Fusionskraft del II

Även om tokamaker är den teknik som kommit längst så råder det ingen brist på alternativa lösningar. En del har många år på nacken medan andra är nytänkande. För att skapa oss en bild av hur mycket olika vägar som finns skall vi ta en titt på några men detta är fortfarande bara ett axplock.

Stellarator

Det som är mest likt en tokamak är en så kallad stellarator. Den tekniska lösningen är som tokamaken från 50-talet men fick tidigt stryka på foten när tokamaken visade sig enklare att konstruera. Båda teknikerna bygger på en magnetisk inneslutning som liknar en badring. Skillnaden är att i en tokamak så inducerar man en ström i plasman som då i sig genererar ett magnetfält som håller plasman på plats. Tidiga experiment med tokamaker visade mycket bra resultat men problemen började hopas sig när man ökade strömstyrkan. Vid höga strömstyrkor blir plasman instabil och det är detta som man brottas med i en tokamak.

En stellarator har istället en extra uppsättning magneter som skapar det nödvändiga fältet vilket gör det enklare att styra plasman. Allt verkar rätt enkelt tills man inser att badringen inte längre kan se ut som en uppblåst ring utan som en korvliknande konstruktion som skruvar sig runt i en cirkel. Tidiga experiment med stellaratorer föll på att det var väldigt svårt att få till denna vridning med de ritverktyg som fanns till hands och det var svårt att kontrollera alla olika magneter för att hålla plasman stabil. Dessa problem är idag, tack vare utvecklingen av datorer, CAD/CAM och styrlogik,  hanterbara och man kan nu bygga något som för tankarna till Millennium Falcon.

Schematic_diagram_of_Wendelstein_7-X
Wendelstein 7X: världens mest komplicerade reaktor (Wikipedia)

Wendelstein 7X är namnet på den stellarator som nu byggs i Greifsvald vid Östersjöns kust i norra Tyskland. Dess första fas blev färdig för något år sedan och man kunde visa på en stabil plasma. Den håller nu på att uppgraderas för att hantera högre temperaturer och under året kommer vi nog få höra flera nyheter om deras framsteg. Nästa gång du hör ordet “energiewende” så nicka och fråga om de menar Wendelstein 7X.

Prova med högre tryck

Istället för att arbeta enbart med högre temperaturer så försöker man skapa ett så högt tryck som möjligt. Det är faktiskt så en vätebomb fungerar, man låter en liten kärnladdning skapa ett så högt tryck att temperaturen räcker för att få allt att detonera. En vätebomb fungerar, men ett kraftverk kanske skall arbeta med lite mer kontrollerbara processer.

NIF : 192 lasrar, alla riktade mot en ärta
NIF : 192 lasrar, alla riktade mot en ärta

National Ignition Facility är ett amerikanskt forskningsprojekt där man byggt världens starkaste lasrar. Tänk dig nu att du kan koncentrera alla lasrar under bråkdelen av en microsekund mot en liten ärta av fylld med deuterium och tritium. Den snabba upphettningen kommer få ärtan att implodera och väteisotoperna att trycks samman under enormt tryck. Om allt fungerar, och de är inte riktigt hemma, kommer fusionsreaktionen generera mer energi än vad kostar att driva lasrarna.

National Ignition Facility är långt ifrån målet och även om de säkert är världens bästa laserkonstruktörer efter tio års arbete så är det ingen lågoddsare när det gäller tävlan om att lyckas med fusionskraft. Som bäst kom de upp i att generera cirka en tiondel av den energi det tog att driva lasrarna. Forskningsprojektet drivs dock vidare eftersom dess primära syfte numera är materialforskning.

Det finns andra stora laserprojekt, några av de största är OMEGA vid University of RochesterMégajoul i Frankrike och GEKKO i Japan. Dessa forskningsprojekt fortgår och drivs framför allt av grundforskning och materialforskning. Även om de inom de närmaste tio åren skulle kunna visa på mer energi ut än in så är de långt ifrån en fungerande reaktor som kan producera energi kontinuerligt.

Varför använda en laser?

First Light Fusion är ett brittiskt företag med knytning till Oxford, som tror sig ha hittat en genväg till att knäcka fusionsnöten. De har en liten plastkub stor som en sockerbit med en bubbla fylld med deuterium och tritium. De beskjuter sen kuben med en liten diabol av koppar med en hastighet på 100 000 km/h. När diabolen träffar kuben sprids en chockvåg genom plasten som får den lilla bubblan att implodera. För ett kort ögonblick är tryck och temperatur tillräckligt höga för att en fusion skall inträffa (än så länge i teorin)

First light Fusion: världens snabbaste luftgevär
First light Fusion: världens snabbaste luftgevär

Som vanligt är det mer energi ut än in som gäller. First Light har fortfarande att visa att de verkligen kan komma upp i de tryck och temperaturer som krävs för fusion. Enligt planen i början på året skulle de vara där nu så vi får se om de kommer några goda nyheter under våren.

General Fusion: steam punk när det är som bäst
General Fusion: steam punk när det är som bäst

General Fusion: ett kanadensiskt företag som är något av fusionsvärldens steam punk. De använder en sfärisk inneslutning fylld med flytande bly. En plasma förs in i sfärens centrum och sen … ok, lyssna på detta … så genererar ett dussin ångdrivna hammare en chockvåg som får plasman att tryckas ihop. Kommer det att fungera – vem vet, nog skall de i alla fall ha poäng för att de tänker utanför lådan.

Ännu högre temperatur

Alla projekt som vi tittat på hittills har haft siktet inställt på en fusion mellan de två väteisotoperna deuterium (en proton en neutroner) och tritium (en proton två neutroner). Man kan i princip välja vilka lätta grundämnen som helst för att skapa fusion men det är bara de absolut lättaste som har en teoretiskt chans att ge mer energi ut än vad det krävs för att slå ihop partiklarna. Även för de partiklar där det är teoretiskt möjligt finns en avvägning mellan vilken temperatur man måste upp i och hur sannolikt det är att en fusion skall ske.

Deuterium-tritium är den klart lättaste vägen att gå eftersom det krävs relativt låga temperaturer, sannolikheten för fusion är hög och energin man får ut är mycket hög. Det finns dock en avigsida med deuterium-tritium och det är att det bildas en neutron med mycket hög energi. Neutronen är visserligen nödvändig för den kommer ge oss mer tritium men den kommer sakta men säkert förstöra vår reaktor. Om man istället väljer att använda Bor (fem protoner, sex neutroner) och en proton (vanlig vätekärna) så får man som resultat tre stycken heliumpartiklar (två protoner, två neutroner). Fördelen med detta är att vi slipper neutronen och vår reaktorinneslutning kommer fungera i flera år. Nackdelen är att vi måste upp i tusen miljoner grader.

TAE-Technologies-Team
TAE: är det dessa som skall lyckas knäcka nöten

TAE Technologies i Kalifornien har arbetat i flera år och byggt allt mer avancerade experiment. Den senaste skapelsen Norman har kommit upp i blygsamma temperaturer på 30 miljoner grader men tekniken de utvecklar är ny. De skjuter två plasmaringar mot varandra som bildar en roterande tub, denna stabiliseras och värms sedan med ett flertal partikelacceleratorer.  Det går inte att förklara men ta en titt på denna film så får ni ett hum om hur det fungerar.

Framtidens energikälla

Det finns inga tvivel om att fusion i slutändan kommer vara framtidens energikälla. Det kanske tar fem år eller femtio men med den tekniska utveckling som vi har kommer någon att ha en fungerande prototyp framme. Det kommer då finnas energi för att försörja jordens befolkning i miljoner år framåt och det med hjälp av reaktorer som inte använder några radioaktiva ämnen.

Det kan mycket väl vara så att Gen-IV reaktorer kommer att börja byggas i stor skala inom en tioårs period och att det då inte finns så mycket att tjäna på bygga en fusionsreaktor  men vi kan även få en annan utveckling. Om Gen-IV utbyggnaden hindras av ett kärnkraftsmotstånd i tio år till, så kanske politiker kommer att kasta sig över en fungerande fusionsreaktor.

Oavsett hur det i slutändan kommer att utvecklas så tycker jag det är mycket spännande att följa det som sker inom fusionsvärlden. De närmaste fem åren tror jag vi kommer se framsteg som tvättar bort stämpeln om “trettio år kvar” och även de mest ihärdiga vindkraftsförespråkarna kommer inse att någonting är i görningen.

Under tiden vi väntar:

  • Tokamak Energy och TAE Technologies kan man följa på Instagram, det ger lite hopp om framtiden.
  • En mycket bra föreläsning man kan följa om man kommer ihåg sin gymnasiefysik: MIT Pathway to fusion som inte så oväntat kommer fram till att ARC är den väg man bör gå. Se den föreläsningen och titta sen på vad Tokamak Energy gör.

 

 

 

 

Kommentarer

Kommentera längst ner på sidan.

  1. Björn

    Bra och allmänbildande! Förhoppningsvis finns det några politiker med här bland bloggens följare. Men visst blir det nog så, först fission sedan fusion. Oavsett så är kärntekniken den enda energiform som klarar världens behov av energi.

  2. Johan Montelius

    #1 Björn
    och under tiden vi väntar så lägger Energimyndigheten 139 miljoner på vågkraft:

    https://www.dn.se/ekonomi/139-miljoner-till-vagkraft/

    … oj, det var en artikel från 2010, … detta är från i år:

    https://sverigesradio.se/sida/artikel.aspx?artikel=7134650

  3. Alvar Nyrén

    Tusen tack igen JM. Dina inlägg är suveränt bra, bl a för oss begränsat insatta i kärnkrafttekniken. En riktig guldgruva.

  4. Johan Montelius

    edit: såg att jag skrivit fel. För att Bor + proton att fusionera skall vi upp i 1000 miljoner grader dvs 10 gånger så mycket som för deuterium-tritium. (alla dessa gradtal är över vad man som vanlig människa kan förstå).

  5. Henrik

    # 2 En sån tragik att miljonerna fortsätter att slängas iväg på detta sätt. För mig är det en gåta att partier som säger sig stå för de ekonomiskt svagare grupperna i samhället, tycker det är helt ok att staten ska spendera pengar på såna här högriskprojekt. Tänk vad 139 miljoner kunde gjort nytta på annat håll inom det offentliga.

  6. Johan Montelius

    #3 Alvar Nyrén

    Tack Alvar,

    jag är själv långt ifrån så kunnig inom fysik som man måste vara för att förstå hur dessa processer fungerar men jag tycker det är bra att ha en grundläggande förståelse var någonstans vi är i utvecklingen. Ju mer man kan om kärnkraft, fusion eller fission, så ställer man sig mer och mer frågande till den bild av energifattigdom som media förmedlas. Det är som att stå i ett jordgubbslands och gräla om hur man skall dela upp en skeppsskorpa.

  7. Rolf Mellberg

    Mycket bra Johan!

    Efter ca 20 års ointresse (för min personliga del) av fusionskraft får man här en mycket välbehövlig uppdatering!!!

    Men jag vill göra en reflexion relaterat till vad jag såg på Kunskapskanalen helt nyligen. Att det far omkring stora mängder oerhört komplicerade maskiner (jet-motorer) som kontinuerligt övervakas från marken på ett minutiöst noggrannt sätt och man har uppnått en fantastiskt hög tillförlitlighet men även en mycket god ekonomi. Två helt avgörande faktorer för teknologins framgång.

    Även inom kärnkraftsområdet tror jag framtiden måste ligga i många enheter – många tusentals – som kan produceras “på fabrik” och övervakas varje sekund från stora internationella driftcentra – något i stil med hur flygmotorer övervakas. Inriktningen inom kärnkraft att köra med ett fåtal jätteanläggningar med expertis på plats vid varje anläggning måste brytas!!!

    Även om ARC och SPARC kan vara en bra vägar frammåt så tycker jag att LFTR-reaktorer (eller “lifter”) har mycket större chans att nå genomslag, inom t ex 10 år. Jag hittade en beskrivning på Wikipedia som jag inte hunnit läsa ännu men den kan nog vara bra:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_fluoride_thorium_reactor

    En sak till Johan: Kommer du att säga något om vilken teknologi som man tänker sig använda för att forsla bort hettan från plasmats närhet till utrymmen där man producerar el. Och finns det några planer för att bygga ihop denna värmekälla med industriprocesser, vilket brukar innebära att man behöver ligga på höga temperaturnivåer, tex för vätgas eller ammoniak (konstgödning)-produktion?

  8. Lasse

    Sällar mig till tackarna för informationen. Tack Johan M
    Det byggs väl en partikelaccelerator i Lund-kan denna ge oss ytterligare kunskaper som kan var till nytta för kärnenergin?
    Klaga inte på vågspelet med Seabased det var ett seriöst företag men lärkurvan var brant uppför. Även privatpersoner(däribland ego) var med och sponsrade. Ännu ej förlustavdrag för de envisas med att driva det vidare!

  9. Johan Montelius

    #7 Rolf Mellberg

    jag är med dig på smältsalt-reaktorerna. Var med i Moltex “crowd-funding” i våras och följer nu dem med spänning. Det är helt klart en mer mogen teknik och det enda hindret jag ser är den rådande politiska skräcken för att vara för kärnkraft.

    Jag hade inga planer på flera fusions-inlägg men vi får väl se. Det du är inne på är ett stort ingenjörsproblem som tokamak- och stellarator-reaktorerna står inför. Det är inte temperaturerna i sig som är det stora problemet utan neutronstrålningen. För dessa reaktorer måste man ha en sköld som inte bara transporterar bort värmen utan även absorberar neutronerna med hjälp av litium för att producera tritium. De små spelarna (MIT, Tokamak Energy mfl) förlitar sig här på att denna teknik skall tas fram i ITER-projektet så att när de har sina prototyper klara skall de kunna använda den teknik som tas fram där.

    Jag har inte sett några förslag på annan användning än elproduktion. Jag tror helt enkelt att man har tillräckligt med problem framför sig för att nu börja tänka på hur man bästa använder några 100MW. Men helt klart, det är höga temperaturer vi talar om så industriprocesser kan nog vara mer fördelaktigt än att driva en ångturbin.

  10. Johan Montelius

    #8 Lasse

    ESS i Lund kommer främst användas för materialfysik mm. Det har vad jag vet ingen direkt påverkan på fusionsforskningen men de flesta fusionsreaktorerna kommer att brottas med höga neutronflöden och behöver då material som kan stå emot detta. Det är kanske där som ESS kan hjälpa till.

  11. Stefan Eriksson

    För ett par år sedan besökte jag Max-Plank institutet och deras anläggning i Greifswald.
    Det är fritt efter att man bokat, att få ett ledsagat besök på den anläggningen.
    Det är en ren forskningsreaktor (om man får kalla den så) där mycket handlar om material-lära.
    Det är mycket stora temperaturskillnader att hantera mellan “skalet” som kyls av flytande helium, och plasmatillståndet hos materialet som skall förmås ändra vikt och plats i det periodiska systemet.

    De har “avfyrat” många gånger vid temperaturer på fem gånger yttemperaturen på solen.

    Men som sagt, mycket materialvetenskap krävs fortfarande , annars fungerar exempelvis inneslutningen som den ska.

    Kan rekommendera ett besök, guidning finns på Svenska för den som inte har Tyska eller Engelska som fackspråk.

  12. Stefan Eriksson

    Yttemperaturen skall det naturligtvis stå!

  13. Rolf Mellberg

    #9 Johan

    Moltex har visserligen en mycket intressant konstruktion, men jag betraktar den bara som ett sätt att få bollen i rullning för Molten Salt (Liksom Elysium, ThorCon etc.) Alla dessa är konstruktioner som försöker göra det “lite lättare för sig”.

    Det är först med en äkta LFTR som det kan bli ett GIGANTISKT paradigmskifte, som kan gå ut i många tusen exemplar. Jag pratar nu om att det ska vara en “Thorium-blanket”, med separat loop som suger ur det Protaktinium som bildas, “jäser” det några veckor i en tank till U233, häller in det i mitten, kör “chemical kindey” för att få mycket hög burnup etc och knappt något avfall alls.

    Det är bara om man löper linan ända ut som man får något som fissionsrektorerna får riktigt svår att övertrumfa.

  14. Robert Norling

    #2 Johan M
    Det är vågat att satsa på alternativa energikällor.
    Men vågar man inte så….
    Men jag vågar påstå att det alltid är lättare att satsa med andras pengar.
    Vill tacka för lärorika artiklar.

  15. Henrik

    #13 Jag håller numera mer på Ed Pheil än Kirk S. Främst för att de adresserar de politiska/känslomässiga problemen med atomsopor (använder avfall i reaktorn) och kärnteknikspridning. Dessutom så är det nog ett problem att rena U233 så mycket som i Liftr. Se intervju med Ed Pheil och Carl Perez https://youtu.be/jvNzRKGVAQI

  16. Karl-Oskar

    Det är nog 10 år sedan Lockheed lovade att den skulle vara klar om 5 år men jag hoppas fortfarande.
    https://www.lockheedmartin.com/en-us/products/compact-fusion.html

  17. Karl Eider

    Johan, du skriver:

    “de två väteisotoperna deuterium (en proton två neutroner) och tritium (en proton tre neutroner)”

    Lite petig, men deuterium har en neutron och tritium har två neutroner.

  18. Johan Montelius

    #17 Karl Eider

    Tack, fixar.

