Maskinen ser ut som någonting i en galen uppfinnares verkstad: två kaffetrattar med de smala delarna riktade mot varandra, omgivna av ett sinnrikt system av elektriska spolar.
Så snart maskinen startar blir det emellertid uppenbart att den är mycket mer än så. Spolarnas magnetfält tvingar in svävande ringar av glödheta atomkärnor mot mitten, där de kolliderar i 1,6 miljoner kilometer i timmen.
Kollisionerna höjer värmen till över 100 miljoner grader, så att kärnorna fusionerar och temperaturen stiger ytterligare. Den extrema värmen får det elektriskt laddade bränslet att expandera och sända ut ett magnetfält mot ännu en uppsättning spolar runt maskinen.
Nu sker miraklet! Fältet inducerar elektricitet i spolarna, el som genererats utan vare sig turbiner eller generatorer och som kan ledas rakt ut i elnätet.
Fusionskraft kan förverkligas 20 år tidigare än vi trott.
Maskinen, som har utvecklats av det amerikanska företaget Helion Energy, är ett helt nytt bud på hur fusionsenergi ska kunna bidra med hållbar el, inte om 30–40 år, som fusionsforskarna hittills pratat om, utan redan inom loppet av tio år.
Helion Energy är inte ensamma om sin målsättning. Runtom i världen har 30 privata företag sammantaget dragit in motsvarande 22 miljarder kronor i kapital, huvudsakligen från privata investerare, för att genomföra sina ambitiösa fusionsprojekt.
Om företagens tidsplaner håller kommer fusionskraftverk att bli klara tillräckligt snart för att kunna bidra väsentligt i vår strävan att fasa ut de fossila bränslena före år 2050.
Fysiker försöker kopiera solen
Fusionsenergi beskrivs ofta som ”drömmen om att få ner solen till jorden”. Det är faktiskt i princip vad fysikerna försöker göra. Solen får sin energi när lätta atomkärnor av väte smälter samman till tyngre heliumkärnor, en process som friger stora mängder energi.
Fusion är därmed motsatsen till vad som sker i dagens kärnkraftverk. De är baserade på fission, där tunga atomkärnor klyvs till lättare kärnor.
Drömmen om fusionsenergi har lett till stora internationella forskningsprojekt. Flaggskeppet är den gigantiska europeiska reaktorn Iter, som håller på att byggas i Frankrike.
Iter, som håller på att byggas i södra Frankrike, blir världens största reaktor för fusionsförsök. Anläggningen har kallats det mest avancerade ingenjörsprojektet någonsin.
Fusion har flera fördelar jämfört med fission. För det första finns bränslet, väte, i obegränsad mängd, eftersom vi kan utvinna det ur havsvatten. Uran, som vi använder i dagens kärnkraftverk, är däremot ett sällsynt och dyrt grundämne.
För det andra är fusion säkrare, eftersom en fusionsreaktor inte kan löpa amok och orsaka en härdsmälta. Och för det tredje lämnar fusionsprocessen inte efter sig något radioaktivt avfall som behöver deponeras i tusentals år.
Massa blir till energi
Det är dock svårt att efterlikna solens energiproduktion. Utmaningen med att få vätet att fusionera är att de positivt laddade atomkärnorna repellerar varandra. Det krävs därför extremt hög värme och högt tryck för att tvinga samman kärnorna.
När det sker övervinner den attraherande starka kärnkraften den elektriska repulsionen mellan vätekärnorna, vilket får dem att smälta samman till helium. Och eftersom de båda vätekärnorna tillsammans väger mer än heliumkärnan friges den överskjutande massan i form av energi.
Väte kräver lägst temperatur för att fusionera – bara 100 miljoner grader!
Traditionellt har fysikerna satsat på tungt väte, med en proton och en neutron i atomkärnan, och supertungt väte, med en proton och två neutroner i kärnan, som fusionsbränsle.
Dessa två typer av väte fusionerar vid temperaturer mellan 100 och 200 miljoner grader. Andra ämnen kräver ännu högre temperaturer innan det uppstår så kallad antändning av bränslet.
Antändningen innebär att fusionsprocesserna fortsätter automatiskt när de väl har satts i gång. Det sker genom att de extremt varma heliumkärnorna som bildas i fusionen säkerställer en fortsatt uppvärmning och så att säga håller grytan kokande.
Under de senaste sex årtiondena har fysikerna framför allt satsat på reaktortypen tokamak, som är utformad som ett bildäck.
Reaktorringen omges av magneter, som stänger in bränslet och får det att sväva i en magnetisk bur medan det rör sig runt i ringen. Magnetfältet hindrar bränslet från att komma i kontakt med reaktorväggarna, som annars skulle smälta av den oerhört höga temperaturen. I Iter är magneterna hela 25 meter höga och väger 400 ton.
De supraledande magneterna i Iter, som behöver kylas med flytande helium, är 25 meter höga.
År 2025 inleder Iter försök med plasmer av tungt väte, men de egentliga experimenten med ett verkligt fusionsbränsle av tungt och supertungt väte börjar först år 2035. Tanken är inte att Iter ska leverera ström till elnätet. Det kommer först att ske i en senare anläggning, som är planerad till efter år 2050.
Minireaktor blir billigare
Så länge har det amerikanska företaget Commonwealth Fusion Systems inte för avsikt att vänta. Man utvecklar nu Sparc, en minitokamak som har tagits fram med hjälp av de kunskaper som den internationella fusionsforskningen med åren samlat på sig.
Faktum är att Sparcreaktorn ser ut som en miniversion av Iter, men den använder sig av ett viktigt tekniskt genombrott i form av en ny typ av extremt kraftfulla magneter. Liksom i andra tokamaker består spolarna i magneterna av så kallade supraledare, det vill säga material som släpper igenom ström utan motstånd.
För att bli supraledande måste Iters magneter kylas till minus 269 grader, medan Sparcreaktorns magneter, som består av det nya keramiska materialet ReBCO, blir supraledande redan vid minus 196 grader. Det innebär att Sparc kan använda flytande kväve till kylningen i stället för avsevärt dyrare flytande helium, som behövs i Iter.
Sparcreaktorns första magnet har testats. Den genererar ett magnetfält med en styrka på 20 tesla, vilket är mer än magneter som är tio gånger större.
Commonwealth Fusion Systems har framgångsrikt testat den första magneten till Sparc.
Försöken visar att magnetspolen, som bara är 2,5 meter hög, genererar ett magnetfält som är en och en halv gånger starkare än fälten från Iters jättelika magneter. Det innebär att det går att bygga bara en tiondel så stora fusionskraftverk.
Supraledare gör reaktorn mindre
Sparcreaktorn är konstruerad enligt en välkänd utformning, men med en viktig skillnad. Genom att använda en ny supraledare som genererar världens starkaste magnetfält har forskarna fått ner storleken till en tiondel.
1. Reaktorn är formad som ett bildäck
Sparc är en så kallad tokamak, den mest noggrant testade reaktorutformningen. I reaktorn svävar fusionsbränslet av tungt och supertungt väte i en ring.
2. Bränslet svävar i en bur av magnetism
Bränslet värms med mikrovågor, så att vätet övergår till plasma, det vill säga fria elektroner och positivt laddade atomkärnor. Det gör det möjligt att stänga in vätekärnorna i en bur av magnetism, så att de inte kommer i kontakt med reaktorväggarna.
3. Supraledare skapar starka minimagneter
Den magnetiska buren skapas av 18 stycken D-formade magneter som sitter placerade runt reaktorns mittaxel. Magneterna är bara 2,5 meter höga och består av det supraledande materialet ReBCO, som kyls till minus 196 grader Celsius.
Sparc ska vara klar för de första försöken år 2025, och målet är att minitokamaken ska antända ett bränsle av tungt och supertungt väte och ge ett energiöverskott.
Om det lyckas ska Commonwealth Fusion Systems i början av 2030-talet bygga en något större reaktor, ARC, ett prototypkraftverk som ska leverera ström till elnätet. ARC kommer att få en effekt på cirka100 megawatt, som kan förse 100 000 hushåll med el – eller driva elmotorn i ett stort koldioxidneutralt containerfartyg.
Centrifug skapar fusion
Medan vissa privata företag bygger vidare på kända reaktortyper väljer andra nya vägar. Ett iögonfallande exempel på detta är det kanadensiska företaget General Fusion, som bokstavligt talat vill antända fusionsbränslet med en jättesmäll.
Företaget har utvecklat ett koncept där själva reaktortanken roterar snabbt, så att en blandning av flytande bly och litium pressas mot väggarna, ungefär som vatten i en centrifug.
En ny reaktor utvecklad av General Fusion består av en roterande fusionskammare omgiven av synkroniserade kolvar.
Medan centrifugen kör sprutar forskarna in fusionsbränslet, väte, i tomrummet mitt i reaktorn, varefter tryckluftskolvar som sitter runt reaktortanken slår mot utsidan.
Kolvarnas synkroniserade slag skapar en kraftig tryckvåg, som pressar samman den flytande metallen kring fusionsbränslet, så att det komprimeras och värms till höga temperaturer.
Kolvar kickstartar fusionen
1. Centrifug slungar flytande metall
Reaktorkammaren är en cylindrisk centrifug som roterar snabbt runt en lodrät axel. Rotationen pressar upp flytande bly och litium (rött) längs väggarna i cylindern. Fusionsbränslet av väte sprutas in i centrifugen ovanifrån.
2. Kolvar slår från alla sidor
Tryckluftskolvar placerade runt hela reaktorn slår synkroniserat mot utsidan. Slagen skapar en tryckvåg som pressar samman metallen runt bränslet. Trycket tvingar upp vätet i över 100 miljoner grader Celsius.
3. Fusionen skapar energipulser
Den ökade värmen antänder bränslet och skapar fusion i en kortvarig puls. Några sekunder senare slår kolvarna till igen och skapar nästa puls. Via en panna och en ångturbin omsätts värmen från pulserna till elektricitet.
Under år 2022 har General Fusion börjat bygga en stor fusionsmaskin på forskningscentrumet Culham i England. Den nya reaktorn ska förses med 500 kolvar, som ska komprimera fusionsbränslet så mycket att temperaturen stiger till 150 grader Celsius.
Tanken är att maskinen ska stå klar år 2025, och den får den extra fördelen att den själv producerar en del av det supertunga väte med vilket den matas. Det sker när neutroner från fusionsprocesserna träffar litiumatomer i den flytande metallen och omvandlar dem till supertungt väte, som kan användas till nya fusioner tillsammans med tungt väte, som utvinns ur havsvatten.
Forskarna på General Fusion behöver synkronisera 500 kolvar i sin framtida försöksreaktor, som ska stå klar år 2025. Här arbetar de med en mindre version av reaktorn.
I tokamaker måste forskarna täcka reaktorringens insida med litium för att bilda supertungt väte. Det är en mer komplicerad och tekniskt krävande process.
Enligt General Fusion är företagets nästa steg ett prototypkraftverk, som ska stå klart i början av 2030-talet.
Accelerator fusionerar helium
Även om tungt och supertungt väte är det mest uppenbara fusionsbränslet experimenterar vissa av de privata företagen med andra alternativ. Det gäller bland annat Helion Energy, som ligger bakom utvecklingen av den speciella acceleratorn, som ser ut som två överdimensionerade kaffetrattar.
Kollisioner ger ström i elnätet
1. Bränsle skickas på kollisionskurs
Acceleratorn skickar in två roterande ringar av väte- och heliumkärnor mot mitten. De elektriskt laddade partiklarnas rotation skapar ett starkt internt magnetfält, vilket bidrar till att hålla ihop ringarna.
2. Bränslets densitet ökar
På vägen genom de allt smalare rören pressas ringarna samman av magnetfält från spolar runt rören. Det ökar bränslets densitet innan det kolliderar i reaktorkammaren, där atomkärnorna fusionerar.
3. Fusionen skapar ett nytt magnetfält
Värmen från fusionen får bränslet att expandera kraftigt. Samtidigt vidgas bränslets magnetfält, så att det inducerar ström i spolar runt reaktorkammaren. Strömmen skickas rakt ut i elnätet.
Bränslet som möts mitt i den tolv meter långa acceleratorn är en kombination av tungt väte och så kallat helium-3, som har två protoner och en neutron i atomkärnan. Vid fusionen uppstår vanligt helium-4, med två protoner och två neutroner i kärnan, samt en fri proton.
Problemet med helium-3 som bränsle är att denna variant av helium är mycket sällsynt på jorden. Därför har planen varit att ämnet skulle hämtas från månen, där det finns i stor mängd. Det skapas där när kosmisk strålning från rymden träffar månens oskyddade yta.
Gruvdrift på månen kommer dock inte att krävas för Helion Energy. Företaget har nämligen utvecklat och tagit patent på en metod för framställning av helium-3 genom fusion av två tunga vätekärnor, något som ska ske i en sidoprocess i acceleratorn.
År 2020 inledde Helion Energy försöken med företagets sjätte accelerator, som har fått namnet Trenta. Sedan dess har företagets forskare genomfört över 10 000 kollisioner i maskinen. År 2021 nådde de en viktig milstolpe. För första gång lyckades då ett privat fusionsföretag värma ett fusionsbränsle till 100 miljoner grader Celsius.
Som det första privata företaget i världen har Helion Energy lyckats åstadkomma temperaturer över 100 miljoner grader i en fusionskammare.
Det geniala med Helion Energys koncept är att fusionsprocessen skapar el direkt med hjälp av av det magnetfält som uppstår i reaktorn. Det behövs vare sig ångturbiner eller generatorer för att omsätta värme till el, som på ett traditionellt kraftverk, vilket gör elen billigare.
Det är dock inte den enda fördelen med reaktorn. För att uppnå antändning, det vill säga en självgående fusionsprocess, i ett fusionsbränsle som består av helium-3 och tungt väte måste temperaturen upp i flera hundra miljoner grader. Någon antändning krävs emellertid inte i Helion Energys koncept. Det räcker att det expanderande fusionsbränslet skickar ut kortvariga pulser av magnetfält till de omgivande spolarna.
Trenta kan bara leverera en kollision var tionde minut, men Helion Energy har redan tagit det första spadtaget till efterföljaren Polaris, som ska generera kollisioner en gång i sekunden. År 2024 ska den som världens första fusionsmaskin producera ström till elnätet – om än i små mängder.
Om Polaris lever upp till förväntningarna räknar Helion Energy med att kunna bygga kommersiella fusionskraftverk i början av 2030-talet.
Fusion kompletterar sol och vind
Fusionsenergi utgör ett idealiskt komplement till sol- och vindenergi, där elproduktionen varierar med vädret och årstiderna. Fusionskraftverk kan utjämna variationerna på samma sätt som våra kol- och gaseldade kraftverk gör i dag.
Även i jämförelse med dagens kärnkraft står fusionskraften stark. Fusionsenergin lämnar inte efter sig något högradioaktivt avfall som måste förvaras i 100 000 år. Först när ett fusionskraftverk är uttjänt uppstår ett mindre avfallsproblem, eftersom neutroner från fusionsprocessen gör reaktorerna radioaktiva. Detta byggavfall behöver dock inte deponeras i mer än cirka 100 år.
Alla dessa fördelar gör fusionskraft till ett supervapen i kampen mot den hotande klimatkatastrofen. Om de privata företagens optimistiska tidsplaner håller kommer vi att få tillgång till tekniken snart nog för att kunna använda den för att rädda klimatet.
