Þann 20. janúar 2025 brjótast út mikil fagnaðarlæti meðal starfsmanna við tilraunaorkuverið EAST í Kína. Tekist hefur að halda 100 milljón gráðu heitum plasma fljótandi í gríðarlega öflugu segulsviði í 1.066 sekúndur samfleytt.
Þetta eru tæpar 18 mínútur og virðist svo sem í fljótu bragði ekki tilefni mikilla fagnaðarláta. Sannleikurinn er þó sá að þetta er nýtt heimsmet.
Afrekið vekur athygli um allan heim, enda er það mikilvægt skref í átt að því lokatakmarki þúsunda eðlisfræðinga að vinna orku með sömu aðferð og hún myndast í sjálfri sólinni – með kjarnasamruna.
Kínverska metið sýnir að miklar fjárfestingar Kínverja í samrunatilraunum eru að skila árangri. Og nú reisa Kínverjar tröllvaxið tilraunaorkuver sem á að ryðja brautina fyrir samrunaver sem verði þess umkomin að framleiða markaðshæfa orku.
Þar með hafa Kínverjar hafið þátttöku sína í keppninni um að þróa samrunaorku til nýtingar – keppni þar sem stóra, fjölþjóðlega orkuverið ITER sem verið er að reisa í Frakklandi virtist ætla að taka afgerandi forystu.
Þeirra þjóða og vísindamanna sem tekst að leysa öll vandamálin og gera samrunaorkuna að veruleika bíða fleiri viðurkenningar og verðlaun en nöfnum tjáir að nefna.
Kjarnasamruni gæti nefnilega orðið sá orkugjafi sem leysir allan orkuskort veraldar, því fræðilega séð er unnt að bræða saman óendanlegt magn frumeindakjarna.
En það er ekki auðvelt að hemja öfl sem eru ámóta sterk og þau sem ráða ríkjum í sólinni. Það krefst ótrúlegrar nákvæmni, þolinmæði og síðast en ekki síst gríðarmikillar orku. En náist þetta markmið verður veröldin heldur aldrei söm aftur.
Vísindamönnum fer stöðugt fram við að hafa stjórn á þeim ofboðslega heita plasma sem verður eldsneyti samrunaorkuvera og tilraunir í þessum væntanlegu risatilraunaverum færa þá væntanlega enn nær lokamarkinu.
Þar munu þeir að líkindum líka fá svar við þeirri spurningu hvort unnt verði að skaffa nægjanlegt eldsneyti fyrir slík framtíðarorkuver eða hvort mögulega þurfi að sækja það til tunglsins.
Samruni slær út klofnun
Í meira en 70 ár hefur eðlisfræðingana dreymt að „flytja sólina til jarðar“ eins og þetta hefur stundum verið kallað. Talsmátinn á rætur að rekja til þess að samrunaorka skapast með því að bræða saman létt frumefni á sama hátt og þau renna saman í iðrum sólar.
Kjarnasamruni er alveg þveröfugur við það sem gerist í venjulegum kjarnorkuverum en þar myndast orkan við klofnun þungra frumeinda, svo sem úrans.
Ætlunin er að beita aðferðum sólar á jörðinni
Samrunaorka myndast með því að frumeindakjarnar renna saman á sama hátt og gerist í iðrum sólarinnar. Þegar tvær gerðir vetnis, tvívetni (D) og þrívetni (T), renna saman losnar ofboðslegur kraftur. Við samrunann myndast Helíum (He) og ein laus nifteind (n).
Samruni skapar ekki einungis miklu meiri orku en klofnun, heldur skilur hann ekki eftir sig neinn geislavirkan úrgang sem þarf að einangra í mörg þúsund ár.
Það er heldur engin hætta á að kjarnaofn í samrunaveri bráðni við ofhitnun, eins og komið hefur fyrir í nútíma kjarnorkuverum.
Þvert á móti þarf ofboðslegan hita til að bræða frumeindakjarna saman.
Lágmarkshitastigið er um 100 milljón gráður. Við þann hita geta þungt og ofurþungt vetni, tvívetni og þrívetni tekið að renna saman. Tvívetni er að því leyti ólíkt venjulegu vetni að auk róteindar er ein nifteind í kjarnanum. Í kjarna þrívetnis eru tvær nifteindir í kjarnanum og það er því enn þyngra en þungt vetni.
100 milljón gráðu heitt þarf vetni að vera til að frumeindir renni saman.
Þegar vetnið hitnar, losna rafeindirnar frá kjörnunum sem við það verða að jónum með jákvæða hleðslu.
Eldsneytið tekur því á sig plasmaform. Vegna þess að plasminn hefur jákvæða hleðslu er unnt að hafa stjórn á jónunum með nógu öflugu segulmagni og þar með komast menn hjá því að þessi glóðheiti plasmi bræði göt á veggi kjarnaofnsins.
Samrunaofna má hanna á ýmsa vegu en mest reynsla hefur fengist af svonefndum tokamak-ofnum. Þeir eru líkastir kleinuhringjum í lögun og plasminn berst um þá í hringi.
Í janúar árið 2025 settu Kínverjar met í samrunaþróun, þegar tilraunaofninn EAST hélt plasma stöðugum í 1.066 sekúndur eða tæpar 18 mínútur.
Tilraunir með tokamak-ofnana hafa verið gerðar síða upp úr 1950 og meira en 100 tilraunaofnar hafa gefið stöðugt betri útkomu.
Menn eiga þó enn í erfiðleikum með að hafa stjórn á plasmanum lengi í einu og þess vegna vakti kínverska metið slíka athygli. En nú koma senn miklu stærri samrunaofnar.
Kínverjar einir á báti
Um árabil hafa augu allra áhugamanna beinst að Frakklandi þar sem verkfræðingar eru að byggja samrunaofninn „Internatioal Thermonuclear Experimental Reactor“, skammstafað ITER.
Þetta tilraunaver er samstarfsverkefni ESB-ríkjanna, Bandaríkjanna, Rússlands, Indlands, Japans, Suður-Kóreu og Kína. ITER-ofnhringurinn verður 12,4 metrar í þvermál og sá stærsti í heimi.
Árið 1985 stungu Sovétmenn upp á samvinnu við Bandaríkin um byggingu samrunaorkuvers. Úr því varð sú fjölþjóðlega samvinna sem nú stendur að byggingu ITER í Saint-Paul-lez-Durance í Suður-Frakklandi.
ITER á að hefja starfsemi 2035 og ætlunin er að fylla ofninn með raunverulegu samrunaeldsneyti 2039.
Kínverjar gætu þó orðið fyrri til. Þeir hyggjast reisa sitt eigið ver, „Chinese Fusion Engineering Test Reactor“ (CFETR) sem gæti tekið til starfa upp úr 2030.
Rétt eins og ITER verður CFETR tokamak-ofn en hann verður enn stærri, 14,4 m í þvermál.
1.000 MW á kínverska CFETR-orkuverið að skila. Það samsvarar afköstum tveggja meðalstórra kolaorkuvera.
Í báðum tilvikum er markmið vísindamanna hið sama: að sanna að unnt sé að halda plasma stöðugum í langan tíma, ásamt því að unnt sé að ná meiri orku úr orkuverinu en þarf til að knýja það.
Hlutfallið milli orkunotkunar og orkuframleiðslu kallast Q-stuðullinn. Báðum þessum samrunaofnum er ætlað að koma Q-stuðlinum yfir 10 sem þýðir að orkuverin eiga að framleiða tífalda þá orku sem þarf til að knýja þau.
Til viðbótar eiga ofnarnir að færa plasmann nær svokallaðri sjálfkveikju sem merkir að samrunaferlið þarf að ná svo langt að það geti haldið sér gangandi alveg án utanaðkomandi orku.
Varðandi ITER er ætlunin að ná 500 megavatta framleiðslu sem samsvarar afköstum meðalstórs kolaorkuvers. CFETR á að tvöfalda þá tölu.
Risavaxnir kjarnaofnar stefna að nýju markmiði
Fjölþjóðlegi kjarnaofninn ITER og kínverski CFETR-kjarnaofninn verða miklu stærri en eldri sambræðsluofnar, enda eiga þeir að ryðja brautina fyrir samrunaorkuver framtíðarinnar. Markmiðin með smíði þessara ofna eru einkum þrjú.
1. Seglar stýra eldsneytinu
Ofurleiðaraseglar (bláir) umkringja ofnhólfin sem eru að lögun lík kleinuhringjum í báðum nýju tilraunaverunum. Seglunum er ætlað að halda eldsneytinu svífandi (appelsínugult). Eldsneytið er plasmi úr þungu og ofurþungu vetni, sem sagt tvívetni og þrívetni.
2. Samruni á að skila framhaldsorku
Örbylgjugeislun (gul) og útvarpsgeislun (græn) hita vetnið. Vegna hitans taka frumeindakjarnarnir að renna saman. Hitinn frá samrunanum á að skila áframhaldandi hitastigi kringum 150 milljón gráður.
3. Umframorkuna á að margfalda
Ætlunin er að ofnarnir komi svonefndum Q-stuðli yfir tíu. Þá er samruninn farinn að skila jafnmikilli orku frá sér (hvítt) og þarf til að knýja hann. Nú er met samrunaofns aðeins 0,67.
Risavaxnir kjarnaofnar stefna að nýju markmiði
Fjölþjóðlegi kjarnaofninn ITER og kínverski CFETR-kjarnaofninn verða miklu stærri en eldri sambræðsluofnar, enda eiga þeir að ryðja brautina fyrir samrunaorkuver framtíðarinnar. Markmiðin með smíði þessara ofna eru einkum þrjú.
1. Seglar stýra eldsneytinu
Ofurleiðaraseglar (bláir) umkringja ofnhólfin sem eru að lögun lík kleinuhringjum í báðum nýju tilraunaverunum. Seglunum er ætlað að halda eldsneytinu svífandi (appelsínugult). Eldsneytið er plasmi úr þungu og ofurþungu vetni, sem sagt tvívetni og þrívetni.
2. Samruni á að skila framhaldsorku
Örbylgjugeislun (gul) og útvarpsgeislun (græn) hita vetnið. Vegna hitans taka frumeindakjarnarnir að renna saman. Hitinn frá samrunanum á að skila áframhaldandi hitastigi kringum 150 milljón gráður.
3. Umframorkuna á að margfalda
Ætlunin er að ofnarnir komi svonefndum Q-stuðli yfir tíu. Þá er samruninn farinn að skila jafnmikilli orku frá sér (hvítt) og þarf til að knýja hann. Nú er met samrunaofns aðeins 0,67.
Til að samrunaver verði samkeppnishæft á markaði þarf Q-stuðullinn að verða enn hærri, trúlega um 30.
En án tillits til þess hver talan verður, standa menn frammi fyrir öðru vandamáli, nefnilega því að afla nægs eldsneytis.
Ofninn fóðrar sig sjálfur
Samrunaorka er oft kölluð óþrjótandi vegna þess hve vetni er algengt efni í náttúrunni.
En þótt meira en nóg sé af þungu vetni í heimshöfunum er ekki sömu sögu að segja af ofurþunga afbrigðinu, þrívetninu. Af því er einungis til sáralítið og í efri hluta gufuhvolfsins þar sem það myndast fyrir tilverknað geimgeislunar. Annað þrívetni er ekki nema um 25 kg samtals og orðið til sem úrgangsafurð kjarnorkuvera.
Samrunaorkuver framtíðarinnar þurfa því að vera fær um að framleiða sitt eigið þrívetni. Bæði í ITER og CFETR er ætlunin að ná því marki með sérstakri klæðningu í ofninum innanverðum. Þessi klæðning gengur undir heitinu „breeding blanket“ en í henni verður m.a. frumefnið liþíum.
Þegar liþíum frumeind verður fyrir nifteind sem losnar við samrunann, klofnar hún í einn helíumkjarna og einn þrívetniskjarna. Fræðilega séð gæti samrunaofn þannig fóðrað sig sjálfur á nýju eldsneyti.
Orkuverið fóðrar sig sjálfkrafa
Í ITER-orkuverinu í Frakklandi á að prófa svonefnt fóðurteppi (e: breeding blanket) sem stöðugt framleiðir nýtt þrívetni til orkuframleiðslunnar. Kínverska orkuverið CFETR á að sjá sjálfu sér fyrir þessu sjaldséða vetnisísótópi með sömu aðferð.
Samruninn losar eina nifteind
Samruni tvívetnis (D, deterium) og þrívetnis (T, tritium) myndar nýjan helíumkjarna (He) og eina lausa nifteind (n). Nifteindin er óhlaðin og helst því ekki í segulsviðinu heldur þeytist út að vegg ofnsins.
Beryllíum losar aðra nifteind
Þar rekst nifteindin á efnið beryllíum (Be) sem klofnar í tvær helíumfrumeindir (He) og losar aðra nifteind. Fjöldi lausra nifteinda hefur tvöfaldast.
Liþíum skapar nýtt samrunaeldsneyti
Í fóðurteppinu tekur liþíum (Li) lausu nifteindirnar til sín. Við það klofnar liþíumkjarninn í einn helíumkjarna (He) og nýjan þrívetniskjarna (T) sem nýtist nú sem endurnýjað eldsneyti.
Tilraunir til að skapa slíka klæðningu verður einmitt aðalverkefni vísindamanna við CRAFT, annað samrunaver sem Kínverjar hafa á prjónunum. Það skiptir líka höfuðmáli fyrir framtíð samrunaorkuvera að þetta takist.
En CRAFT er líka annað dæmi um það að Kínverjar hafa ákveðið að veðja háum fjárhæðum á drauminn um samrunaorkuver.
En jafnvel þótt vetnissamruni reynist ekki vera rétta leiðin, þá er til plan B en þá þarf að sækja eldsneyti út í geiminn.
Helíum er plan B
Margir vísindamenn eru þeirrar skoðunar að ísótópið helíum-3 væri heppilegra eldsneyti en vetni.
Stóri kosturinn við helíum-3 er sá að samruninn myndar enga aukanifteind en þær slíta kjarnaofninum við samruna vetniseinda. Helíum-3 er hins vegar fágæt hér á jörð.
Hins vegar er til meira en nóg af því á tunglinu, þar sem það myndast þegar eindir sólvindsins skella á yfirborðinu. Menn hafa lengi velt fyrir sér þeim möguleika að vinna helíum-3 úr tunglrykinu.
En hvort þungvetni eða helíum-3 reynist gagnlegra eldsneyti, þarf varla að efast um að Kínverjar muni taka forystu í því að „flytja sólina til jarðar“ – jafnvel þótt þeir þurfi að narta aðeins í tunglið til þess.
