Extrema maskiner ger oss oändlig energi

Fusion är som att tända en brasa med blöt ved. De positivt laddade vätekärnorna repellerar varandra och gör allt de kan för att undvika kontakt. Därför krävs världens mest extrema maskiner för att tvinga samman de motvilliga väteatomerna med hjälp av antingen extremt hög temperatur eller enormt högt tryck.

När det lyckas kan de kopiösa mängder energi som fusionen utvecklar ge oss ren och billig el.

Visionen om att utnyttja fusionens energi sträcker sig årtionden tillbaka i tiden. Nu tar fysikerna ett nytt steg på vägen mot framtidens energikälla när den europeiska reaktorn Jet i slutet av år 2020 fylls med tungt och supertungt väte.

Jet är den största av de nuvarande försöksreaktorerna och den enda som är byggd för att kunna hantera riktigt kraftverksbränsle. De övriga reaktorerna använder bara tungt väte, vilket ger för få fusioner för att kunna användas i ett kraftverk. Försöken på Jet blir en försmak av nästa generation fusionsreaktorer.

Den åtta gånger större reaktorn Iter håller nämligen på att byggas i Frankrike. Försöken på det nya flaggskeppet, som påbörjar år 2025, ska skapa den första självgående fusionsprocessen – det som fysikerna kallar antändning – och på så sätt generera ett stort överskott av energi.

Möjligheterna med fusionsenergi är enorma. Råvarorna är tungt väte, som utvinns ur havsvatten, och supertungt väte, som framställs av litium. Det gör fusionsenergi till en i princip outtömlig energikälla.

Havsvatten finns det så det räcker i all evighet och de kända litiumreserverna räcker till minst tusen års förbrukning. De tekniska utmaningarna är emellertid mycket stora.

Laser konkurrerar med reaktorer

De flesta fusionsanläggningar följer en av två huvudvägar till fusionsenergi. Den ena är laserfusion, ett område där USA ligger i framkant. Energirika laserstrålar bombarderar ett vätepiller från olika håll och pressar samman vätet med så våldsam kraft att det fusionerar till helium.

På den jättelika laseranläggningen NIF utvann man år 2014 en och en halv gånger mer energi ur ett litet vätepiller än den mängd energi som laserstrålarna pumpade in i bränslet. Fysikerna uppnådde dock inte sitt mål att få fusionsprocessen att fortsätta av sig själv efter det att den satts i gång.

Därför har reaktorerna blivit förstavalet, och här är det hård konkurrens mellan två tekniker. I de båda teknikerna värms vätet till en glödhet plasma – i vilken kärnan och elektronerna är åtskilda – och håller den fångad i ett kraftigt magnetfält så att den inte vidrör reaktorväggen och kyls ner.

Den ena typen är klassiska reaktorer som Jet och Iter, så kallade tokamaker. Det är den reaktortyp som är enklast att bygga. Nackdelen är att en tokamak klarar att hålla fast fusionsbränslet i den magnetiska buren i högst en timme i taget. Sedan måste reaktorn tömmas och nytt bränsle pumpas in och antändas. Det måste ske snabbt i ett kraftverk så att konsumenterna inte upplever driftstörningar.

Den andra reaktortypen är stellaratorn, där magneterna är vridna i oregelbundna former för att skapa en extremt jämn magnetisk bur som kan upprätthållas i flera år. Här kan man fortlöpande fylla på nytt bränsle i reaktorn, ungefär som när man skyfflar in mer kol i en panna.

De oregelbundet formade magneterna gör det dock extremt svårt att konstruera reaktorn. År 2003 var det nära att tyskarna gav upp bygget av världens första stora stellarator Wendelstein 7-X. Lyckligtvis kämpade de på; reaktorn kör nu som smort och har redan efter ett par års försök klarat att hålla bränslet inneslutet i 100 sekunder i taget.

Man har en bit kvar till världsrekordet på sex och en halv minut, som sattes av den lilla franska tokamaken West år 2003, men de tyska fysikerna tror att man kommer att lyckas hålla bränslet inneslutet i en halvtimme i taget i Wendelstein 7-X-reaktorn.

Glödhet plasma tar sig ut ur buren

Ingen av de nu existerande största försöksreaktorerna kommer att kunna producera mer energi än de använder för att värma upp bränslet. Tillsammans visar dock reaktorerna på de utmaningar som måste lösas för att bana väg för äkta fusionskraftverk.

Jet kommer att ge forskarna ovärderliga erfarenheter i form av försök med riktigt kraftverksbränsle, som består av både tungt och supertungt väte. Anledningen till att fysikerna hittills har varit restriktiva med att använda supertungt väte i reaktorerna är att supertungt väte är ett radioaktivt ämne som kräver dyra säkerhetsanordningar.

Den största utmaningen är dock att hålla fusionsplasman på plats under längre tid i den så kallade inneslutningen. Det glöd­heta och turbulenta bränslet försöker hela tiden bryta sig ut ur det magnetiska greppet och komma i kontakt med reaktorväggen. Därför måste man innesluta reaktorringen i extremt starka och stabila magnetfält.

Den åldrande Jetreaktorn har bara vanliga magneter och kan därför inte hålla bränslet inneslutet i mer än några sekunder. År 2020 testas dock en effektivare magnetisk bur i den japanska tokamaken JT60-SA, som har uppgraderats med supraledande magneter som ska hålla bränslet inneslutet i 100 sekunder i taget.

För att ta nästa steg mot framtidens rena energikälla arbetar forskarna med att konstruera världens största och mest komplexa maskin till ett pris av drygt 200 miljarder kronor.

Reaktorn Iter byggs i södra Frankrike genom ett samarbete mellan EU, USA, Ryssland, Japan, Kina, Indien och Sydkorea. Byggnaden är hög som ett 15-våningshus och reaktorn kommer att väga 23 000 ton. Reaktorringen, som har en diameter på 19,4 meter, ska omges av enorma, upp till 25 meter stora supraledande magneter.

Den stora reaktorn ska passera den viktiga milstolpen på vägen till kraftverk och antända bränslet så att fusionsprocessen fortsätter av sig själv när reaktorns värme­apparat stängs av.

I den heta plasman kolliderar de extremt varma heliumkärnorna från fusionen med vätekärnorna och värmer upp dem och tvingar dem till nya fusionsprocesser. Energiproduktionen fortsätter så länge reaktorn tillförs nytt bränsle och så länge den magnetiska buren innesluter bränslet. Målet är att upprätthålla inneslutningen i en timme i taget.

Försök med kraftverksbränsle av tungt och supertungt väte börjar år 2035. Då ska antändningen göra det möjligt att producera tio gånger mer energi än reaktorn använder för att värma upp bränslet. Senare ska energiöverskottet ökas till 30 gånger den tillförda mängden energi.

Det är ännu ovisst om efterföljaren till Iter blir en tokamak eller en stellarator. Resultaten från Wendelstein 7-X kan bli så bra att stellaratorn blir den segrande tekniken – eller så kan kanske något av alternativen som privata företag testar i ytterst liten skala konkurrera ut jättarna.

Havsvatten ersätter kol

Omkring år 2060 förväntas det första fusionskraftverket leverera ström till elnätet. Oavsett vilken version som vinner kommer fusion att vara en säker energikälla eftersom det inte finns någon risk för ohämmade kedjereaktioner som i ett kärnkraftverk. Så snart tillförseln av bränsle upphör klingar nämligen processerna i reaktorn av.

Fusion lämnar inte heller efter sig något högradioaktivt avfall som behöver förvaras i 100 000 år. Helium är den enda restprodukten.

Tungt väte från 40 liter havsvatten och supertungt väte från fem gram litium – motsvarande innehållet i en mobiltelefon – kan ge lika mycket energi som 40 ton kol och förorenar varken luften eller släpper ut koldioxid. Det kan ge fusion huvudrollen i framtidens klimatneutrala energiförsörjning.