Vid fusionskonferensen TOFE 2012 (20th Topical Meeting on the Technology of Fusion Energy), som anordnades av organisationen American Nuclear Society (ANS), presenterades de spännande framsteg som gjorts inom fusionsforskningen och framtida planer för både amerikanska och internationella fusionsprogram.
Fusionskonferensens öppningstal hölls av Steven J. Zinkle vid Oak Ridge National Laboratory i USA och fokuserade på utmaningarna med att utveckla material för fusionsteknik, både historiskt sett, idag och i framtiden.
Erfarenheter från utvecklingen av fissionsenergi har varit användbara, men för att fusionskraftens mål att producera säker, ekonomiskt konkurrenskraftig energi med så lite radioaktivt avfall som möjligt ska kunna uppnås är urvalet av konstruktionsmaterial som kan användas enligt Zinkle begränsat och kraven på materialens egenskaper är stora.
Zinkle pekar framförallt på tre huvudsakliga utmaningar som måste övervinnas för att fusionskraft ska kunna bli verklighet. Den första är samspelet mellan fusionsplasmat och ytmaterialet, som bland annat gör att materialet utsätts för höga värmeflöden och varierande termomekaniska påfrestningar. Den andra är nedbrytningen av material på grund av kärnreaktioner, vilket till exempel innebär att fusionsmaterial måste bibehålla sin strukturella stabilitet trots att det utsätts för intensiva fusionsneutroner och strålningsförstärkt korrosion. Den tredje är tyglingen av fusionsenergin, vilket bland annat betyder att mängden radioaktivt tritium som samlas i reaktorns hölje måste minimeras och att tritium på ett effektivt sätt måste återvinnas ur det heta kylmedlet.
Fusionsmaterial
Zinkle berättade att samspelet mellan fusionsplasmat och ytmaterialet har stor betydelse för både säkerheten och för uppkomsten av föroreningar i plasmat, men att det när det gäller samspelet mellan plasma och material idag återstår ett flertal fundamentala vetenskapliga frågor.
För att utveckla och testa fusionsmaterial menar Zinkle att det behövs en intensiv neutronkälla, för att tillsammans med förbättrade teorier och modeller öka vår förståelse för effekterna av fusionsneutroner.
För återvinning av tritium finns det enligt Zinkle flera intressanta koncept. De är emellertid än så länge obeprövade.
Verktyg som enligt Zinkle är användbara är till exempel datorstödda termodynamiska beräkningar för optimering av legeringar som används som fusionsmaterial och additiv tillverkning, även kallad 3D-printning.
Slutligen föreslog Zinkle ett antal framtida åtgärder som måste vidtas för att övervinna de tre utmaningarna.
För att få ordning på samspelet mellan plasma och fusionsmaterial måste vi förstå och åtgärda den samlade skadan till följd av intensivt värmeflöde, hög temperatur och resulterande termiska variationer på komponenter som utsätts för plasma. Det är också viktigt att förstå, förutsäga och hantera erosionen av fusionsmaterial till följd av samspelet med fusionsplasmat så att den under de flera år långa perioder som krävs i framtida fusionskraftverk inte överstiger materialets tjocklek.
För att motverka nedbrytningen av fusionsmaterial måste vi förstå och lindra de förändringar som sker i material som utsätts för fusionsneutroner och för att tygla fusionsenergin måste vi bland annat utveckla metoder för att förutsäga transporten av tritium.
Statusuppdatering
Fusionsprojektet ITER:s status redovisades av Richard Hawryluk, chef för ITER:s administrativa avdelning, och han började med att säga att ITER med framgång håller på att ta steget från design till konstruktion.
I Cadarache i Frankrike berättar Hawryluk att konstruktionen av själva reaktorbyggnaden, ITER:s högkvartersbyggnad och ställverket på 400 kilovolt redan är på god väg. Byggnaden för lindning av ITER:s poloidiala magnetiska spolar, som är för stora för att tillverkas någon annanstans än på plats, är den första av ITER:s byggnader som färdigställts. De lokala samhällena i området har dessutom bidragit med uppgraderingar av vägnätet för att underlätta transporter av stora komponenter till platsen.
Eftersom ITER är ett internationellt samarbete kommer många av komponenterna från andra länder runt om i världen. Hawryluk talar bland annat om att Indien fått i uppgift att bygga den 3 500 ton tunga kryostaten, att olika delar av tokamakreaktorns toroidiala magnetiska spolar håller på att tillverkas i både Europa, Japan, Ryssland, Korea, Kina och USA och att 70 procent av de supraledande trådarna till spolarna är färdiga. ITER:s centrala solenoid håller på att konstrueras av General Atomics i USA och delar till vakuumkärlet är under tillverkning i Europa, Korea, Indien och Ryssland. I både Korea och Europa har dessutom modeller av ett flertal segment tillverkats för att verifiera design och tillverkningsmetoder.
Tester av ITER-liknande väggmaterial, med beryllium och volfram, i den experimentella tokamaken JET i Storbritannien har enligt Hawryluk givit mycket lovande resultat och koncentrationerna av tritium i materialen är minst en storleksordning mindre än för kompositmaterial med kol, som används i de flesta nuvarande tokamakreaktorer.
Sammanfattningsvis säger Hawryluk att ITER:s stora skala och unika krav har resulterat i många tekniska utmaningar vid både design och tillverkning, men att forskningen och utvecklingen kring ITER tar itu med dessa utmaningar och att vi lär oss mycket av ITER.
Pulsdemo
Nu när ITER är under konstruktion ökar enligt Tom Todd vid Culham Centre for Fusion Energy i Storbritannien intresset för det efterföljande demonstrationskraftverket DEMO. I Europa koordineras designen av DEMO av EFDA (European Fusion Development Agreement) och Todd beskriver i sin presentation resultaten av en studie utförd för EFDA under 2011 och 2012 som utvärderar för- och nackdelarna med en pulsversion av DEMO. Arbetet utfördes av organisationerna CCFE (Culham Centre for Fusion Energy), franska CEA, schweiziska CRPP, italienska ENEA och tyska KIT inom den europeiska atomenergigemenskapen Euratom.
Ett demonstrationskraftverk med en pulsreaktor kan till skillnad från ett kraftverk baserat på en reaktor i dynamisk jämvikt, som måste hållas stabil i flera månader, generera elektricitet i pulser som endast varar i 4 till 8 timmar, separerade av 15 till 25 minuter långa perioder utan energiproduktion. Förespråkarna för detta alternativ menar att det eftersom det är mindre krävande kan förverkligas tidigare.
En slutsats som kunde dras av studien som Todd presenterade var att en pulsversion av DEMO skulle kunna göras mindre och att det skulle räcka med ett fusionskraftverk på cirka 1 gigawatt istället för 3 gigawatt för att generera ett överskott av elektricitet. Pulslängden skulle emellertid behöva vara relativt kort.
Den främsta anledningen till att en pulsreaktor kan göras mindre är att den kan köras utan extra uppvärmning och kontinuerlig strömdrivning för att hålla igång plasmaströmmen under fusionsprocessen. Det enda som krävs är uppvärmning vid uppstarten. Förutom att det innebär att reaktorns energiförbrukning blir något lägre är det dessutom enklare med uppvärmning än med strömdrivning, som vanligtvis åstadkoms med hjälp av så kallade neutralstrålar.
En av nackdelarna med en pulsreaktor är den termodynamiska materialutmattningen av de komponenter som är vända mot plasmat. Inom ramen för studien skapades teoretiska modeller för materialutmattningen, men inga definitiva slutsatser kunde dras.
Det är enligt studien också oklart om en pulsreaktor kommer att kräva energilagring på plats för att jämna ut variationerna i energiproduktionen, men det är troligt att någon form av lagring kommer att behövas för att skydda elnätet och för att tillhandahålla energi vid uppstarten.
Kraftverk i Sydkorea
Hyuck Jong Kim vid National Fusion Research Institute i Sydkorea visade upp planerna på ett koreanskt DEMO-projekt kallat K-DEMO, som bygger på magnetisk fusion med tokamakkonceptet.
Konstruktionen av det koreanska projektets DEMO-kraftverk beräknas enligt Kim sätta igång 2022 och den första elektriciteten beräknas produceras 2036. Därefter kommer förbättringar av kraftverket att påbörjas för att göra det möjligt att bevisa att fusionskraft är ekonomiskt gångbar.
Projektet befinner sig för närvarande på planeringsstadiet och Kims uppgift är att planera kraftverkets utformning. Utformningen av kraftverket är viktig för att kunna uppskatta kostnaderna och för säkerhets- och miljöanalyser av kraftverket.
Eftersom ett DEMO-kraftverk per definition är det första i sitt slag hade Kim inga egentliga förlagor att utgå ifrån vid utformningen. Utformningen är emellertid till viss del baserad på befintliga system som vanliga kärnkraftverk och ITER, som tillsammans med den koreanska tokamakreaktorn KSTAR (Korean Superconductor Tokamak Advanced Research) även ligger till grund för K-DEMO:s tekniska studier.
Kim presenterade tre alternativa utformningar. Det första alternativet är en ITER-liknande utformning där en byggnad konstrueras för varje enskild funktion, vilket resulterar i ett stort antal byggnader. Det andra alternativet påminner mer om ett vanligt kärnkraftverk och använder sig av en byggnad för varje kategori av funktioner, vilket resulterar i ett mindre antal byggnader, och har en rektangulär reaktorbyggnad. Det tredje alternativet är i stort sett identiskt med det andra, frånsett att det har en cylinderformad reaktorbyggnad med ett kupolformat tak. I samtliga fall uppskattas den totala volymen av DEMO-kraftverkets huvudbyggnader vara tre gånger så stor som volymen av huvudbyggnaderna vid ett vanligt kärnkraftverk.
Eftersom utformningen i Kims mening inte är mogen för att analyseras kvantitativt analyserades den kvalitativt med hjälp av en så kallad analytisk hierarkisk process (AHP) för att avgöra vilket som är det mest optimala av de tre alternativen. De kriterier som användes vid analysen var säkerhet, ekonomi och allmänhetens acceptans. Det första alternativet var enligt denna analys inte optimalt, medan det andra alternativet fanns var det bästa när det gäller allmänhetens acceptans och det tredje alternativet fanns vara bäst när det gäller säkerhet och ekonomi.
Kinesisk hybrid
Yican Wu leder den kinesiska forskningsgruppen FDS (Fusion Design Study/Fusion Digital Simulation), finansierad av Institute of Plasma Physics vid Chinese Academy of Sciences (ASIPP) och University of Science and Technology of China (USTC). Wu diskuterade under TOFE 2012 bland annat Kinas forskning och utveckling av fusionsdrivna hybridreaktorer.
En fusionsdriven hybridreaktor består av en fusionskärna vars överskottsneutroner utnyttjas för att sätta igång fissionsreaktioner i ett omgivande, underkritiskt fissionshölje.
Tanken är enligt Wu att forskningen och utvecklingen av kinesiska hybridreaktorer ska ske parallellt med de internationella fusionsprojekten ITER och DEMO och att de olika projekten ska kunna dra nytta av varandra. Han menar emellertid att hybridreaktorer kan tas i bruk så mycket som 10 till 15 år tidigare än rena fusionsreaktorer och de därför, förutom att främja fusionskraftens utveckling, även fyller en viktig funktion genom att lösa problemen med dagens fissionsreaktorer och fylla glappet mellan fission och fusion.
Två fusionsdrivna hybridreaktorer är enligt Wu planerade. Den första är en testreaktor kallad MFX (Multi-Functional eXperimental Reactor), som planeras vara färdig innan 2025 och som ska gå igenom ett flertal testfaser med olika höljen. Under den första fasen, som kommer att vara i cirka tre år, ska ett hölje för bridning av tritium testas, under den andra fasen, som kommer att pågå i ungefär två år, kommer ett hölje av naturligt uran att testas, under den tredje fasen, som kommer att vara cirka tre år lång, kommer ett hölje innehållande anrikat uran att testas och under den fjärde fasen, som kommer att vara i över fem år, kommer ett hölje med förbrukat kärnbränsle att testas.
Den andra fusionsdrivna hybridreaktorn är en demonstrationsreaktor kallad SFB (Spent Fuel Burner), som planeras tas i bruk runt 2030. SFB-reaktorn är tänkt att ha ett hölje kylt av en kombination av flytande bly och litium och helium i gasform och kommer att använda fissionsbränsle i form av plutoniumkarbid och långlivade fissionsprodukter.
Målet är att förutom energiproduktion åstadkomma transmutation av förbrukat kärnbränsle från fissionsreaktorer och bridning av nytt bränsle. Säkerhet i fusionsdrivna hybridreaktorer är dessutom hög eftersom de är underkritiska.
Kraftverksstudie
Studien ARIES ACT (Aggressive and Conservative Tokamaks) presenterades av Farrokh Najmabadi vid University of California San Diego. Najmabadi är projektledare för ARIES, ett nationellt amerikanskt program för att utforska olika fusionskoncepts potential som kraftverk och hjälpa till att guida forskningen och utvecklingen inom fusion. Förutom University of California San Diego deltar en lång rad andra amerikanska institutioner och organisationer i forskningen.
ARIES ACT är enligt Najmabadi forskningsprogrammets första tokamakstudie på över tio år och stora framsteg har gjorts inom många områden, samtidigt som man stött på nya svårigheter. Studien syftar därför till att ta en ny titt på designen av fusionskraftverk baserade på tokamakreaktorer och analysera konsekvenserna av högre prestanda vad gäller fysik och teknik. För att åstadkomma detta används bland annat de senaste verktygen inom modellering och simulering.
Najmabadi talar också om att den första delen av studien, som omfattar en detaljerad design med avancerad fysik och ett hölje av kiselkarbid, närmar sig sitt slut och att flera tekniska förbättringar föreslås, bland annat en struktur av heliumkylt ferritiskt stål och identifikation av nya material till vakuumkärlet. Studiens andra del, som består av en detaljerad design med konservativ fysik och ett DCLL-hölje med litium och bly, ska avslutas under 2013.
Alternativ Fusion
Flera alternativa fusionskoncept presenterades också. Bland annat visade Gerald Kulcinski vid University of Wisconsin i USA upp universitetets framsteg inom IEC (Inertial Electrostatic Confinement), en fusionsmetod som använder sig av ett elektrostatiskt fält för att hålla fusionsplasmat i schack, och Glen Wurden vid Los Alamos National Laboratory i USA berättade hur MTF (Magnetized Target Fusion) ska kunna förverkligas.
Wurden beskriver MTF som en hybridteknik, som kombinerar traditionell magnetisk inneslutning med så kallad tröghetsinneslutning eller IFE (Inertial Fusion Energy), där fusion initieras genom att fusionsbränslet komprimeras och hettas upp av någon form av puls. Den vanligaste formen av tröghetsinneslutning är laserfusion, som använder sig av laserpulser för att komprimera bränslet, men med MTF är det tack vare att plasmat innesluts av magnetfält möjligt att komprimera det till fusionsförhållanden med hjälp av långsammare och mindre energikrävande metoder.
Det finns enligt Wurden flera projekt som testar olika sätt att leverera bränslet och olika metoder för att komprimera det till ett fusionsplasma.
Det MTF-experiment som Wurden arbetar med heter FRCHX och är ett samarbete mellan Los Alamos National Laboratory och det amerikanska flygvapnets forskningslaboratorium i Albuquerque, dit experimentet är förlagt. Experimentet leds av Dr. Jim Degnan från flygvapnet. Den metod som experimentet använder sig av heter FRC (Field-Reversed Configuration) och kallas av Wurden för burkkrossartekniken. För att komprimera det förvärmda bränslet i form av plasma berättar Wurden nämligen att de använder sig av en tunn aluminiumcylinder som på magnetisk väg pressas ihop symmetriskt med ett tryck som motsvarar 40 000 atmosfärer. I en reaktor är det enligt Wurden även tänkt att metoden kommer att använda sig av en flytande inre vägg, vilket betyder att man inte har några materialproblem.
Experimentuppställningen har redan testats upprepade gånger, varav en gång med både plasma och aluminiumcylinder, men inga neutroner har än så länge producerats. Nästa test kommer enligt Wurden att ske i december 2012. I en reaktor måste det emellertid ske åtskilliga pulser per sekund och utrustningen måste klara av miljontals pulser i rad, något som Wurden påpekar att de tekniker som används idag inte är redo för.
Även Michel Laberge från det kanadensiska företaget General Fusion var på plats för att presentera företagets akustiska MTF-koncept, som använder sig av en metall i flytande form, driven av chockvågor genererade med hjälp av tryckluft, för att komprimera plasmat.
Ytterligare presentationer
Bland övriga talare fanns bland annat Kevin Kramer vid Lawrence Livermore National Laboratory i USA, som gav en översikt över laserfusionsprojektet LIFE (Laser Inertial Fusion Energy), David Cereceda, som presenterade design och teknik för det europeiska laserfusionsprojektet HiPER (High Power laser Energy Research facility), Akio Sagara, vid National Institute for Fusion Science i Japan, som diskuterade designen av den helixformade DEMO-reaktorn FFHR-d1, Thomas Rummel, som beskrev utvecklingen av den tyska stellarotorn Wendelstein 7-X, Hiroshi Matsumoto, som berättade om förberedelserna inför den internationella testanläggningen IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility) för fusionsmaterial, och Satoshi Konishi från Institute of Advanced Energy vid Kyoto University i Japan, som delade med sig av planerna på en Biomassa-Fusionshybrid.
