Sfæriske fusjonsfartøyer og majones – Gjenoppfinner våre fremtidige energibehov

Fusjonsenergi er like gammel som vårt kosmiske system. Den driver solen og stjernene. Imidlertid er dens anvendelse på vår planet fortsatt eksperimentell.

Ifølge en rapport fra midten av juli, økte investeringene i feltet med mer enn 900 millioner dollar i år til omtrent 7,1 milliarder dollar. Imidlertid mener eksperter at veksten i investeringene ennå ikke er tilstrekkelig. Den er lavere enn økningen på 1,4 milliarder dollar som ble oppnådd i fjor og 2,8 milliarder dollar i 2022.

According to Andrew Holland, the head of the Fusion Industry Association:

“Veksten som er sett de siste 12 månedene er positiv, men vil ikke være nok til å levere fusjonens ambisiøse mål.”

Som i enhver annen sektor kan vekst kun oppnås gjennom innovasjon. I dag vil vi utforske en slik effektiv og avgjørende innovasjon – rettet mot å eliminere behovet for en ohmisk oppvarmingssolenoide – som kan være den mest innflytelsesrike designfaktoren for å realisere økonomiske, kompakte fusjonstokamakreaktorsystemer.

Men før vi dykker dypere inn i forskningen og dens konsekvenser, må vi ha en kort oversikt over hvordan fusjonsenergi vitenskap fungerer og hvilken rolle tokamaksystemer spiller i den.

Vitenskapen om fusjonsenergi og tokamaksystemer

Det er et tverrfaglig vitenskapsfelt som har som mål å utvikle en energikilde basert på kontrollert fusjon. Det grunnleggende prinsippet for fusjon innebærer å kombinere to kjerner for å danne en kjerne.

På et mer praktisk nivå innebærer fusjon på jorden å skape forhold som resulterer i generering av vedvarende plasmaer, som er gasser så varme at elektroner frigjøres fra atomkjerner. Forskere bruker elektriske og magnetiske felt for å kontrollere den resulterende samlingen av ioner og elektroner fordi de har elektrisk ladning. Mekanismen er det som inspirerer navnet kontrollfusjon.

Tokamaksystemer hjelper med å inneholde plasma ved hjelp av magnetiske felt i en donutform kalt en torus. Gjennom årene har tokamaker blitt det ledende konseptet for plasmainneslutning i fremtidige fusjonskraftverk. Forskningen vi skal diskutere i det kommende segmentet handler om å optimalisere tokamak-området.

Kompakte, sfæriske fusjonsfartøyer: En mindre tokamak som et mer økonomisk fusjonsalternativ

Et utvidet team av forskere har vært ledende i denne forskningen, inkludert vitenskapsfolk fra USAs energidepartement (DOE), Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), det private selskapet Tokamak Energy, og Kyushu University i Japan. Deres forslag er enkelt i idéen: et kompakt, sfærisk fusjonspilotanlegg som varmer plasma ved kun bruk av mikrobølger.

 Bruken av mikrobølger ville eliminere behovet for en massiv kobbertrådspole kalt en solenoide som er plassert nær sentrum av fartøyet for å varme plasmaet. 

Mens han utdypet nytten av å fjerne denne konvensjonelle ohmiske oppvarmingsmetoden, sa Mayasuki Ono, hovedforskningsfysiker ved PPPL og hovedforfatter av artikkelen:

«Et kompakt, sfærisk tokamakplasma ser ut som et eple med kjerne med en relativt liten kjerne, så man har ikke plass til en ohmisk oppvarmingsspole. Hvis vi ikke trenger å inkludere en ohmisk oppvarmingsspole, kan vi sannsynligvis designe en maskin som er lettere og billigere å bygge.»

For å oppnå sitt mål utnytter eksperimentet en teknologi kalt ECCD, som står for Electron Cyclotron Current Drive, som kan drive en strøm i plasmaet samtidig som den varmer det. Forskerne har også utviklet en datakode kalt TORAY, som i kombinasjon med en annen kalt TRANSP, kan skanne målrettingsvinklene til strålen for å fastslå høyest effektivitet og minimere kraftbehovet for å drive den nødvendige strømmen.

Forskerne har også identifisert hvilken ECCD-modus som vil fungere best for hver fase av oppvarmingsprosessen. De sannsynlige valgene involverer to moduser:

• O-modus eller ordinær modus
• X-modus eller ekstraordinær modus

Begge disse modusene er nyttige og bidrar til systemets samlede funksjon. X-modus fungerer best når man trenger å øke plasmaets temperatur og strøm. O-modus er det beste alternativet for å opprettholde plasmaets temperatur og strøm etter opptrappingen.

