Grafik och montage: Jonas Askergren/Ny Teknik Foto: Iter Organization, Max Planck-institutet och IPP, Wolfgang Filser

Efter rekorden: Här är kliven som krävs för fusionsenergi 

2022-03-10 06:00  

Stabil fusion på jorden har länge varit en dröm för forskare. De senaste åren har en rad nya rekord åstadkommits. Men hur går det för världens olika fusionsprojekt?

Bill Burrau

Uppdaterad

Fusion är den process som sker i aktiva stjärnor. Här smälts lätta ämnen samman till tyngre ämnen samtidigt som energi frisläpps.  

Det finns många projekt runt om i världen som testar och utvecklar olika aspekter av fusionsprocessen. Här sker framsteg, som Ny Teknik har kunnat rapportera om – senast vid den brittiska tokamaken Jet där ett rekord sattes nyligen vilket presenterades i februari (mer om det senare i texten). 

Fakta: Bill Burrau Grafik: Jonas Askergren
 

När har vi fusionsenergi i elnäten?

– Fusionsforskningen har som mål att ta fram ny kunskap och teknik som möjliggör att fusionsenergi kan användas som en energikälla för framtida elproduktion. Vi står i dag relativt långt ifrån att realisera det målet. Takten i utvecklingen av fusionsenergi beror både på vetenskapliga och tekniska framsteg, men också på hur mycket resurser som satsas på att bygga upp de testanläggningar som behövs. Det skulle gå att skynda på utvecklingen om mer resurser satsades. Det som krävs för en fungerande fusionsreaktor är att uppnå tillräckligt höga värden på en rad parametrar, skriver Göran Ericsson, professor i tillämpad kärnfysik vid Uppsala universitet i mejlsvar till Ny Teknik.  

Enligt Göran Ericsson finns det alltså flera problem som vi måste lösa för att kunna börja producera el med hjälp av fusion.   

Vad behövs för att vi ska få till fusionen? 

– Primärt är att få sådana förhållanden i bränslehärden, plasmat som innehåller en blandning av väteisotoperna deuterium och tritium, så att man kan få till stånd självunderhållande fusionsreaktioner, ett brinnande plasma, skriver Göran Ericsson.  

Vid deuterium-tritiumfusion slås kärnor av väteisotoperna ihop och bildar en heliumkärna, en fri neutron och utvinningsbar energi. När väteisotoperna värms upp tillräckligt så kan fusionen börja, men även densiteten av partiklarna i plasmat spelar roll. 

– För att få till det brinnande plasmat krävs framför allt en hög densitet, i storleksordningen 10^21 bränslepartiklar per kubikmeter, och en hög temperatur, i storleksordningen 20 kilo elektronvolt. Det motsvarar cirka 220 miljoner grader Kelvin – eller Celsius om man så vill, skillnaden i skalorna spelar ju ingen större roll vid dessa extrema temperaturer, skriver Göran Ericsson.   

Kan man få till ett brinnande plasma gäller det sedan att hålla det brinnande under en längre tid för att hinna utvinna energi.  

– En tredje viktig faktor för att få till ett praktiskt användbart kraftverk är givetvis tidsskalan; ett kraftverk vill man ju ska gå relativt konstant, under timmar, dagar. Det mest högpresterande fusionsexperimentet i dag, Jet i Storbritannien, kan köra sina pulser i cirka fem sekunder, skriver Göran Ericsson.  

Ännu ett problem är att tritium inte förekommer i stora mängder i naturen. En lösning är att inkludera metallen litium i materialet som bygger upp de tjocka väggarna runt reaktorn. När neutronerna som bildas under fusionen kolliderar med metallen skapas nytt tritium som sedan kan användas. Det är enklare att få tag i deuterium då en kubikmeter havsvatten innehåller cirka 33 gram av isotopen.  

Rekord från fusionsforskning i Europa och Kina  

Europeiska samarbetet Joint European Torus (Jet) i Oxford i Storbritannien slog nyligen rekord  i utvunnen energi när de fick ut 59 megajoule från en fem sekunder lång fusionprocess. Det tidigare rekordet, 21,7 megajoule, sattes 1997 vid samma reaktor. Jet är en så kallad tokamak, en badringsformad konstruktion, där plasmat innesluts av ett starkt magnetfält. 

Jet-reaktorn i Storbritannien. Nyligen slog Jet sitt eget rekord när de lyckades utvinna 59 megajoule från en fusionsprocess.  Foto: UKAE 

Ett annat rekord sattes i december 2021 av Experimental Advanced Superconducting Tokamak (East) i Kina. I jämförelse med Jets fem sekunder långa pulser lyckades East under 2021 hålla igång fusionen i 1 056 sekunder, dryga 17 minuter. Plasmat höll under dessa 17 minuter en temperatur på 70 miljoner grader Celsius.   

– Det man visat vid East ger en viktig pusselbit för att göra fusionsenergi praktiskt användbar. Men man ska samtidigt vara medveten om att rekordet vid East slogs under förhållanden som i övrigt inte var optimala för ett fusionskraftverk, vad gäller temperatur och densitet, skriver Göran Ericsson.

Forskare vid Kinas “artificiella sol” Experimental Advanced Superconducting Tokamak (East). 2021 lyckades forskarna vid East hålla igång en fusionsprocess i över 17 minuter.  Foto: Ge Yinian / Costfoto/Sipa USA / TT 

I maj 2021 lyckades East köra sin reaktor i 101 sekunder med en högre plasmatemperatur, 120 miljoner grader Celsius. Pär Strand, professor i plasmafysik och fusionsenergi vid Chalmers tekniska högskola, håller med Göran Ericsson om att Easts resultat är bra tecken för framtida projekt.  

– Det är ett bra resultat och ett ganska stort framsteg gentemot tidigare resultat. Det finns experiment som faktiskt har gått betydligt längre men det har varit vid lägre plasmatätheter. Det är ungefär samma tidsskalor som vi räknar med att köra Iter i, fast då med högre temperatur och tätheter, skriver Pär Strand i ett mejl till Ny Teknik.  

Internationella termonukleära experimentreaktorn (Iter) är en fusionsreaktor under uppbyggnad i Frankrike. Reaktorn är likt Jet och East en tokamak, om än större och kraftigare, som förväntas vara färdigbyggd 2025.  

I september 2021 rapporterade Commonwealth Fusion Systems (CFS) och Massachusetts Institute of Technology (MIT) att de gjort lyckade tester med en magnet som använder högtemperatursupraledare. En högtemperatursupraledare är ett material som har supraledande egenskaper vid temperaturer över 77 Kelvin. Magneten nådde en fältstyrka på 20 tesla, vilket är det högsta hittills för en magnet ämnad för fusion, och ska användas vid tokamaken Sparc.  

– Supraledande magneter gör att man kan köra reaktorn under betydligt längre perioder innan man behöver starta om processen. Supraledande system innebär normalt sett också att man kan uppnå högre magnetfält för den magnetiska inneslutningen, vilket gör att man kan köra med högre temperatur och densitet i reaktorn, skriver Göran Ericsson. 

National Ignition Facility (Nif) vid Lawrence Livermore National Laboratory. I fusionsforskningen här värms bränslet upp av starka lasrar. Bränslet är placerat i en kapsel mindre än en ärta. Foto: National ignition facility

En annan nyhet från 2021 kom från Kalifornien och National Ignition Facility (Nif) vid Lawrence Livermore National Laboratory. Nif använder ingen tokamak utan här värms i stället bränslet, placerat i en kapsel mindre än en ärta, upp av starka lasrar. 

– Inom den så kallade tröghetsinneslutna fusionsforskningen tycker man sig ha sett glimtar av ett brinnande plasma i de nanosekunder långa ”explosionerna” som de experimenten innebär. Det är forskning som är intressant ur ett fysikperspektiv men svår att omsätta till en fungerande energikälla i dagsläget, skriver Göran Ericsson.  

Europeiska Iter ska visa vägen mot fungerande fusion 

Åter till reaktorn Iter som när den står klar kommer att vara den största tokamaken i världen. Reaktorn är ett samarbete mellan EU, Kina, Indien, Japan, Korea, Ryssland och USA. Leveranser till Iter sköts av organisationen Fusion for Energy och forskningen samordnas av konsortiet Eurofusion som startade 2014.  

– Sverige deltar med forskare från Chalmers, KTH, Lunds universitet, Rise och Uppsala universitet i flera av de nuvarande experimenten och Iter är nästa stora steg där vi för första gången ska ha nettoproduktion i plasmat, skriver Pär Strand. 

En av de spolar som ska sträcka sig runt Iters vakuumkammare. Foto: Iter Organization

Nettoproduktion, att en reaktor utvecklar mer energi än vad den slukar, måste uppnås för att fusion ska vara ett alternativ för elproduktion. Förstärkningsfaktorn, Q, är lika med 1 när man får ut lika mycket energi som sätts in. Detta kallas för break-even. När Q överstiger 1 får man ut mer energi än vad man sätter in, vilket alltså är målet för Iter.  

– Jag tror att Iter kommer att leva upp till förväntningarna och ge Q > 5–10 enligt designpunkterna under lång tid, runt 1 000 sekunder, skriver Pär Strand.  

För att få till elproduktion måste man ha en ännu större förstärkningsfaktor, enligt Pär Strand. Detta för att ta hänsyn till konverteringsförluster och uppvärmningskostnader. Steget efter Iter är en demonstrationsreaktor som ska visa på storskalig elproduktion från fusion. 

– Vi behöver Iter för att studera plasmat under reaktorförhållanden med deuterium-tritium-bränsle under längre tider än vad vi hittills har kunnat göra. Vi räknar med upp till 200 gånger längre brinntider. För att kunna optimera härden behöver vi samtidigt utveckla strategier för vägg-plasma-interaktioner och de materialfrågor vi har där, skriver Pär Strand. 

En 440 ton tung del av Iters vakuumkammare byggd i Sydkorea. Foto: Iter Organization

Att studera hur plasmat interagerar med väggarna hos tokamaken är viktigt då energi utvinns när väggarna absorberar värme från fusionen. Från Uppsala universitets håll är man dock inriktad mot neutronerna som bildas i processen.   

– Vi i Uppsala är inriktade på att bidra med utrustning, metoder och resultat baserat på neutronstrålningen från fusionsplasmat. Vi har flera mätsystem installerade vid Jet och Mast (granne till Jet), och deltar i utvecklingen av sådana system för Iter, skriver Göran Ericsson. 

Bilder: Iter Organization och Max Planck-institutet Fakta: Bill Burrau, Grafik: Jonas Askergren
 

Stellarator-tekniken kan utmana tokamaken 

Utöver tröghetsinnesluten fusion, som vid Nif i Kalifornien, och tokamaker såsom Jet, East och Iter, finns det även andra reaktortyper. I Greifwald i Tyskland finns stellaratorn Wendelstein 7-X (W7X) som är den största av sin typ.  

– En stellarator bygger på en annan typ av magnetisk inneslutning än tokamaken.  W7X har visat fina resultat men ligger lite efter tokamaktekniken i utvecklingen. Det finns dock stor potential i den tekniken, skriver Göran Ericsson .

En av magneterna vid Wendelstein 7-X. Foto: IPP

Både stellaratorer och tokamaker har magnetfält bestående av en toroidal komponent och en poloidal komponent. En stellarator använder yttre magneter för att skapa båda fälten. I en tokamak är det enbart det toroidala fältet som skapas av yttre magneter, medan det poloidala skapas av induktionsströmmar i plasmat.   

En nackdel med stellaratortekniken är att det är väldigt svårt att placera de yttre magneterna med tillräcklig precision. En fördel är att de kan köras kontinuerligt under längre tid jämfört med tokamaken som enbart körs i pulser.   

– Stellaratortekniken är en ”bubblare”; med fortsatta framsteg från Greifswald de kommande åren skulle det kunna ta rejäl fart och komma i paritet med tokamakforskningen vad gäller prestanda, skriver Göran Ericsson.  

”Vi står inte och stampar – det går framåt”

Även om det finns många olika fusionsprojekt runt om i världen så handlar det inte om att komma först. Pär Strand poängterar vikten av samarbeten inom fusionsforskningen.  

– Fusionsforskningen är väldigt global och sker i väldigt hög utsträckning som storskaliga samarbeten. Europa har försprånget nu med flera stora experiment. Nästa steg är Iter och där skiftar fokus till det globala samarbetet, men eftersom Iter byggs i södra Frankrike med Europa som största finansiär så kommer det att vara en väldigt viktig del av den framtida europeiska forskningen, skriver Pär Strand. 

Göran Ericsson håller med om att det är samarbeten som är viktigast, men nämner också att Kina, som satsar på energiutveckling inom flera områden, kan vara värda att bevaka lite extra.  

– Jag tror mycket på Iter, men Kina satsar brett och därmed också mycket inom fusion. Kanske de kommer att ha något i Iter-klass parallellt. Storbritannien har också ett mycket ambitiöst program inom fusion, med en lite egen utvecklingslinje. Men just nu ser jag mest till samarbeten och gemensam utveckling – fast just Kina kan möjligen vara ett land att hålla koll på, skriver han.  

Om och när vi får fungerande fusion på jorden är svårt att säga, men enligt Pär Strand går det åt rätt håll.   

– Vi står inte och stampar – tvärtom så går det framåt. Men vi är beroende av att Iter kommer i gång för att ta nästa stora kliv, skriver han. 

 

Uppdatering: I en tidigare version angavs fel uppgift om bränslepartiklar per kubikmeter när det handlar om plasmans densitet.

Fusionen i solen  

I stjärnor sker olika sorters fusion. Den vanligaste processen i stjärnor likt vår sol kallas proton-protonkedjan.  

Kedjan består av flera steg, i det första slås två vätekärnor (protoner) ihop till deuterium. Här frigörs en positron och en neutrino samt energi. I nästa steg slås deuteriumet ihop med en vätekärna och bildar en lätt isotop av helium, 3He. Härifrån finns det flera möjliga vägar som alla leder till en heliumkärna med två neutroner och två protoner.  

Att det är sammansmältningen av lättare atomkärnor till tyngre som ligger bakom förbränning föreslogs först av astrofysikern Arthur Eddington på 1920-talet.

sdlenZfZ8f79W4-nh.jpg 

Ite, tokamaker och stellaratorer, deterium-tritiumfusion

Internationella termonukleära experimentreaktorn (Iter) ska stå klar i södra Frankrike 2025. Iter kommer att vara den största tokamaken i världen och ska ge nettoproduktion.

Målet är alltså att tillverka en reaktor med förstärkningsfaktor större än 1 – en reaktor som utvecklar mer energi än vad den slukar.

Tokamaker och stellaratorer

Reaktorkärlen i tokamaker och stellaratorer är båda torusformade. Både stellaratorer och tokamaker har magnetfält bestående av en toroidal komponent och en poloidal komponent.

I tokamaker som Iter används yttre magneter för att skapa det toroidala magnetfältet. Det poloidala fältet skapas av en stark elektrisk ström i plasmat.

I stellaratorer som Wendelstein 7-X används yttre magneter för att skapa båda fälten. Reaktorkärlet i en stellarator skiljer sig även från tokamaken då det är vridet. Detta skapar ett spiralformat plasma.

Deuterium-tritiumfusion

Vid deuterium-tritiumfusion smälts kärnorna av de två väteisotoperna samman. I processen bildas en heliumkärna och en fri neutron.

Fusionen frisläpper även 17,6 MeV i form av kinetisk energi hos neutronen och heliumkärnan. Det är fyra miljoner gånger mer än vad som frigörs vid förbränning av en kolatom.

För att få till fusionen krävs det höga temperaturer och högt tryck.

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer