Nýting á kjarnasamrunaorku gæti umbylt allri orkunotkun heimsins

Fjöldi vísindamanna um allan heim vinnur nú að því að finna leið til að framkalla kjarnasamruna á þann hátt að hægt sé aðvirkja orkuna.

Frá því í október hafa verið birtar fjölmargar greinar í erlendum miðlum um að bandaríska fyrirtækið Lockheed Martin, sem helst er þekkt fyrir smíði á orrustuþotum, hafi dottið niður á lausn sem gerði smíði nothæfra kjarnasamrunaofna mögulega, jafnvel innan fárra ára. Þar er grunnurinn sams konar orkuform og heldur sólinni okkar gangandi. Frá sjónarhóli leikmannsins hljóta þetta að teljast mikil tíðindi.

Gæti leyst loftmengunarvandann og hlýnun lofthjúpsins

Kosturinn við kjarnasamrunaorku er að henni fylgir engin loftmengun og ekki heldur nein langvarandi geislamengun eins og þekkt er við nýtingu kjarnorku. Það sem er jafnvel enn merkilegra er að við þróun á þessari orkutækni hefur náðst alþjóðleg samvinna sem er algjörlega á skjön við þá átakaímynd sem sýnd er á pólitíska leiksviðinu í Úkraínu. Í kjarnasamrunamálinu sitja til dæmis vísindamenn Evrópu­sambandsríkjanna, Rússlands, Bandaríkjanna, Kína og fleiri þjóða í mesta bróðerni saman í sömu bátsskelinni og róa allir í sömu átt. Ekkert ríki virðist þora að taka séns  á að halda spilunum eingöngu fyrir sig af ótta við að verða undir ef öðrum gengur betur. Vald óttans virðist því vera að neyða menn til víðtæks samstarfs í þessum efnum.

„Kjarnasamrunaorka er nær en þú heldur“

Í október gáfu talsmenn Lockheed Martin það út að nothæf frumgerð lítils samrunaofns, „Compact fusion reactor (CFR)”, gæti litið dagsins ljós innan fimm ára og söluhæfrar einingar innan tíu ára. Þar sagði m.a. „Compact fusion, it‘s closer than you think“. Á þeim bæ hafa menn í svokölluðu „Skunk Works“-teymi unnið að þróun verkefnisins og segjast vera komnir á beinu brautina með að beisla orku sólarinnar í það sem þeir kalla litla segulmagnaða flösku.

Segja þeir að með kjarnasamruna sé hægt að framkalla orku sem sé þrisvar til fjórum sinnum öflugri en hægt er að ná með kjarnaklofnun. 

Yrði bylting á orkuöflun heimsins - Ísland líklega ekki undanskilið

Ef þetta gengur eftir er ljóst að nýting kjarnasamrunaorku getur gjörbylt orkuöflun heimsbyggðarinnar enda grunnefnið að mestu sameindir vatnsins. Það getur þýtt að á tiltölulega stuttum tíma yrði jarðefnaeldsneyti verðlítil auðlind og efnahagur núverandi olíuríkja gæti hrunið eins og spilaborg.

Ofurmengandi kolaorkuver gætu þá einnig heyrt sögunni til og hlýnun jarðar af mannavöldum yrði ekki lengur vandamál. Þá yrði jafnvel óþarfi að leggja verðmætar náttúruminjar, byggðir og beitarlönd undir risavatnsorkuver í líkingu við það sem gert hefur verið í Kína, og víðar. Aftur á móti er vandséð að sú rándýra tækni sem liggur að baki kjarnasamrunanum, geti um fyrirsjáanlega framtíð keppt við minni eða meðalstór vatns- og jarðhitaorkuver eins og þekkjast á Íslandi, né vindorku. Ef orð þeirra Lockheed-manna reynast hins vegar rétt, um að raunhæft verði að smíða búnað sem nota mætti um borð í skipum, þá er hætt við að jafnvel Íslendingar yrðu að fara að endurskoða stöðu sinnar orkuöflunar.

Efasemdir um raunhæfni fullyrðinga Lockheed Martin

Margir hafa orðið til að draga orð talsmanna Lockheed Martin í efa, m.a. Steven Cowley, prófessor og stjórnandi kjarnasamrunaorkumiðstöðvar í Oxfordskíri í Bretlandi (Culham Centre for Fusion Energy in Oxfordshire). Hann segir lítið sem ekkert hafa komið fram í yfirlýsingum Lockheed Martin sem skýri tæknihlið málsins og hverju þeir hafi í raun áorkað. Þar skorti sannanir. Telur hann því ólíklegt að kjarnasamrunaorka muni koma til með að spila verulegu rullu í orkumálum heimsins fyrir árið 2050. Undir þetta tekur einn af helstu vísindamönnum ITER í samtali við breska blaðið Guardian.

Tilraunir hafa staðið yfir í rúm 80 ár

Kjarnasamruni vetnis-ísótópa var fyrst framkallaður í tilraunastofu árið 1932. Síðan hafa vísindamenn glímt við að finna nothæfa leið til að framleiða virkjanlega orku með kjarnasamruna. Kjarnasamruni var m.a. eitt af hliðarverkefnum Manhattanverkefnisins upp úr 1940 þegar Bandaríkjamenn unnu að smíði kjarnorkusprengjunnar sem byggði á öfugu ferli, þ.e. að framkalla keðjuverkun við splundrun atómkjarna. Tókst vísindamönnum reyndar að framkalla kjarnasamruna í kjarnasprengjutilraun árið 1951. Síðan tókst í fyrsta sinn að framkalla kjarnasamruna í stórum skala  í vetnissprengjutilraun þann 1. nóvember árið 1952 með svokallaðri „Ivy Mike“-vetnissprengju.  

Vandinn er að beisla ofurhitann

Flestar tilraunir í þessa veru á undanförnum áratugum snúast um að halda þeim ofurheita plasma sem myndast við kjarnasamruna fljótandi í firnasterku segulsviði þar sem engin efni eru til sem standast þann hita sem myndast. Hann getur verið upp á hundrað milljón gráður á Celsíus eða þaðan af meira. Er orkan sem myndast við kjarnasamruna í það minnsta milljón sinnum meiri en næst við brennslu á kolum eða olíu. Til að mynda slíkan hita þarf samt gríðarlega orku. Vandinn hefur verið að ná meiri orku út úr kjarnasamrunanum en sú orka er sem fer í að framkalla hann. Besti árangurinn lengi vel var að ná 16 megawatta orku í tvær sekúndur út úr 25 MW orku sem notuð var við að framkalla kjarnasamrunann.

Mikið byggt á sovéskri grunnhugmynd

Aðallega er um að ræða tvær gerðir ofna sem notaðir hafa verið við kjarnasamrunatilraunir, eða af gerðunum Tokamak og Interial. Tokamak-ofninn eða aðferðin  var fundin upp af sovésku eðlisfræðingunum Igor Tamma og Andrei Sakharov upp úr 1940, en þeir byggðu á grunnhugmynd Oleg Lavrentiniev. Talsmenn Lockheed Martin segja að CFR-ofn þeirra geti skilað tíu sinnum meiri orku miðað við rúmtak en hefðbundinn Tokamak-ofn. 

Leið Lockheed Martin miðast við smíði kjarnasamrunaofns sem hægt væri að hafa svo lítinn að hann rúmaðist aftan á trukk, eða í orrustuskipi. Lítið umfang slíks tækis er sagður lykillinn að mögulegum árangri Lockheed Martin, en þar segjast vísindamenn fyrirtækisins hafa farið aðrar leiðir en kollegar þeirra í Bretlandi og Frakklandi.

Í Frakklandi hafa menn verið að gera fjölþjóðlegar tilraunir á vegum  International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) sem miðast við smíði á ofni sem yrði 30 metrar á hæð og 23 þúsund tonn að þyngd. Smíði á slíkum ofni er augljóslega mjög dýr. Ef unnt er að gera þetta í mun minni skala eins og Lockheed Martin-menn, og reyndar fleiri vilja vera láta, lítur dæmið allt öðruvísi út.

Hergagnaiðnaður stórveldanna dregur vagninn

Þrátt fyrir efasemdaraddir samkeppnisaðila  Lockheed Martin er ljóst að það er hergagnaiðnaður heimsins sem dregur nú vagninn í þróun kjarnasamrunaorku. Þar virðist sannarlega vera grunnur til að það verði kapphlaup þar sem Bandaríkin og Kína muni spila stóra rullu sem orkuþyrstir iðnaðarrisar. Þegar möguleg hernaðarnot eru svo líka fyrir hendi virðast engin takmörk fyrir fjármagni og því er eins víst að einhver árangur líti dagsins ljós fyrr en margir ætla.

