Det är fusionsprocessen som får solen och andra stjärnor att lysa. Kan vi återskapa och kontrollera den varaktigt på jorden får vi ren, säker och outsinlig tillgång till energi. Den praktiska hanteringen av ett plasma med extrema temperaturer är stötestenen – men nya material och superdatorer som klarar av att modellera med hög precision gör att vi nu är närmare än någonsin.

Dagens kärnkraftsteknik bygger på fission – en process där klyvningen av atomkärnor frigör stora mängder energi. När tunga atomkärnor som exempelvis uran beskjuts med neutroner faller de isär, bildar nya, mindre atomkärnor och ytterligare fria neutroner som kan klyva fler urankärnor, i en kontinuerlig kedjereaktion vars hastighet måste kontrolleras och modereras. Men det är inte det enda sättet att utvinna energi ur atomkärnor.

Drömmen om fri energi

Fusionsreaktorer bygger på att tämja samma process som pågår i stjärnorna.

När lätta atomkärnor smälter samman till tyngre frisätts också energi. Den processen kallas fusion, och det är den som äger rum inuti solen och andra stjärnor. Att tämja den har varit en hägrande dröm i decennier. Fusion ger nämligen inte upphov till långlivat farligt avfall som fission gör, och det uppstår inga utsläpp av växthusgaser. Bränsletillgången är i princip obegränsad – typiskt tänker man sig att använda isotoper av väte som under extrema tryckförhållanden slås samman till helium. Till skillnad från fissionsreaktorer finns dessutom bara en liten mängd bränsle i reaktorn åt gången, och om processen skulle störas skulle den upphöra istället för att skena.

Plasmat är utmaningen

Kruxet är de extrema temperaturer som krävs. Förutsättningen för att reaktionen ska starta är att skapa och upprätthålla ett plasma – en gas i ett högtemperaturtillstånd där joner och elektroner separerats från varandra. Man måste därför först tillsätta stora mängder energi innan man kan få ut någon.

När reaktionen väl är igång måste plasmat hållas inneslutet för att den inte ska avstanna igen, och det behövs riktigt höga temperaturer – över hundra miljoner grader – som inga material står emot. Därför är den mest utforskade principen att innesluta plasmat med hjälp av starka, torusformade magnetfält som håller det på plats, i en så kallad tokamak (se bilden överst). Energin tas upp av en värmemantel. Vid sidan av magnetisk inneslutning finns också en annan metod som kallas tröghetsinneslutning, som bygger på komprimering med hjälp av hundratals starka lasrar. Även lasrarna är energikrävande och ställer stora krav på precision.

Kritisk storlek krävs

Större reaktorer blir stabilare och kan hålla högre temperaturer, men är kostsamma och tekniskt krävande att bygga. Därför har det ännu inte funnits någon reaktor stor nog att tända, hålla igång kontinuerligt och nettogenerera energi. Däremot finns ett antal försöks- och experimentanläggningar runt om i världen, till exempel projektet Jet i England som länge varit ledande. Över 200 mindre tokamaker har byggts runtom i världen.

De skruvformade magnetfälten i den tyska reaktorn Wendelstein 7-X fungerar som tänkt, enligt försök. Bild: Max-Planck-Institut, Tino Schulz [CC BY-SA 3.0]

I september 2016 satte MIT:s forskningstokamak Alcator C-Mod ett nytt rekord i plasmatryck, på sista dagen innan anläggningen planenligt togs ur bruk – en stafettpinne som dock kan lämnas över till andra aktörer. I Tyskland har en mindre anläggning, Wendelstein 7-X, nyligen nått framsteg. Wendelstein 7-X är ingen tokamak utan en stellarator, vilket innebär att den torusformade inneslutningen är skruvad runt sig själv, likt ett möbiusband.

En tokamak arbetar i pulser, men en stellarator skulle kunna arbeta kontinuerligt. Fördelen är att magnetfältet i en sådan skruvformad inneslutning teoretiskt ger stabilare och effektivare process, nackdelen att den mer komplexa konstruktionen och geometrin gör reaktorn svårare att bygga. Nu har man i alla fall som ett viktigt första steg kunnat påvisa att magnetfälten fungerar som avsett.

Samarbetsprojektet Iter

I södra Frankrike pågår konstruktionen av Iter – ett stort samarbetsprojekt mellan Japan, USA, Sydkorea, Indien, Ryssland, Kina och EU, som involverar tusentals forskare och som ska vara klart strax efter år 2020. Projektet har dragit ut på tiden, men tanken är att Iter ska generera 500 megawatt och ge tillbaka mellan fem och tio gånger mer energi än vad som matas in. Därefter ska en fullskalig prototyp, Demo, byggas kring år 2035.

Iter ska som bränsle använda deuterium från havsvatten, och tritium som skapas inuti reaktorn. En annan möjlighet är att använda helium-3 istället för tritium, vilket skulle göra att färre kortlivade radioaktiva ämnen bildas i processen och samtidigt förenkla reaktordesignen. Helium-3 är extremt sällsynt på jorden, men finns däremot i stora mängder på månen – och det finns idéer om att hämta det som fusionsbränsle (Läs mer i artikeln ”Gruvdrift i rymden”.)

Iter har vi skrivit om tidigare (se artikeln ”Fusion tämjer solens kraft”), men även om det fortfarande är dit de största förhoppningarna riktas har mycket annat börja hända under ytan.

Beräkningskraft öppnar för nya aktörer

Att modellera plasmats beteende är en större utmaning än själva fusionsprocessen. Superdatorer och bättre beräkningskapacitet är nyckeln till fungerande fusion – och där går utvecklingen fort.

Nyckeln till att bemästra fusion är att kunna kontrollera plasmat. Det bygger på att beräkningsmässigt kunna modellera hur det beter sig – vilket är komplext eftersom de laddade partiklarna i plasmat hela tiden påverkar varandra. Nu finns superdatorer med kapacitet nog att göra beräkningarna så att reaktordesigner som stellaratorn börjar kunna testas och valideras med rimlig snabbhet och precision. Det gör att tekniken kommit mycket närmare inom räckhåll – och bättre och billigare material gör också sitt till. Från både Kina och Sydkorea har fusion lyfts fram som ett tydligt prioriterat utvecklingsområde. Det har också börjat dyka upp privata aktörer som studerar flera olika alternativa fusionskoncept som kanske skulle kunna användas i mindre reaktorer – Tokamak Energy i Storbritannien, Helion Energy i USA och Tri Alpha Energy och General Fusion i Kanada, för att nämna några.

Att fusion fungerar vet vi, och fördelarna är många. Vad som inte är självklart är att tekniken kan förenklas så mycket att den går att industrialisera. De kostsamma anläggningarna och decennielånga tidshorisonterna till resultat kan verka avskräckande – å andra sidan måste insatserna vägas mot den potentiella vinsten: en nollutsläppande energikälla som kan användas överallt under miljontals år framöver.

Artikeln publicerades i mars 2017.