  19. Karl Erlandsson

    Mycket intressant artikel att läsa! Gillar verkligen denna webbsidan!

  20. Johan Montelius

    #16 Karl-Oskar

    Jag tror det var för fem år sedan och att de då sa 10 år, vilket ger dem 5 år till 🙂

    https://news.lockheedmartin.com/2014-10-15-Lockheed-Martin-Pursuing-Compact-Nuclear-Fusion-Reactor-Concept

  21. Rolf Mellberg

    #15 Henrik

    Håller med om att Ed Pheil imponerar och de verkar ju ha ett mycket intressant och flexiblet koncept som mycket väl skulle kunna leda till ett genombrott för Molten Salt. Men även ThorCon och Moltex har nog kommit rätt långt.

    Se även: https://www.youtube.com/watch?v=_ou_xswB2b0

    Men icke destomindre så ser jag Thorium-breeders och LFTR:s som det riktigt stora paradigmskiftet. Där har nog knappast Krik på Flibe Energy så mycket att sätta emot Kina som redan jobbat i flera år med en tung satsning. De har ju både en reaktor där de går halvvägs (Triso-bränle som kyls med molten salt) och en av LFTR-typ som enligt planerna ska vara klara snart. D.v.s. små test/demo-reaktorer i första skedet.

  22. Karl-Oskar

    #20 Johan
    Jag hittade klippet som är från 2013. Det är en man från Skunk Works som presenterar projektet och han nämner både 5 och 10 år innan det kan vara klart. Men det ser trots allt hoppfullt ut de har fått några patent och kursen har gått upp med över 300% sedan 2013.
    https://www.youtube.com/watch?v=JAsRFVbcyUY

  23. Johan Montelius

    #22 Karl-Oskar

    Helt rätt, det gick ut tidigare än vad jag kom håg. De ligger lite efter i tidsplanen – men de kanske har något i uppstoppat i ärmen, det är inte för inte som de kallas skunk-works 🙂

    Kan mer troligt vara så att dessa fem och tio år är vad man måste använda om man skall få intresse. Det är kanske som med klimathotet, om man säger att det är försent om femtio år så är det inte så alarmerande men om det är kört om tio år så lyssnar folk.

  24. Gunnar Strandell

    Johan Montelius!
    Stort tack och en lika stor eloge för den uppdatering du gett mig!
    Det är nu 50 år sedan jag för första gången läste om fusionskraft i Teknisk Tidskrift, som grävde djupare än Ny Teknik. Då var man en faktor 10 000 från att i en Tokamak kunna upprätthålla tryck och temperatur i kontrollerad fusion, och jag bedömde att man inte når hela vägen fram med teknisk förfining.

    Idag verkar man vara en faktor 3 – 10 ifrån och under korta tidsintervall vara nära ett med olika varianter av magnetisk inneslutning.

    Fossilbränslen klarar föda och energibehov för alla jordens människor under ytterligare ett halvt sekel.
    Jag ser ingen anledning till att vara orolig för framtiden.
    TACK FÖR DET.

    Länk, Bob Marley, Don´t worry. Be Happy, 4:50min :
    https://www.youtube.com/watch?v=L3HQMbQAWRc&list=RDL3HQMbQAWRc&index=1

  25. Claes Forsgårdh

    Johan, vi vet hur kunnig du är i klimatvetenskapliga frågor, men har du fått något erbjudande från Mikael Karlsson om att delta i hans klimatturné (som kostar oss skattebetalare 1,75 miljoner!)?
    Efter viss kommunikation med Mikael Karlsson, så vet jag hur okunnig han är, så jag tror att han är livrädd för att bjuda in dig.

  26. Johan Montelius

    #25 Claes Forsgårdh

    Jag skickade faktiskt en förfrågan om jag kunde hjälpa till

    https://www.klimatupplysningen.se/2019/10/06/kth-ute-och-turnerar/

  27. Claes Forsgårdh

    #26 Ja, jag vet och jag har också frågat om jag kan hjälpa till och jag har undrat hur turnéplanen ser ut.
    Men det blir nog inga svar. Mikael är säkert rädd för personer med kunskaper.

  28. Kjell Lindmark

    Ser ut som om fusionstekniken taget ett stort kliv framåt med hjälp av en ny typ av magneter. Och kylning med saltblandning som i några av gen IV fissionsreaktorer.

    https://www.youtube.com/watch?v=7Yww1AwXf_s

  29. Kjell Lindmark

    Önskar Er alla i Klimatupplysningen ett Gott Nytt År!