Storbritannias Fusion Energy-program: Konseptdesign for STEP Prototype Power Plant avduket

Storbritannias tilnærming til produksjon av fusjonsenergi tok form med kunngjøringen av STEP-programmet (Spherical Tokamak for Energy Production) i 2019. Dens første fase (2019-2024) har kommet til en slutt med utgivelsen av et konseptdesign for det integrerte fusjonsprototypekraftverket. Det vil være basert på bruk av magnetfelt for å begrense plasma ved hjelp av tokamak-maskin, men UKs STEP vil bruke en sfærisk tokamak i stedet for tradisjonell smultringformet tokamak som brukes på ITER. En sfærisk tokamak antas å ha flere fordeler. Anlegget skal bygges i Nottinghamshire og forventes å være i drift tidlig på 2040-tallet.

Behovet for en pålitelig kilde til ren energi for å møte den voksende energietterspørselen til voksende befolkning og verdensøkonomien som raskt kan bidra til å møte utfordringer (som utgjøres av uttømmelige fossile brensler, karbonutslipp og klimaendringer, miljørisiko forbundet med atomfisjonsreaktorer og dårlige skalerbarhet av fornybare kilder) har aldri blitt følt så intenst som i dag.

I naturen driver kjernefysisk fusjon stjerner inkludert solen vår som finner sted i kjernen av stjernene der fusjonsforhold (dvs. ekstremt høye temperaturer i området hundrevis av millioner grader celsius og trykk) råder. Evne til å skape kontrollerte fusjonsforhold på jorden er nøkkelen til ubegrenset ren energi. Dette innebærer å bygge et fusjonsmiljø med svært høy temperatur for å provosere høyenergikollisjoner, som har tilstrekkelig plasmatetthet til å øke sannsynligheten for kollisjoner og som kan begrense plasma i tilstrekkelig varighet til å muliggjøre fusjon. Det er klart at infrastruktur og teknologi for å begrense og kontrollere overopphetet plasma er nøkkelkravet for kommersiell utnyttelse av fusjonsenergi. Ulike tilnærminger blir utforsket og brukt over hele verden for plasma inneslutning mot kommersiell realisering av fusjonsenergi.

Inertial Confinement Fusion (ICF)

I treghetsfusjonstilnærming skapes fusjonsforhold ved å raskt komprimere og varme opp en liten mengde fusjonsdrivstoff. National Ignition Facility (NIF) ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) bruker laserdrevet implosjonsteknikk for å implodere kapsler fylt med deuterium-tritium drivstoff ved hjelp av høyenergilaserstråler. NIF oppnådde fusjonstenning først i desember 2022. Deretter ble fusjonstenning demonstrert ved tre anledninger i 2023 som bekreftet proof-of-concept at kontrollert kjernefysisk fusjon kan utnyttes for å dekke energibehov.

Magnetisk inneslutning av plasmatilnærming

Bruk av magneter for å begrense og kontrollere plasma for fusjon blir prøvd mange steder. IITER, det mest ambisiøse fusjonsenergisamarbeidet til 35 nasjoner basert i St. Paul-lez-Durance i Sør-Frankrike, bruker en ringtorus (eller smultringmagnetisk enhet) kalt tokamak som er designet for å begrense fusjonsdrivstoff i lange perioder ved høye nok temperaturer for fusjonstenning skal finne sted. Tokamaks er et ledende plasmakonsept for fusjonskraftverk, og kan holde fusjonsreaksjonen i gang så lenge det er plasmastabilitet. ITERs tokamak vil bli verdens største.

Storbritannias STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) fusjonsprogram:

I likhet med ITER er STEP-fusjonsprogrammet i Storbritannia basert på magnetisk inneslutning av plasma ved bruk av tokamak. Imidlertid vil tokamak til STEP-programmet være sfærisk formet (i stedet for ITERs smultring). En sfærisk tokamak er kompakt, kostnadseffektiv og kan være lettere å skalere.

STEP-programmet ble annonsert i 2019. Dets første fase (2019-2024) har kommet til en slutt med utgivelsen av et konseptdesign for den integrerte fusjonsprototypen kraftverk.

Vi introduserer STEP-programmet for å bygge Storbritannias prototype fusjonsenergikraftverk ... https://t.co/i2EotDKYOn
— UK Atomic Energy Authority (@UKAEAofficial) Juli 24, 2024

Et temanummer av Philosophical Transactions A of Royal Society, med tittelen "Levere fusjonsenergi – den sfæriske tokamak for energiproduksjon (STEP)” bestående av 15 fagfellevurderte artikler ble publisert 26. august 2024 som beskriver den tekniske fremdriften til programmet for å designe og bygge Storbritannias første prototypeanlegg for å produsere elektrisitet fra fusjon. Papirene fanger et fullstendig øyeblikksbilde av design- og konturteknologiene som kreves og deres integrering i et prototypeanlegg tidlig på 2040-tallet.

STEP-programmet har som mål å bane vei for fusjons kommersielle levedyktighet ved å demonstrere netto energi, selvforsyning med drivstoff og en levedyktig vei til vedlikehold av anlegget. Det krever en helhetlig tilnærming for å levere et fullt operativt prototypeanlegg som også vurderer dekommisjonering som en del av designet.

***

Referanser:

Storbritannias regjering. Pressemelding – Storbritannia ledende i verden innen design av fusjonskraftverk. Publisert 03. september 2024. Tilgjengelig på https://www.gov.uk/government/news/uk-leading-the-world-in-fusion-powerplant-design

'Levere fusjonsenergi – den sfæriske tokamak for energiproduksjon (STEP). Den tematiske Royal Society-utgaven av Philosophical Transactions A,. Alle de 15 fagfellevurderte artiklene i temanummeret publisert 26. august 2024. Tilgjengelig på https://royalsocietypublishing.org/toc/rsta/2024/382/2280