Kjarnasamrunaorka kannski að veruleika á næstu 25­–30 árum

Ein leið til að framleiða nær ótakmarkaða orku um alla fyrirsjáanlega framtíð hafa sumir talið felast í beislun á kjarnasamruna með líkum hætti og gerist á sólinni. Árangurinn mun samt varla koma í ljós fyrir en eftir 25 til 30 ár. 

 

Að beisla slíkan ofurhita í manngerðum ofni krefst þó tækni sem enn er á tilraunastigi. Þar er stærst sameiginlegt tilraunaverkefni 35 þjóða í Frakklandi sem kallað er ITER, en það stendur fyrir „International Thermonuclear Experimental Reactor“. 

 

Samkvæmt umfjöllun á vef World Economic Forum eru vísindamenn bjartsýnir á að það sé hægt að framleiða nær ótakmarkaða orku með kjarnasamruna og losna þannig við orkuframleiðslu sem skilur eftir sig losun á koltvísýringi. Það sé þó allt annað en einfalt. Nýlegar rannsóknir auki þó vonir manna um að þetta geti orðið að veruleika. 

 

Nýjustu fréttir herma að vænlegt geti verið fýsilegt að nota gervigreind [deep learning artificial intelligence – AI] til að takast á að leysa flókin dæmi við það sem gerist við kjarnasamruna. Hefur teymi vísindamanna úr orkumálaráðuneyti Bandaríkjanna og Energy Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) fundið leið til að nota gervigreind í þessum tilgangi. 

 

Snýst um að sameina tvö atóm í eitt án geislavirkni

 

Kjarnasamruni er andstæða kjarnaklofnings sem verður í kjarnorkusprengjum og nútíma kjarnorkuverum og veldur mikilli geislun. Er kjarnasamruni útskýrður á þann hátt að tveim ólíkum atómum sé steypt eða þau sprengd saman í eitt atóm undir gríðarlegum þrýstingi og hita. Massi sameinaðs atóms verði við það minni en atómanna tveggja sem mynduðu hana. Massinn sem upp á vantar er þá orka sem leysist úr læðingi við kjarnasamrunann og Albert Einstein lýsti með jöfnunni frægu E=mc2. Með kjarnasamruna á að vera hægt að ná út margfalt meiri orku en hægt er að ná með kjarnaklofnun og án þess að það skilji eftir sig langvarandi geislavirkan úrgang.  

 

Vísindamenn hafa kokkað upp margar uppskriftir að kjarnasamruna með mismunandi atómum. Sú uppskrift sem þykir lofa mestu í dag byggir á að nota deuterium og tritium one atóm. Til þess að sameina þessi atóm þarf fyrst að ná um 39 milljóna gráðu hita á Celsíus til að framkalla 17,6 milljóna volta orku. Væntanlega er þó ekki ráðlegt fyrir fólk að prófa þessa uppskrift í eldhúsinu heima hjá sér.  

 

Þessa hitaorku vonast menn svo til að geta beislað til þess t.d. að hita vatn og framleiða gufu til að knýja rafal í orkuveri og framleiða þannig raforku. Sem sagt einfalt og auðskiljanlegt hugmyndafræðilega en afar flókið og erfitt í framkvæmd.

 

Gríðarleg orka sem vinna má úr vetni sem framleitt er úr sjó

 

Deuterium þykir vænlegt hráefni í kjaransamruna þar sem það er vetnis ísótóp og vetni er auðvelt að framleiða úr vatni eða sjó. Úr 3,8 lítrum (einu galloni) af sjó mætti þannig fá hráefni til að framleiða jafn mikla orku og hægt er að ná út úr 1.136 lítrum af bensíni, að því er segir á vefsíðu World Economic Forum. 

 

Í grein í Forbes er áætlað að orka sem fengist úr 11 pundum, eða 4,95 kg, af vetni í kjarnasamruna geti samsvarað orku sem hægt er að ná við brennslu á 18.750 tonnum af kolum, eða 56.000 tunnum af olíu eða úr sólarrafhlöðum sem þekja 302 hektara. 

 

Forbes greindi svo frá því í janúar á þessu ári að vísindamenn í vísindaakademíu Bandaríkjanna hafi komist að þeirri niðurstöðu að með 200 milljóna dollara árlegu framlagi til tæknisviðsins væri sennilega mögulegt að þróa tækni sem gæti gert kjarnasamrunaofn að raunhæfum kosti fyrir árið 2050. 

 

Risaverkefnið í Frakklandi

 

ITER er sannkallað risaverkefni og bygging kjarnasamrunaofns hefur staðið yfir í Suðaustur-Frakklandi frá árinu 2007. Þar er verið að smíða ofn sem byggður er á rússneskri „Tokamak“ tækni og er afar flókin. Í ofninn fara meira en milljón íhlutir og aðalhluti ofnsins mun vega 23.000 tonn og kosta að minnsta kosti 20 milljarða evra, eða sem svarar yfir 2.760 milljörðum íslenskra króna. 

 

Upphaflega var gert ráð fyrir að tilraunir með kjarnasamruna gætu hafist í ofninum í Frakklandi 2016. Framkvæmdin hefur hins vegar undið verulega upp á sig og nú eru menn að vonast til að það geti mögulega orðið árið 2025. Þá á eftir að fara í margvíslegar tilraunir og gæla menn við að ofninn gæti verið farinn að skila frá sér raforku árið 2045, samkvæmt frétt í blaðinu The Economist.

 

Kínverjum hefur miðað vel áleiðis

 

Kínverjar hafa eins og fleiri þjóðir veðjað á þessa tækni og hafa náð hvað bestum árangri í tilraunum við kjarnasamruna, en þeir eru líka þátttakendur í ITER. Þannig náðu þeir fyrstir að framkalla og viðhalda samrunaorku samfellt í meira en 100 sekúndur árið 2017. Samkvæmt frétt á vef Unicef þá hyggjast Kínverjar vera komnir með kjarnasamrunaofn í fulla starfsemi í Anhui héraði árið 2050.

 

Margir veðja á kjarnasamrunann

 

Þrátt fyrir að ITER verkefnið sé það umfangsmesta sem nú er í gangi, þá er unnið að fjölda annarra kjarnasamrunaverkefna víða um heim. Á síðasta ári kynnti einkafyrirtækið Tokamak Energy í Bretlandi að það hafi náð í fyrsta sinn að hita plasma í 15 milljón gráður á Celsíus.

 

Þá er í gangi samvinnuverkefni á  MIT og Commonwealth Fusion Systems um hönnun á kjarna­samrunaofni sem styðst við það sem verið er að gera í ITER. Markmiðið er að ná að framleiða meiri orku en lögð er í að framleiða hana. 

 

Kanadísk yfirvöld tilkynntu á síðasta ári um fjárfestingu upp á 37,5 milljónir dollara í fyrirtæki sem heitir General Fusion sem stofnað var 2002. Það einbeitir sér að nálgun kjarnasamruna sem kallaður er „magnetized target fusion“ sem mætti kannski útleggja sem segulstýrðan kjarnasamruna. 

 

Í nóvember 2018 slógu Kínverjar [China Institute of Plasma Physics] nýtt met í kjarnasamrunatilraunum sínum í ofni sem nefndur hefur verið „Experimental Advanced Superconducting Tokamak eða EAST“ og er hluti af ITER verkefninu. Þar náðu þeir að framkalla 100 milljón gráðu hita á Celsíus sem er sex sinnum meiri hiti en í kjarna sólarinnar. Verkefnið er fjármagnað af Kína, Evrópusambandinu, Indlandi, Japan, Rússlandi, Suður-Kóreu og Bandaríkjunum. 

 

Fjölþjóðleg samvinna um rússneska hugmynd

 

Tokamak (?????á?) kjarna­samruna­­ofninn er byggður á þeirri hugmynd að hægt sé að að viðhalda þeim ofurhita sem næst með kjarnasamruna fljótandi í plasma í segulsviði, án þess að hann snerti útveggi ofnsins sem myndu annars bráðna á augabragði. Þessari tækni var lýst á sjötta áratug síðustu aldar af sovésku eðlisfræðingunum Igor Tamm og Andrei Sakharov sem nýttu sér skrif Oleg Levrentiev um þessi mál.  

 

Fyrsti Tokamak ofninn var gang­settur 1965 og frekari tilraunir 1968 þóttu sanna að aðferðafræðin gæti gengið upp og væri betri en önnur tækni sem reynd hafði verið varðandi kjarnasamruna. Buðu Sovétmenn breskri sendinefnda í heimsókn til að sannreyna niðurstöðurnar árið 1969. 

 

Á áttunda áratugnum voru tilraunir gerðar með slíka ofna víða um heim með það að markmiði að ná út úr ofnunum meiri orku en notuð var til að framleiða hana. Eftir fund Ronalds Reagan og Mikaels Gorbachev í Sviss í nóvember 1985 var alþjóðlega verkefnið International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) sett í gang með þátttöku Sovétríkjanna, Bandaríkjanna og allra helstu iðnríkja heims.

 

Hægt miðar þrátt fyrir háværar upphrópanir

 

Fyrir óþolinmóða jarðarbúa virðist miða ansi hægt að finna lausn á orkuvanda heimsins. Enn um hríð munu helstu iðnaðarveldi því þurfa að stærstum hluta að reiða sig á brennslu kola og olíu og á gasi auk raforkuframleiðslu með kjarnorku. Framleiðsla með endurnýjanlegum og vistvænum orkugjöfum hefur einfaldlega ekki dugað til að anna eftirspurnaraukningunni samkvæmt tölum Alþjóðaorku­stofn­­­unar­innar. 

 

Vegna áherslu stjórnmálamanna á að draga úr losun koltvísýrings með minnkun á brennslu jarðefna­eldsneytis, hafa ýmsir fjármálamenn stokkið á vagninn og sjá þar ný tækifæri. Warren Buffett er einn þeirra, en samkvæmt frétt The Economist veðjar hann 30 milljörðum dollara á það sem kallað er hrein, eða „græn“ orka. Þekkt er að Elon Musk er með hugmyndir um að fylla þjóðvegi Ameríku af rafmagnsbílum. 

 

The Economist segir hins vegar að þrátt fyrir að dæminu sé þannig stillt upp með fjálglegum hætti um vistvæna orkuframleiðslu, ásamt einhliða málflutningi sem lýsi skelfingunni sem fram undan sé, þá sé það staðreynd að eftirspurn eftir olíu fari vaxandi. Orkuframleiðsla eykst, bæði í Ameríku og á heimsvísu. Þess vegna sé verið að skipu­leggja gríðarlegar fjárfestingar til að fullnægja þeirri eftirspurn og það sé langt í frá allt vistvænt.

 

ITER kjarnasamrunaofninum er ætlað að framleiða og halda í skefjum heitum plasma sem gæti verið margfalt heitari en sólin, sem er þó allt að 15–17 milljón gráðu heit, en án þess að hann snerti veggi ofnsins. 

 

Aukin olíu- og gasvinnsla á að mæta vaxandi raforkueftirspurn 

 

Blaðið bendir á að á árinu 2018 hafi 20 kolanámum í Norður-Ameríku verið lokað, en á sama tíma vinnur olíurisinn ExxonMobil að því að stórauka sína olíuframleiðslu. Stefnir fyrirtækið að því að dæla upp 25% meiri olíu og gasi árið 2025 en gert var 2017. Væntanlega er þar hugmyndin að olía og gas komi í stað kola til raforkuframleiðslu. Menn horfa þar á veruleikann  og fyrirliggjandi staðreyndir um orkuþörf.

 

Þrátt fyrir upphrópanir,  ótak­markaða óskhyggju og vænting­ar um græna orku sem bjargi heiminum, virðist enn ekki vera unnt að mæta allri orkueftirspurninni á vistvænan hátt. Það verður vart gert í bráð á annan hátt en með jarðefnaeldsneyti. Þetta er því miður sá kaldi veruleiki sem við blasir. Þann vanda munu Íslendingar, sem líka horfa fram á sívaxandi eftirpurn eftir orku, ekki leysa með evrópskum pakkalausnum.