Fri fortolkning af et fusionskraftværk, hvor varmen fra fusionsprocesserne omdannes til elektricitet til el-nettet. Kilde: EUROfusion, license CC-BY 4.0.

Christian designer fremtidens fusionsreaktor

onsdag 22 dec 21
|

Om DEMO

DEMO, hedder anlægget, der skal demonstrere, at det kan lade sig gøre at producere overskud af energi så stabilt, at den genererede strøm kan kobles på det europæiske el-net. DEMO er altså en prototype på et kraftværk, som til glæde for os alle, konstant kan levere bæredygtig el - uafhængig af vejr og vind.  Energien kommer fra sammensmeltning (fusion) mellem to atomkerner: en tung hydrogenkerne (deuterium) og en supertung hydrogenkerne (tritium). Processen ligner meget den, der sker i Solen.

Radioaktiviteten forsvinder

Energirige neutroner fra plasmaet danner radioaktive isotoper ved sammenstød med vægge og udstyr i reaktoren. Det betyder, at væggene og andre materialer i reaktoren bliver radioaktive. Men den radioaktivitet henfalder relativt hurtigt. Fx er de udskiftede og deponerede vægdele fra DEMO allerede efter 100 år så lidt radioaktive, at de kan genanvendes. Dermed vil der efter produktion af fusionsenergi ikke være behov for deponering af radioaktivt affald – ud over de 100 år.

Christian Bachmann er tilknyttet DTU fysik, men arbejder hos EUROfusion i den tyske by Garching. Han er en del af designteamet for det første europæiske fusionskraftværk, DEMO, der skal kobles på elnettet og levere bæredygtig strøm. Christian Bachmann og kollegaer arbejder på grænsen af det mulige indenfor næsten alle parametre: De højeste temperaturer, intensiv neutronstråling, samt enormt stærke magnetfelter og elektriske strømme. 

3D-puslespil

Christians gruppe designer, hvordan de enkelte instrumenter og systemer kan indpasses i hjertet af anlægget, hvor pladsen er meget trang. Christian fortæller:  ”I et 3D-program designer vi formen, størrelsen og placeringen på hver enkel del, der vender mod plasmaet – lige der hvor forholdene er ekstreme.” På en måde er Christian og hans gruppe i gang med at udvikle et 3D-puslespil, der skal skabe bæredygtig energiforsyning i fremtiden. Mange systemer skal integreres i et lille rum. Christian fortsætter: ”Det mest interessante ved mit arbejde er, at jeg er med til at skabe fundamentet for dette banebrydende anlæg – inde i den helt centrale del, nemlig reaktoren. Men det er også interessant, at jeg er i kontakt med så mange mennesker.”

Skitse af reaktoren i DEMO. Den transparente brunlige ring illustrerer plasma. Kilde: EUROfusion.
Design ud fra ny viden

Christian sidder i midten af edderkoppespindet, hvor han indsamler resultater fra mange forskellige forskningslaboratorier og grupper rundt om i Europa, og analyserer deres resultater. Det hele implementerer Christians gruppe i designet af reaktoren. Ydermere udveksler Christians gruppe viden og erfaring med kollegaer, der andre steder i verdenen også planlægger tilsvarende fusionskraftanlæg såsom Sydkorea, Japan, Kina og USA. Hertil kommer, at han samarbejder med virksomheder om fx produktion af reaktordelene. Christian har jævnlig kontakt med 50-100 mennesker for at koordinere designet af reaktoren.

”Vi arbejder hele tiden på kanten og designer nogle gange før vi ved, hvordan det kan lade sig gøre. Det er derfor, der også skabes så meget ny forskning og udvikling i kølvandet på sådan et projekt. På vores felt driver designet ofte udviklingen af teknologier. Modsat må vi dog også tilpasse designet til det mulige”, fortæller Christian.

I Christians arbejde indgår spørgsmål som: Hvordan er det muligt at producere byggeelementerne? Hvordan skal reaktoren samles? Hvordan kan enkeltdelene vedligeholdes eller udskiftes”

Fjernstyret kran til at udskifte reaktorvæg

Det seneste år har Christian netop arbejdet med, hvordan de kan udskifte væggen i reaktoren. De grå dele på figuren nedenfor.

Her ses et tværsnit af reaktorkammeret. Den har form som en donut. Herinde svæver det ringformede plasma uden at røre væggene. De grå områder udgør det meste af reaktorvæggen. Den skal opbygges af aflange kasser, der kan fjernes en efter en. De røde områder er ”indgang-plugs” til kammeret.  Kilde: Christian Bachmann, Eurofusion. 

Her ses et tværsnit af reaktorkammeret. Den har form som en donut. Herinde svæver det ringformede plasma uden at røre væggene. De grå områder udgør det meste af reaktorvæggen. Den skal opbygges af aflange kasser, der kan fjernes en efter en. De røde områder er ”indgang-plugs” til kammeret. Kilde: Christian Bachmann, Eurofusion

”Kammerets vægge består af stål og må udskiftes efter cirka 6-7 år. Under drift bombarderer energirige neutroner væggene, hvilket medfører, at vægmaterialerne tager skade. Neutronerne ødelægger stålet og gør det svagere, så det til sidst må skiftes”, siger Christian.

Derudover danner neutronerne radioaktive isotoper i vægmaterialet. Derfor kan mennesker ikke komme ind og fjerne stålet i reaktoren.

”Stålvæggene må fjernes med en fjernstyret kran. Væggene er enormt tunge, og der er ikke meget plads til, at kranen kan komme ind i reaktoren og operere. Derfor har vi delt væggene op i mindre enheder”, fortæller Christian.

Væggene bliver ligesom et overdimensioneret Lego-sæt med 80 klodser. Kranen skal på denne måde kun løfte en klods ad gangen, hvilket mindsker vægten og dermed også kranens størrelse. Christian fortæller: ”Vi har designet vægklodserne som aflange stålkasser, der er cirka 1x1 m2 i tværsnit og 12 m høj. De kommer til at veje mere end 100 tons hver. I vores design forsøger vi at gøre plads til, at kranen kan komme ind for oven af reaktoren, få fat i en stålkasse, hejse den op og transportere den over i en lukket og sikret hal. Kranen skal naturligvis også være i stand til igen at sætte en ny stålkasse ind i reaktorvæggen.”

Robotter kan ikke bruges

På et spørgsmål om, hvorvidt de bruger robotter til udskiftning af delsystemer i reaktoren, svarer Christian: ”Robotter kan ikke bruges, da de processorer og sensorer, som robotterne består af, bliver ødelagt af gammastrålingen fra de dannede isotoper. Så den fjernstyrede kran er forholdsvis lavteknologisk. Vi vil jo kende designet ned i mindste detalje, så dens bevægelser kan forprogrammeres”. Dog vil der hele tiden sidde et menneske og følge med via lasersporing, for at sikre at alt nu foregår som det skal. Personen styrer med et avanceret joystick, som kan justere kranens bevægelser.

Hvornår er DEMO klar?

Omkring år 2056 vil DEMO står klar til at producere elektricitet. Der må andre typer klimavenlig el-produktion og lagring af energi til - inden vi også har bæredygtig fusionsenergi i elnettet.

Af videnskabsjournalist Karina Goyle, Science Kommunikation, december 2021

Brændslet skabes inde i fusionskraftværket ud fra litium

Inde i stålkasserne placerer man bl.a. grundstoffet litium. Neutroner spalter litium til helium og supertung hydrogen (tritium). Det, der generer overskud af energi, er når tritium fusionerer med tungt hydrogen (deuterium) i det varme plasma.  Ved denne proces dannes ligeledes helium, samt en neutron – begge med høj kinetisk energi. Da der kommer en enorm mængde energi ud af blot en enkel sammensmeltning/fusionsproces, skal der bruges meget lidt tritium, og dermed også en begrænset mængde litium. Der skal også bruges tilsvarende lidt deuterium, som kan findes i havvand. Man kan sige, at et fusionskraftværk som DEMO anvender en praktisk talt uudtømmelig energiressource, da vi på Jorden har tilstrækkeligt fusionsbrændsel til milliarder af år.
https://www.fusionsenergi.dk/artikler/christian_designer_fremtidens_fusionsreaktor?id=6c6c09ac-486e-461e-a1a6-ea56cec36334
18 JANUAR 2022