Kjernekraft

Gjennombrudd for fusjonskraft: Super-X kjøler ned plasma med elektromagneter

For første gang har britiske forskere gjort en vellykket test av et nytt «eksosanlegg» som kan løse et av de største problemene med å utvikle kommersiell fusjonskraft.

Uten klimagassutslipp og med tilnærmet ubegrensede mengder ikke-radioaktivt drivstoff kan fusjonskraft være en del av en sikker og bærekraftig fremtidig energiforsyning.
Uten klimagassutslipp og med tilnærmet ubegrensede mengder ikke-radioaktivt drivstoff kan fusjonskraft være en del av en sikker og bærekraftig fremtidig energiforsyning. (Foto: UKAEA)

For første gang har britiske forskere gjort en vellykket test av et nytt «eksosanlegg» som kan løse et av de største problemene med å utvikle kommersiell fusjonskraft.

  • energi

Fusjonskraft står høyt på listen over mulige løsninger på verdens energi- og klimakrise. Et kommersielt fusjonskraftverk er imidlertid fortsatt en drøm, men for første gang har et team av britiske forskere nå testet et konsept for å overvinne en av de største hindringene: de ekstremt varme restproduktene fra fusjonsprosessen.

Dette kommer frem i en pressemelding fra UK Atomic Energy Authority (UKAEA), som nettopp har publisert de første resultatene av sitt såkalte MAST Upgrade-eksperiment, som er utført ved Culham Research Laboratory nær Oxford i England.

– Dette er fantastiske resultater. Dette er øyeblikket teamet vårt på UKAEA har jobbet mot i nesten et tiår, sier Andrew Kirk, som leder prosjektet.

Teamet har «demonstrert effektiviteten til et innovativt eksosanlegg» for å håndtere det glovarme heliumet – som dannes når hydrogenatomer smelter sammen – og andre restprodukter som kan ødelegge komponenter og materialer på kort tid på grunn av ekstremt høye temperaturer.

Les også

Super-X

På bunnen av en fusjonsreaktor sitter en såkalt «divertor» (avleder), som samler ekstremt varmt helium og andre restprodukter og suger dem ut ved hjelp av elektromagneter. Det er en slik avleder de britiske forskerne har designet og testet – og gitt den navnet «Super-X divertor».

– Super-X reduserer varmen i eksosanlegget fra blåselampenivå ned til noe som ligner på det som finnes i en bilmotor. Det kan bety at avlederen bare må byttes ut én gang i løpet av et kraftverks levetid, sier Andrew Kirk.

Plasmastråle og lengre eksos

Forskernes design tilsvarer omtrent det samme som å gjøre eksosrøret til en bil lengre. Super-X-systemet fungerer ved hjelp av elektromagneter som fokuserer plasmapartiklene i en slags stråle som ledes gjennom et langt «eksosrør».

Når plasmaet sendes ut på en lengre reise, fordeles varmen (på fagspråket kalt varmestrømmen) over et større område, slik at plasmastrålen avkjøles og derfor ikke forårsaker like store varmeskader på materialer og komponenter.

I tillegg injiseres plasmaet med gass for å avkjøle plasmastrålen ytterligere, noe som er litt som å legge isbiter i et glass vann. De to prosessene kjøler ned plasmaet til mye lavere temperaturer enn en konvensjonell avleder, viser forskernes resultater.

«Tester ved MAST Upgrade, som ble påbegynt i oktober 2020, har vist minst en tidobbel reduksjon i varmen på materialene med Super-X-systemet. Det er en «game-changer» for å kunne bygge fusjonskraftverk som kan levere rimelig, effektiv strøm», heter det i pressemeldingen.

Ekstremt varmt avfallsprodukt

I den mest utbredte og fremdeles eksperimentelle fusjonsreaktoren, som kalles en tokamak, varmes drivstoffet, i form av hydrogenatomer, til 200 millioner grader Celsius, slik at de går fra å være en gass til et plasma – den fjerde fasetilstanden i tillegg til fast stoff, væske og nøytral gass.

Tokamak og fusjonsprosessen

Fusjonskraft forveksles noen ganger med kjernekraft, der tunge atomkjerner splittes opp (fisjon), men er snarere det motsatte.

Fusjon betyr sammensmelting, og fusjonskraft innebærer å «smelte» to lette atomer sammen for å frigjøre store mengder energi. Den samme prosessen foregår i solen og andre stjerner.

Det er store fordeler med et fremtidig fusjonskraftverk sammenlignet med et atomkraftverk:

  • Fusjonskraftverk kan ikke løpe løpsk, kjernen kan ikke smelte eller sende store mengder radioaktivt materiale ut i naturen, slik det tidligere har skjedd med atomkraftverk.
  • Bare reaktoren i seg selv blir radioaktiv, og den må derfor deponeres på en sikker måte i 30-50 år når et fusjonskraftverk stenger.
  • En fusjonsreaktor bruker vanligvis tungt hydrogen som finnes i vann, og derfor er nesten ubegrensede mengder bærekraftig drivstoff tilgjengelig.
  • Det blir ikke utviklet radioaktive grunnstoffer som kan brukes i en atombombe.

Den mest utbredte og fremdeles eksperimentelle fusjonsreaktoren kalles en tokamak. Den ble oppfunnet av sovjetiske forskere på 1950-tallet og fungerer ved å varme opp tungt og supertungt hydrogen til 200 millioner grader ved blant annet å sende inn atomer i ekstremt høye hastigheter for å danne plasma.

Store elektromagneter sørger for at det veldig varme plasmaet ikke kommer i kontakt med veggene i reaktoren, som ellers ville smeltet. Når plasmaet er varmt nok, begynner det tunge og supertunge hydrogenet å smelte til helium og frigjør store mengder energi.

Når plasmaet er varmt nok, begynner atomene å smelte til helium og frigjør store mengder energi. Det er den samme prosessen som foregår i solen og andre stjerner.

I tokamaken sørger store elektromagneter for at dette plasmaet ikke kommer i kontakt med reaktorens vegger, som ellers ville smeltet på grunn av ekstrem varme. Men når det glovarme heliumet og andre restprodukter skal fjernes, kan de på kort tid ødelegge de fleste materialer og og komponenter.

Varmen er en utfordring

En av de største utfordringene med å utvikle en kommersiell og bærekraftig tokamak-reaktor, består i effektivt å fjerne disse ekstremt varme restproduktene, slik at komponentene ikke blir skadet og stadig må skiftes ut.

For å løse denne utfordringen utviklet og testet UKAEA-forskerne avfallssystemet – eller eksosanlegget, om du vil – «Super-X divertor» for å få komponentene i en fremtidig kommersiell tokamak-reaktor til å vare lenger, unngå driftsforstyrrelser og redusere prisen på strøm fra fusjonsenergi.

– Dette er en avgjørende utvikling for Storbritannias plan om å koble et fusjonskraftverk til strømnettet på begynnelsen av 2040-tallet – og å bringe karbonfattig energi fra fusjon til verden, sier Andrew Kirk.

UKAEA planlegger å bygge en prototyp av et fusjonskraftverk kjent som STEP tidlig på 2040-tallet ved hjelp av en såkalt «sfærisk tokamak». Ifølge forskningsinstitusjonen er Super-X-avlederen et stort løft for ingeniørene som designer STEP-reaktoren, da den er særlig godt egnet til den sfæriske tokamaken.

I videoen under forteller forskerne fra UKAEA MAST Upgrade-prosjektet mer om Super-X og potensialet for fusjonskraft:

Denne artikkelen ble først publisert på Ingeniøren.

Kommentarer (13)

Kommentarer (13)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå