Kompliceret fusionsreaktor er kommet perfekt fra start

Illustration: Max Planck Instituttet for Plasmafysik

For et år siden, 10. december 2015, trykkede Hans-Stephan Bosch, operativ direktør for forsknings­anlægget Wendelstein 7-X (W7-X) på startknappen i fusionsreaktoren i Greifswald på den tyske østersøkyst lige syd for Danmark.

Det 30 kubikmeter store vakuumkammer blev fyldt med et milligram helium. Med mikrobølgestråling med en effekt på 1,3 megawatt blev den ultratynde heliumsky opvarmet til en temperatur på ca. en million grader i 1/10 sekund, så elektroner blev løsrevet fra helium­atomerne, og det første plasma blev dannet i reaktoren.

Indersiden af vakuumkammeret i Wendelstein 7-X med en elektronstråle, der udgår fra en elektron­kanon og følger en magnetfeltlinje rundt i kammeret, indtil den anden gang rundt rammer bagsiden af elektronkanonen. Illustration: Max Planck Instituttet for Plasmafysik

Læs også: Så er det første plasma tændt i en ny tysk fusionsreaktor

Den 3. februar 2016 var det forbundskansler Angela Merkel, der fik lov til at trykke på knappen, der antændte det første hydrogenplasma, som opnåede en temperatur på 80 millioner grader i et kvart sekund.

»I alt lavede vi ca. 900 plasmaer,« fortæller danske Thomas Sunn Pedersen, som er direktør for den eksperimentelle forskningsdivision for stellaratorkant- og divertorfysik ved Max Planck Instituttet for Plasmafysik.

I den kapacitet har han haft en nøglerolle i opbygningen af fusionsreaktoren og de planlagte opgraderinger de kommende år, hvoraf den første er igangværende.

Magnetfeltet er ultrapræcist

W7-X fungerer bedre end forventet, fortæller Thomas Sunn Pedersen.

»Vi havde forventet plasmaladning i op til to sekunder, men nåede seks. Vi havde forventet en elektrontemperatur på ca. 12 millioner grader, men nåede typisk det femdobbelte og i sjældne tilfælde ved lave tætheder det tidobbelte. Alt i alt var vi i stand til at overgå mange af vores forventede parametre med mindst en faktor 2,« siger han.

I de tre måneder, maskinen var i drift, kunne teknikerne antænde plasmaet med en succesrate på over 99 pct.

Det måske allervigtigste resultat har dog været, at det er lykkedes at måle det meget komplicerede magnetfelt, der holder plasmaet frit svævende i reaktorkammeret, og vise, at det har den helt rette form.

Ved magnetisk indeslutning af et fusionsplasma, hvad enten det er i en tokamak eller en stellarator (se boksen), udnytter man, at en elektrisk ladet partikel er bundet til en magnetisk feltlinje, der løber hele vejen rundt i kammeret.

I et toroidalt system vil der dog være en drift på tværs, som skyldes krumningen af feltlinjerne og inhomogeniteter i feltstyrken. Det fører meget hurtigt til tab af partikler i kammeret, hvis man ikke korrigerer magnetfeltet.

Denne korrektion er langt vanskeligere at udføre i stellaratorer end i tokamakker, og det er en hovedårsag til, at tokamakker i første omgang har vundet kampen om at blive favorit til praktisk produktion af fusionsenergi.

Da stellaratorer dog i modsætning til tokamakker i princippet kan køre kontinuert, blev interessen for denne reaktortype aldrig helt tabt.

Den første optimerede stellarator

En bedre teoretisk forståelse kombineret med teknologiske fremskridt til design af superledende magneter og anvendelse af supercomputere til design af elementer har gjort det muligt at bygge en ny form for optimerede stellaratorer, hvoraf W7-X er den første.

Da magnetfeltet i en stellarator i modsætning til i en tokamak udelukkende er bestemt af de ydre magneter, kan det måles, uden at et plasma er til stede i kammeret.

Det er sket ved at sende elektroner langs magnetfeltlinjerne. Målingerne har vist, at magnetfeltet afviger mindre end en hundred­tusindedel fra det designede.

»Det viser, at vi har bygget maskinen ekstremt nøjagtigt – og nøjagtigt nok,« siger Thomas Sunn Pedersen.

Målingerne er for nylig blevet offentliggjort i en videnskabelig artikel i Nature Communications.

De meget små unøjagtigheder, der er tilbage, kan korrigeres med fem såkaldte trimspoler.

Deuterium fra 2020

W7-X står dog ikke færdig i sin endelige konfiguration endnu. Der er planlagt to opgraderinger, der skal lede frem til de egentlige fusionseksperimenter i takt med, at teknikerne lærer at operere maskinen.

Da maskinen planmæssigt blev lukket ned 10. marts, begyndte man at installere 6.200 kulstofplader – alle af forskellig form – der skal beskytte væggene mod den højere varme i de kommende forsøg. De skal placeres med millimeternøjagtighed.

Derudover bliver der installeret et ‘udstødningsrør’ i form af en såkaldt divertor, hvorfra partikler, der rammer reaktorvæggene, og urenheder i kammeret, løbende kan fjernes.

Herefter vil det blive muligt at levere en opvarmningsenergi op til 80 MJ – eksempelvis 8 MW i 10 sekunder. I forsøgene i år nåede man op på 4 MJ.

Thomas Sunn Pedersen har et håb om, at det vil gøre det muligt at holde plasmaet stabilt helt op til et minut med en tilført effekt på 1,3 MW. Det lykkedes i år at have det stabilt ved denne effekt, men da maskinen manglede en divertor, var levetiden af plasmaet kun få sekunder.

I 2018 går næste opgradering i gang. Når maskinen så efter planen i 2020 genåbner, bliver det i en konfiguration, hvor man skal forsøge at få de meget lange levetider af plasmaet.

I teorien kan en stellarator køre kontinuert, i praksis vil W7-X kunne komme op på ca. 30 minutter. Det bliver også ved den lejlighed, at man vil begynde at bruge deuterium i stedet for almindeligt hydrogen.

Hvis fusionsenergi nogensinde vil blive brugt i et anlæg, der skal levere elektricitet, vil det blive baseret på fusion af deuterium og tritium.

Tritium er et radioaktivt materiale, som det kræver særlige forholdsregler at håndtere. W7-X er ikke bygget til at kunne gøre dette.

Samtidig med, at den store tokamak-reaktor Iter bliver taget i brug omkring 2025, og længe før den vil udføre forsøg med fusion af deuterium og tritium, som i dag er planlagt til at begynde i 2035, vil deuteriumforsøgene ved W7-X dog vise, om stellarator-designet kan betragtes som et seriøst alternativ inden for fusionsenergi.

Dette er noget, som fusionsforskerne stadig håber kan blive en mulighed engang efter 2050 – altså rundt regnet 100 år efter, de første tanker herom blev født. Tiden vil vise, om det kommer til at ske.

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

...bliver fusion. Glæder mig til en fremtid uden de grimme vindmøller! De vil slet ikke kunne konkurrere når fusion slår igennem. Vi burde støtte fusionskraft massivt.

  • 8
  • 20

...bliver fusion. Glæder mig til en fremtid uden de grimme vindmøller! De vil slet ikke kunne konkurrere når fusion slår igennem. Vi burde støtte fusionskraft massivt.

Det bliver tidligst en gang efter 2050 at det første værk står klar og derefter skal en udbygning begynde, så jeg kommer ikke til at opleve det... Men måske mine børnebørn? Fusion er ikke nogen konkurent til vindmøller og de andre alternative energikilder...

  • 22
  • 5

Forklaringen: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/com...

Ja men så må vi jo glæde os over de ekstremt høje militærbudgetter i stedet for.

Noget skal der til for at holde ekspansionsplanerne for Kina og UDSSR tilbage. Magtpolitik er ikke en sag for humanister, men for realister eller for frygtskabende kaoter (Trump).

Hvis bare 5% af militærbudgetterne var brugt til fusionsenergi havde vi ingen klimakrise i dag ... Verden skal undergå ekstreme klimaforandringer inden menneskeheden ændrer prioritering. Mon ikke det sker senest om 30 år -

  • 1
  • 3

@Jens Ramskov Der var nylige skriverier om et tysk fusionsreaktordesign, som i stedet for tokamak-design, brugte et innovativt design med en Möbius-flade. Er det denne "Stellarator", eller en helt tredje variant?

  • 0
  • 0

Der var nylige skriverier om et tysk fusionsreaktordesign, som i stedet for tokamak-design, brugte et innovativt design med en Möbius-flade. Er det denne "Stellarator", eller en helt tredje variant?

Har det betydning at det er en Möbius-flade? Eller er det bare fordi den valgte omkreds tilfældigvis passer med et ulige antal 180 graders tvist, og det havde fungeret lige så godt med en anden omkreds og et lige antal 180 graders tvist?

  • 0
  • 0

Fusion er bestemt én af mine favoritter, hvis jeg skal satse på fremtidig teknologi. Men... fusions energien vil jo have de samme decentraliserings-problemer som a-kraften har og såom vores kraftværker delvist også har? Eller er der noget jeg ikke har forstået.

Sammenligner man, har vind og især sol de fordele at de kan sættes op nærmest overalt og skaleres efter behovet. Og så er de jo selvfølgeligt også relativt billige og enkle at producere, passe og reparere.

  • 2
  • 0

. ... det havde fungeret lige så godt med en anden omkreds og et lige antal 180 graders tvist?

Nej. Geometrien er vigtig fordi ud over at fastholde et plasma, skal man "blande" elektroner og protoner i plasmaet så plasmaet har en neutral ladning overalt. Hvis ikke man gör det, rives plasmaet i stykker af elektrostatiske kräfter. Man vil heller ikke have en geometri hvor en stående bölge nemt kan opstå, fordi dette giver en mekanisk ustabilitet, derfor et ulige antal twist. Så bölgen, hvis den opstår, i det mindste roterer og spreder varmetabene ud over maskinen.

Störrelsen på maskinen er et kompromis mellem Budgettet og at "blöde" böjninger giver lavere tab på grund af at de ladede partikler accelereres mindre i "hjörnerne", at overfladen på plasmaet, hvor tabene mest sker, vokser med störrelsen i anden potens, imens volumen - som er det hvor fysikken sker - vokser med dimensionen i tredie potens. Der er også en gränse for hvor tät et plasma man kan have för at "Bremsstralung", det fänomen at partiklerne "böjer" hinandens baner hvilket forårsager tab i form af stråling, begränser temperaturen.

Det er absolut noget "man har regnet på".

I sin tid da jeg arbejdede for JET mente ingen at nogen kunne bygge sådan en tosset maskine og at ITER var fremtiden og det rigtige. Tyskerne besluttede så at bygge den alligevel for egne midler. I dag körer ITER stadigväk på pumperne imens Wendelstein körer plasma, så Tyskerne havde jo ret.

Forlöbet er en meget fin illustration af at man behöver ägte diversitet inden for forskning og teknologiudvikling.

  • 2
  • 0

fusionskraft. Vi har automatisk distribution af den - og decentrale opsamlere, som er billige - solpaneler. Jeg tror mere problemet ligger i at det bliver for tydeligt at energi industrien er en malkeko uden lige - når de kommer med 90% beskatning af strøm fra dine egne solceller.

At have et anlæg til nærmest et land - så centraliseret - så sårbart... Det bliver fedt når den bliver eller skal lukkes ned for vedligehold eller fejl eller terrorisme m.v..

  • 1
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten