Vad blev det av fusionsenergin?

Kraften som ska frälsa jorden

I över 60 år har man drömt om att lösa mänsklighetens energiproblem en gång för alla genom att tämja solens krafter. Med en närmast oändlig tillgång på bränsle skulle fusionskraften rädda världen från energi­brist och för mycket växthusgaser.
Och drömmen fortsätter att leva, trots att miljarder och åter miljarder kronor pumpats in i experiment­reaktorer sedan 1950-talet utan att man fått ut en enda watt hushållsel.
Men den som till slut lyckas kan förändra världen. Så trots motgångarna fortsätter försöken.

Om människan kan imitera den process som håller solen och stjärnorna igång så behöver vi inte fundera så mycket över växthus­gaser och oljepriser längre. Då finns det energi så det räcker och blir över.    
Men, naturligtvis finns det massor med hinder och invändningar.
Det krävs enorma resurser och avancerade högteknologiska kunskaper för att få till det. Om det överhuvudtaget går, vilket inte alla är överens om.
Men i takt med att ny teknik växer fram och det villiga riskkapitalet finns tillgängligt så lockas allt fler att försöka. Idag finns det en handfull privata företag som driver seriösa och avancerade projekt som påstår sig kunna skapa användbar fusions­energi inom ett par år.
Fusion betyder helt enkelt att man slår ihop två atomkärnor till ett tyngre grundämne. En del av den totala massan hos de två små kärnorna omvandlas till ren energi enligt Einsteins berömda formel E=mc2. Energivinsten blir enligt den kalkylen enorm när atomerna i några få gram väte slås samman till helium, mycket större än när tunga kärnor som uran klyvs i traditionella kärnkraftverk. Fusion är exakt vad som sker i en vätebomb, den okontrollerade formen av sammanslagning av vätekärnor.

JET är en tokamakreaktor där fusionen ska ske i en ring av plasma, instängd och kontrollerad av starka magneter. Det är den största nu fungerande experiment­anläggningen för fusion. Bild: JET

JET är en tokamakreaktor där fusionen ska ske i en ring av plasma, instängd och kontrollerad av starka magneter. Det är den största nu fungerande experiment­anläggningen för fusion. Bild: JET

Tokamak
För att lyckas krävs enorma krafter för att få fart på processen. Problemet är att atomkärnorna inte vill slås samman. Man måste tvinga dem samman med temperaturer över 100 miljoner grader.
Hittills har jakten på den lyckade fusionen gått längs två huvudspår. Det ena är tokamak-reaktorn, en sovjetisk uppfinning från 1950-talet som har förfinats och förbättrats under decennier genom försök i olika forskningsreaktorer världen runt. Idag representeras metoden kanske bäst av den europeiska JET-reaktorn i Culham utanför Oxford som har försökt få fart på reaktionen sedan 1983. Den ska avlösas av det stora internationella Iter-projektet i Frankrike.
Europa, USA, Japan, Kina, Indien och Korea samarbetar om Iter, och Sverige är också med och betalar via EU-budgeten. Det är ett av de största energiprojekt som pågår och det har kantats av svårigheter. Kostnadskalkylen är idag på 50 miljarder dollar vilket är tio gånger den ursprungliga budgeten, och tidsschemat ligger mer än tio år efter plan. De första antändningsexperimenten beräknas börja 2027, istället för 2016 som man först planerade.
Iter är idag en stor byggarbetsplats i Cadarache i södra Frankrike där den 73 meter höga reaktorn en dag ska stå färdig.

Laserfusionstekniken går ut på att hetta upp bränslet med högenergilasrar. Det går åt enorma mängder energi för att driva lasrarna, men tekniken är på många sätt enklare och billigare än tokamak.

Laserfusionstekniken går ut på att hetta upp bränslet med högenergilasrar. Det går åt enorma mängder energi för att driva lasrarna, men tekniken är på många sätt enklare och billigare än tokamak.

Laserfusion
Den andra stora satsningen mot den outtömliga fusionsenergin har under de senaste åren varit försöken att antända bränslet med hjälp av intensivt laserljus. På Lawrence Livermore-laboratoriet i Kalifornien har man byggt en jättelik laserkanon som är konstruerad för att i en enda koncentrerad laserpuls pressa samman några gram väte i en liten metallcylinder mindre än en fingerborg. Anläggningen som kallas NIF, National Ignition Facility, byggdes för att kunna simulera vätebombssprängningar, men är numera också en gigantisk experimentell fusionsreaktor.

Var är energin?
Men om vi nu har de här stora reaktorerna, den sofistikerade tekniken och miljardinvesteringarna – var är då fusionsenergin?
För tokamak-modellen är det JET som hittills har världsrekordet i energiproduktion. För snart 19 år sedan lyckades man få fart på fusionen i Oxfordshire under några sekunder och fick under det korta ögonblicket ut ungefär två tredjedelar av den energi som gick åt för att tända upp reaktionen. En nettoförlust alltså, men det blev trots allt fusion.
Från NIF förutspådde man kaxigt redan 2012 att det bara var månader kvar tills man skulle uppnå det som kallas antändning, det vill säga en fusionsreaktion i bränslet vilken skapar tillräckligt mycket energi för att driva sig själv vidare – en självgående brasa där man bara behöver tillföra mer bränsle för att hålla energiproduktionen igång.
Det gick inte.
Under 2014 presenterades nya rapporter om genombrott. Då lyckades man hålla plasman i den lilla fingerborgen så väl samlad att en del av det tunga vätet började fusionera under laserbom­bardemanget. För första gången producerades mer energi ur den lilla kulan än vad som tas upp av metallhöljet runt omkring. Närmare bestämt upp till två gånger så mycket. Det här betecknades då som ett viktigt steg på vägen av flera insatta bedömare.
Men det är inte på långt när samma sak som en total nettovinst av energi eftersom man bara räknade med den tillförda energi som nådde bränslekulan. Räknar man med all energi som krävs för att driva superlasern så går det åt 100 gånger mer energi än vad man får ut genom fusionen av vätet. Det är med andra ord även här en rejäl energiförlust. Vägen mot att få ström till två hål i väggen är fortfarande lång.

Visionärer
De här två projekten är exempel på stora statligt finansierade satsningar som enligt vissa kritiker lovar mer än de kan hålla, och som är så otympliga att de blir omoderna långt innan de hinner nå sina mål. Om det lyckas är vinsterna däremot enorma.
Det krävs dock enorma insatser för att få det att fungera, och då behövs också massor av pengar och tungrodda internationella samarbeten.
Eller kanske inte.
Idag finns det ett antal begåvade visionärer/galningar (stryk det som ej önskas) som hoppas kunna springa förbi de stora megasatsningarna med hjälp av nya idéer, smart teknik och förbättrade material. Den vetenskapliga utvecklingen går trots allt framåt, och i mindre storslagna projekt hinner man testa nya lösningar i snabbare takt och bygger inte fast sig i gårdagens tekniska modeller.
Ett av de senaste försöken att hitta nya vägar till en fungerande reaktor är baserat på traditionell universitetsforskning. Vid anrika Massachusetts Institute of Technology, MIT, använder man sig av en ny typ av elektromagneter som ska ge ett nytt liv åt den ”traditionella” tokamakreaktorn.
I en tokamak är styrkan hos magnetfältet en avgörande faktor för hur bra den kan leverera energi. Magnetfältet produceras av supraledande elektromagneter som skapar ett fält i form av en torus, en form som en badring för att uttrycka det vardagligt. Inuti detta badringsformade magnetfält hettas sedan den joniserade vätgasen, plasmat, upp till över 100 miljoner grader i hopp om att väte­atomerna ska tvingas till sammanslagning.
De magneter som krävs för uppgiften är stora och tunga och behöver kylas ner till ett par grader över den absoluta nollpunkten för att bli supraledande, och de drar massor av ström. JET-reaktorn, till exempel, måste generera sin egen elektricitet eftersom det vanliga nätet inte klarar belastningen.
Den nya tokamakdesignen från MIT, som presenterades i augusti i år, bygger på en ny typ av magneter, som gör att storleken på hela ­reaktorn krymper betydligt. De är så tunna att de ­kallas supraledande tejper, och är tillverkade av olika sällsynta jordartsmetaller tillsammans med ­kopparoxid och barium.
Det starka magnetfältet tillåter ett mycket tätare plasma, med högre tryck, och därmed fler fusioner bland atomkärnorna. En fördubbling av magnet­styrkan ska ge 16 gånger högre teoretisk uteffekt, samtidigt som hela konstruktionen blir betydligt mindre och billigare.
Den här reaktorn ska kunna förse ett samhälle på 100 000 invånare med elektricitet, och borde kunna byggas på fem år, enligt konstruktörerna på MIT. Men ännu finns den alltså bara på papperet.

Företaget General ­Fusions lösning består av ett antal ångdrivna kolvar som pressar samman plasmat tillräckligt mycket för att en fusion ska sätta igång. Och lite steampunk-känsla är det över konstruktionen.  Bild: General Fusion

Företaget General ­Fusions lösning består av ett antal ångdrivna kolvar som pressar samman plasmat tillräckligt mycket för att en fusion ska sätta igång. Och lite steampunk-känsla är det över konstruktionen. Bild: General Fusion

Mindre, billigare och effektivare
En besläktad förbättring av fusionsmaskinen utvecklas i ett av USA:s mest avancerade ingenjörs­företag, vapentillverkaren Lockheed Martin, företaget som ligger bakom flygplan som U2 och flera av de allra senaste stealth-flygplanen som används av det amerikanska flygvapnet. Med en ny konfi­guration av magneter tror de sig på samma sätt som MIT-teknikerna kunna öka plasmatrycket i reaktorn, och därmed effekten. Lockheed Martin tänker överge den klassiska torusen, badringen, och istället hålla plasmat i en inneslutning med formen av ett rör.
Effekten ska enligt de senaste rapporterna bli tio gånger högre än den som Iter byggs för – vilket är den ständiga jämförelsen – men kan samtidigt bli tio gånger mindre, enklare och billigare.
Lockheed Martin tänker sig att den här fusionsapparaten ska bli så kompakt att den kan driva en rymdfarkost eller ett fraktfartyg, eller till och med ett vanligt flygplan som nästan aldrig skulle behöva tanka.
Idag är reaktorn på laboratoriestadiet. På Lockheeds avdelning för framtidsprojekt tror man på en prototyp inom fem år och en första modell för produktion efter ytterligare fem.
Om man ska tro de optimistiska antagandena så kommer vi alltså att kunna köpa en flyttbar fusionsreaktor på 100 megawatt, liten nog att placera på ett långtradarsläp och klar att ansluta till det ordinarie elnätet, från Lockheed Martin, runt 2025. Det är alltså innan Iter ens har hunnit börja med sina första plasmaexperiment. Vi lär få höra om de lyckas.

Iterbygget i oktober 2015. Bild: Iter

Iterbygget i oktober 2015. Bild: Iter

En modern ångmaskin
Lockheed Martin är inte det enda privata företaget som vill bräcka de stora offentligt finansierade projekten i kapplöpningen mot användbar fusions­energi. General Fusion heter ett annat betydligt mindre företag, baserat i Kanada, och med finansiering från bland andra Amazon-miljardären Jeff Bezos.
Grundaren, Michel Laberge, förstod att om han skulle bygga en fusionsreaktor måste han klara sig utan mastodontstora laserkanoner eller superkylda elektromagneter. Hans första experiment gjordes i ett garage i British Columbia och principen låter nästan 1800-talsmässig.
Plasmat hålls inneslutet i ett stålklot på tre meters diameter och pressas samman med hjälp av en rad ångdrivna kolvar placerade symmetriskt runt klotet. Det hela ser mest ut som en gigantisk sjöborre av metall.
1800-talsnivå är det dock inte på tekniken. Inuti klotet hålls plasman på plats av roterande smält metall. Rotationen skapar en virvel i den flytande metallen, precis som när vattnet rinner ur ett badkar. I den virvelns tomrum finns plasmat av tunga väteisotoper. Med datorstyrd tidsprecision trycks kolvarna in i klotet exakt samtidigt och skapar en chockvåg som pressar samman virveln mot klotets centrum där vätekärnorna tvingas samman till fusion.
En del av energin används till att hetta upp ny ånga till kolvarna och planen är att smälla på plasmat en gång i sekunden. Hela systemet är designat för att kopplas till en vanlig ångturbin som gör elektricitet av värmen som alstras i fusions­reaktionen.
Laberge har idag flyttat ut ur garaget och har ett 70-tal kvalificerade forskare och tekniker anställda som utvecklar varje del av den här reaktorn. En fungerande modell tror man behöver bygga på ett klot som är över tio meter i diameter.

Låg temperatur och magnetpulser
Helion Energy å sin sida utlovar fusionskraft i ett system som är 1 000 gånger mindre, 500 gånger billigare och färdigutvecklat tio gånger snabbare än konkurrenternas. Då jämför man sig troligen med det långsamma och dyra Iter-bygget, för det är annars ungefär liknande löften som övriga privata fusionister vill locka finansiärer med.
Helions variant har en del klara skillnader jämfört med de ovannämnda. De vill använda sig av en princip som kallas magnetisk tröghetsinneslutning. Det betyder att de håller plasmabränslet på en – relativt – låg temperatur i en reaktor med hjälp av ett magnetfält och pressar sedan ihop det med kraftiga magnetiska pulser. Det här är en grundprincip som har testats flera gånger tidigare, men Helion säger sig ha utvecklat tekniken så bra att man kan börja köra kommersiella reaktorer och sälja elkraft redan 2019. Det lär visa sig om den prognosen håller.
Helion är inte så generösa med teknisk information, men de har en affärsplan där man säger sig kunna ta en femtedel av elmarknadens årliga tillväxt och ”så småningom” nå intäkter på 52 miljarder dollar per år. Det sistnämnda är naturligtvis avsett att få potentiella investerare att lystet öppna plånboken.
En annan specialitet hos Helion är valet att använda tungt väte i form av deuterium tillsammans med en variant av helium som bränsle. Resultatet av fusionen blir då inte en ström av högenergiska neutroner som flödar ut ur magnetfältet, utan laddade partiklar av helium-3, som kan användas för att skapa elektrisk spänning direkt. Inget behov av ångturbiner alltså.

Hemlighetsfulla men stora
Ännu mer hemlighetsfulla är Tri Alpha Energy. Företaget har hög kändisfaktor med Microsoftgrundaren Paul Allen bland finansiärerna och den gamle astronauten Buzz Aldrin tillsammans med den ryske före detta vice premiärministern Anatolij Tjubajs i styrelsen. Men företaget har ingen hemsida, de håller till i anonyma industri­lokaler i Kalifornien och lär inte ens svara i telefon. Tri Alpha har å andra sidan mer pengar och fler anställda än sina konkurrenter i fusionsbranschen.
Vad man vet är att de liksom övriga privata fusionsinitiativ har stort självförtroende och litar på att just deras modell är den bästa.
Tri Alpha vill försöka uppnå fusion med bränslena deuterium (tungt väte) och grundämnet bor. Resultatet av den fusionen blir tre heliumkärnor, det som kärnfysikerna brukar kalla alfapartiklar, därav bolagsnamnet.
Med bor som bränsle krävs betydligt högre temperatur för att uppnå fusion, närmare tre miljarder (!) grader. Dessutom blir energiutbytet bara hälften så stort som med de mer traditionella två typerna av tungt väte, deuterium och tritium. Men Tri Alphas företrädare påpekar att med enbart tungt väte skapar man en ständig ström av oladdade neutroner som slipper ut ur magnetfältet, och som ju faktiskt är bärare av den värme och rörelseenergi som skapas i fusionen. De neutronerna nöter hela tiden ner de material som omger magnetfältet. Det betyder, menar de, att en experimentreaktor av Iters typ aldrig kan ­fungera kommersiellt, eftersom den i praktiken blir en ­engångslösning. Efter några år måste den ­monteras ner och delarna har blivit radioaktiva på grund av neutronbombardemanget.

Vid laserfusion finns bränslet i en liten kula, inte mer än ett par millimeter stor. Bild: NIF

Vid laserfusion finns bränslet i en liten kula, inte mer än ett par millimeter stor. Bild: NIF

Kolliderande plasma
Tekniken hos Tri Alpha bygger på att man skapar ett slutet magnetfält genom det fenomen som ­kallas induktion och som uppstår när en elektrisk ledare, i det här fallet de laddade partiklarna i ­plasmat, rör sig i ett magnetfält. Det här är en metod som man började testa redan på 50-talet, men ett stort problem har varit att hålla det heta plasmat stabilt och på en tillräckligt hög temperatur.
Fusionen ska framkallas i ett långt rör, där man i varje ände skapar en mindre ring av plasma, som två rökringar ungefär, och sedan accelererar dem i överljudsfart mot varandra till en frontalkollision. Rörelseenergin omvandlas till värme och, förhoppningsvis, fusion.
I en vetenskaplig artikel från 2012 rapporterade Tri Alphas forskarteam att de lyckats hålla den joniserade gasen på en temperatur av tio miljoner grader i fem millisekunder. Det kanske inte låter så imponerande med tanke på att det bara är en bråkdel av vad som krävs, men det var ett nytt världsrekord för den här tekniken. Och, hävdar de, det enda som begränsade livslängden för det heta plasmat var tillgången på energi utifrån. Men fortfarande är det en bra bit kvar till de temperaturer som är målet. Hur långt de har kommit idag vet de bara själva.
Det ligger kanske i sakens natur att de här mindre enskilda satsningarna är överdrivet optimistiska eftersom de än så länge lever på riskkapital och behöver sälja sin vision till investerare för att kunna fortsätta verksamheten. Det finns ingen garanti för framgång, men det gäller att hålla drömmen levande.
Hur det går med fusionen återstår att se. De många små initiativen har just börjat dyka upp och fler lär komma. 

Fakta: 
Plasma
Plasma är ett av de aggregationstillstånd som materia kan ha. Det liknar gas, men är så energirikt (varmt) att elektronernas bindningar till atomkärnorna släpper. Kvar är ett gasliknande moln av atomkärnor (joner) och fria elektroner.

Plasma är ett av de aggregationstillstånd som materia kan ha. Det liknar gas, men är så energirikt (varmt) att elektronernas bindningar till atomkärnorna släpper. Kvar är ett gasliknande moln av atomkärnor (joner) och fria elektroner.

När en gas värms upp tillräckligt mycket så slits elektronerna loss från sina banor runt de enskilda gasatomernas kärnor och gasen förvandlas till ett plasma. Det betyder att den består av laddade partiklar, atomkärnor utan sina elektroner, som också kallas joner.
Den joniserade gasen som är elektriskt laddad kan styras och låsas in med hjälp av ett magnetfält. Det är så man kan hantera bränslet i de enorma temperaturer som krävs för att skapa fusion. Inga kända material håller för temperaturer över 100 miljoner grader. Istället hålls fusionsbränslet – oftast tungt väte, deuterium och tritium – i magnetiska behållare.
Den stora svårigheten är sedan att tvinga atomkärnorna så nära varandra att de slås samman, fusionerar. Man vet hur det går till i en vätebomb; man använder en uranbomb som tändhatt för att uppnå rätt tryck och temperatur.
Konsten är att klara av det utan bomber och under kontrollerade former.    

Fusionsenergi

Fusionsenergi uppstår när två atomkärnor som är lättare än järn slås samman till en. I ­praktiken handlar det om det lättaste grundämnet väte och dess tyngre isotoper, deuterium och tritium. Två väteatomer bildar då tillsammans en helium­atom.
När den nya tyngre kärnan bildas så blir det energi över. Små mängder ger mycket energi enligt Einsteins berömda ekvation E=mc2, där energin alltså motsvarar massan gånger ljushastigheten i kvadrat.
Atomkärnorna har positiv laddning och förenar sig inte frivilligt. Ju tyngre ämnen man använder, desto mer energi krävs för att övervinna den elektrostatiska kraften och tvinga samman de två kärnorna. Redan med det lättaste ämnet, väte, så krävs det temperaturer på över 100 miljoner grader.
Deuterium finns det närmast hur mycket som helst av på jorden, till exempel i havsvatten. Tritium är mer sällsynt, men kan framställas genom att beskjuta metallen litium med neutroner. Då faller det sönder till helium och tritium.
Det beräknas att det finns tillräckligt med litium för att förse oss med fusionsenergi i flera tusen år.

Q-värdet - hur mycket energi blir det?
Q-värdet är ett mått på hur mycket energi man får ut jämfört med vad som stoppas in i en fusionsreaktion. Målet är naturligtvis att det ska komma ut mer energi än vad som tillförs – annars är det meningslöst. Ett Q=15 betraktas som underkant på vad som är kommersiellt gångbart. Om all energiåtgång för att starta en fusion räknas in så har man ännu inte kommit över Q=1.

Q-värdet är ett mått på hur mycket energi man får ut jämfört med vad som stoppas in i en fusionsreaktion. Målet är naturligtvis att det ska komma ut mer energi än vad som tillförs – annars är det meningslöst. Ett Q=15 betraktas som underkant på vad som är kommersiellt gångbart. Om all energiåtgång för att starta en fusion räknas in så har man ännu inte kommit över Q=1.

Det kostar stora mängder med energi att köra fusionsprocessen. I en tokomakreaktor måste plasman hettas upp till enorma temperaturer och elektro­magneterna kylas ner till supraledande temperaturer. Och ändå ­kanske bara en liten del av bränslet antänder. Dessutom uppstår olika energiförluster inuti själva reaktorn. I en laserdriven fusionsreaktor går det åt enorma ­mängder energi till de kraftiga laserpulserna.
Förhållandet mellan den energi som stoppas in och den energi som tas ut kallas för Q-värdet.
När reaktorn ger lika mycket energi som det går åt för att driva fusionen så säger man att Q-värdet för reaktorn är lika med ett. Är Q-värdet under ett kostar det mer energi att hålla processen igång än vad den ger, och är Q-värdet över ett produceras överskottsenergi.
I verkligheten är det mer komplicerat, och rent praktiskt krävs det ett Q=5 för att en fusion ska leverera tillräckligt med värme till sig själv för att den ska hållas igång, och ett Q=15-20 för att det ska bli kommersiellt gångbart. Rekordet är Q=2,6 och sattes av laserreaktorn NIF. Men då ska man komma ihåg att forskarna bara räknade med den energi som lasrarna levererade in till fusionen – totalt gick det åt 100 gånger så mycket energi för att driva de kraftiga lasrarna och energin man fick ut var egentligen bara en bråkdel av det som gick åt.

Material från
Allt om Vetenskap nr 1 - 2016

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter