression og elektriske strømme

Andre metoder bruger elektriske strømme eller mekanisk kompression af magnetiseret plasma. En familie af metoder kaldes fusion med magnetiseret mål (MTF). Det er ikke identisk med enhver metode, der bruger elektrisk kompression.

Ved Z-pinch komprimeres plasma af magnetfeltet fra en elektrisk strøm. Andre systemer bruger mekanisk kompression af et magnetiseret mål. Partikelstråler kan også bidrage til opvarmning eller reaktioner, men alle disse metoder er ikke den samme teknologi.

Kilde: IEEE

Nogle konstruktioner sigter mod mere kompakte anlæg end store tokamakker. Størrelsen alene dokumenterer hverken lav pris eller anvendelig energiproduktion.

Forskellige former for pulseret fusion undersøges af virksomheder som General Fusion (GFUZ ) og Helion. Deres teknologier er forskellige. General Fusion var privat i artiklens historiske 2024-kontekst; kursangivelsen GFUZ vedrører den senere børsnotering i juli 2026.

På vej mod kommerciel fusion

Energigevinst

Fusion var fortsat et forsøgsområde i 2024, uden dokumenteret kommerciel elproduktion.

Forsøgene har forbedret flere præstationsmål. Resultater med forskellige definitioner af energigevinst skal dog ikke sammenblandes.

I 2022 meddelte NIF, at »fusionsenergien oversteg laserenergien, der nåede målet«.

Omkring 2,05 megajoule laserenergi gav cirka 3,15 megajoule fusionsenergi. Det var energigevinst på målniveau.

Laserpulsen krævede langt større elektrisk energitilførsel til hele anlægget. Omdannelse af fusionsvarme til elektricitet ville også medføre tab. Forsøget leverede derfor ikke nettoelektricitet.

Resultatet var alligevel en vigtig videnskabelig milepæl.

Plasmastabilitet og varighed

En fremtidig reaktor kræver pålidelig drift og tilstrækkelig samlet energiudnyttelse. Plasmavarighed er ikke det samme som varigheden af selvopretholdende fusion, og en lang plasmapuls dokumenterer ikke automatisk energigevinst.

I 2024 opretholdt det franske WEST-anlæg et plasma i 364 sekunder, altså omkring seks minutter. Det var ikke seks minutters produktion af nettofusionsenergi.

Forsøget bidrager til viden om langvarig drift og varmebelastning i et anlæg med wolframoverflader. Vi behandler materialet og relevante markeder i artiklen »Wolfram – et mindre kendt højteknologisk metal«.

Superledende materialer

Superledere kan forbedre stærke magneter i nogle reaktorer. Ikke alle fusionsmetoder kræver samme magnet- eller superlederteknologi.

Højtemperatursuperledere arbejder stadig ved kryogene temperaturer. En praktisk superleder ved stuetemperatur og normalt tryk er ikke dokumenteret. Emnet behandles i artiklen »Fremskridt inden for superledning baner vejen for en ny teknologisk revolution«.

Kunstig intelligens

Plasma er ioniseret stof med kompleks kollektiv adfærd. At kontrollere det under fusionsbetingelser er en stor udfordring.

Visse ustabiliteter kan forringe indeslutningen eller afbryde plasmaet.

Forskere bruger målinger, modeller og hurtige reguleringssystemer til at styre driften. Beregningerne skal være både hurtige og pålidelige for at kunne reagere i tide.

AI er blevet afprøvet til bestemte styringsopgaver, som vi beskrev i en relateret artikel. Et forsøg på DIII-D kunne forudsige bestemte tearing-ustabiliteter op til 300 millisekunder før deres fremkomst. Det er ikke en generel løsning på enhver plasmaustabilitet i alle reaktorer.

»Vi behøver ikke længere vente på, at ustabiliteterne opstår, og derefter korrigere hurtigt, før plasmaet bliver forstyrret.«

Sikkerhed

Fusion bruger ikke samme selvopretholdende kædereaktion som spaltning. Hvis de nødvendige plasmabetingelser forsvinder, stopper reaktionen. Det giver sikkerhedsfordele, men ikke fravær af alle risici.

Et stort energianlæg skal stadig håndtere blandt andet følgende:

• Tritium er radioaktivt. Anlæg, der bruger det, kræver tæthed, overvågning og sikker brændselshåndtering. Omfanget af en mulig udledning afhænger af konstruktionen og hændelsen.
• Varmebelastning, stærke magnetfelter, oplagret energi og ustabiliteter kræver beskyttelse af personale og sikre driftssystemer.
• Deuterium–tritium-fusion danner neutroner, som kan aktivere reaktormaterialer. Mængden og egenskaberne af det radioaktive affald afhænger af materialevalg og drift og kræver passende håndtering.

Relaterede Emner

Fusionsbaseret rumfremdrift

Fusion undersøges især til energi på Jorden, men er også foreslået til rumfremdrift.

Kernebrændslets høje specifikke energi kan give muligheder for lange rumrejser. Det gør ikke en uprøvet motor til en allerede ideel løsning.

Nogle koncepter kunne teoretisk forkorte rejser eller mindske behovet for medbragt drivmiddel. Fremdrift, effektivitet, strålingsbeskyttelse og varmeafgivelse skal stadig løses.

En rummotor skal yde meget i forhold til sin masse. En velfungerende reaktor på Jorden ville derfor ikke automatisk løse kravene til et rumfartøj.

Hvis teknologien modnes, kunne den ændre mulighederne for en rumbaseret økonomi, som vi undersøger her. Det ville ikke straks gøre alle rumprojekter gennemførlige.

Kold fusion

Kold fusion er en omstridt idé om kernereaktioner uden de sædvanlige betingelser i varmt plasma. Den er ikke en dokumenteret energikilde.

Forskere har undersøgt metaller, der optager hydrogen eller deuterium, blandt andet palladium, erbium og titan. Et metalgitter med sådanne isotoper er ikke i sig selv dokumentation for fusion eller energigevinst.

Stanley Pons og Martin Fleischmann fremsatte i 1989 et berømt krav om kold fusion. Manglende pålidelig reproduktion førte til stærk kritik af fortolkningen og forsøgsmetoderne.

Mindre forskergrupper arbejder fortsat med beslægtede spørgsmål under betegnelser som lavenergi-kernereaktioner (LENR) og kernestudier i kondenseret stof (CMNS).

Interessen for mere kontrollerede undersøgelser steg igen i 2020’erne. ARPA-E annoncerede i 2023 tilskud til forskning i LENR, mens NASA havde rapporteret forsøg med metalgitre i 2020. NASA-forsøgene brugte ekstern højenergiaktivering og viste ikke selvstændig energiproduktion ved stuetemperatur.

Ny finansiering kan hjælpe med at afprøve hypoteser. Den bekræfter ikke i sig selv, at kold fusion virker eller vil blive kommercielt anvendelig.

Kavitation og påstande om fusion

En anden hypotese knytter fusion til kollapsende bobler i væsker, eksempelvis under ultralyd. Den omtales ofte som sonofusion.

Boblekollaps kan skabe intense lokale forhold. Lysudsendelsen, der kaldes sonoluminescens, er imidlertid ikke i sig selv tegn på kernefusion.

Tidligere påstande om sonofusion har mødt omfattende videnskabelig kritik.

Nye påstande kræver uafhængig reproduktion og udelukkelse af andre kilder til det målte signal.

I maj 2024 udkom artiklen »Observation af neutronemission under akustisk kavitation af deutereret titanpulver« i Scientific Reports, ikke i tidsskriftet Nature. Forfatterne rapporterede neutronemission i et system med deutereret titanpulver og dråber af tungt vand i mineralolie.

Forfatterne oplyste, at neutronemissionen fortsatte i flere timer, og at forsøget blev gentaget under forskellige forhold. De foreslog, at neutronerne stammede fra fusion af deuterium i titangitteret som følge af kavitationens mekaniske påvirkning.

Dette er forfatternes fortolkning, ikke uafhængigt fastslået bevis for en ny energikilde. Arbejdet demonstrerede ikke nettoenergigevinst eller en kommerciel reaktor.

Den private sektors rolle

Plasmafysik og fusion er hovedsageligt udviklet gennem offentligt finansierede forskningsprogrammer.

En del af forskningen er også knyttet til national sikkerhed. NIF understøtter blandt andet studier af højenergifysik og vurdering af USA’s atomvåbenlagre uden atomprøvesprængninger.

Lange udviklingstider og usikker kommerciel gevinst forklarer den store rolle, som offentlige og akademiske institutioner har haft.

Privat interesse styrkes af flere forhold:

1. Årtiers forskning har skabt viden, data og specialiserede medarbejdere.
2. Nye forsøgsresultater og fremskridt inden for materialer og beregning tiltrækker risikovillig kapital. Begejstring er dog ikke dokumentation for nært forestående kommerciel succes.
3. Klimaændringer og geopolitiske hensyn øger interessen for pålidelig energi med lave udledninger.

Private virksomheder afprøver nye konstruktioner og hurtigere udviklingsforløb. Sammenligningen med SpaceX (SPCX ) vedrører denne arbejdsform, ikke et bevis for at fusion vil følge samme udvikling som genanvendelige raketter.

Fusionsvirksomheder

I den historiske 2024-kontekst var de fleste specialiserede fusionsvirksomheder private. De omfattede Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TAE Technologies, ZAP Energy og NEO Fusion. En bredere liste over fusionsvirksomheder findes på Dealrooms side.

1. General Fusion

General Fusion er en af de virksomheder, som søger at udvikle fusion med privat kapital.

Virksomheden blev grundlagt i 2002 for at udvikle fusion med magnetiseret mål.

General Fusion mener, at metoden kan mindske omkostninger og kompleksitet. Den har udviklet plasmainjektorer og kompressionssystemer og annonceret flere tekniske milepæle. Afprøvede delsystemer er ikke det samme som et dokumenteret kraftværk.

