Extrema maskiner ger oss oändlig energi

Fusion är en ren, säker och ­outtömlig energikälla, men för att efterlikna solen krävs världens mest avancerade maskiner. Nu tar fysikerna nästa steg mot fusion genom att fylla en reaktor med kraftverksbränsle.

ITER

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.

Målet är en självgående fusionsprocess

I dag måste energi tillföras kontinuerligt för att håll i gång fusionerna, men målet är att göra processen självgående när den väl har startat.

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.

Stellarator kör kontinuerligt

Wendelstein 7-X är en så kallad stellarator, en reaktortyp med stabilt magnetfält, vilket gör att den kan hålla i gång fusionen länge. Den är dock svår att konstruera.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Oregelbundma magnetspolar skapar ett stabilt magnetfält som är lika starkt i hela reaktorringen.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Väteplasman är innesluten och kan inte vidröra reaktorväggarna.

Volker Steger/Science Photo Library & IPP

Tokamakreaktorn behöver startas om

Tokamakreaktorn är den enklaste och tekniskt sett stabilaste ­reaktortypen. Nackdelen är att den hela tiden måste startas om.

Mikkel juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

En magnetspole i reaktor­ringens centrum drar in den elektriskt ledande plasman av atom­kärnor och elektroner mot reaktorns mitt.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

D-formade magneter ska hindra den varma plasman från att vidröra reaktorväggen och kylas ner, men det är större mellanrum mellan spolarna på utsidan än
på insidan så magnetfältet är svagare på utsidan.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Två runda magneter ­kompenserar för svagheten på utsidan, men trots det kan plasman hållas på plats i högst en timme innan den vidrör reaktorväggen.

Mikkel Juul jensen & EFDA-JET/SCIENCE PHOTO LIBRARY

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.

Tre jokrar utmanar ­fusionsjättarna

Hittills har fusion krävt jättelika ­reaktorer men små, annorlunda maskiner kan vara en bättre lösning.

  • Reaktorn använder vanligt väte och bor i stället för tungt och supertungt väte och blir därför inte radioaktiv.

    Fusion utan ­radioaktivitet

    Fusionsenergi helt utan neutronstrålning – det målet vill det amerikanska företaget TAE Technologies uppnå genom att få vanliga vätekärnor, ­protoner, att fusionera med boratomer.

    När en bor-11-kärna tar upp en proton och avger fusionsenergi omvandlas borkärnan till tre helium­kärnor. Inga neutroner avges vid fusionen, så reaktorn blir inte radio­aktiv.

    Nackdelen är att temperaturen i kraftverket behöver komma upp i en miljard grader. Det ska åstadkommas med hjälp av en accelerator som slår ihop plasmabubblor. I en 30 meter lång prototyp har TAE Technologies kommit upp i en temperatur på 20 miljoner grader i ­bränslet. Större acceleratorer ska enligt företaget göra att man når slutmålet.

  • Den klotformade reaktorn mäter bara två meter i ­diameter och klarar sig utan supraledande metalliska magneter.

    Klotformig reaktor med billiga magneter

    Det engelska företaget Tokamak Energy har byggt en liten klotformig tokamakreaktor med en diameter på endast två meter. I fjol värmdes den upp till 15 miljoner grader med hjälp av ett fusionsbränsle. Nästa steg blir att öka temperaturen till de 100 miljoner grader som krävs i ett ­kraftverk.

    Normalt använder fusionsreaktorer supraledande metalliska magneter som måste kylas med helium, men denna reaktorn är så ­liten att man kan använda supraledande keramiska magneter som kyls med billigt flytande kväve.

    Tokamak Energy satsar på att ­kombinationen av klotformen och de keramiska magneterna ska bana väg för ett nätverk av små, billiga fusionskraftverk.

  • 20 stycken hydrauliska hammare slår in i reaktorn i mitten och skapar chockvågor som får väte och ­supertungt väte att fusionera.

    Hammare skapar fusion med chockvågor

    Den här reaktorn ser ut som ett piggsvin, men de 20 ”taggarna” är 100 kilo tunga hydrauliska pistonger som slår in i reaktortanken i 200 kilometer i timmen. Slagen skapar chockvågor som pressar samman en bubbla av tungt och supertungt väte.

    Det kanadensiska företaget General Fusion har byggt en prototyp av maskinen som i större skala kan ­producera ett stort energiöverskott om plasmabubblan upprätthålls i en sekund.

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.

Iter skapar fusionsenergi med extrem värme och kyla

1 / 3

undefined

123

Bränslet i reaktorringen hettas upp till 150 miljoner grader varm plasma med mikrovågor, och energirika väteatomer skjuts in.

© ITER

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.

Läs också:

Transport

Väte kontra batterier: Här är framtidens bränsle

3 minuter
Energi

Fyra alternativ till framtidens gröna fusionsenergi

3 minuter
Fenomen inom fysiken

Magnetfält spränger forskares utrustning

1 minut
Mest populära

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!