Är fusion lösningen på energifrågan?
Bild: ITER

Konsten att stoppa solen i en låda

Fusionskraft förs fram som en säker, billig och miljövänlig energikälla. Är det verkligen möjligt – och varför tar det i så fall så lång tid?

Premium
Publicerad

”Vi säger att vi ska stoppa solen i en låda. Det är en vacker idé. Problemet är att vi inte vet hur vi ska göra lådan.”

Citatet brukar tillskrivas fysikern och Nobelpristagaren Pierre-Gilles de Gennes (1932–2007). Oavsett vem som sa det först fångar formuleringen både drömmen om och problemet med fusionskraft. Det vore underbart att kunna fånga en bit av solen, och fritt kunna hämta energi därifrån. Vid horisonten hägrar en outtömlig energikälla utan koldioxidutsläpp eller farligt avfall, och helt utan risk för härdsmältor. Men den tänkta lådans konstruktion är en unik prövning för ingenjörer och fysiker. Det ena framsteget har följt på det andra sedan principerna tänktes ut vid mitten av 1900-talet, men det är fortfarande svårt.

150 miljoner grader

Vi ser varför det är en utmaning om vi tänker oss in i fusionsreaktorns inre. Bränslet kommer att hettas upp till över 150 miljoner grader, och bilda ett sjudande inferno av sönderslitna atomer. Här kan atomkärnor pressas ihop så hårt att de tar sig över den annars ogenomträngliga vägg av elektrisk laddning som skjuter dem ifrån varandra. De smälter samman till nya och större atomkärnor, samtidigt som de spottar ur sig överskottsenergi – samma typ av reaktion som inuti solen om än inte identisk. En del av energin förs iväg av partiklar som hejdlöst rusar ut ur magnetfältet som håller samman bränslet. De kraschar in i reaktorns väggar, som då hettas upp. Här skulle energin kunna tappas av för att generera el.

Bara någon meter bort från den ofantliga hettan, långt varmare än i solens centrum, råder en kyla som liknar den i rymdens mörker. Magnetspolar kyls här med flytande helium till bara fyra grader över den absoluta nollpunkten. Vid denna temperatur blir de supraledande och kan skapa kolossala magnetfält, som styr och håller inne de laddade partiklarna i härden. Magneterna utövar enorma krafter på partikelmolnet, och knådas i sin tur av motkrafterna. Krafterna vrider dem, drar i dem, och trycker isär dem inifrån.

Bild: Johan Jarnestad

Inuti en tokamak

Utmaningen för den som bygger en fusionsreaktor är att få den att hålla för alla dessa spänningar och krafter. Materialen ska tåla att bestrålas och att slipas av partikelströmmar, att hettas upp och att bändas av mekaniska krafter.

Det finns ett gammalt skämt om att fusionskraft alltid ligger 30 år in i framtiden, ständigt precis utom räckhåll. Men nu växer förväntningarna. Flera genombrott på senare år tycks visa att alla pusselbitar finns på plats för att faktiskt bygga en fusionsreaktor som kan ge mer energi än som pumpas in i den.

Iter – världens största fusionsreaktor

I franska Cadarache byggs Iter, som är världens största fusionsreaktor, men precis som sina föregångare kommer den inte att generera någon ström. Iter är till för att testa och utveckla teknologin under omkring 15 år framöver. Först efter det är det läge att börja bygga det första fusionskraftverket. Enligt den nuvarande officiella tidsplanen kan det påbörjas omkring år 2045.

Samtidigt har en rad privata initiativ dykt upp, riskkapitalbolag som lovar att bygga ett mindre fusionskraftverk och sälja el redan innan Iter har testats på full effekt.

Tünde Fülöp är professor vid Chalmers tekniska högskola.
Bild: Wikimedia commons

– Jag tror att de kommer att lyckas med det, säger Tünde Fülöp, professor vid Chalmers tekniska högskola.

Hon syftar särskilt på reaktorn Sparc, som byggs av företaget Commonwealth Fusion Systems tillsammans med fusionsforskare vid det amerikanska universitetet MIT, och som hon själv har en del samarbete med. Tidsskalan blir kortare eftersom de bygger en mycket mindre maskin.

Andra är mer avvaktande, som Richard Kembleton som jobbar vid Eurofusion – en paraplyorganisation som samlar nationella satsningar på fusionsforskning i Europa.

– De kanske uppnår en eller två av de forskningsgenombrott de behöver, men de behöver typiskt tre eller fyra för att skapa en integrerad maskin, säger han.

Martin Greenwald är en av de forskare vid MIT som startade företaget bakom Sparc.
Bild: Gretchen Ertl

– Jag tror att det är ett ambitiöst men klart möjligt mål, skriver den pensionerade forskaren Martin Greenwald i ett mejl.

Martin Greenwald är en av de forskare vid MIT som startade företaget bakom Sparc, men är numera alltså pensionerad. Han nämner särskilt grunden i flera decennier av forskning över hela världen. Men han pekar också på att det finns flera olika kategorier av problem som måste lösas innan det fungerar.

Vägen mot fusionskraft

För att förstå utmaningarna lämnar vi de kommersiella uppstickarna en stund och tar en titt på den konventionella vägen mot fusionskraft.

Den vanligaste modellen för att bygga en maskin som kan åstadkomma fusion kallas för tokamak. Det är en behållare i en form som liknar en badring, där starka magnetfält kan hålla en gas av laddade partiklar – ett plasma – svävande utan att röra vid väggarna. Idén lades först fram i början av 1950-talet, av de sovjetiska fysikerna Andrej Sacharov (Nobels fredspris 1975) och Igor Tamm (Nobelpriset i fysik 1958). Det finns flera andra idéer för hur en fusionsreaktor skulle kunna vara konstruerad, men denna har länge dominerat forskningen.

Alain Bécoulet är chef för ingenjörssektionen vid bygget av Iter.
Bild: Iter

– Framsteg på 1970-talet avgjorde att tokamak-konfigurationen var den rätta, säger Alain Bécoulet, chef för ingenjörssektionen vid bygget av Iter.

Många förbättringar av olika slag har gjorts sedan dess, genom en kombination av experiment och teoretiska modeller.

I början var apparaterna ganska små, de kunde stå på ett bord eller kanske fylla ett rum. Med tiden blev det tydligt att konstruktionen fungerar bättre om den är större. Den största tokamaken i bruk i dag är Jet (Joint European torus) i Storbritannien, som varit i bruk sedan början av 1980-talet, med en diameter på knappt tre meter. Iter kommer att bli 6,2 meter.

Drivs med väte

Bränslet är väte, men inte den vanliga väteisotopen med enbart en ensam proton i atomkärnan. Det har visat sig mycket enklare och energimässigt fördelaktigt att hantera en reaktion mellan de tyngre väteisotoperna deuterium och tritium, som utöver protonen innehåller en respektive två neutroner. Deuterium är stabilt och finns naturligt i havsvatten, där ungefär en väteatom på 6 500 är deuterium. Det kan skiljas ut med konventionella metoder. Tritium är däremot radioaktivt med en halveringstid på bara 12,3 år, och måste framställas artificiellt. Framtidens fusionskraftverk ska enligt planerna producera sitt eget tritium, men den tekniken är fortfarande på experimentstadiet.

Målet för Iter är att lyckas upprätthålla fusionsreaktioner så effektivt att de ger mer energi än som matas in för att hetta upp plasmat. Det är grund­förutsättningen för att senare kunna bygga ett kraftverk som ger el.

På senare tid har flera viktiga resultat rapporterats, som stärker självförtroendet hos dem som arbetar med att bygga Iter. Förra året lyckades forskarna vid den kinesiska tokamaken East hålla sitt plasma stabilt och kontrollerat i 17 minuter vid en temperatur på 70 miljoner grader. Då var plasmat ännu inte så hett att fusionsreaktionerna startade. Men i vintras sattes ett nytt rekord vid Jet, som blev mycket uppmärksammat i medierna: Forskare höll igång fusionen i ett plasma tills det totalt hade avgett 59 megajoule energi. Det motsvarar energiinnehållet i lite mindre än två liter bensin, eller mängden energi som går åt för att köra en mikrovågsugn på full effekt i drygt 20 timmar.

Så mycket energi har aldrig tidigare producerats i en och samma körning av en fusionsreaktor. Men resultatet är ändå inte någon övre gräns för dagens förmåga, förklarar Tünde Fülöp.

Här har en sektor av den inre delen av Iter just monterats ihop och är färdig att installeras. Sektorn innehåller två D-formade magnetspolar, ett segment av vakuumbehållaren och av­skärmning som skyddar materialen mot fusions­processernas hetta. Varje sådan sektor väger 1 250 ton.
Bild: Iter

– Jet höll plasmat i fem sekunder. De kontrollerar plasmat med kopparmagneter, och de blir varma när de körs, så man måste stoppa efter ett tag, säger Tünde Fülöp.

Nya fusionsreaktorer byggs i stället med supra­ledande elektromagneter, där strömmen leds utan motstånd. När Jet byggdes på 1980-talet fanns inte den tekniken ännu, och magneterna sätter en praktisk gräns för vad tokamaken kan klara av.

Resultatet från Jet är viktigt därför att det visar att forskarna verkligen vet hur de ska kontrollera ett fusionsplasma och att det inte finns några hinder för att göra det bättre.

– De här resultaten är extremt trevliga för oss vid Iter, för de betyder att vi är på rätt spår, säger Alain Bécoulet.

Många utmaningar med Iter

Iter är från början en akronym för Internationella termonukleära experimentreaktorn, men ordet kan också betyda väg på latin. Maskinen ska visa vägen mot energi från fusion.

Bygget är i full gång. På Iters webbplats finns mängder av bilder som visar människor i skyddshjälmar och vyer över industriliknande utrymmen fyllda av kranar och maskiner. Att bygga Iter handlar inte bara om fysik, utan det är dessutom en ingenjörsmässig och politisk utmaning.

– Det är som ett stort legobygge med en miljon bitar. Alla bitar behöver komma i tid och i rätt form och så vidare, säger Alain Bécoulet.

Många av bitarna fraktas lång väg. Iter är ett samarbete mellan EU, Indien, Japan, Kina, Korea, Ryssland och USA. Som så ofta i den här typen av samarbeten betalas de olika ländernas bidrag ”in kind” – i form av att de bygger och levererar olika delar som behövs till maskinen. Många av delarna är stora, och vissa liknar inget annat. De 18 spolar som kontrollerar det badringsformade magnetfältet väger 360 ton och är 17 meter höga och nio meter tvärs över.

Energi och effekt

J | Fysiker mäter energi i joule (J). En joule är ungefär så mycket energi som behövs för att lyfta ett kilo tio centimeter (vid jordytan).

W | Effekt är ett mått på hur mycket energi som skapas eller förbrukas per tidsenhet. Det vanligaste måttet är watt (W), där en watt är en joule per sekund.

kWh | Av praktiska skäl mäts elektrisk energiförbrukning ofta i kilowattimmar (kWh), det vill säga antal tusen watt gånger antal timmar.

– Det är ungefär så stort som går att transportera enkelt med båt till en specialanpassad hamn, säger Alain Bécoulet.

Ännu större är de magnetspolar som sträcker sig som tunnband runt hela strukturen. De är cirklar med 17 respektive 24 meters diameter, och måste byggas på plats.

– Så utöver tokamaken bygger man en magnet­fabrik, säger Alain Bécoulet.

Flera av magneterna är färdiga, och de första håller på att installeras i ”gropen”, som den kallas. Tokamaken konstrueras nämligen till hälften under jord, inuti i en högteknologisk kombination av termos och frysskåp som kallas kryostat.

Kriget försenar Iter ytterligare

Den officiella planen är att maskinen ska starta med sitt första plasma 2025 och köra på full effekt år 2035. Tyvärr har bygget har blivit försenat av covidpandemin, som har orsakat leveransproblem. Det står redan klart att Rysslands krig i Ukraina kommer att ge upphov till ytterligare försenade leveranser och ingen vet vad det kommer att betyda. Under sommaren ska organisationen presentera en ny bedömning av tidsplanen, och den kommer antagligen att förskjutas framåt. Alain Bécoulet verkar ändå positiv, kanske för att det är hans jobb att driva bygget framåt.

– Vi gör riktigt fina framsteg, säger han.

När allt så småningom fungerar ska Iter kunna upprätthålla fusion så effektivt att plasmat producerar tio gånger mer energi än som pumpas in. Kvoten kallas för Q, och Q=10 är alltså målet.

Något som är viktigt att förstå här är att det som räknas enbart är den energi som går in i plasmat, och som kommer ut från det. Alain Bécoulet kallar det för plasma-Q. I verkligheten drar anläggningen väldigt mycket mer energi – för att kontrollera plasmat, för att kyla magneterna, och för att hålla igång alla stödjande system. När det blir fråga om att producera el i ett fusionskraftverk förloras också en del energi i omvandlingen. För att det ska vara lönt att bygga ett fusionskraftverk behöver man titta på hela bilden. Det som är relevant då är en kvot som kan kallas reaktor-Q, eller kraftverks-Q, som räknar in allt.

Men det här är över huvud taget inte ett tal som diskuteras i Iter, och Alain Bécoulet vet inte riktigt hur stort det är.

– Det vore en bra idé att räkna ut det och slutligen besvara den här frågan, säger han.

Någon som har fokuserat mer på detta är Richard Kembleton vid Eurofusion. Han samordnar forskning och utveckling, med sikte på stegen efter Iter.

Tanken är att nästa stora projekt blir ett experimentellt fusionskraftverk, som kan börja byggas omkring år 2045. Det går under arbetsnamnet Demo. Efter det är planen att den testade tekniken kan finslipas och effektiviseras för att användas i den första generationen av kommersiella fusionskraftverk. Dagens experimentella fusionsreaktorer har aldrig optimerats för att vara effektiva, men när det är dags att bygga kraftverk börjar sådant spela roll. Själva maskinen kommer alltid att behöva energi, och sedan finns det alltid förluster i omvandlingen till el.

– På längre sikt visar modeller för kommersiella reaktorer att vi antagligen kan få 3 GW fusionseffekt, och av det kan vi mata ut 1 GW elektrisk effekt på elnätet. Det är vårt mål, säger Richard Kembleton.

Kommersiell fusionskraft

Det är alltså den konventionella vägen. Men parallellt med det finns de nya startup-bolagen som lovar att kommersialisera fusionskraft på bara tio år.

– De har en aggressiv tidsskala, för det är vad som behövs för att ge dem de anslag de behöver. Det är svårt att säga vad de verkligen förväntar sig att klara på den tiden, säger Richard Kembleton.

Några få av de här företagen har fått riktigt mycket pengar av investerare. De verkar vara något att räkna med.

– Det är verkligen drag i det här nu. Det finns så mycket jobb i fusionsbranschen att det är svårt för mig att rekrytera, säger Tünde Fülöp.

Olika företag jobbar utifrån olika idéer. Vissa har tagit fram annorlunda former av reaktorer, men de två mest omtalade bolagen jobbar båda med att konstruera var sin tokamak – det vill säga samma typ av reaktor som Iter. De är brittiska Tokamak Energy, och amerikanska Commonwealth Fusion Systems (CFS) som har knoppats av från fusionslaboratoriet vid universitetet MIT i Boston. Deras koncept går ut på att använda så kallade högtemperatursupraledare för att bygga tokamakens magneter. Då går det att få ett kraftigare magnetfält och stänga in plasmat i en mindre volym. Det betyder att maskinen kan göras mindre, och gå snabbare att bygga.

Bild: Johan Jarnestad

Hemligheten är bindningsenergin

– Det är fint, förutom att starkare magnetfält betyder mer krafter på magneterna. Och redan i Iter är vi på gränsen för vad materialen vi använder klarar av, säger Richard Kembleton.

Uppstickarföretagen räknar helt enkelt med att klara av utmaningarna genom att jobba snabbt med nya prototyper och hög omsättning på idéer.

Situationen har jämförts med läget i rymdfarten, där stora nationella och multinationella program är ryggraden, men där många privata företag börjar spela allt större roll. Det kan driva på teknikutvecklingen, genom att de stora satsningarna kan göra långsiktiga planer med konventionell teknik, samtidigt som mindre företag parallellt tar större risker och prövar nya lösningar med kortare ledtider.

Om något av de här företagen lyckas ändrar det hela spelplanen. Men, påpekar Tünde Fülöp, den konventionella fusionsforskningen har berett vägen för utvecklingen.

– Det är verkligen så att man inspireras väldigt starkt av lösningar som Iter har kommit fram till, säger hon.

De mest optimistiska utfästelserna om kommersiell fusionskraft inom tio år verkar ändå inte vara på väg att infrias, påpekar Richard Kembleton.

– Om du vill bygga en maskin som hanterar tritium år 2025 måste du få din detaljerade design bedömd av myndigheterna redan nu, säger han.

Hantera radioaktiva ämnen

Även om fusion inte förväntas ge långlivat radioaktivt avfall handlar det ändå om att hantera radioaktiva ämnen, och det kräver relevanta tillstånd. Det är ett tecken på att detta kommer att ta längre tid än de mest optimistiska tidsplanerna. Väldigt mycket kan ändå hända på kort tid om några av de nytänkande företagen lyckas visa att deras idéer fungerar.

Men även för det konventionella utvecklingsprogrammet kommer det att behövas nya lösningar och genombrott, utöver den teknik som används i Iter.

Välkommen till

Hjärndagen

Välkommen till en spännande heldag med föreläsningar om den senaste hjärnforskningen. Fredag 11 november kl 9–16. Oscarsteatern, Stockholm.

Läs mer och boka!

En lösning som krävs är hanteringen av bränslet. Iter testar tekniken för att skapa tritium inuti reaktorn. Men ska en reaktor köra kontinuerligt behöver det finnas teknik för att ta ut allt nyskapat tritium under drift, rena det och skicka tillbaka det in i härden igen. Det behöver gå tillräckligt fort för att hela tiden ha tillräckligt mycket tritium i plasmablandningen för att fusionen ska funka optimalt.

Ett annat problem är materialen, som ska tåla helt annorlunda typer av påfrestningar i ett fusionkraftverk än i Iter. Neutroner som absorberas av materialen i väggarna kan få stabila atomer att omvandlas till radioaktiva isotoper. Det gäller att använda rätt typ av legeringar, utan ämnen som bildar långlivade isotoper, för att undvika problem med att hantera materialet när det tas ur bruk.

Dessutom finns det problem med stabilitet. Vissa material sväller under kraftig neutronstrålning och tappar sin form.

– Iter kommer inte att ha de här problemen, för den kommer inte att skapa så mycket total neutronstrålning över sin livstid, säger Richard Kembleton.

För att förstå de här potentiella problemen fullt ut finns det planer på att bygga en helt ny anläggning, IFMIF (International fusion materials irradiation facility), där man ska testa olika materials härdighet mot neutroner av de relevanta energierna.

Om alla de här problemen kan hanteras, har vi då löst mänsklighetens alla energiproblem? Nja, riktigt så enkelt är det inte. Men Richard Kembleton ser en viktig roll för fusionskraftverk i framtiden, för att komplettera källor som sol och vind som inte kan ge lika mycket el hela tiden.

– Vi kan optimera hela systemet och ha en viss andel stadig och pålitlig basenergi, för att få ett balanserat elnät, säger han.

På så sätt skulle fusion minska behovet av ellagring, som annars behövs för att spara energi från soliga och blåsiga dagar till tider då det är mörkt och vindstilla.

Tyvärr har vi inte tillgång till den här energikällan nu när vi verkligen behöver drastiskt minska användningen av fossila bränslen. Under övergångsperioden föreslår Richard Kembleton att den rollen skulle kunna fyllas av konventionell kärnkraft. Det är dock inte politiskt gångbart till exempel i Tyskland där han själv bor.

Prenumerera på Forskning & Framsteg!

10 nummer om året och dagliga nyheter på webben med vetenskapligt grundad kunskap.

Beställ idag

Även om fusionskraft inte blir den totala revolution som det ibland framställs som skulle det kunna bli ett viktigt inslag i framtidens energimix, och ge mellan en tiondel och en femtedel av all el som behövs.

På vägen dit är ansträngningen att fånga solen i en låda också ett imponerande företag i sig självt. I ansträngningarna möts människor från många länder med ett gemensamt mål.

– Hela planeten arbetar på det, och det är inte en liten sak, säger Alain Bécoulet.

Upptäck F&F:s arkiv!

Se alla utgåvor