Kilde: General Fusion

I 2024 beskrev virksomheden mål om 100 millioner graders temperatur og senere videnskabelig energibalance. P0 var et kompressionsforsøg i omtrent en femtedel af den relevante systemskala, ikke et komplet kraftværk i skala 1:5. Mål for 2025–2026 var endnu ikke opnåede resultater eller nettoelektricitet.

General Fusion har afprøvet centrale delteknologier gennem mange år. Deres samlede funktion og nødvendige ydeevne skal stadig dokumenteres.

En privat virksomhed kan ofte ændre konstruktion hurtigere end et stort internationalt projekt. Det fjerner ikke tekniske problemer, sikkerhedskrav eller behovet for uafhængig vurdering.

Kilde: General Fusion

Fleksibiliteten kan hjælpe udviklingen, men garanterer ikke, at private virksomheder lykkes, hvor store offentlige projekter har vanskeligheder.

2. Lockheed Martin Corporation

Et børsnoteret selskab med historisk fusionsforskning er Lockheed Martin Corporation (LMT ), en stor luftfarts- og forsvarskoncern.

Lockheed Martin præsenterede i 2010’erne programmet Compact Fusion. De tidlige forventninger om hurtig udvikling førte ikke til en dokumenteret kommerciel reaktor.

Efter de første offentlige meddelelser blev de tekniske oplysninger mere begrænsede. Det er ikke tilstrækkeligt dokumenteret at forklare programmets udvikling med et bestemt internt resultat.

Adskilt fra det tidligere program blev en investering i fusionsmotorvirksomheden Helicity annonceret i 2024.

Helicity undersøger pulseret fusion til rumfremdrift. At begge virksomheder arbejder med plasma betyder ikke, at metoden er identisk med General Fusions.

Offentlige oplysninger er utilstrækkelige til at knytte denne investering til en bestemt teknisk fiasko i Compact Fusion-programmet.

En rumfusionsmotor og et jordbaseret kraftværk har forskellige krav. Investeringen beviser ikke, at en fungerende motor er tæt på markedet.

3. TAE Technologies

TAE Technologies, tidligere Tri Alpha Energy, udvikler fusionsteknologi i Californien. I 2024 arbejdede virksomheden videre fra Norman-anlægget mod den næste generation, Copernicus.

Kilde: TAE

TAE bruger neutrale partikelstråler til at tilføre energi og understøtte plasmastabilitet. Det er ikke et kemisk fortykningsmiddel til brændslet.

Virksomheden bruger også 3D-print til prototyper og komponenter for at forbedre udviklingshastighed og, hvor muligt, vægt. En besparelse på en enkelt del beskriver ikke nødvendigvis hele reaktoren.

Kilde: TAE

TAE har fremlagt mål om et pilotkraftværk i 2030’erne. Tidsplanen afhænger af de næste maskiners resultater og er ikke en garanteret kommerciel lancering.

Virksomheden forbinder finansieringsrunder med tekniske milepæle. Kapitaltilførsel er ikke i sig selv dokumentation for en økonomisk levedygtig reaktor.

Google og Chevron (CVX ) deltog i en finansieringsrunde på 250 millioner dollar i 2022. Googles samarbejde med TAE begyndte i 2014 og omfatter beregninger og maskinlæring.

Relaterede aktiviteter omfatter teknologi til biomedicinske anvendelser, blandt andet bor-neutronindfangningsterapi (BNCT), samt løsninger til elektrisk effektstyring, batterier og elektrisk mobilitet.

4. Helion

Helion sigter mod fusion med deuterium og helium-3, i modsætning til den mere udbredte deuterium–tritium-retning.

Helion planlægger at producere helium-3 gennem deuteriumreaktioner i sit eget system. Brændselscyklussen skal dokumenteres i relevant skala; udvinding på Månen er ikke automatisk en nødvendig alternativ forsyning.

Metoden omfatter dannelse, acceleration og kompression af plasmapulser.

Virksomheden sigter mod direkte elektrisk energiudvinding gennem elektromagnetisk induktion frem for den sædvanlige kæde med varme, damp og turbine.

Hvis metoden virker, kan den mindske visse tab og udstyrsbehov. Det dokumenterer ikke på forhånd en bestemt flerdobling af hele anlæggets virkningsgrad.

Helion beskriver mål om lave brændsels- og driftsomkostninger og mindre behov for dampsystemer. Det er virksomhedens forventninger, ikke allerede dokumenterede egenskaber ved et kommercielt kraftværk.

Den tidligere maskine Trenta var virksomhedens sjette generation. Helion rapporterede over 10 000 pulser og temperaturer på 100 millioner grader. Forsøgsdriften med Trenta sluttede i 2023.

Kilde: Helion

I 2024 udviklede Helion Polaris, med mål om hurtigere pulser og demonstration af nettoelektrisk gevinst. Det var et udviklingsmål, ikke et allerede opnået resultat.

Den foreslåede maskine er cirka 19 meter lang. Det mål omfatter ikke nødvendigvis hele anlægget og dets hjælpesystemer og viser ikke i sig selv økonomisk levedygtighed.