Den mest lovande formen av kärnkraft på lång sikt är fusionskraften, som är motsatsen till dagens fissionskraft. Om vi kan lära oss att tämja fusionskraften och utnyttja den för elproduktion skulle det ge oss tillgång till en energikälla som har gott om lättillgängligt bränsle, inte producerar något skadligt avfall och inte medför någon olycksrisk. Det pågår därför ett flertal forskningsprojekt som försöker att åstadkomma just detta.

Fusion i full skala

JET:s främsta uppgift är idag att hjälpa till med diverse tester inför konstruktionen av efterföljaren ITER, som är latin för “vägen”. Precis som JET är ITER en tokamakreaktor, men projektet är inte bara en europeisk kollaboration utan ett internationellt samarbete mellan EU, Japan, USA, Sydkorea, Ryssland, Kina och Indien.

ITER bygger vidare på erfarenheterna från tidigare fusionsexperiment och har stora likheter med JET, men skalan är betydligt större. Volymen på ITER:s plasmakammare kommer att ligga runt 840 kubikmeter, vilket är mer än tio gånger mer än JET:s plasmavolym. Den stora storleken är nödvändig för att kunna testa fusion i den skala som kommer att krävas i framtida fusionskraftverk. ITER kan med andra ord ses som ett mellansteg mellan dagens småskaliga fusionsexperiment och en fullt fungerande fusionsreaktor.

Med ITER kommer det för första gången i fusionsforskningens historia att bli möjligt att passera den punkt där fusionsprocessen blir självförsörjande och alstrar mer energi än vad den slukar. ITER ska nämligen kunna producera 500 megawatt, vilket är tio gånger mer än anläggningens energiförbrukning. Processen ska också kunna hållas igång i mer än 400 sekunder. Efter en lång urvalsprocess beslutades det till slut i juni 2005 att ITER skulle byggas i Cadarache i södra Frankrike.

Tidsplan

Det förberedande arbetet börjades 2007 och byggets första fas var färdigt 2009, i och med att den 42 hektar stora upphöjda platå där anläggningen ska ligga stod klar. Man är nu redo att påbörja uppförandet av själva byggnaderna. Anläggningens hjärta, tokamakbyggnaden, kommer också att vara den största byggnaden med en höjd på 57 meter, vilket är något högre än triumfbågen i Paris, och ytterligare 17 meter under marken.

Byggnadsarbetet beräknas vara färdigt under 2017 och anläggningen förväntas vara i drift år 2019. Därefter följer en cirka 20 år lång driftsfas, som börjar med att reaktorn under flera år testkörs med bara vanligt väte och eventuella brister kan åtgärdas. Därefter kommer deuterium och en stegvis ökande mängd tritium att användas tills man når full kapacitet.

Första kraftverket

Nästa steg efter ITER kommer att bli demonstrationskraftverket DEMO (Demonstration Power Plant), som ska bevisa att ett kommersiellt fusionskraftverk är genomförbart. DEMO, som kommer att kunna producera mellan 2 000 och 4 000 megawatt elektricitet befinner sig än så länge på konceptstadiet, men ska enligt planerna kunna leverera fusionskraft till elnätet inom 30 år.

Eftersom de neutroner som bildas vid fusion inte har någon laddning stoppas de inte av de magnetfält som innesluter reaktionen. Detta betyder att de lämnar plasmat och tar med sig cirka 80 procent av den energi som produceras. I JET och ITER tas inte denna energi tillvara, utan den värme som uppstår då neutronerna träffar de omgivande väggarna leds istället bort med hjälp av kyltorn.

I DEMO och andra framtida kraftverk är det emellertid dessa neutroner som kommer att stå för produktionen av elektricitet genom att hetta upp vatten för att bilda ånga som driver ångturbiner.

Laserfusion

Magnetism är inte det enda sättet att innesluta en fusionsreaktion. En annan metod som gjort stora framsteg är så kallad tröghetsinneslutning, som använder sig av laser för att sätta igång en fusionsreaktion och skapa en stjärna i miniatyr.

Bränslet består i detta fall av en liten sfärisk pellet, som innehåller ett antal mikrogram deuterium och tritium. Denna bränslepellet beskjuts av kraftfulla laserstrålar, som får det yttre lagret att explodera och de inre delarna att implodera. Detta gör att bränslet komprimeras och hettas upp tillräckligt mycket för att starta en fusionsreaktion som innesluts av det resulterande plasmats egen massa.

Världens idag främsta forskningsanläggning för laserdriven fusion är NIF (National Ignition Facility) vid Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien i USA, som invigdes i maj 2009 och är kulmen på mer än 30 års forskning.

Målet med NIF är att bevisa att det med hjälp av laserfusion är möjligt att antända fusionsbränsle och skapa ett självförsörjande brinnande plasma, vilket innebär att man kan få ut mer energi från reaktionen än vad lasern som sätter igång den förbrukar. NIF kommer att kunna producera mellan 10 och 100 gånger så mycket energi som anläggningen gör av med.

Till sin hjälp har man på NIF världens kraftfullaste laser, som består av sammanlagt 192 separata lasrar som kan fokuseras i en och samma punkt och som tillsammans kan leverera en energi på nära två megajoule under en kort puls på några miljarddels sekunder.

Vid NIF använder man sig av en indirekt metod där laserstrålarna värmer upp insidan av en liten guldcylinder som innehåller en bränslepellet. Detta ger upphov till ett superhett plasma som i sin tur värmer upp bränslepelleten och får den att implodera. Bränslet komprimeras på detta vis symmetriskt till en densitet som är 100 gånger densiteten av bly och det uppstår en central het punkt, med en temperatur på över 100 miljoner grader Celsius, där fusion startar och plasmat antänds. Reaktionen sprider sig sedan utåt genom det komprimerade bränslet.

Från experiment till tillämpning

De första testskjutningarna med lasern på NIF slutfördes under hösten 2010 med goda resultat. Lasern levererade som mest en megajoule, vilket är ungefär 30 gånger mer än vad någon laser lyckats med tidigare. Eftersom avsikten med dessa tester endast var att kalibrera systemet användes bränsle som förutom deuterium och tritium även innehöll vanligt väte, vilket förhindrade fusion.

Nu har emellertid nästa fas av projektet påbörjats och forskarna på NIF hoppas att de genom att successivt höja laserns energi ska kunna åstadkomma fusion redan innan år 2012.

NIF är emellertid en rent experimentell anläggning och inte ett fusionskraftverk. Eftersom bränslet i en pellet bara brinner i någon bråkdels sekund krävs det i ett kommersiellt kraftverk mellan 5 och 10 fusionsurladdningar per sekund. NIF kan bara avfyra sin laser ett fåtal gånger per dag då optiken behöver tid på sig att kylas ner mellan avfyrningarna och lasermålen, som i NIF:s fall består av guldcylindrar och bränslepellets, måste placeras med stor precision i en hållare i reaktionskammarens mitt.

För att ett kraftverk baserat på laserfusion ska kunna bli verklighet krävs därför omfattande forsknings- och utvecklingsarbete. För det första måste lasern klara av att avfyra ett stort antal skott i tät följd. Ett stort antal lasermål måste också tillverkas till ett rimligt pris. Ett kraftverk som använder sig av fem avfyrningar per sekund skulle göra av med mer än 400 000 lasermål om dagen och för att göra det ekonomiskt lönsamt får ett lasermål som frigör en energi på ungefär 300 megajoule inte kosta mer än runt två kronor.

För att uppnå bästa möjliga resultat måste bränslepelletarna även kylas ner så att deuteriumet och tritiumet fryser till is och skjutas in i reaktionskammaren med hög hastighet. Själva reaktionskammaren måste dessutom stå emot fusionspulserna och omvandla dem till en jämn ström av energi som i sin tur kan omvandlas till elektricitet med hjälp av turbiner.

Det planerade europeiska samarbetsprojektet HiPER (High Power laser Energy Research facility) är tänkt att ta oss ett steg närmare ett fungerande laserfusionskraftverk. Projektet befinner sig än så länge i en förberedande fas, i väntan på att NIF ska visa att tekniken fungerar.

Nästa steg

Anläggningen kommer troligtvis att börja byggas kring 2015 och bör vara i drift i början av 2020-talet. Som det ser ut i dagsläget kommer HiPER sannolikt att placeras i Storbritannien. Förberedelserna för projektet inkluderar laserforskningsanläggningen PETAL, som för närvarande är under konstruktion i Frankrike.

HiPER kommer till skillnad från NIF och andra tidigare anläggningar att använda sig av så kallad snabb antändning, som gör det möjligt att få ut flera hundra gånger mer energi än vad man förbrukar. Konceptet påminner om en vanlig förbränningsmotor, där bränslet komprimeras av en kolv och antänds av ett tändstift. Vid snabb antändning komprimeras nämligen fusionsbränslet först till en hög densitet av en första, symmetriskt fördelad, laserpuls, varpå det sedan antänds av en andra, kortare puls, bestående av en enda laserstråle.

Alternativa lösningar

Magnetisk fusion och laserfusion är de metoder det forskats mest kring, men det finns även andra alternativ. Ett av dessa är fusion med hjälp av elektrostatisk inneslutning (IEC), som bland annat tillämpas i amatörfusionsexperimentet STAR.

Kinesiska forskare tittar också närmare på diamantfusion, där en millimeterstor diamantkula genom att avfyras mot kristalliserad metan ger upphov till de förhållanden som krävs för att starta en fusionsreaktion. Ett problem är att diamantkulan måste avfyras med en hastighet av 3 592 000 kilometer i timmen och tekniken har ännu inte testats i verkligheten. Datorsimuleringar har emellertid visat att det borde fungera och att mer energi skulle produceras än förbrukas.

DEL 1 AV ARTKELN KAN LÄSAS HÄR