Storbritanniens Fusion Energy-program: Konceptdesign for STEP-prototypekraftværket afsløret 

Storbritanniens fusionsenergiproduktionstilgang tog form med annonceringen af ​​STEP-programmet (Spherical Tokamak for Energy Production) i 2019. Dets første fase (2019-2024) er afsluttet med udgivelsen af ​​et konceptdesign til det integrerede fusionsprototypekraftværk. Det vil være baseret på brug af magnetfelt til at begrænse plasma ved hjælp af tokamak-maskine, men UK's STEP vil bruge en sfærisk tokamak i stedet for traditionel doughnut-formet tokamak, der bruges på ITER. En sfærisk tokamak menes at have flere fordele. Anlægget vil blive bygget i Nottinghamshire og forventes at være operationelt i begyndelsen af ​​2040'erne.  

Behovet for en pålidelig kilde til ren energi for at imødekomme den voksende energiefterspørgsel fra den voksende befolkning og verdensøkonomien, der hurtigt kunne hjælpe med at imødegå udfordringer (som følge af udtømmelige fossile brændstoffer, kulstofemission og klimaændringer, miljørisici forbundet med nukleare fissionsreaktorer og fattige skalerbarhed af vedvarende kilder) er aldrig blevet følt så intenst som på nuværende tidspunkt.  

I naturen driver kernefusion stjerner, inklusive vores sol, som finder sted i stjernernes kerne, hvor fusionsforhold (dvs. ekstremt høje temperaturer i intervallet hundreder af millioner grader celsius og tryk) hersker. Evnen til at skabe kontrollerede fusionsforhold på jorden er nøglen til ubegrænset ren energi. Dette involverer opbygning af et fusionsmiljø med en meget høj temperatur for at fremkalde højenergikollisioner, som har tilstrækkelig plasmatæthed til at øge sandsynligheden for kollisioner, og som kan begrænse plasma i en tilstrækkelig varighed til at muliggøre fusion. Det er klart, at infrastruktur og teknologi til at begrænse og kontrollere overophedet plasma er nøglekravet for kommerciel udnyttelse af fusionsenergi. Forskellige tilgange bliver udforsket og anvendt over hele verden til plasmaindeslutning til kommerciel realisering af fusionsenergi.   

Inertial Confinement Fusion (ICF) 

Ved inertifusionstilgang skabes fusionsbetingelser ved hurtigt at komprimere og opvarme en lille mængde fusionsbrændstof. National Ignition Facility (NIF) ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) bruger laserdrevet implosionsteknik til at implodere kapsler fyldt med deuterium-tritium brændstof ved hjælp af højenergi laserstråler. NIF opnåede fusionstændelse først i december 2022. Efterfølgende blev fusionstænding demonstreret ved tre lejligheder i 2023, hvilket bekræftede proof-of-concept, at kontrolleret nuklear fusion kan udnyttes til at opfylde energibehov.  

Magnetisk indeslutning af plasmatilgang  

Brug af magneter til at begrænse og kontrollere plasma til fusion bliver forsøgt mange steder. IITER, det mest ambitiøse fusionsenergisamarbejde mellem 35 nationer baseret i St. Paul-lez-Durance i det sydlige Frankrig, bruger en ringtorus (eller doughnut magnetisk enhed) kaldet tokamak, som er designet til at indeslutte fusionsbrændstof i lange perioder ved høje nok temperaturer til fusionsantændelse skal finde sted. Tokamaks, som er et førende plasmaindeslutningskoncept til fusionskraftværker, kan holde fusionsreaktionen i gang, så længe der er plasmastabilitet. ITERs tokamak bliver verdens største.   

Storbritanniens STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) Fusion-program: 

Ligesom ITER er STEP-fusionsprogrammet i Storbritannien baseret på magnetisk indeslutning af plasma ved hjælp af tokamak. Tokamak fra STEP-programmet vil dog være sfærisk formet (i stedet for ITERs donutformet). En sfærisk tokamak er kompakt, omkostningseffektiv og kan være lettere at skalere.  

STEP-programmet blev annonceret i 2019. Dets første fase (2019-2024) er afsluttet med udgivelsen af ​​et konceptdesign til det integrerede fusionsprototype-kraftværk.  

Et temanummer af Philosophical Transactions A of Royal Society, med titlen "Levering af fusionsenergi – den sfæriske tokamak til energiproduktion (STEP)” omfattende 15 peer-reviewede artikler blev offentliggjort den 26. august 2024, som beskriver de tekniske fremskridt i programmet til at designe og bygge Storbritanniens første prototypeanlæg til at producere elektricitet fra fusion. Bladene fanger et komplet øjebliksbillede af de nødvendige design- og skitseringsteknologier og deres integration i en prototypefabrik i begyndelsen af ​​2040'erne.  

STEP-programmet har til formål at bane vejen for fusionens kommercielle levedygtighed ved at demonstrere nettoenergi, brændstofselvforsyning og en levedygtig vej til anlægsvedligeholdelse. Det kræver en holistisk tilgang til at levere et fuldt operationelt prototypeanlæg, der også betragter nedlukning som en del af designet. 

*** 

Referencer:  

1. britiske regering. Pressemeddelelse – Storbritannien førende i verden inden for design af fusionskraftværker. Udgivet 03. september 2024. Tilgængelig på https://www.gov.uk/government/news/uk-leading-the-world-in-fusion-powerplant-design  

2. 'Levering af fusionsenergi – Den sfæriske tokamak til energiproduktion (STEP). Den tematiske Royal Society-udgave af Philosophical Transactions A,. Alle 15 peer-reviewede artikler i temanummeret udgivet den 26. august 2024. Tilgængelig på https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2024/382/2280  

3. Britiske forskere afslører glimt af design til et nyt fusionskraftværk. Videnskab. 4. september 2024. DOI:  https://doi.org/10.1126/science.zvexp8a 

*** 

Relaterede artikler  

• Brune dværge (BD'er): James Webb-teleskopet identificerer mindste objekt dannet på en stjernelignende måde (5 januar 2024) 

• 'Fusion Ignition' demonstrerede fjerde gang på Lawrence Laboratory (20 december 2023) 

• Fusion Ignition bliver en Virkelighed; Energy Breakeven opnået ved Lawrence Laboratory  (15 december 2022)  

***