För att Kina ska kunna nå det ambitiösa målet att bli koldioxid- neutralt till 2060 kommer landets energisystem att behöva genomgå en omfattande förändring och det görs nu mycket stora investeringar i teknik för fossilfri energiproduktion. Det rör sig om satsningar på allt från traditionell kärnkraft till fusionskraft och solenergi. Resultatet är att Kina kan komma att få en avgörande roll för framtidens energi.
AV ALARIK HAGLUND
Kina har med sina drygt 1,4 miljarder invånare och snabba industrialisering blivit världens största utsläppare av koldioxid. Landet står idag för mer än en fjärde- del av världens totala koldioxid utsläpp och utsläppen ökar fortfarande.
I september 2020 lovade emellertid Kinas president Xi Jinping i ett videotal till FN:s generalförsamling att landet ska vara koldioxid- neutralt senast 2060, efter att koldioxidutsläppen når en topp någon gång innan 2030. I praktiken är målsättningen att 80 procent av all energi som används i landet ska komma från fossilfria källor till 2060 och att de resterande koldioxidutsläppen ska uppvägas med hjälp av projekt som syftar till att fånga in koldioxid från atmosfären.
Konstgjord sol
För att skära ner på sina koldioxidutsläpp sätter Kina bland annat sitt hopp till fusionskraftens löfte om säker fossilfri energiproduktion i stor skala. Utöver att fusionskraft i likhet med traditionell kärn-kraft inte släpper ut någon koldioxid eller några andra växthusgaser erbjuder fusionskraften dessutom tillgång till en i stort sett outtömlig bränslekälla, samtidigt som det inte finns någon risk för härdsmälta eller andra allvarliga olyckor, inget långlivat radioaktivt avfall produceras och processen inte kan utnyttjas för att tillverka kärnvapen. En fusionsreaktor fungerar mer eller mindre som en konstgjord sol. Precis som i solen frigörs det i en fusionsreaktor stora mängder energi när lättare atomkärnor, som väte, slåssamman till tyngre atomkärnor, som helium.
Som bränsle i fusionsreaktorer används vanligtvis väteisotoperna deuterium, som finns i alla former av vatten, och tritium, som är mer sällsynt men kan framställas i samband med fusionsreaktionen med hjälp av litium. Även om det inte är en förnybar resurs är jordens reserver av litium tillräckligt stora för att göra det möjligt att använda sig av fusionskraft i flera miljoner år.
Den främsta biprodukten vid fusion av deuterium och tritium är helium, en ädelgas som varken är giftig eller reagerar kemiskt med sin omgivning.
Den stora utmaningen med fusionskraft, som varit under utveckling sedan 1940-talet, är att det för att deuterium och tritium ska kunna slås samman till helium i en fusionsreaktor, på grund av att det inte är möjligt att uppnå i närheten av samma tryck som i solens inre, bland annat krävs extremt höga temperaturer på omkring 150 miljoner grader Celsius, vilket är tio gånger hetare än solens inre. Än så länge är det därför ingen som lyckats bygga en fusionsreaktor som producerar mer energi än den förbrukar.
Internationellt samarbete
Kina deltar, tillsammans med EU, Indien, Japan, Ryssland, Sydkorea och USA, i det internationella fusionsprojektet ITER. ITER-projektets medlemmar samarbetar för att bygga världens största så kallade tokamakreaktor i södra Frankrike och bana väg för framtida fusionskraftverk.
I en tokamakreaktor, som är en lovande typ av fusionsreaktor, förvandlas fusions-bränslet, som befinner sig inuti ett ring-format vakuumkärl, genom att det utsätts för extrema temperatur- och tryckförhål-landen till ett plasma, där elektroner och atomkärnor är separerade från varandra och fusionsreaktioner är möjliga. Kraftfulla magnetfält används dessutom för att innesluta det heta fusionsplasmat och skydda vakuumkärlets väggar.
Det första plasmat i ITER-projektets tokamakreaktor förväntas kunna skapas i december 2025, omkring två årtionden efter att projektet inleddes. Målsättningen är sedan att reaktorn för första gången ska göra det möjligt att producera mer energi genom fusion än vad som går åt för att hetta upp fusionsplasmat. Totalt är den designad för att producera en fusionseffekt på 500 megawatt med hjälp av en uppvärmningseffekt på 50 megawatt. Samtidigt förväntar sig forskarna att fusionsplasmat kommer att kunna hållas stabilt under längre tid än vad som hittills varit möjligt.
Tre fusiosreaktorer
Förutom att de bidrar med komponenter och system till ITER-projektet har Kina också tre egna experimentella fusionsreaktorer i drift, som bland annat fungerar som testbäddar för teknik till ITER, och Kina har gjort en rad framsteg inom fusionsforskningen.
Den experimentella fusionsreaktorn EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) vid ASIPP (Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences) i Hefei, som togs i drift 2006, var den första tokamakreaktorn i världen som använde supraledande toroid- och poloidmagneter. Förhoppningen är att EAST ska kunna bibehålla ett stabilt fusionsplasma med en temperatur på 100 miljoner grader Celsius i 1 000 sekunder, vilket motsvarar ungefär 17 minuter, och flera milstolpar har redan uppnåtts.
2016 rapporterades det att EAST lyckats med bedriften att bibehålla ett stabilt fusions- plasma med en temperatur på omkring 50 miljoner grader Celsius under en rekordång tid på 102 sekunder. I maj 2021 sattes ytterligare ett rekord då ett fusionsplasma med en temperatur på 120 miljoner grader Celsius hölls stabilt i 101 sekunder. Så sent som i januari 2022 tog EAST ett stort steg framåt genom att bibehålla ett stabilt fusions- plasma med en temperatur på 70 miljoner grader Celsius, det vill säga ungefär fem gånger hetare än solens inre, i hela 1056 sekunder, vilket motsvarar 17 minuter och 36 sekunder.
Kinas andra två experimentella fusions-reaktorer är J-TEXT (Joint Texas Experimental Tokamak), som sedan 2004 varit placerad vid HUST (Huazhong University of Science and Technology) i Wuhan, och HL-2M vid SWIP (Southwestern Institute of Physics) i Chengdu. HL-2M, som är en uppgraderad version av den tidigare reaktorn HL-2A, togs i drift i december 2020 och är Kinas hittills största och mest avancerade fusionsreaktor. Reaktorn har en mer än dubbelt så stor plasmavolym som tidigare kinesiska fusionsreaktorer och plasmat kan hettas upp till över 150 miljoner grader Celsius.
Nästa steg
De kinesiska fusionsreaktorerna EAST, J-TEXT och HL-2M bidar emellertid inte bara med erfarenheter till ITER-projektet. De står även modell för Kinas redan långt framskridna planer på en egen testreaktor kallad CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor).
Konstruktionen av CFETR är planerad att påbörjas under 2020-talet och anläggningen förväntas stå klar någon gång under 2030- talet. Tanken är att den ska fungera som ett mellansteg mellan ITER och ett framtida demonstrationskraftverk som kan leverera fusionskraft till elnätet.
Målsättningen med CFETR är att anläggningen till skillnad från tidigare fusions- reaktorer, inklusive ITER, inte ska vara begränsad till att producera fusionskraft i pulser utan ska vara kapabel till kontinuerlig stabil drift. Den ska också vara självförsörjande när det gäller tritium. Inledningsvis planeras CFETR kunna producera 200 megawatt fusionskraft, men detta ska i en senare fas utökas till 1 gigawatt.
Under konceptdesignstadiet, som varade i nästan fyra år, ökades fusionsreaktorns storlek och vakuumkärlet förväntas ha en yttre radie på mellan 7 och 7,2 meter. Det betyder att den blir större än ITER, som har ett vakuumkärl med en yttre radie på 6,2 meter. För att möjliggöra kontinuerlig stabil drift kommer fusionsreaktorn att vara utrustad med tre olika system för uppvärmning och strömdrivning, som alla fyller olika funktioner. Många tekniska utmaningar återstår emellertid fortfarande, som de skador på material som uppstår på grund av neutroner från fusionen och det höga värmeflödet.
Efter att CFETR färdigställts är planen att börja bygga ett kinesiskt demonstrationskraftverk.
150 reaktorer på 15 år
Kina satsar även stort på traditionell kärnkraft som ett alternativ till fossil energiproduktion, i form av framför allt kolkraft. Medan vi i länder som Sverige avvecklar våra befintliga kärnkraftverk byggs det i Kina ny kärnkraft i svindlande fart. Sedan år 2000 har Kinas installerade kärnkraftskapacitet mer än tjugodubblats och landet har idag 54 kärnkrafts- reaktorer med en sammanlagd kapacitet på mer än 52 gigawatt. Bara USA och Frankrike har en större installerad kärnkraftskapacitet och de kinesiska reaktorerna står för om-kring 10 procent av världens totala kärnkraftsproduktion.
Trots det kommer idag bara omkring 5 procent av all elektricitet som produceras i Kina från kärnkraft. Den siffran förväntas emellertid öka kraftigt under de närmaste årtiondena. För tillfället är 19 nya kärnkrafts-reaktorer, med en total kapacitet på strax under 20 gigawatt, under konstruktion i Kina och i slutet av 2021 meddelade landet att de som en del i sin strävan efter att minska koldioxidutsläppen planerar att bygga minst 150 nya kärnkraftsreaktorer till 2035. Det betyder att de på bara 15 år har för avsikt att bygga fler nya reaktorer än vad som byggts i resten av världen under de senaste 35 åren.
I tid och inom budget
De nya kärnkraftsreaktorer som idag byggs i Kina är främst avancerade tryckvattenreaktorer, som precis som större delen av de nya reaktorer som byggs i andra delar av världen räknas till kärnkraftens tredje generation. Medan dessa reaktorer bygger vidare på samma teknik som används i den andra generationens reaktorer, dit större delen av den befintliga reaktorflottan räknas, skiljer de sig från den tidigare generationen genom att de generellt sett har en enklare och mer standardiserad design, en längre teknisk livslängd och förbättrad säkerhet. Till exempel använder sig den tredje generationens reaktorer ofta av passiva säkerhetsåtgärder, som utnyttjar naturliga fenomen som gravitation, konvektion och konduktion, för att minimera risken för härdsmälta.
För att möjliggöra Kinas övergång till den tredje generationens reaktorer förlitade man sig inledningsvis på europeiska och amerikanska reaktordesigner.
Vid kärnkraftverket Taishan i Kina togs till exempel två reaktorer av typen EPR i kommersiell drift 2018 respektive 2019. Den europeiska tryckvattenreaktorn EPR, som är en av de senaste reaktordesignerna i den tredje generationen, är utvecklad av det franska företaget Areva och har en produktionskapacitet på omkring 1 600 megawatt elektricitet.
Även fyra reaktorer av typen AP1000, som är en tredje generationens reaktordesign med en produktionskapacitet på 1 250 mega-watt elektricitet framtagen av amerikanska Westinghouse, togs i kommersiell drift vid de kinesiska kärnkraftverken Sanmen och Haiyang under 2018 och 2019.
Till skillnad från de tredje generationens reaktorer som byggs i Europa och USA, vilka i många fall drabbats av kraftiga förseningar med höga kapitalkostnader som resultat, har de kinesiska reaktorerna emellertid i de flesta fall färdigställts mer eller mindre i tid och inom budget.
Inhemsk design
Kina är dessutom på god väg att bli i stort sett självständiga när det gäller design och konstruktion av kärnkraftsreaktorer.
Bland annat övergår man, efter de fyra första reaktorerna av typen AP1000, till att bygga en lokal standardisering av designen om går under namnet CAP1000 och som använder sig till 80 procent av inhemska komponenter. De fyra första reaktorerna av typen CAP1000 kommer precis som sina föregångare att byggas vid kärnkraftverken Sanmen och Haiyang. Det statligt ägda kinesiska företaget SNPTC (State Nuclear Power Technology Corp) har även utveck-lat en större version av reaktorn kallad CAP1400, som använder sig av mer än 90 procent inhemska komponenter. Reak-tordesignen, som ibland även kallas Guohe One, har en produktionskapacitet på 1 400 megawatt elektricitet och ska kunna byggas i stort antal över hela landet.
Kinas två största statligt ägda kärnkrafts-företag, CNNC (China National Nuclear Corporation) och CGN (China General Nuclear Power Corporation), har också tillsammans tagit fram en inhemsk tredje generationens reaktordesign. Designen, som fått namnet Hualong One, är baserad på CNNC:s reaktordesign ACP1000 och CGN:s reaktor- design ACPR100, som båda i sin tur är delvis baserade på den franska reaktordesignen M310.
De två företagens versioner av Hualong One skiljer sig åt något, men de har båda en produktionskapacitet på cirka 1 090 megawatt elektricitet och en teknisk livslängd på 60 år. De använder sig också av en kombination av aktiva och passiva säkerhetssystem, som med hjälp av lagrat vatten och dedikerade batterier kan fortsätta att fungera i 72 timmar efter en nedstängning.
De två första reaktorerna av typen Hualong One byggdes av CNNC vid kärn- kraftverket Fuqing och den första reaktorn, Fuqing 5, togs i kommersiell drift i januari 2022, medan den andra reaktorn, Fuqing 6, togs i kommersiell drift i mars 2022. Två till reaktorer, som byggs av CGN vid kärn-kraftverket Fangchenggang, förväntas tas i kommersiell drift under andra halvan av 2022 respektive första halvan av 2024 och ytterligare åtta reaktorer av typen Hualong One är under konstruktion i Kina.
Först ut
Kina ligger också långt framme när det gäller utvecklingen av både små modulära reaktorer, som kan byggas på mycket kortare tid och till en mycket lägre kapitalkostnad än större reaktorer, och nästa generations reaktorer, som bland annat ska kunna utnyttja bränslet mer effektivt än dagens reaktorer och undvika att lämna kvar långlivat radioaktivt avfall.
Den kinesiska reaktordesignen ACP100, eller LingLong One, har utvecklats av CNNC och är baserad på företagets reaktordesign ACP1000. Till skillnad från den större reaktorn har ACP100 en produktionskapacitet på endast 125 megawatt elektricitet. Den har även designats med passiva säkerhetsfunktioner och för att kunna placeras under markytan. Utöver produktion av elektricitet kan den dessutom användas för produktion av värme och ånga samt för avsaltning av havsvatten.
Den första reaktorn av typen ACP100 bör-jade byggas i juli 2021 vid kärnkraftverket Changjiang i Kina och kommer enligt CNNC att bli den första landbaserade lilla modulära reaktorn i världen att tas i kommersiell drift.
Nästa generation
Av de fjärde generationens reaktordesigner som utvecklas i Kina är den som kommit längst i utvecklingen den grafitmodererade högtemperaturreaktorn HTR-PM, som i september 2021 blev den först reaktorn i den fjärde generationen att uppnå kritikalitet.
HTR-PM, som även räknas som en liten modulär reaktor, är en grafitmodererad högtemperaturreaktor av så kallad pebble bedtyp. Det innebär att det i reaktorhärden finns tusentals sfäriska bränsleelement. Dessa bränsleelement innehåller bränslepartiklar bestående av uran anrikat till 8,5 procent och är gjorda av pyrolytisk grafit, som fungerar som moderator. Som kylmedel används helium, som inte kan reagera kemiskt med bränsleelementen.
Totalt har två reaktormoduler byggts i en demonstrationsanläggning vid kärnkraft-verket Shidao Bay. De två reaktormodulerna driver en gemensam ångturbin för att generera sammanlagt 210 megawatt elektricitet och har till uppgift att bana väg för en kommersiell version av reaktortypen.
På längre sikt satsar Kina på reaktorer med snabba neutroner, som bland annat gör det möjligt att omvandla den oklyvbara uranisotopen U-238 till den klyvbara plutonium- isotopen Pu-239, och CNNC tror att det i mitten av århundradet kommer att vara den dominerande reaktortekniken.
2017 började CNNC bygga en demon-strationsreaktor av typen CFR-600, som är en natriumkyld snabb reaktor med en produktionskapacitet på 600 megawatt elektricitet, i Xiapu i Kina. Reaktorn förväntas tas i drift under 2023 och ska tillsammans med en andra reaktor, som började byggas 2020, efterföljas av en större kommersiell reaktordesign kallad CFR1000, som planeras tas i kommersiell drift efter 2030.
Förnybar produktion
Utöver kärnkraft i olika former satsar Kina också stort på förnybar energiproduktion. Redan idag är Kina det land i världen som producerar mest solenergi och ett flertal storskaliga vindkrafts- och solenergiprojekt är på gång.
Ett viktigt område när det gäller utvecklingen av vindkraft och solenergi är det vindsvepta och soldränkta Tsaidambäckenet i västra Kina, som består till ungefär en tredjedel av öken och med sin totala yta på omkring 120 000 kvadratkilometer täcker en stor del av den autonoma prefekturen Haixi i Qinghai- provinsen i Kina.
I närheten av huvudorten Delingha i den glesbefolkade prefekturen finns idag bland annat ett termiskt solkraftverk med en produktionskapacitet på 50 megawatt. Solkraft-verket, som togs i full drift 2019, ska kunna leverera 146 gigawattimmar elektricitet per år, vilket motsvarar den årliga energiförbrukningen för omkring 80 000 hushåll och kan minska de årliga koldioxidutsläppen med cirka 121 000 ton.
I mars 2021 påbörjades även konstruktionen av ett nytt termiskt solkraftverk, som med en produktionskapacitet på 135 megawatt blir det största i sitt slag i Kina, och konstruk-tionen av vindkraftsparker, solcellsparker och termiska solkraftverk fortsätter att accelerera.
Enligt Lan Zhihui, som är biträdande chef för energiförvaltningen i den autonoma prefekturen Haixi, finns det i prefekturen utrymme för att installera vindkraft och solenergi med en produktionskapacitet på 920 gigawatt. Han berättar också att det bara sedan början av 2022 påbörjats fem nya vindkrafts- och solenergiprojekt med en sammanlagd produktionskapacitet på 2,9 gigawatt.
Totalt planerar Kina att utöka produktions- kapaciteten för vindenergi och solkraft till 1,2 terawatt senast 2030.
Energi på export Kinas storsatsningar på fossilfri energi innebär emellertid inte bara att det egna energisystemet omvandlas för att uppnå målet att göra landet koldioxidneutralt till 2060.
Samtidig bygger de också upp en distributionskedja som skulle kunna göra Kina till en väsentlig leverantör av teknik för fossilfri energiproduktion över hela världen.
Till exempel har Kina sedan 2008 varit världens största tillverkare av solpaneler och Kinas investeringar i solenergi har resulterat i att priset på solpaneler sjunkit kraftigt de senaste åren, vilket gjort att rekordmycket solenergi installerats världen över.
Kina planerar även att genom det så kallade Belt and Road-initiativet bygga så många som 30 kärnkraftsreaktorer i andra länder till 2030. Det handlar dels om reak-torer av typen CAP1400, men främst den in-hemska reaktordesignen Hualong One, som när den exporteras även går under namnet HPR1000. Tre reaktorer av typen Hualong One är redan under konstruktion i Pakistan och ytterligare två reaktorer planeras att byggas i landet. En reaktor av typen Hualong One förväntas också inom kort börja byggas i Argentina och reaktordesignen skulle även kunna komma att användas vid kärnkraftver-ket Bradwell B i Storbritannien.