Síðla sumars á síðasta ári var skýrt frá því að kínverskir vísindamenn hafi fyrstum manna tekist að framleiða meiri orku við kjarnasamruna en næmi þeirri orku sem nýtt hafi verið til að framkalla samrunann. Það í sjálfu sér er stórt skref í þróun þessarar tækni og hefur heldur betur ýtt við vísindamönnum annarra þjóða.

EUROfusion komið á fulla ferð hjá ESB

Vísindamenn hjá þjóðum Evrópusambandsins hafa unnið að þróun við beislun kjarnasamrunaorku undir samtökum sem nefnd hafa verið EUROfusion. Frá 1970 hefur í samtarfi Evrópuríkja verið unnið að smíði og rekstri kjarnasamrunaofns ásamt Svisslendingum og Svíum undir verkefnaheitinu „Joint European Torus“ sem skammstafað er JET. Gert var sérstakt samkomulag um slíkt verkefni árið 1999 undir heitinu European Fusion Development Agreement – EFDA og er EUROfusion samtökunum ætlað að taka þetta verkefni enn lengra og hefur fengið til þess styrk frá verkefnasjóði sem kallast „European Union’s Horizon 2020“. Miðað er við að nothæf kjarnasamrunaorka verði orðin að veruleika fyrir árið 2050.

Háskólinn í Washington með orkumálaráðuneytið á bak við sig

Washington-háskóli í Bandaríkjunum vinnur ásamt mörgum öðrum að þróun í beislun kjarnasamrunaorkunnar með aðstoð orkumálaráðuneytis Bandaríkjanna. Þar á bæ vinna menn líkt og hjá Lockheed Martin líka að hönnun búnaðar sem er mun fyrirferðarminni en Tokamak ofnarnir en aðferðin á bak við hönnun Washington-háskóla er kölluð „spheromak“. Miklir peningar eru í spilinu, því smíði á einum ofni sem gæti skilað um einu gígawatti í orku getur kostað um 2,7 milljarða dollara eða sem nemur um 343 milljörðum króna.

Fjöldi þjóða komnar á fullt skrið

Samkvæmt upplýsingum á vef World Nuclear Association er fjöldi þjóða kominn á fullt við þróun í kjarnasamrunaorku. Auk vísindamanna innan ESB og Bandaríkjanna sem dregið hafa vagninn lengst af er nú unnið á fullu við slík verkefni í Kína, Rússlandi, Japan, Kóreu, Brasilíu og í Kanada. Í Bandaríkjunum og í Rússlandi hefur þessu vinna verið afleiða af þróun kjarnorkuvopna, en Sovétríkin náðu þar forskoti með þróun Tokamak-ofnanna sem urðu líka leiðandi í rannsóknum annarra þjóða upp úr 1970. Má þar nefna Joint European Torus (JET), Mega Amp Spherical Tokamak (MAST) í Bretlandi og Tokamak fusion test reactor (TFTR) í Princeton í Bandaríkjunum. Í smíðum er þó stærsta Tokamak-verkefnið sem er International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER í Cadarache í Frakklandi. 

Rússar höfðu frumkvæðið að fjölþjóðlegri samvinnu

Fjölþjóðleg samvinna við þróun í kjarnasamrunaorku er þó að mati World Nuclear Association lykillinn að því að nýting kjarnasamrunaorku verði raunhæf á heimsvísu. Var það reyndar að frumkvæði Rússa eða Sovétríkjanna sálugu, sem hafin var frekari þróun Tokamak-ofna árið 1985 í samvinnu við Evrópuríki, Japan og Bandaríkin. Var það hugmyndin að sérstakri stofnun um þetta mál, sem nefnd var International Atomic Energy Agency (IAEA). Á árunum 1988 til 1990 varð svo til International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), með stefnuna á að finna nothæfa leið til að beisla kjarnasamrunaorku. Var samþykkt að halda samstarfi þessara ríkja áfram árið 1992 og kom Kanada og Kazakhstan síðan inn í dæmið í gegnum Euratom-verkefni þeirra í samstarfi við Rússa. Bandaríkjamenn drógu sig svo út úr þessu samstarfi sex árum síðar en komu svo aftur inn árið 2003 ásamt Kínverjum og taka þessar þjóðir ásamt Suður-Kóreu nú þátt í verkefninu í Frakklandi. Þá má nefna sérstakt samstarf Ítala og Rússa sem gengið var frá 2010 um smíði á kjarnasamrunaofni sem smíðaður verður á Ítalíu og settur upp nærri Moskvu.