Den hede paradisdrøm om nuklear fusion lever stadig

»Verdensrekord!«

Stoltheden var til at spore, da det tyske Max-Planck-Institut für Plasmaphysik for nylig udsendte en pressemeddelelse om opsigtsvækkende resultater på det tyske fusionsforskningsanlæg Wendelstein 7-X ved østersøbyen Greifswald.

Fusionsforskningen handler om at kopiere Solens sammensmeltning af atomkerner for ad den vej at producere energi med oceanernes havvand som kilde til brændstof.

Lykkes det, vil verden have adgang til »en emissionsfri, uudtømmelig energikilde med begrænsede miljøpåvirkninger og med ubetydelige risici baseret på i praksis frit tilgængelige råstoffer«, som det løfterigt udtrykkes i en beskrivelse fra Uddannelses- og Forskningsministeriet, der er ansvarlig for Danmarks mangeårige støtte til EU’s fusionsforskning.

Det skelsættende resultat i Wendelstein-anlægget er, at det er lykkedes at opretholde en tilstræbt kombination af ufattelig høj temperatur og meget stor materialetæthed i en suppe af atomkerner i 0,2 sekunder.

Rekorden »viser, at vi virkelig nærmer os det vidunderlige mål om fusionskraft – en i realiteten grænseløs kilde til ren energi«, skrev en entusiastisk videnskabsjournalist, Mike McRae, i det videnskabelige netmedie Science Alert.

»Dette gør os optimistiske omkring vort kommende arbejde,« sagde en mere afdæmpet Thomas Sunn Pedersen, divisionschef ved Wendelstein 7-X, i forskningscentrets pressemeddelelse.

På den ene side summer det internationale miljø omkring fusionsforskningen i øjeblikket af rekordmeldinger og forsikringer om store spring fremad.

På den anden side er det stadig vurderingen, at el-leverancer til forbrugere fra et første kommercielt fusionskraftværk tidligst vil kunne starte i anden halvdel af dette århundrede, hvis nogensinde.

»Vores ydmyge forventning er, at den første funktionsdygtige prototype til et fusionskraftværk vil komme i drift engang i 2060’erne,« hedder det i magasinet Fusion in Europe, udgivet af det EU-finansierede konsortium af fusionsforskningscentre, EUROfusion.

I så fald vil der være gået mere end hundrede år, siden den britiske Atomic Energy Authority i 1946 fik registreret det første patent på fusionsreaktionen.

Kritikere spørger, hvor længe der skal sendes enorme beløb i skatteydermidler og talløse forskertimer efter denne teknologiske paradisdrøm, der stedse bliver dyrere og bliver ved at rykke længere ud i fremtiden.

Fusionsforskningens deltagere og advokater svarer, at der i disse år gøres bemærkelsesværdige fremskridt, og at verden vil kunne løse sin langsigtede energiudfordring, hvis projektet lykkes.

Meget varmere end Solen

I modsætning til fission – den traditionelle atomkraft, hvor man spalter atomkerner af uran – handler fusion om at sammensmelte kerner af brintatomer. Det er en kopiering af fusionsprocesserne i Solen med den forskel, at det, der foregår i Solen, finder sted ved omkring 15 millioner grader, mens processen i en fusionsreaktor kræver 150-200 millioner grader.

Kun ved så ekstreme temperaturer kan man skabe den såkaldte plasmatilstand, hvor atomerne ioniseres og flyder frit rundt som ladede kerner og elektroner.

Fusionen sker, når to atomkerner kolliderer og smelter sammen under frigørelse af energi i form af varme. Normalt vil positivt ladede atomkerner frastøde hinanden – den ekstreme opvarmning giver mulighed for at overvinde den barriere.

Man hører ofte, at fusionsreaktorens brændsel er brint – Hydrogen, H – hentet fra havvand, H2O.

Det er en tilsnigelse, for ganske vist er det i Solen H-kerner, der smelter sammen, men i en fusionsreaktor kan man kun få tingene til at virke, hvis man bruger en blanding af såkaldt tung brint – Deuterium, D – og supertung brint – Tritium, T. Når en D-kerne fusionerer med en T-kerne, dannes grundstoffet Helium, He, under frigivelse af en neutron plus den energi, man er ude efter.

Deuterium kan udvindes af havvand, hvor det udgør 0,15 pct. af brinten og således findes i ubegrænsede mængder. Tritium findes derimod ikke naturligt, det er et radioaktivt stof, der må produceres under selve processerne i fusionsreaktoren på basis af grundstoffet lithium, som til formålet anbringes i et ’tæppe’ på reaktorvæggens inderside.

Det dannede tritium skal hentes ud og behandles i et særligt anlæg, før det igen kan injiceres som element i selve fusionsprocessen med deuterium.

Eftersom tritium er et radioaktivt stof med evne til at trænge gennem metal, ændre struktur og holdbarhed af polymerer (syntetiske makromolekyler, f.eks. plastmaterialer) og danne ’tritieret vand’ ved at overtage brints plads i vandmolekyler, rummer det sine helt egne miljø- og sikkerhedsmæssige udfordringer i fusionsprojektet.

Intet materiale kan modstå de temperaturer på 150-200 mio. grader, som er nødvendige for at opretholde fusionsbrændstoffets plasmatilstand. En direkte kontakt mellem plasma og reaktorvægge ville samtidig betyde et varmetab og dermed en nedkøling af plasmaen, som ville stoppe fusionsprocessen.

I stedet for en fysisk barriere til at holde plasmaet på plads og indesluttet opererer man derfor med et superkraftigt, ringformet magnetfelt, der danner et vakuum, inden for hvilket atomkernerne hvirvler rundt. Udefra tilføres samtidig den ekstra energi, der skal til for at skabe de nødvendige, ekstreme temperaturer i plasmaet.

Når plasmaet når det såkaldte antændingspunkt, kører fusionsprocessen af sig selv, idet en del af den frigjorte energi vedligeholder selve processen, mens resten undslipper magnetfeltet i form af neutroner.

Denne neutronstråling opsuges i reaktorvæggens særlige materiale – en kombination af metallerne wolfram og beryllium, måske tilsat krom eller yttrium – og omsættes i væggen til den varmeenergi, der kan opvarme et vandbåret kredsløb, som driver en elproducerende generator.

Lawson-kriteriet

Der er enorme tekniske komplikationer forbundet med at få denne proces til at køre på en måde og i en skala, der gør den relevant for kommerciel elproduktion. For at fusionsreaktoren skal kunne producere mere energi, end den tilføres udefra, skal den rette kombination af plasmatemperatur, plasmatæthed og indeslutningstid opnås.

Ganger man de tre faktorer sammen, skal resultatet overstige en bestemt værdi, kaldet Lawson-kriteriet, for at processen kan køre og give energimæssig mening. Efter et halvt århundredes forskning i en række lande er man stadig langt fra at leve op til Lawson-kriteriet. Den nylige verdensrekord fra Wendelstein 7-X skal således forbedres med en faktor 50 for at leve op til kriteriet.

Det indtil nu største forsøgsanlæg, det britiske JET, der åbnede i 1983 og i dag har 500 medarbejdere, har leveret en anden verdensrekord ved at producere, hvad der svarer til 65 pct. af den tilførte varmeenergi i ca. tre sekunder. 

I Kina har forskere på det såkaldte EAST-anlæg i Anhui-provinsen præsteret at holde plasmaet intakt i 100 sekunder ved en temperatur på 50 mio. grader.

Det store forskningsprojekt i horisonten er ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, der er under konstruktion i Cadarache, Frankrig, som et samarbejde mellem EU, Kina, Indien, USA, Rusland, Sydkorea og Japan.

ITER-reaktoren skal efter planen kunne producere ti gange mere varmeenergi, end den tilføres, og opretholde plasmaet ved temperaturer på 150 mio. grader i 400-600 sekunder.

Det er stadig meget langt fra at være et elproducerende kraftværk, og ITER, der skal være færdigbygget i 2020 og starte fusionen i 2035, skal derfor følges af DEMO, en prototype på et egentligt kraftværk, der fra omkring 2050 skal vise, at der kan laves et overskud af el på basis af den producerede fusionsenergi.

Engang efter 2060 er det så drømmen at kunne indvie verdens første store, kommercielle fusionskraftværk.

»Endemålet ligger så langt ude i fremtiden, at de, der til sidst får fusionen til at lykkes, måske slet ikke er født endnu,« bemærker fusionsforsker Diego Eloi Aguilam i magasinet Fusion in Europe.

For sent, for dyrt

Hvordan det faktisk kommer til at gå, er mildest talt uvist. Sidst i 1970’erne vurderede bl.a. danske fusionsforskere på Risø, at fusionsenergien ville være klar omkring 2010. I forhold til det er den altså foreløbig 50 år forsinket.

Det internationale samarbejde, der har ført til ITER, blev politisk initieret helt tilbage i 1985, og siden er projektet blevet både forsinket og voldsomt fordyret. Fuld fusionskraft på ITER var oprindelig planlagt til 2023, nu hedder det som nævnt 2035.

Tilbage i 2001 blev prisen for ITER anslået til 5,9 mia. euro, i 2005 lød vurderingen på ni mia., i 2010 blev prisen hævet til 15 mia. og i 2016 yderligere til 20 mia. euro, svarende til 150 mia. danske kroner.

Til dette kommer løbende driftsomkostninger samt prisen for til sin tid at demontere anlægget og håndtere bl.a. de radioaktive materialer, anslået til godt 800 mio. euro.

EU står for 45 pct. af udgifterne til ITER. EU-Kommissionen skrev i et notat sidste år om »konstante designændringer resulterende i betydelige forsinkelser og ekstra omkostninger ved projektet«, en udvikling der »blev yderligere forstærket af utilstrækkelig koordination og samarbejde mellem de nationale myndigheder og ITER-organisationen«.

Vurderingen er et ekko af en sønderlemmende kritik af organisationsstrukturen, ledelsen, sikkerhedskulturen, medarbejdermotivationen m.m., som blev formuleret i 2013 i en revisionsrapport om ITER.

En ny ledelse er siden indsat, der er angiveligt rettet op på svaghederne, og entusiasmen siges at råde blandt de omkring 800 videnskabelige medarbejdere.

Nye forsinkelser truede, da USA’s præsident Donald Trump sidste år lagde op til at halvere det amerikanske bidrag til ITER. Det er han siden blevet talt fra, men truslen illustrerer projektets økonomiske sårbarhed med afhængigheden af ni aktørers vedvarende velvilje, blandt dem de 28 EU-lande.

»Den største udfordring er helt afgjort at få alle disse mennesker til at arbejde sammen,« sagde ITER’s generaldirektør Bernard Bigot sidste år.

Danmark har siden 2007 bidraget med godt 64 mio. kr. årligt – på grund af budgetoverskridelserne ventes ifølge Uddannelses- og Forskningsministeriet en årlig dansk merudgift i perioden 2021-35 på gennemsnitlig 58 mio. kr.

Fusionsprojektet har sit eget momentum med engagerede forskere og med virksomheder i alle deltagerlande, som via 2.800 indgåede kontrakter tjener på at levere know-how, design, isenkram, logistik m.m. til bl.a. ITER.

Om hundredårsprojektet fører til en ny energikilde uden grænser, ved ingen i dag. Ikke alene skal de store tekniske udfordringer løses, fusionskraften skal samtidig gøres kommercielt konkurrencedygtig i forhold til de stedse billigere vedvarende energikilder.

Tilhængere mener, at projektet er alle pengene og anstrengelserne værd, fordi perspektivet er den ultimative løsning på menneskehedens energiproblem.

Kritikerne anfægter projektets realisme samt teknologiens potentielle nytteværdi for samfundet og mener, at projektet suger opmærksomhed fra bedre løsninger. Som formuleret af Rebecca Harms, medlem af og tidligere formand for Europa-Parlamentets Grønne Gruppe:

»ITER bortleder midler fra indenlandske og umiddelbart tilgængelige bæredygtige energiteknologier inden for sektorerne energieffektivisering og vedvarende energi. Tiden er inde til omsider at sætte stop for ITER – europæiske politikere må holde op med at stikke hovedet i busken.«