Når han oppsummerer de alternative oppvarmingsalternativene, sa Ono:

«O-modus er bra for et høytemperatur, høy‑tetthets plasma. Men vi fant at O-modusens effektivitet blir svært dårlig ved lavere temperaturer, så man trenger noe annet for å håndtere lavtemperaturregimet.»

Forskerne understreket også viktigheten av å holde plasmaet fritt for urenheter. Sterke magnetfelt holder plasmaet stort sett inne i en tokamak i en bestemt form, men noen ganger kan plasmaet komme nær de indre veggene av tokamaken, slik at atomer fra veggene kan sputtere av og komme inn i plasmaet.

Selv om forskningsforslagene fortsatt er eksperimentelle, kan vi allerede se involveringen av kommersielle enheter som kan ta denne løsningen videre, skalere den opp, og gjøre anvendelsen av fusjonsenergi mer optimalisert og energieffektiv. I det kommende segmentet diskuterer vi Tokamak, selskapet som allerede har vært involvert i prosessen.

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak har vært i frontlinjen i utviklingen av teknologien som kreves for å levere fusjonsenergi med suksess på 2030-tallet. Visjonen er å gjøre fusjonsenergi ren, sikker, rimelig og lett tilgjengelig.

Så langt har selskapet oppnådd 77 familier av patentsøknader og samlet inn totalt 250 millioner dollar. Av disse 250 millioner dollar kom 200 millioner fra private investorer, og resten fra den britiske og amerikanske regjeringen.

I sin operasjonelle levetid har selskapet lagt til mange fjær på hatten. For eksempel, i 2022 ble selskapet det første private fusjonsselskapet som oppnådde en plasmaiontemperatur på 100 millioner grader Celsius i en tokamak, grensen for fusjon på kommersiell skala.

Det samme året ble selskapet også anerkjent for den høyeste plasma‑‘trippel‑produktet’ blant private fusjonsselskaper, et nøkkelmål på plasmaets temperatur og innelåsnings‑tid.

Vi har allerede diskutert den sfæriske Tokamaken, som er en av de best undersøkte og bredt anerkjente veiene til fusjonsenergi. Dens fordeler inkluderer operasjonell effektivitet, plasma‑stabilitet og kostnadseffektivitet.

Tokamaks ST40 høy‑felt kompakte sfæriske tokamak er en av de mest avanserte innen dette feltet. Gjennom dette oppnådde Tokamak en plasmaiontemperatur på 100 millioner grader Celsius, som var seks ganger varmere enn solens sentrum.

Tokamak bygger også et Demo4-magnetsystem i et spesialbygd testanlegg. Systemet består av 44 individuelle HTS‑spoler samlet i 14 toroidale felt‑lemmer og to poloidale feltspoler i en bur‑formet struktur. Det kan operere i vakuum ved 20 Kelvin (-250 °C) med en magnetfeltstyrke nesten en million ganger sterkere enn jordens magnetfelt.

#2. Helion

Et annet selskap som gjør banebrytende arbeid i dette feltet er Helion. Selskapet hevder å ha bygget verdens første fusjonskraftverk. Helions fusjonsgenerator er også i stand til å heve fusjonsbrensel til over 100 millioner grader Celsius. I tillegg kan den trekke ut elektrisitet med en høy‑effektiv pulserende tilnærming.

Teknologisk sett, utnytter Helions løsning magneto‑inertial fusjonsteknologi. Helions teknologi har tre fremtredende egenskaper som gjør den forskjellig fra andre tilnærminger i dette området. For å tillate justering av kraftoutput basert på behov, bruker selskapet et pulserende, ikke‑tennings‑fusjonssystem.

På samme måte som et regenerativt bremsesystem fungerer i en elbil, kan Helion‑systemet direkte gjenvinne elektrisitet. Dette gjør Helion‑systemet mye mer energieffektivt, siden de andre tilgjengelige fusjonssystemene varmer opp vann for å skape damp som driver turbinen, og mister mye energi i prosessen.

Helion bruker deuterium og helium‑3 (D‑³He) som drivstoff. Fusjonen av disse to produserer ladede partikler som kan bli direkte gjenvunnet som elektrisitet, noe som holder systemet lite, effektivt, raskt og kostnadseffektivt. Bruken av deuterium og helium‑3 som drivstoff bidrar til å redusere nøytronutslipp og reduserer betydelig de ingeniørmessige utfordringene som oppstår ved bruk av deuterium‑tritium‑fusjonsdrivstoff.

Viktig er at selskapet tror at deres fusjonskraft kan bli en av de laveste kostnadskildene til elektrisitet, ideelt sett produsere elektrisitet til en pris på 0,01 USD per kWh.

Ifølge den nyeste tilgjengelige informasjonen, kunne selskapet, etablert i 2008, samle inn 500 millioner dollar innen slutten av 2021, og nå en verdivurdering på 1,25 milliarder dollar. Denne siste runden ble ledet av Sam Altman, administrerende direktør i OpenAI, som personlig investerte 375 millioner dollar, og fremhever den sterke troen på Helions potensial til å revolusjonere energiproduksjon gjennom fusjonsteknologi. Den totale finansieringen er nå 577 millioner dollar, som vil bli brukt til å fullføre Helions syvende prototype, Polaris, og komme nærmere kommersialisering av fusjonsenergi innen 2024.

Avansert teknologisk arbeid fra selskaper som Tokamak og Helion hjelper fusjonsenergi‑området med å gjøre store fremskritt. Den spesifikke forskningen vi refererte til for å starte vår diskusjon var et resultat av et offentlig‑privat partnerskap. Det viser at det er en jevn og systemisk overføring av kunnskap og kapasiteter mellom forskningsinstitusjoner og kommersielle selskaper.

Fremtiden for fusjonsfartøyer: Innovativ tenkning mot optimalisering av ressurser

Å lykkes med fusjon vil kreve dypere innsikt i vitenskapen bak den. Forskere er mer nysgjerrige enn noen gang.

Majones hjelper forskere med å løse komplekse fusjonsenergi‑utfordringer

Et team av forskere ved Lehigh University bruker majones som en nøkkelingrediens i deres pågående forskning på fasene av Rayleigh‑Taylor‑instabilitet. Denne forskningen kan informere designet av fremtidige inertial innkapslings‑fusjonsprosesser for ren energi.

Ifølge Arindam Banerjee, Paul B. Reinhold professor i maskinteknikk og mekanikk ved Lehigh University og leder av MEM‑avdelingen ved P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

«Teamet jobber fortsatt med det samme problemet, nemlig den strukturelle integriteten til fusjonskapsler brukt i inertial innkapslings‑fusjon, og Hellmann’s Real Mayonnaise hjelper oss fortsatt i søken etter løsninger.»

Majones hjelper teamet ved å fungere som et fast stoff som begynner å flyte når det utsettes for et trykkgradient. Rayleigh‑Taylor‑problemet, et velkjent fenomen i fysikken, involverer fenomenet som oppstår mellom materialer med ulike tettheter når tetthets‑ og trykkgradientene er i motsatt retning, og skaper en ustabil lagdeling. Bruken av majones gjør det mulig å prøve mulige løsninger samtidig som behovet for høye temperatur‑ og trykkforhold, som er svært vanskelige å kontrollere, elimineres.

Kald fusjon uten ekstreme temperaturer

Et annet nylig gjennombrudd innen kald fusjon har gjenopplivet håpet om å oppnå ren energi uten behov for ekstremt høye temperaturer og plasma, tradisjonelt assosiert med kjernefysisk fusjon.

Denne utviklingen, som lenge ble ansett som fringe‑vitenskap, involverer bruk av materialvitenskap, sjeldne metaller og spesifikke kjemiske prosesser for å oppnå kjernefysisk fusjon ved lavere temperaturer.

Det vitenskapelige fellesskapet hadde tidligere avvist kald fusjon på grunn av manglende evne til å replikere tidlige eksperimentelle resultater, men en ny fagfellevurdert studie publisert i Nature antyder en mulig vei videre ved å observere nøytronutslipp under eksperimenter med deuterert titanpulver under akustisk kavitasjon. Denne oppdagelsen kan bane vei for mer forskning på kald fusjon som en levedyktig alternativ energikilde, og tilby potensialet for ren, praktisk talt ubegrenset kraft.

Studiets funn utfordrer den langvarige troen på at kjernefysisk fusjon krever de ekstreme forholdene som finnes i stjerner, som millioner av grader temperatur og kraftige magnetfelt. I stedet utforsker denne nye tilnærmingen potensialet for å oppnå fusjon gjennom andre mekanismer, noe som kan revolusjonere energilandskapet ved å tilby en mer tilgjengelig og mindre ressursintensiv metode for å generere energi.

Hvis vellykket, kan kald fusjon omgå den massive infrastrukturen og energiinntaket som kreves av tradisjonelle fusjonsmetoder, og bli en spillveksler i jakten på bærekraftige og rene energiløsninger.

AI: En spillveksler i stabilisering av kjernefysisk fusjonsreaksjoner

Med økende sofistikasjon og voksende evner revolusjonerer AI feltet for kjernefysisk fusjon ved å forutsi og forhindre plasma‑instabiliteter, som historisk har hindret bærekraften til fusjonsreaksjoner.

Forskere ved Princeton University og USAs energidepartementets Princeton Plasma Physics Laboratory har utviklet en AI‑modell som kan forutsi plasma‑forstyrrelser, som rivnings‑modus‑instabiliteter, opptil 300 millisekunder før de oppstår. Dette gjør at AI kan gjøre sanntidsjusteringer av reaktorens parametere, opprettholde plasmaets stabilitet og forhindre at reaksjonen avsluttes for tidlig.

AI‑ens prediktive kraft kommer fra trening på data fra tidligere eksperimenter, som gjør den i stand til å reagere dynamisk på potensielle instabiliteter på måter som tradisjonelle fysikk‑baserte modeller ikke kan.

Ettersom plasma er iboende ustabilt og komplekst, har opprettholdelse av dets stabilitet vært en betydelig utfordring i å opprettholde kjernefysisk fusjon. Tradisjonelt har metoder fokusert på å dempe instabiliteter kun etter at de har begynt å forstyrre plasmaet, ofte for sent til å redde reaksjonen.

Ved å utnytte AI‑ens evne til å forutsi og forhåndsvirke mot disse instabilitetene, blir fusjonsprosessen mer stabil og levedyktig, og nærmer seg realiseringen av praktisk og bærekraftig fusjonsenergi. Denne fremgangen forbedrer ikke bare utsiktene for fusjon som en ubegrenset energikilde, men understreker også den kritiske rollen AI spiller i å overvinne de mest utfordrende hindringene i fusjonsforskning.

Hva bringer fremtiden?

Fremtiden vil se selskaper som utvikler fusjonskraftløsninger som optimaliserer plass og bruken av ressurser i forhold til energi og kostnad. Ifølge Omar Hurricane, programleder ved Lawrence Livermore National Laboratory, hvor National Ignition‑anlegget er lokalisert:

«Fusjon virker nå mye mer plausibelt enn for ti år siden som en fremtidig energikilde.»

I 2023, forskerne gjorde et gjennombrudd da de skapte en kjernefysisk reaksjon som kunne generere mer energi enn den forbrukte. Ifølge rapporter brukte eksperimentet et sett med 192 lasere for å levere 2,05 megajoule energi på en erte‑stor gullsylinder som inneholdt en frossen pellet av hydrogenisotopene deuterium og tritium.

Energien var så intens at den kollapset kapselen. Den oppnådde temperaturen kan kun matches av stjerner og termonukleære våpen. Mer spesifikt, som laboratoriet antydet, ble 3,15 megajoule energi  frigitt—nesten 54 % mer enn energien som ble lagt inn i reaksjonen og mer enn dobbelt så høy som den tidligere rekorden på 1,3 megajoule.

Mange forskere mente at eksperimentresultatene hadde stort potensial for fremtiden. Ifølge Michael Campbell, tidligere direktør for fusjonslaboratoriet ved University of Rochester i New York og en tidlig forkjemper for NIF ved Lawrence Livermore‑labben, kunne gjennombruddet øke tilliten til løftet om laser‑fusjonskraft og til slutt åpne døren til et nytt program fokusert på energiapplikasjoner. Kim Bundil, direktør for Lawrence Livermore‑labben, mente det var den «grunnleggende byggesteinen i et inertial innkapslings‑fusjonskraft‑skjema».

Prøven og dens suksess demonstrerte også behovet for mange fremtidige utviklinger som ville gjøre prosessen mer robust. For eksempel, for at prøven skal bli en levedyktig prosess, må energien som frigjøres i forhold til energien som går inn i å produsere laserpulser øke med minst to størrelsesordener.

Fremtiden må også se en dramatisk økning i hastigheten laserene kan produsere pulser og hvor raskt de kan tømme målkammeret for å forberede det på en ny brenning.

Mens disse innsatsene vil fortsette i dagene som kommer, vil vi avslutte dagens diskusjon med omtalen av et annet viktig prosjekt i dette området – det 22‑milliarder‑dollar ITER‑prosjektet, et samarbeid mellom Kina, EU, India, Japan, Korea, Russland og USA. Prosjektet arbeider mot å oppnå selvforsynt fusjon, hvor energien fra fusjon vil produsere mer fusjon.

Sakte og jevnt, etter hvert som de nåværende eksperimentene kulminerer i sin slutt, vil fusjonsenergi bli mer kostnadseffektiv, optimalisert og klar for bredere masseadopsjon.