Sfäriska fusionsfartyg och majonnäs – omdefinierar våra framtida energibehov

Fusionsenergi är lika gammal som vårt kosmiska system. Den driver solen och stjärnorna. Dess tillämpning på vår planet är dock fortfarande experimentell.

Enligt en rapport i mitten av juli, investeringarna i området ökade med mer än $900 miljoner i år till cirka $7.1 miljarder. Experter anser dock att tillväxten i investeringar ännu inte är tillräcklig. Den är lägre än ökningen på US$1.4 miljarder som uppnåddes förra året och US$2.8 miljarder år 2022.

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

“Den tillväxt som har setts de senaste 12 månaderna är positiv, men kommer inte att vara tillräcklig för att uppnå fusions ambitiösa mål.”

Som i alla andra sektorer kan tillväxt bara uppnås genom innovation. Idag kommer vi att utforska en sådan effektiv och avgörande innovation—inriktad på att eliminera behovet av en ohmisk värmesolenoid—som kan vara den mest påverkande designfaktorn för att realisera ekonomiska, kompakta fusions‑tokamakreaktorsystem.

Men innan vi fördjupar oss i forskningen och dess konsekvenser måste vi ha en kort översikt över hur fusionsenergi fungerar och vilken roll tokamaksystem spelar i den.

Vetenskapen om fusionsenergi och tokamaksystem

Det är ett tvärvetenskapligt forskningsområde som strävar efter att utveckla en energikälla baserad på kontrollerad fussion. Den grundläggande principen för fussion innebär att kombinera två kärnor för att bilda en kärna.

På en mer praktisk nivå innebär fussion på jorden att skapa förhållanden som resulterar i bildandet av bestående plasma, vilket är gaser så heta att elektroner frigörs från atomkärnor. Forskare använder elektriska och magnetiska fält för att kontrollera den resulterande samlingen av joner och elektroner eftersom de har elektrisk laddning. Mekanismen är det som inspirerar namnet kontrollerad fussion.

Tokamaksystem hjälper till att begränsa plasma med hjälp av magnetfält i en donutformad struktur som kallas en torus. Genom åren har tokamaker framträtt som det ledande konceptet för plasmaavgränsning i framtidens fusionskraftverk. Den forskning vi kommer att diskutera i nästa avsnitt handlar om att optimera tokamakutrymmet.

Kompakta, sfäriska fusionsfartyg: En mindre tokamak som ett mer ekonomiskt fusionsalternativ

Ett utökat team av forskare har lett detta forskningsarbete, inklusive forskare från USA:s energidepartement (DOE), Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), det privata företaget Tokamak Energy och Kyushu University i Japan. Deras förslag är enkelt i idé: ett kompakt, sfäriskt fusionspilotanläggning som värmer plasma enbart med mikrovågor.

 Användningen av mikrovågor skulle eliminera behovet av en massiv kopparspole kallad en solenoid som är placerad nära fartygets centrum för att värma plasma.

När man förklarade nyttan med att ta bort detta konventionella ohmiska värmeupplägg sade Mayasuki Ono, huvudforskningsfysiker vid PPPL och huvudförfattare till artikeln:

“Ett kompakt, sfäriskt tokamakplasma ser ut som ett äpple med kärna med en relativt liten kärna, så man har inte utrymme för en ohmisk värmespole. Om vi inte behöver inkludera en ohmisk värmespole kan vi sannolikt designa en maskin som är lättare och billigare att bygga.”

För att nå sitt mål utnyttjar experimentet en teknik som kallas ECCD, vilket står för Electron Cyclotron Current Drive, som kan driva en ström i plasma samtidigt som den värmer det. Forskare har dessutom utvecklat en datorprogramkod kallad TORAY, som i kombination med en annan kod kallad TRANSP kan skanna strålens riktvinklar för att fastställa högsta effektivitet och minimera den kraft som krävs för att driva den nödvändiga strömmen.

Forskare har dessutom identifierat den ECCD-modus som fungerar bäst för varje fas av värmeprocessen. De sannolika alternativen involverar två lägen:

• O‑läge eller ordinärt läge
• X‑läge eller extraordinärt läge
  

Båda dessa lägen är användbara och bidrar till systemets övergripande funktion. X‑läget fungerar bäst när man behöver öka plasmaens temperatur och ström. O‑läget är det bästa alternativet för att bibehålla plasmaens temperatur och ström efter upptrappning.

När man sammanfattar de alternativa värmalternativen sade Ono:

“O‑läget är bra för ett högtemperatur, högdensitet plasma. Men vi fann att O‑lägets effektivitet blir mycket låg vid lägre temperaturer, så man behöver något annat för att hantera lågtemperaturregimen.”

Forskare betonade också vikten av att hålla plasmaet fritt från föroreningar. Starka magnetfält begränsar i stor utsträckning plasmaet inne i en tokamak i en viss form, men ibland kan plasmaet komma nära tokamaks inre väggar, vilket gör att atomer från väggarna kan sputtras av och komma in i plasmaet.

Även om forskningsförslagen fortfarande är experimentella kan vi redan se engagemang från kommersiella aktörer som kan föra denna lösning framåt, skala upp den, och göra tillämpningen av fusionsenergi mer optimerad och energieffektiv. I nästa avsnitt diskuterar vi Tokamak, företaget som redan har varit involverat i processen.

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak har varit i framkant i att utveckla den teknik som krävs för att framgångsrikt leverera fusionsenergi på 2030-talet. Dess vision är att göra fusionsenergi ren, säker, prisvärd och lättillgänglig.

Hittills har företaget erhållit 77 familjer av patentansökningar och samlat in totalt US$250 miljoner. Av dessa US$250 miljoner kom US$200 miljoner från privata investerare, och resten från den brittiska och amerikanska regeringen. 

Under sin verksamhetstid har företaget lagt till många fjädrar i hatten. Till exempel blev företaget 2022 det första privata fusionsföretaget att uppnå en plasmajonstemperatur på 100 miljoner grader Celsius i en tokamak, vilket är tröskeln för fussion i kommersiell skala.

Samma år blev företaget också erkänt för den högsta plasma ‘trippelprodukten’ bland alla privata fusionsföretag, ett nyckelmått på plasma‑temperatur och konfineringstid.

Vi har redan diskuterat den sfäriska Tokamaken, som är en av de mest forskade och allmänt ansedda vägarna till fusionsenergi. Dess fördelar inkluderar driftseffektivitet, plasmastabilitet och kostnadseffektivitet.

Tokamaks ST40 högfältiga kompakta sfäriska tokamak är en av de mest avancerade inom detta område. Genom detta uppnådde Tokamak en plasmajonstemperatur på 100 miljoner grader Celsius, vilket var sex gånger varmare än solens centrum.

Tokamak bygger också ett Demo4‑magnetsystem i en specialbyggd testanläggning. Systemet består av 44 individuella HTS‑spolar som monteras i 14 toroidala fältben och två poloidala fältspolar i en burformad struktur. Det kan fungera i vakuum vid 20 Kelvin (-250 °C) med en magnetfältstyrka nästan en miljon gånger starkare än jordens magnetfält.

#2. Helion

Ett annat företag som gör banbrytande arbete inom detta område är Helion. Företaget påstår sig ha byggt världens första fusionskraftverk. Helions fusionsgenerator kan också höja fusionsbränslet till över 100 miljoner grader Celsius. Dessutom kan den utvinna elektricitet med en hög effektivitet pulserande metod.

Teknologiskt sett utnyttjar Helions lösning magneto‑inertial fusions‑teknik. Helions teknik har tre framstående egenskaper som skiljer den från andra tillgängliga metoder i detta område. För att möjliggöra justering av effektutgången efter behov utnyttjar företaget ett pulserande, icke‑tändnings‑fusionssystem.

På liknande sätt som ett regenerativt bromssystem fungerar i en elbil kan Helion‑systemet direkt återvinna elektricitet. Detta gör Helion‑systemet mycket mer energieffektivt, eftersom de andra tillgängliga fusionssystemen värmer vatten för att skapa ånga som driver turbinen, vilket förlorar mycket energi i processen.

Helion använder deuterium och helium‑3 (D‑³He) som bränsle. Fusionen av dessa två producerar laddade partiklar som kan återtas direkt som elektricitet, vilket håller systemet litet, effektivt, snabbt och kostnadseffektivt. Användningen av deuterium och helium‑3 som bränsle hjälper till att minska neutronutsläpp och avsevärt minska de ingenjörsutmaningar som uppstår vid användning av deuterium‑tritium‑fusionsbränsle.

Viktigt är att företaget tror att deras fusionskraft kan bli en av de billigaste källorna till elektricitet, med en idealisk produktion på US$0.01 per kWh.

Enligt den senaste tillgängliga informationen kunde företaget, som grundades 2008, samla in US$500 miljoner i slutet av 2021 och nå ett värde på $1.25 miljarder. Den senaste finansieringsrundan leddes av Sam Altman, VD för OpenAI, som personligen investerade $375 miljoner, vilket understryker den starka tron på Helions potential att revolutionera energiproduktionen genom fusions‑teknik. Den totala finansieringen uppgår nu till $577 miljoner, som kommer att användas för att slutföra Helions sjunde prototyp, Polaris, och närma sig kommersialiseringen av fusionsenergi år 2024.

Avancerat tekniskt arbete från företag som Tokamak och Helion hjälper fusionsenergiområdet att göra stora framsteg. Den specifika forskning vi citerade för att inleda vår diskussion var ett resultat av ett privat‑offentligt partnerskap. Det visar att det finns en stadig och systemisk överföring av kunskap och kapacitet mellan forskningsinstitutioner och kommersiella företag.

Framtiden för fusionsfartyg: Innovativt tänkande för optimering av resurser

Att lyckas med fussion kräver att man fördjupar sig ännu mer i dess vetenskap. Forskare är mer nyfikna än någonsin. 

Majonnäs hjälper forskare att lösa komplexa fusionsenergiproblem

Ett team av forskare vid Lehigh University använder majonnäs som en nyckelingrediens i deras pågående forskning om faserna av Rayleigh‑Taylor‑instabiliteten. Denna forskning kan informera designen av framtida inertialt konfinering fusionsprocesser för ren energi.

Enligt Arindam Banerjee, Paul B. Reinhold‑professor i maskinteknik och mekanik vid Lehigh University och ordförande för MEM‑avdelningen vid P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

“Teamet arbetar fortfarande med samma problem, nämligen den strukturella integriteten hos fusionskapslar som används i inertialt konfinering fussion, och Hellmanns Real Mayonnaise hjälper oss fortfarande i sökandet efter lösningar.”

Majonnäs hjälper teamet genom att fungera som ett fast ämne som börjar flöda när det utsätts för ett tryckgradient. Rayleigh‑Taylor‑problemet, ett välkänt fenomen inom fysiken, innebär fenomenet som uppstår mellan material med olika densiteter när densitets‑ och tryckgradienterna är i motsatta riktningar, vilket skapar en instabil stratifiering. Användningen av majonnäs möjliggör att testa möjliga lösningar samtidigt som behovet av höga temperaturer och tryckförhållanden, som är extremt svåra att kontrollera, elimineras.

Kall fussion utan extrema temperaturer

Ett annat nyligt genombrott inom kall fussion har återuppväckt hopp om att uppnå ren energi utan behov av extremt höga temperaturer och plasma, som traditionellt förknippas med kärnfusion.

Denna utveckling, som länge ansågs vara fringe‑vetenskap, involverar användning av materialvetenskap, sällsynta metaller och specifika kemiska processer för att uppnå kärnfusion vid lägre temperaturer.

Det vetenskapliga samfundet hade tidigare avfärdat kall fussion på grund av oförmågan att reproducera tidiga experimentresultat, men en ny peer‑review‑studie publicerad i Nature föreslår en möjlig väg framåt genom att observera neutronutsläpp under experiment med deutererad titanpulver under akustisk kavitation. Denna upptäckt kan bana väg för mer forskning om kall fussion som en livskraftig alternativ energikälla, med potential för ren, praktiskt taget obegränsad kraft.

Studiernas resultat utmanar den långvariga tron att kärnfusion kräver de extrema förhållanden som finns i stjärnor, såsom miljontals grader temperatur och kraftfulla magnetfält. Istället utforskar detta nya tillvägagångssätt potentialen att uppnå fussion genom olika mekanismer, vilket kan revolutionera energilandskapet genom att erbjuda en mer tillgänglig och mindre resurskrävande metod för energiproduktion.

Om det lyckas kan kall fussion kringgå den massiva infrastruktur och energiinmatning som krävs av traditionella fusionsmetoder, vilket gör det till en spelväxlare i jakten på hållbara och rena energilösningar.

AI: En spelväxlare för att stabilisera kärnfusionsreaktioner

Med ökande sofistikering och växande förmågor revolutionerar AI fältet för kärnfusion genom att förutsäga och förhindra plasmainstabiliteter, vilka historiskt har hindrat hållbarheten i fusionsreaktioner.

Forskare vid Princeton University och USA:s energidepartements Princeton Plasma Physics Laboratory har utvecklat en AI‑modell som kan förutse plasmaavbrott, såsom tearing‑mode‑instabiliteter, upp till 300 millisekunder innan de uppträder. Detta gör det möjligt för AI att göra justeringar i realtid av reaktorns parametrar, vilket upprätthåller plasmaens stabilitet och förhindrar att reaktionen avslutas för tidigt.

AI:s förutsägande kraft kommer från dess träning på data från tidigare experiment, vilket gör att den kan svara dynamiskt på potentiella instabiliteter på sätt som traditionella fysikbaserade modeller inte kan.

Eftersom plasma är inneboende instabilt och komplext har upprätthållandet av dess stabilitet varit en betydande utmaning för att upprätthålla kärnfusion. Traditionellt har metoder fokuserat på att mildra instabiliteter först efter att de börjat störa plasma, ofta för sent för att rädda reaktionen.

Genom att utnyttja AI:s förmåga att förutsäga och proaktivt motverka dessa instabiliteter blir fusionsprocessen mer stabil och livskraftig, vilket närmar sig realiseringen av praktisk och hållbar fusionsenergi. Denna framsteg förbättrar inte bara utsikterna för fussion som en obegränsad energikälla utan understryker också den kritiska roll AI spelar för att övervinna de mest utmanande hindren i fusionsforskning.

Vad har framtiden i beredskap?

Framtiden kommer att se företag som utvecklar fusionskraftslösningar som optimerar utrymme och resursanvändning i termer av energi och kostnad. Enligt Omar Hurricane, programledare vid Lawrence Livermore National Laboratory, där National Ignition Facility är belägen:

“Fussion ser mycket mer sannolik ut nu än för tio år sedan som en framtida energikälla.”

År 2023 gjorde forskare ett genombrott när de skapade en kärnreaktion som kunde generera mer energi än den förbrukade. Enligt uppgift använde experimentet en uppsättning på 192 laser för att leverera 2,05 megajoule energi på en ärtstor guldcylinder som innehöll en fryst pellet av väteisotoperna deuterium och tritium.

Energien var så intensiv att den kollapsade kapseln. Den uppnådda temperaturen kan bara matchas av stjärnor och termonukleära vapen. Mer specifikt, enligt laboratoriet, släpptes 3,15 megajoule energi – nästan 54 % mer än den energi som gick in i reaktionen och mer än dubbelt så mycket som det tidigare rekordet på 1,3 megajoule.

Många forskare ansåg att experimentresultaten hade stor potential för framtiden. Enligt Michael Campbell, tidigare chef för fusionslaboratoriet vid University of Rochester i New York och en tidig förespråkare för NIF vid Lawrence Livermore‑labbet, kunde genombrottet öka förtroendet för löftet om laserfusionskraft och i slutändan öppna dörren till ett nytt program fokuserat på energitillämpningar. Kim Bundil, chef för Lawrence Livermore‑laboratoriet, ansåg att det var den “grundläggande byggstenen i ett inertialt konfinering fusionskraftschema.”

Prövningen och dess framgång visade också behovet av många framtida utvecklingar som skulle göra processen mer robust. Till exempel, för att prövningen ska bli en livskraftig process måste den energi som frigörs jämfört med den energi som går åt för att producera laserpulserna öka med minst två storleksordningar.

Framtiden måste också se en dramatisk ökning av hastigheten med vilken laser kan producera pulserna och hur snabbt de kan rensa målkamret för att förbereda det för en ny bränning.

Medan dessa ansträngningar kommer att fortsätta under de kommande dagarna, avslutar vi dagens diskussion med nämnandet av ett annat viktigt projekt inom detta område – det 22‑miljard‑dollar stora ITER‑projektet, ett samarbete mellan Kina, Europeiska unionen, Indien, Japan, Korea, Ryssland och USA. Projektet arbetar mot att uppnå självförsörjande fussion, där energin från fussion skulle producera mer fussion.

Sakta men säkert, när de nuvarande experimenten når sin slutpunkt, kommer fusionsenergi att bli mer kostnadseffektiv, optimerad och redo för bredare massadoption.