Sfæriske fusionskøretøjer og mayonnaise – Genopfindelse af vores fremtidige energibehov

Fusionsenergi er så gammel som vores kosmiske system. Den driver solen og stjernerne. Men dens anvendelse på vores planet er stadig eksperimentel.

Ifølge en rapport fra midten af juli, steg investeringerne i feltet med mere end $900 million i år til omkring $7.1 billion. Eksperter mener dog, at væksten i investeringerne endnu ikke er tilstrækkelig. Den er lavere end stigningen på $1.4 billion, der blev opnået sidste år, og $2.8 billion i 2022.

Ifølge Andrew Holland, lederen af Fusion Industry Association:

“Væksten, der er set i de sidste 12 måneder, er positiv, men vil ikke være nok til at realisere fusions ambitiøse mål.”

Som i enhver anden sektor kan vækst kun opnås gennem innovation. I dag vil vi udforske en sådan effektiv og afgørende innovation—rettet mod at fjerne behovet for en ohmisk opvarmningssolenoide—som kunne være den mest indflydelsesrige designfaktor i realiseringen af økonomiske, kompakte fusions‑tokamak reaktorsystemer.

Men før vi dykker dybere ned i forskningen og dens konsekvenser, skal vi have en kort oversigt over, hvordan fusionsenergiens videnskab fungerer, og hvilken rolle tokamaksystemer spiller i den. 

Videnskaben om fusionsenergi og tokamaksystemer

Det er et tværfagligt videnskabsområde, der sigter mod at udvikle en energikilde baseret på kontrolleret fusion. Det grundlæggende princip for fusion involverer at kombinere to kerner for at danne en kerne.

På et mere praktisk niveau involverer fusion på Jorden at skabe forhold, der resulterer i dannelse af vedvarende plasmaer, som er gasser så varme, at elektroner frigøres fra atomkerner. Forskere bruger elektriske og magnetiske felter til at kontrollere den resulterende samling af ioner og elektroner, fordi de har elektriske ladninger. Mekanismen er det, der inspirerer navnet kontrolleret fusion.

Tokamaksystemer hjælper med at indeholde plasma ved hjælp af magnetfelter i en donutform kaldet en torus. Gennem årene er tokamaks blevet det førende koncept for plasmaindeslutning i fremtidens fusionskraftværker. Den forskning, vi vil diskutere i det kommende afsnit, handler om at optimere tokamak‑området.

Kompakte, sfæriske fusionskøretøjer: En mindre tokamak som en mere økonomisk fusionsmulighed

Et udvidet team af forskere har været i spidsen for denne forskning, inklusive videnskabsfolk fra U.S. Department of Energy (DOE), Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), det private firma Tokamak Energy, og Kyushu University i Japan. Deres forslag er enkelt i idéen: et kompakt, sfærisk fusionspilotanlæg, der opvarmer plasma udelukkende ved hjælp af mikrobølger.

 Brugen af mikrobølger ville fjerne behovet for en massiv kobbertrådspole kaldet en solenoide, placeret nær midten af køretøjet, til at opvarme plasmaet. 

Mens han uddyber nytten ved at fjerne denne konventionelle ohmiske opvarmningsmetode, sagde Mayasuki Ono, den primære forskningsfysiker ved PPPL og hovedforfatteren af papiret:

“Et kompakt, sfærisk tokamak‑plasma ligner et æble med en kerne, men med en relativt lille kerne, så man ikke har plads til en ohmisk opvarmningsspole. Hvis vi ikke behøver at inkludere en ohmisk opvarmningsspole, kan vi sandsynligvis designe en maskine, der er lettere og billigere at bygge.”

For at nå sit mål udnytter eksperimentet en teknologi kaldet ECCD, som står for Electron Cyclotron Current Drive, der kan drive en strøm i plasmaet og samtidig opvarme det. Forskerne har yderligere udviklet en computerkode kaldet TORAY, som i kombination med en anden kaldet TRANSP kan scanne stråleens målretning for at fastslå den højeste effektivitet og minimere det nødvendige strømforbrug for at drive den nødvendige strøm.

Forskerne har yderligere identificeret den ECCD‑tilstand, der vil fungere bedst for hver fase af opvarmningsprocessen. De sandsynlige valg involverer to tilstande:

• O‑tilstand eller almindelig tilstand
• X‑tilstand eller ekstraordinær tilstand

Begge disse tilstande er nyttige og bidrager til systemets samlede funktion. X‑tilstanden fungerer bedst, når man skal øge plasmaets temperatur og strøm. O‑tilstanden er det mest egnede valg til at opretholde plasmaets temperatur og strøm efter optrapningen. 

Når han opsummerer de alternative opvarmningsmuligheder, sagde Ono:

“O‑tilstanden er god for et højtemperatur, højdensitet plasma. Men vi fandt, at O‑tilstandens effektivitet bliver meget dårlig ved lavere temperaturer, så man har brug for noget andet til at håndtere lavtemperaturregimet.”

Forskerne understregede også vigtigheden af at holde plasmaet fri for urenheder. Stærke magnetfelter indeholder i vid udstrækning plasmaet inde i en tokamak i en bestemt form, men nogle gange kan plasmaet komme tæt på tokamakens indvendige vægge, så atomer fra væggene kan sputtere af og komme ind i plasmaet.

Selvom forskningsforslagene stadig er eksperimentelle, kan vi allerede se involveringen af kommercielle enheder, der kan tage denne løsning videre, skalere den op, og gøre anvendelsen af fusionsenergi mere optimeret og energieffektiv. I det kommende afsnit diskuterer vi Tokamak, virksomheden der allerede har været involveret i processen.

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak har været i front med at udvikle den nødvendige teknologi for succesfuldt at levere fusionsenergi i 2030’erne. Dets vision er at gøre fusionsenergi ren, sikker, overkommelig og let tilgængelig.

Indtil videre har virksomheden opnået 77 familier af patentansøgninger og samlet rejst $250 million i total. Af disse $250 million kom $200 million fra private investorer, og resten fra de britiske og amerikanske regeringer. 

I sin driftsperiode har virksomheden tilføjet mange fjer til sin kappe. For eksempel blev virksomheden i 2022 den første private fusionsvirksomhed, der opnåede en plasmaiontemperatur på 100 million grader Celsius i en tokamak, hvilket er tærsklen for fusion i kommerciel skala.

Det samme år blev virksomheden også anerkendt for at have det højeste plasma‑‘triple product’ blandt private fusionsvirksomheder, et centralt mål for plasmaens temperatur og indespærringstid. 

Vi har allerede diskuteret den sfæriske Tokamak, som er en af de bedst undersøgte og bredt anerkendte veje til fusionsenergi. Dens fordele omfatter driftsmæssig effektivitet, plasma‑stabilitet og omkostningseffektivitet. 

Tokamaks ST40 højfelt kompakte sfæriske tokamak er en af de mest avancerede inden for dette område. Gennem dette opnåede Tokamak en plasmaiontemperatur på 100 million grader Celsius, hvilket var seks gange varmere end solens kerne.

Tokamak bygger også et Demo4‑magnetssystem i en specialbygget testfacilitet. Systemet består af 44 individuelle HTS‑spoler samlet i 14 toroidale feltlemmer og to poloidale feltspoler i en burformet struktur. Det kan operere i vakuum ved 20 Kelvin (-250°C) med en magnetfeltstyrke næsten en million gange stærkere end Jordens magnetfelt.

#2. Helion

En anden virksomhed, der udfører banebrydende arbejde inden for dette område, er Helion. Virksomheden hævder at have bygget verdens første fusionskraftværk. Helions fusionsgenerator er også i stand til at opvarme fusionsbrændstof til over 100 million grader Celsius. Desuden kan den udtrække elektricitet med en høj‑effektiv pulserende tilgang.

Helions løsning udnytter magneto‑inertial fusions teknologi. Helions teknologi har tre fremtrædende funktioner, der gør den anderledes end andre tilgange inden for dette område. For at muliggøre justering af strømoutput baseret på behov udnytter virksomheden et pulserende, ikke‑tændende fusionssystem.

Ligesom et regenerativt bremsesystem fungerer i en elbil, kan Helion‑systemet direkte genvinde elektricitet. Dette gør Helion‑systemet meget mere energieffektivt, da

de andre tilgængelige fusionssystemer opvarmer vand for at skabe damp, der driver turbinen, og mister meget energi i processen.

Helion anvender deuterium og helium‑3 (D‑³He) som brændstof. Fusionen af disse to producerer ladede partikler, som kan direkte genindfanges som elektricitet, hvilket holder systemet lille, effektivt, hurtigt og omkostningseffektivt. Brugen af deuterium og helium‑3 (D‑³He) som brændstof hjælper med at reducere neutronemissioner og reducerer betydeligt de ingeniørmæssige udfordringer, der opstår ved brug af deuterium‑tritium fusionsbrændstof.

Vigtigt er, at virksomheden mener, at deres fusionskraft kan blive en af de lavest omkostningsfulde strømkilder, ideelt set producere elektricitet til en pris på $0.01 per kWh.

Ifølge de seneste tilgængelige oplysninger kunne virksomheden, grundlagt i 2008, rejse $500 million inden udgangen af 2021 og nå en værdiansættelse på $1.25 billion. Denne seneste runde blev ledet af Sam Altman, CEO for OpenAI, som personligt investerede $375 million, hvilket understreger den stærke tro på Helions potentiale til at revolutionere energiproduktionen gennem fusions teknologi. Den samlede finansiering udgør nu $577 million, som vil blive brugt til at færdiggøre Helions syvende prototype, Polaris, og komme tættere på at kommercialisere fusionsenergi inden 2024.

Avanceret teknologisk arbejde fra virksomheder som Tokamak og Helion hjælper fusionsenergiområdet med at gøre store fremskridt. Den specifikke forskning, vi citerede for at starte vores diskussion, var et resultat af et offentligt‑privat partnerskab. Det viser, at der er en stabil og systemisk overførsel af viden og kapaciteter mellem forskningsinstitutioner og kommercielle virksomheder. 

Fremtiden for fusionskøretøjer: Innovativ tænkning mod optimering af ressourcer

At opnå succes med fusion vil kræve, at man dykker dybere ned i dens videnskab. Forskere er mere nysgerrige end nogensinde. 

Mayonnaise hjælper forskere med at løse komplekse fusionsenergiudfordringer

team af Lehigh University-forskere bruger mayonnaise som en nøgleingrediens i deres igangværende forskning om faserne af Rayleigh‑Taylor‑instabilitet. Denne forskning kan informere designet af fremtidige inertielle indespærringsfusionsprocesser for ren energi.

Ifølge Arindam Banerjee, Paul B. Reinhold professor i maskiningeniør og mekanik ved Lehigh University og formand for MEM‑afdelingen i P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

“Teamet arbejder stadig på det samme problem, nemlig den strukturelle integritet af fusionskapsler, der anvendes i inertiel indespærringsfusion, og Hellmann’s Real Mayonnaise hjælper os stadig i søgen efter løsninger.”

Mayonnaise hjælper teamet ved at fungere som et fast stof, der begynder at flyde, når det udsættes for en trykgradient. Rayleigh‑Taylor‑problemet, et velkendt fænomen i fysik, involverer den situation, der opstår mellem materialer med forskellige tæthed, når tætheds‑ og trykgradienterne er i modsat retning, hvilket skaber en ustabil lagdeling. Brug af mayonnaise gør det muligt at afprøve mulige løsninger, mens behovet for høje temperatur‑ og trykforhold, som er ekstremt svære at kontrollere, elimineres.

Kold fusion uden ekstreme temperaturer

Et andet nyligt gennembrud inden for kold fusion har genoplivet håbet om at opnå ren energi uden behov for ekstremt høje temperaturer og plasma, som traditionelt er forbundet med nuklear fusion.

Denne udvikling, som længe blev betragtet som marginal videnskab, involverer brug af materialvidenskab, sjældne metaller og specifikke kemiske processer for at opnå nuklear fusion ved lavere temperaturer.

Det videnskabelige samfund havde tidligere afvist kold fusion på grund af manglende evne til at reproducere de tidlige eksperimentelle resultater, men en ny fagfællebedømt undersøgelse offentliggjort i Nature antyder en mulig vej frem ved at observere neutronemissioner under eksperimenter med deutereret titaniumpulver under akustisk kavitation. Denne opdagelse kan bane vejen for mere forskning i kold fusion som en levedygtig alternativ energikilde, der tilbyder potentialet for ren, næsten ubegrænset strøm.

Studiets resultater udfordrer den længe eksisterende opfattelse af, at nuklear fusion kræver de ekstreme forhold, der findes i stjerner, såsom millioner af grader temperatur og kraftige magnetfelter. I stedet undersøger denne nye tilgang potentialet for at opnå fusion gennem andre mekanismer, hvilket kan revolutionere energilandskabet ved at tilbyde en mere tilgængelig og mindre ressourcekrævende metode til energiproduktion.

Hvis det lykkes, kan kold fusion omgå den massive infrastruktur og energiforbrug, der kræves af traditionelle fusionsmetoder, og blive en spilskifter i jagten på bæredygtige og rene energiløsninger.

AI: En spilskifter i stabilisering af nukleare fusionsreaktioner

Med stigende sofistikering og voksende evner revolutionerer AI feltet for nuklear fusion ved at forudsige og forhindre plasma‑instabiliteter, som historisk har hindret bæredygtigheden af fusionsreaktioner.

Forskere ved Princeton University og U.S. Department of Energy’s Princeton Plasma Physics Laboratory har udviklet en AI‑model, der kan forudse plasma‑forstyrrelser, såsom tearing‑mode‑instabiliteter, op til 300 millisekunder før de manifesterer sig. Dette gør det muligt for AI’en at foretage realtidsjusteringer af reaktorens parametre, opretholde plasmaens stabilitet og forhindre reaktionen i at afslutte for tidligt.

AI’ens forudsigende kraft kommer fra dens træning på data fra tidligere eksperimenter, hvilket gør den i stand til dynamisk at reagere på potentielle instabiliteter på måder, som traditionelle fysikbaserede modeller ikke kan.

Da plasma er iboende ustabilt og komplekst, har opretholdelse af dets stabilitet været en betydelig udfordring i at opretholde nuklear fusion. Traditionelt har metoder fokuseret på at afbøde instabiliteter først efter, at de er begyndt at forstyrre plasmaet, ofte for sent til at redde reaktionen.

Ved at udnytte AI’s evne til at forudsige og på forhånd modvirke disse instabiliteter bliver fusionsprocessen mere stabil og levedygtig, og den kommer tættere på realiseringen af praktisk og bæredygtig fusionsenergi. Denne fremgang forbedrer ikke kun udsigterne for fusion som en ubegrænset energikilde, men understreger også den kritiske rolle, AI spiller i at overvinde de mest udfordrende barrierer i fusionsforskning.

Hvad bringer fremtiden?

Fremtiden vil se virksomheder, der udformer fusionskraftløsninger, som optimerer plads og brugen af ressourcer i forhold til energi og omkostninger. Ifølge Omar Hurricane, programleder ved Lawrence Livermore National Laboratory, hvor National Ignition‑faciliteten er placeret:

“Fusion ser nu meget mere plausibel ud end for ti år siden som en fremtidig energikilde.”

I 2023, videnskabsfolk gjorde et gennembrud da de skabte en nuklear reaktion, der kunne generere mere energi, end den forbrugte. Ifølge rapporten anvendte eksperimentet et sæt på 192 lasere til at levere 2,05 megajoule energi på en ærtestørrelse guldcylinder, der indeholdt en frossen pellet af hydrogenisotoperne deuterium og tritium.

Energien var så intens at den kollapsede kapslen. Den opnåede temperatur kunne kun matches af stjerner og termonukleare våben. Mere specifikt, som laboratoriet foreslog, blev 3,15 megajoule energi frigivet – næsten 54 % mere end den energi, der gik ind i reaktionen, og mere end dobbelt så meget som den tidligere rekord på 1,3 megajoule.

Mange forskere mente, at eksperimentets resultater havde stort potentiale for fremtiden. Ifølge Michael Campbell, tidligere direktør for fusionslaboratoriet ved University of Rochester i New York og en tidlig fortaler for NIF mens han var på Lawrence Livermore‑laboratoriet, kunne gennembruddet øge tilliden til løftet om laser‑fusionskraft og i sidste ende åbne døren til et nyt program med fokus på energianvendelser. Kim Bundil, direktør for Lawrence Livermore‑laboratoriet, mente, at det var den “grundlæggende byggesten i et inertielt indespærrings‑fusionskraftskema.”

Prøven og dens succes demonstrerede også behovet for mange fremtidige udviklinger, der ville gøre processen mere robust. For eksempel skal den energi, der frigives i forhold til den energi, der går ind i produktionen af laserpulser, vokse med mindst to størrelsesordener, for at prøven kan blive en levedygtig proces.

Fremtiden skal også se en dramatisk stigning i den hastighed, hvormed laserne kan producere pulser, og hvor hurtigt de kan rydde målkammeret for at forberede det til en ny brænding.

Mens disse bestræbelser vil fortsætte i de kommende dage, vil vi afslutte dagens diskussion med omtalen af et andet vigtigt projekt i dette område – det 22‑milliarder dollars store ITER‑projekt, et samarbejde mellem Kina, Den Europæiske Union, Indien, Japan, Korea, Rusland og USA. Projektet arbejder på at opnå selvbærende fusion, hvor energien fra fusionen vil producere mere fusion.

Langsomt og støt, efterhånden som de nuværende eksperimenter kulminerer i deres afslutning, vil fusionsenergi blive mere omkostningseffektiv, optimeret og klar til bredere masseadoption.