Innovativa projekt som använder moderna supraledare kommer snart att möjliggöra kontrollerad termonukleär fusion, säger vissa optimister. Experter förutspår dock att praktisk tillämpning kommer att ta flera decennier.
Varför är det så svårt?
Fusionsenergi anses vara en potentiell energikälla för framtiden. Detta är atomens rena energi. Men vad är det och varför är det så svårt att uppnå? Till att börja med måste vi förstå skillnaden mellan klassisk kärnklyvning och termonukleär fusion.
Klyvningen av atomen är när radioaktiva isotoper - uran eller plutonium - klyvs och förvandlas till andra högradioaktiva isotoper, som sedan måste begravas eller återvinnas.
Fussionsreaktionen består i att två isotoper av väte - deuterium och tritium - smälter samman till en enda helhet och bildar ogiftigt helium och en enda neutron, utan att producera radioaktivt avfall.
Kontrollproblem
Reagerar detinträffa i solen eller i en vätebomb - det här är termonukleär fusion, och ingenjörer står inför en svår uppgift - hur kontrollerar man denna process i ett kraftverk?
Det här är något forskare har arbetat med sedan 1960-talet. En annan experimentell fusionsreaktor som heter Wendelstein 7-X har börjat fungera i den nordtyska staden Greifswald. Den är ännu inte designad för att skapa en reaktion – det är bara en speciell design som testas (en stellarator istället för en tokamak).
Högenergiplasma
Alla termonukleära installationer har ett gemensamt drag - en ringform. Den är baserad på idén om att använda kraftfulla elektromagneter för att skapa ett starkt elektromagnetiskt fält format som en torus - ett uppblåst cykelrör.
Detta elektromagnetiska fält måste vara så tätt att när det värms upp i en mikrovågsugn till en miljon grader Celsius, måste en plasma uppträda i mitten av ringen. Den tänds sedan så att fusion kan börja.
Demonstration av möjligheter
I Europa pågår för närvarande två sådana experiment. En av dem är Wendelstein 7-X, som nyligen genererade sin första heliumplasma. Den andra är ITER, en enorm experimentell fusionsanläggning i södra Frankrike som fortfarande är under uppbyggnad och kommer att vara redo att tas i drift 2023.
Det antas att riktiga kärnreaktioner kommer att inträffa vid ITER, dock endast iunder en kort tid och absolut inte längre än 60 minuter. Den här reaktorn är bara ett av många steg mot att göra kärnfusion till verklighet.
Fusionsreaktor: mindre och kraftfullare
Nyligen har flera designers tillkännagett en ny reaktordesign. Enligt en grupp studenter från Massachusetts Institute of Technology, samt representanter för vapenföretaget Lockheed Martin, kan fusion utföras i anläggningar som är mycket kraftfullare och mindre än ITER, och de är redo att göra det inom tio år.
Idén med den nya designen är att använda moderna högtemperatursupraledare i elektromagneter, som uppvisar sina egenskaper när de kyls med flytande kväve, snarare än konventionella, som kräver flytande helium. En ny, mer flexibel teknik kommer att möjliggöra en fullständig omdesign av reaktorn.
Klaus Hesch, som är ansvarig för kärnfusionsteknik vid Karlsruhe Institute of Technology i sydvästra Tyskland, är skeptisk. Den stöder användningen av nya högtemperatursupraledare för nya reaktorkonstruktioner. Men enligt honom räcker det inte att utveckla något på en dator, med hänsyn till fysikens lagar. Det är nödvändigt att ta hänsyn till de utmaningar som uppstår när en idé omsätts i praktiken.
Sci-fi
Enligt Hesh visar MIT-studentmodellen bara möjligheten till ett projekt. Men det är faktiskt mycket science fiction. Projektföreslår att de allvarliga tekniska problemen med fusion har lösts. Men modern vetenskap har ingen aning om hur man löser dem.
Ett sådant problem är idén med hopfällbara spolar. Elektromagneter kan demonteras för att komma in i ringen som håller plasman i MIT-designmodellen.
Detta skulle vara mycket användbart eftersom man kan komma åt objekt i det interna systemet och ersätta dem. Men i verkligheten är supraledare gjorda av keramiskt material. Hundratals av dem måste flätas samman på ett sofistikerat sätt för att bilda det korrekta magnetfältet. Och här finns det mer grundläggande svårigheter: anslutningarna mellan dem är inte lika enkla som anslutningarna av kopparkablar. Ingen har ännu ens tänkt på koncept som skulle hjälpa till att lösa sådana problem.
För varmt
Hög temperatur är också ett problem. I kärnan av fusionsplasman kommer temperaturen att nå cirka 150 miljoner grader Celsius. Denna extrema värme förblir på plats - mitt i den joniserade gasens mitt. Men även runt den är det fortfarande väldigt varmt - från 500 till 700 grader i reaktorzonen, som är det inre skiktet av ett metallrör där det tritium som är nödvändigt för att kärnfusion ska inträffa kommer att "reproducera"
Fusionsreaktorn har ett ännu större problem - den så kallade kraftutlösningen. Detta är den del av systemet som tar emot det använda bränslet, främst helium, från fusionsprocessen. Förstmetallkomponenterna som den heta gasen kommer in i kallas "avledare". Den kan värmas upp till över 2000°C.
Divertor problem
För att anläggningen ska klara dessa temperaturer försöker ingenjörer använda metallen volfram som används i gammaldags glödlampor. Smältpunkten för volfram är cirka 3000 grader. Men det finns också andra begränsningar.
I ITER kan detta göras, eftersom uppvärmningen i den inte sker konstant. Det antas att reaktorn endast kommer att fungera 1-3 % av tiden. Men det är inte ett alternativ för ett kraftverk som behöver vara igång 24/7. Och om någon påstår sig kunna bygga en mindre reaktor med samma effekt som ITER, är det säkert att säga att han inte har en lösning på avledningsproblemet.
Kraftverk om några decennier
Ändå är forskare optimistiska om utvecklingen av termonukleära reaktorer, men det kommer inte att gå så snabbt som vissa entusiaster förutspår.
ITER borde visa att kontrollerad fusion faktiskt kan producera mer energi än vad som skulle spenderas på att värma plasman. Nästa steg är att bygga ett helt nytt hybriddemonstrationskraftverk som faktiskt genererar el.
Ingenjörer arbetar redan med designen. De kommer att behöva lära sig av ITER, som är planerad att lanseras 2023. Med tanke på den tid som krävs för design, planering och konstruktion verkar det somdet är osannolikt att det första fusionskraftverket kommer att lanseras mycket tidigare än mitten av 2000-talet.
Rossi Cold Fusion
Under 2014 drog ett oberoende test av E-Cat-reaktorn slutsatsen att enheten producerade i genomsnitt 2 800 watts uteffekt under en 32-dagarsperiod med en förbrukning på 900 watt. Detta är mer än någon kemisk reaktion kan isolera. Resultatet talar antingen om ett genombrott inom termonukleär fusion eller om rent bedrägeri. Rapporten gjorde skeptiker besvikna, som tvivlar på om testet verkligen var oberoende och föreslår möjlig förfalskning av testresultaten. Andra har varit upptagna med att ta reda på de "hemliga ingredienserna" som gör att Rossis fusion kan replikera tekniken.
Rossi är en bedragare?
Andrea är imponerande. Han publicerar proklamationer till världen på unik engelska i kommentarsektionen på sin webbplats, pretentiöst kallad Journal of Nuclear Physics. Men hans tidigare misslyckade försök har inkluderat ett italienskt projekt för avfall till bränsle och en termoelektrisk generator. Petroldragon, ett avfall-till-energi-projekt, misslyckades delvis på grund av att den illegala dumpningen av avfall kontrolleras av italiensk organiserad brottslighet, som har väckt åtal mot det för att ha brutit mot reglerna för avfallshantering. Han skapade också en termoelektrisk enhet för US Army Corps of Engineers, men under testningen producerade gadgeten bara en bråkdel av den deklarerade effekten.
Många litar inte på Rossi, och chefredaktören för New Energy Times kallade honom rent ut för en brottsling med en rad misslyckade energiprojekt bakom sig.
Oberoende verifiering
Rossi tecknade ett kontrakt med det amerikanska företaget Industrial Heat för att genomföra ett årslångt hemligt test av en 1-MW kallfusionsanläggning. Enheten var en fraktcontainer packad med dussintals E-Cats. Experimentet måste kontrolleras av en tredje part som kunde bekräfta att värmeutveckling verkligen ägde rum. Rossi påstår sig ha tillbringat en stor del av det senaste året praktiskt taget med att bo i en container och övervaka verksamheten i mer än 16 timmar om dagen för att bevisa E-Cat:s kommersiella lönsamhet.
Testet avslutades i mars. Rossis anhängare väntade ivrigt på observatörernas rapport, i hopp om att deras hjälte skulle bli frikänd. Men till slut fick de en stämningsansökan.
Tvister
I en domstolsansökan i Florida hävdar Rossi att testet var framgångsrikt och en oberoende skiljedomare bekräftade att E-Cat-reaktorn producerar sex gånger mer energi än den förbrukar. Han hävdade också att Industrial Heat hade gått med på att betala honom 100 miljoner dollar - 11,5 miljoner dollar i förskott efter den 24-timmars testperioden (skenbart för licensrättigheter så att företaget kunde sälja tekniken i USA) och ytterligare 89 miljoner dollar efter det framgångsrika slutförandet av den utökade test inom 350 dagar. Rossi anklagade IH för att driva ett "bedrägligt system"vars syfte var att stjäla hans immateriella rättigheter. Han anklagade också företaget för att ha förskingrat E-Cat-reaktorer, olagligt kopierat innovativa teknologier och produkter, funktionalitet och design och missbrukat patent på hans immateriella rättigheter.
Mine of Gold
Annorstädes hävdar Rossi att IH i en av hans demonstrationer fick 50-60 miljoner dollar från investerare och ytterligare 200 miljoner dollar från Kina efter en repris som involverade kinesiska topptjänstemän. Om detta är sant, står mycket mer än hundra miljoner dollar på spel. Industrial Heat har avfärdat dessa påståenden som grundlösa och kommer att aktivt försvara sig. Ännu viktigare, hon hävdar att hon "arbetade i över tre år för att bekräfta resultaten som Rossi påstås ha uppnått med sin E-Cat-teknik, utan framgång."
IH tror inte på E-Cat, och New Energy Times ser ingen anledning att tvivla på det. I juni 2011 besökte en representant för tidningen Italien, intervjuade Rossi och filmade en demonstration av hans E-Cat. En dag senare rapporterade han sin allvarliga oro över metoden för att mäta värmeeffekt. Efter 6 dagar lade journalisten upp sin video på YouTube. Experter från hela världen skickade honom analyser som publicerades i juli. Det blev tydligt att detta var en bluff.
Experimentell bekräftelse
Men ett antal forskare - Alexander Parkhomov från Peoples' Friendship University of Russia och Martin Fleishman Memorial Project (MFPM) -lyckats reproducera Rysslands kalla termonukleära fusion. MFPM-rapporten fick titeln "The End of the Carbon Era Is Near". Anledningen till sådan beundran var upptäckten av en explosion av gammastrålning, som inte kan förklaras på annat sätt än genom en termonukleär reaktion. Enligt forskare har Rossi precis vad han säger.
Ett gångbart öppet recept för kall fusion kan utlösa en energiguldrush. Alternativa metoder kan hittas för att kringgå Rossis patent och hålla honom borta från energiverksamheten med flera miljarder dollar.
Så kanske Rossi skulle föredra att undvika denna bekräftelse.
