USA bør forberede sig på at bygge et prototype-fusionskraftværk, siger panelet

En ny rapport fra National Academies of Sciences, Engineering og Medicine kræver en fuldstændig foryngelse af det amerikanske fusionsprogram, som ikke har bygget en tokamak som National Spherical Torus Experiment ved Princeton Plasma Physics Laboratory siden 1990'erne.

Elle Starkman / PPPL Communications (CC BY-NC)

USA bør forberede sig på at bygge et prototype-fusionskraftværk, siger panelet

Af Adrian ChoDec. 13, 2018, 16:30

Lige i tide til ferien har et panel af førende forskere præsenteret en plan for forskning i nuklear fusion i USA, der lyder som en ønskeliste. De Forenede Stater bør holde sig til det kontroversielle ITER-projekt, en enormt dyre fusionsreaktor, der nu er under opførelse nær Cadarache i Frankrig, siger en rapport, der blev udgivet i dag af National Academies of Sciences, Engineering and Medicine. Men selv hvis USA afslutter ITER, bør de forberede sig på at bygge sit eget fusionskraftværk som en opfølgning, siger rapporten. For at gøre alt dette, bør De Forenede Stater øge udgifterne til fusionsundersøgelser med 200 millioner dollars om året eller 35%, konkluderer de.

Rapporten afspejler viljen fra det bredere fusionssamfund, siger medformændene for det 19-medlemmer rapportudvalg, Michael Mauel, en fusionsfysiker ved Columbia University, og Melvyn Shochet, en partikelfysiker ved University of Chicago i Illinois. ”Vi lyttede meget nøje til samfundet, især nogle af de yngre forskere, der er meget aktive på området, og hvad vi hørte fra forskerne er et ønske om at komme videre med fusionsenergi, ” siger Mauel. ”Vi studerer ikke bare denne ting, vi prøver at se, om det virkelig fungerer.”

Ved nuklear fusion smeltes lette kerner sammen til dannelse af tungere kerner og frigiver energi. Processen styrker solen, og i årtier har fysikere arbejdet for at omdanne fusion til en praktisk kilde til magt på Jorden. Deres vigtigste tilgang har været at bruge magnetiske felter til at begrænse og klemme ioniserede gasser eller plasmer af deuterium og tritium i donutformede apparater kaldet tokamaks, så deuterium og tritium smelter sammen til at fremstille helium. ITER sigter mod at være den første tokamak til at opnå et "brændende plasma", der producerer mere energi gennem fusion, end der pumpes ind i enheden for at opretholde plasmaet, en vigtig milepæl i retning af at udvikle fusionskraft.

ITER har imidlertid en urolig historie. Projektet blev første gang foreslået i 1986 som en fælles bestræbelse mellem Sovjetunionen og De Forenede Stater, der blev valgt i 1998, kun for at deltage igen i 2003. På det tidspunkt skulle projektet koste 10 milliarder dollars, hvor De Forenede Stater dækkede 9% af det samlede beløb. Siden da har ITER's omkostninger balloneret, så den amerikanske andel alene vil koste mellem 4, 7 og 6, 5 milliarder dollars, og tidsplanen er gået glip af; det første plasma forventes ikke før i 2028. ITER er blevet en politisk fodbold, hvor bevillingerne i det amerikanske senat gentagne gange forsøger at trække USA ud af projektet, og deres kolleger i Representanthuset bestræber sig på at holde De Forenede Stater i I regnskabsåret 2019 bidrager De Forenede Stater med 132 millioner dollars til ITER, hvilket ikke er kort af det bidrag på 250 millioner, der ville være optimalt til projektet.

Giv usikkerhederne, i maj 2016 bad Department of Energy (DOE) de nationale akademier om at undersøge, hvordan man bedst kan fremme fusionsenergividenskaber i De Forenede Stater i tilfælde af, at landet forbliver i ITER, og i det tilfælde, at det trækker sig tilbage. Og den 252-siders rapport, der blev frigivet i dag i Washington, DC, fremsætter kun to henstillinger: at De Forenede Stater forbliver i ITER-projektet, og at de gør forskningen og udviklingen for et såkaldt kompakt pilotanlæg (CPP). CPP er i det væsentlige et prototype-kraftværk, som i modsætning til ITER ville være i stand til at køre kontinuerligt og generere elektricitet. Rapporten hævder faktisk, at sagen om opbygning af en CPP er så overbevisende, at De Forenede Stater bør gå videre med disse planer, selvom den beslutter at trække sig ud af ITER.

Forskere i andre lande har også planer om at bygge prototype-kraftværker efter ITER. For eksempel har forskere i Europa planer om en demonstrationskraftstation eller DEMO. Men CPP ville adskille sig fra disse planer ved at udnytte de seneste fremskridt inden for højtemperatur-superledende materialer, computere og plasmafysik for at fremstille en fusionsreaktor, der var væsentligt mindre og billigere end nuværende design. F.eks. Forventes DEMO at være betydeligt større end ITER. I modsætning hertil ville CPP være omkring en ottendedel af ITER-størrelsen. For at gøre det, bliver det nødt til at anvende magneter lavet af højtemperatur-superleder, der opnår felt dobbelt så højt som ITER's felt.

Rapporten præsenterer en inspirerende vision for det amerikanske fusionssamfund, siger Steven Cowley, direktør for DOEs Princeton Plasma Physics Laboratory i New Jersey. ”Den grundlæggende meddelelse er, at det amerikanske fusionsprogram skal have en ambition om at køre igennem og generere nogle kilowatt strøm, ” siger han. ”Hvad er meningen med at have et fusionsprogram, hvis du ikke har et mål om at udvikle det første fusionskraftværk?”

Dog tilføjer Cowley hurtigt, forskere ved endnu ikke, hvordan man bygger CPP og har mange års FoU foran sig. De har også brug for den viden, de får fra ITER, siger han. Mauel bemærker, at hvis USA trækker sig ud af ITER, ville de skulle bygge et lignende eksperiment af sig selv, før CPP opbygges. Det ville kun gøre processen længere og dyrere, siger han. ”Der er ingen genvej” omkring ITER, siger han.

Et åbenlyst spørgsmål er, om Kongressen er villig til at øge finansieringen til DOEs program for fusionsenergividenskaber, der ligger på $ 564 millioner om året. ”Jeg synes, at tilføjelse af $ 200 millioner [pr. År] i 2 årtier er et ekstremt usandsynligt scenario, i betragtning af [DOE's] prioriteter, ” siger William Madia, en vicepræsident ved Stanford University i Palo Alto, Californien og en længe observatør af DOE. En demokratisk medarbejder i Parlamentet siger dog, at opkaldet ikke bør afskediges. ”Jeg vil ikke sige, at disse numre er vildt ude af trit med det, der er muligt, ” siger medarbejderen, som ikke er autoriseret til at tale på posten.

Rapporten mangler en specifik plan, som DOE ville gøre for at realisere målet for en CPP. ”Jeg ser ikke et levedygtigt budgetscenario til dette, før samfundet også mødes og siger, hvad de skal gøre, og hvad de ikke skal gøre, ” siger Madia. Faktisk har DOE opfordret sit rådgivende udvalg for fusionsenergividenskaber til at komme med netop sådan en langdistanceplan, som forventes i december 2020. I fortiden har fusionssamfundet imidlertid kæmpet for at forene sig efter sådanne langdistanceplaner .

Observatører er generelt enige om, at ITER-projektet nu har mere troværdighed end det havde for et par år siden, hvilket mindsker sandsynligheden for, at De Forenede Stater vil trække sig ud. Kreditten for det går til Bernard Bigot, kernefysikeren, der overtog som generaldirektør for den urolige organisation i 2015. ”Jeg kan godt lide det, jeg har set de sidste par år, og det er på grund af det, Bernard har gjort, ”Siger Madia. Faktisk har ITER stabiliseret sig nok til, at det største problem, det står over for nu, måske er De Forenede Staters hængende bidrag til projektet, bemærker Parlamentets medarbejder. ”Det er i meget, meget bedre form, ” siger Parlamentets medarbejder, ”men det er væk fra den internationale organisation som det største problem, til USA er det største problem.”