Framleiðsla hreinnar ofurorku þokast nær með bjartsýnisbústi frá Kína

Kínverjar virðast smám saman vera að ná forskoti við að virkja kjarnasamrunaorku. Nýjasta fréttin af afrekum þeirra á þessu sviði birtist í kínverska ríkisfjölmiðlinum Xinhua News Agency fimmtudaginn 30. desember.

Í fréttinni segir að kjarna­samrunakljúfur í Kína hafi sett nýtt met í að halda stöðugum viðvarandi háum hita í plasma sem var fimm sinnum heitari en sólin í 17,6 mínútur, eða í 1.056 sekúndur. Kjarna­samrunaofninn Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), líka kallaður „counterfeit sun“ eða gervisól, náði hitastigi upp á 70 milljón gráður á Celsíus meðan á tilraununum stóð, samkvæmt frétt Xinhua News Agency. Þetta er sagður sjö sinnum meiri hiti en er á sólinni.

Endanlegt markmið þróunar gervisólar er að skila nær takmarkalausri hreinni orku með því að líkja eftir náttúrulegum fyrirbærum sem eiga sér stað inni í stjörnum við samruna vetniseinda.

„Nýleg aðgerð leggur traustan vísindalegan og tilraunagrundvöll að rekstri kjarnasamruna,“ sagði Gong Xianzu, vísindamaður við Plasma Physics Institute of the Chinese Academy of Sciences, sem leiddi nýjustu tilraunina, við Xinhua. EAST verkefnið hefur þegar kostað Kína meira en 700 milljarða punda samkvæmt frétt Independent.

Lin Boquiang, umsjónarmaður fyrir orkuhagfræðirannsóknir við Xiamen háskólann, bendir þó á að það muni taka mjög langan tíma áður en starfhæfur kjarnasamrunaofn verði til úr þessum prófunum.

Ýmsar hugmyndir hafa komið fram um smíði kjarnasamrunaofna eins og þessi frá bandaríska fyrirtækinu Lockheed Martin.

Merkur áfangi náðist á síðasta sumri

Í júní 2021 tókst kínverskum vísindamönnum að líkja eftir orkumyndun sólarinnar og settu þá nýtt met. Náðu þeir þá að halda 120 milljón gráðu hita á Celsíus í segulsviði í 101 sekúndu. Það var 20 sekúndum lengur en áður hafði tekist. Sömuleiðis tókst að koma hámarkshita upp í 160 milljón gráður á Celsíus, sem er meira en tífalt meiri hiti en á sólinni. Þetta afrek kínverskra vísindamanna var talið gríðarlega mikilvægt skref í vegferð kínversku þjóðarinnar í átt að nýtingu á hreinni og takmarkalausri orku, sem skilur ekki eftir sig geislavirk úrgangsefni eins og verður til við kjarnaklofnun í kjarnorkuverum. Nú, aðeins hálfu ári seinna, hefur Kínverjum tekist á ná enn betri árangri.

Hvað sem því líður telja margir sérfræðingar að enn sé langt í land í að tilraunum sem skila nothæfum árangri ljúki í Kína.

ITER kjarnasamrunaorkuverið sem verið er að reisa í Marseille í Frakklandi. Mynd / ITER

Taka þátt í ITER-verkefninu í Frakklandi

Kjarnasamrunateymið í Kína mun einnig veita tæknilega aðstoð við annað stórverkefni kjarnasamrunaorku sem nú er verið að smíða í Marseille í Frakklandi, en verkefnið hófst þar 2005. Það er International Thermonuclear Experimental Reactor, eða ITER, sem verður stærsti kjarnasamrunaofn heims þegar hann verður fullgerður. Hefja á tilraunir við að búa til ofurheitan kjarnasamrunaplasma í ofninum árið 2025. Í ITER á að vera hægt að framleiða 500 megawatta orku með kjarnasamruna þar sem einungis 50 megawatta orka fer til framleiðslunnar. Þar taka Kínverjar fullan þátt ásamt Rússlandi, Bandaríkjunum, Japan, Indlandi, Suður-Kóreu og Evrópusambandinu. Þessi risastóri kjarnasamrunaofn verður 23.000 tonn.

Bretar bjartsýnir og ætla líka að virkja kjarnasamrunaorku

Bretar hafa verið í sérstakri stöðu við þetta ITER verkefni eftir útgönguna úr ESB. Þeir ætla samt einnig að reisa kjarnorkusamrunaorkuver sem á að verða hluti af „grænni iðnbyltingu“. Tilkynnt var um það í nóvember að verið væri að skoða fimm staðsetningar fyrir slíkt verkefni, sem nefnt hefur verið „Spherical Tokamak for Energy Production“, eða STEP. Verkefnið miðar að því að frumgerð verði smíðuð 2024 og verður hún mun minni og ódýrari í sniðum en hefðbundnir Tokamak ofnar og allt að 100 sinnum minni en ITER í Frakklandi.

Í framhaldinu á kjarnasamrunaorkuver að fara að skila orku til heimila fólks í Bretlandi um eða upp úr 2040, samkvæmt heimasíðu STEP verkefnisins.

Kjarnasamrunaofn Breta byggir á sömu grunnhugmynd og Tokamak ofnarnir í Kína og Frakklandi, fyrir utan að þeir eru hringlaga en ekki eins og kleinuhringir í laginu. Með hringlaga ofni telja breskir vísindamenn að auðveldara verði að ná fram meiri skilvirkni segulsviðsins sem halda á ofurheitum plasmanum stöðugum án þess að hann snerti veggi ofnsins.

Fleiri útgáfur af Tokamak ofnum hafa verið kynntar, eins og laser-knúinn kjarnasamrunaofn Lockheed Martin í Bandaríkjunum.

Góður árangur í hönnun ofurleiðara

Þann 19. desember síðastliðinn kynnti háskólinn í Twente (UT) í Hollandi að rannsóknarteymi hans hafi náð merkum áfanga í þróun kjarnasamrunaofna með hönnun á snjöllu, öflugu og ofurleiðandi köðlum. Geta þeir skapað ótrúlega sterkt segulsvið til að stjórna mjög heitu, orkumyndandi plasma og leggur grunninn að skilvirkum kjarnasamruna. Eru kaplarnir færir um að standast gríðarlega krafta inni í kjarnaofninum í mjög langan tíma.

Aukinn endingartími ofurleiðara og bætt stjórn á plasmanum er sögð gera kjarnasamrunaorku áreiðanlegri. Þetta er sagt afar mikilvægt þar sem segulspólurnar með slíkum ofurleiðurum standa fyrir um þriðjungi kostnaðar við kjarnasamrunaorkuver. Því lengur sem hægt er að tryggja endingartíma þeirra, þeim mun ódýrari verður orkan.

„Heilagur gral“ byggður á sovéskri hugmynd

Kjarnasamrunaofnar eiga að líkja eftir eðlisfræði sólarinnar og sameina atómkjarna til að mynda gríðarlega orku. Með hitaorkunni sem þar myndast er svo hugmyndin að hita vatn til að framleiða raforku í líkt og gert er í kjarnorkuofnum, nú eða í jarðhitaorkuverum eins og í Hellisheiðarvirkjun. Ferlið krefst ekki jarðefnaeldsneytis og skilur engin hættuleg úrgangsefni eftir sig, ólíkt kjarnaklofnunarferlinu. Eðlisfræðingar halda því einnig fram að það sé líka mun minni hætta á umhverfisslysum í kjarnasamrunaverum en hefð­bundnum kjarnorkuverum nú eða orkuverum sem knúin eru jarðefnaeldsneyti.

Kínverski tilraunaofninn EAST er eins og fyrr segir byggður á Tokamak tækni líkt og ofninn í Frakklandi. Grunnur var lagður að þessari tækni í Sovétríkjunum á sjötta áratug síðustu aldar af eðlisfræðingunum Igor Tamm og Andrei Sakharov, sem voru innblásnir af hugmynd Oleg Lavrentiev. Fyrsti ofninn var smíðaður árið 1958 og einfaldlega nefndur T-1. Átti hann að geta beislað óstjórnlega mikinn hita í ofursterku segulsviði, enda eru engin efni til sem þola slíkan hita og nýta mætti í venjulegan ofn. Hugmyndin að möguleikum á vetnis-helium samruna er þó eignuð Arthur Eddington árið 1920. Það var svo ástralski eðlisfræðingurinn Mark Oliphant sem fyrstur náði því að framkalla kjarnasamruna með vetnis-ísótópum á rannsóknarstofu árið 1932.

Nú eru Kínverjar farnir að nefna ártalið 1958, þegar Rússar smíðuðu sinn fyrsta Tokamak ofn, sem upphafsár sinna tilrauna við kjarnasamruna. Kom það m.a. fram í frétt af árangrinum sem þeir náðu í Xinhua fyrir áramót.

Alla tíð frá 1920 hafa menn glímt við hugmyndina um að beisla ótæmandi kjarnorkusamrunaorku sem kölluð er „heilagur gral“ hreinnar orkuframleiðslu. Svartsýnismenn hafa samt verið ósparir á að halda því fram að þetta muni aldrei verða að veruleika. Kínverjar virðast samt vera á góðri leið með að afsanna þá kenningu.

Svona sjá arkitektar fyrir sér að útlit kjarnasamrunaorkuvers STEP gæti verið.