I en fusionsreaktor är tanken att vi skall ta tillvara energi som frigörs när små atomkärnor slås samman. Detta har likt annan kärnkraft fördelen att vi inte använder fossila bränslen, men det har även fördelar jämfört med konventionella fissionsreaktorer så som att avfallet är lätthanterligt och att processen inte kan skena. Tekniken har ännu inte blivit verklighet eftersom bränslet behöver vara så varmt (hundratalet miljoner grader) att det är svårt att innesluta. Bränslet har vid dessa temperaturer formen av en joniserad gas, ett plasma, med elektriskt laddade partiklar, och det är här experimentreaktorn Joint European Torus (JET) i Oxford kommer in i bilden. I JET-reaktorn kan man bygga upp ett ringformat magnetfält i vilket elektriskt laddade partiklar kan inneslutas.
Rekordet från 1997 är slaget
Att innesluta plasmat tillräckligt länge för att utvinna mer energi än vad som går åt har visat sig vara mycket svårt även om grundidén är enkel. Plasmat blir lätt instabilt när det rusar runt reaktorringen i ett intrikat spiralformat mönster, vilket snart medför att bränslepartiklarna slipper ur magnetfältets klor och man måste börja om från början.
Tusentals forskare från hela Europa har bidragit i åratal för att slå det tidigare rekordet från 1997. Med samma bränslesammansättning som antas användas i framtida kommersiella reaktorer (väteisotoperna deuterium och tritium) lyckades forskarna utvinna 59 MJ fusionsvärme under ett fem sekunder långt experiment. Medeleffekten låg på 11 MW. Det tidigare rekordet låg på 22 MJ värme med en maxeffekt på 16 MW. Sedan dess har fokus legat på att upprätthålla processen under längre tid, snarare än att kortvarigt maximera effekten.
- Jag var ganska säker på att experimentet skulle lyckas. Osäkerheten har legat i den tekniska frågan om huruvida vi skulle ha tillräckligt mycket upphettning tillgänglig, säger Pär Strand som är biträdande professor i Elektromagnetisk Fältteori på Chalmers. Han forskar på transport i fusionsplasmor och har tagit fram delar av de modeller och simuleringsverktyg som använts i experimentförberedelserna.
När ett experiment på JET väl är genomfört tar ett omfattande analysarbete vid. Utöver den rena fusionsenergiforskningen engagerar sig Pär Strand även i utvecklandet av teknologier för storskaliga simuleringsmiljöer och datadriven forskning.
- Oräknat kameraupptagningar så är det i direkta mätningar drygt 50 GB data vi samlar in vid ett experiment. Sedan ökar denna mängd betydligt mer när data väl analyseras. Rekordexperimentet ingår i en serie experiment som förutom ett världsrekord ger mycket intressant data med avseende på isotopskalning med unika data för tritium samt hur fusionsprodukterna växelverkar med plasmat. Vi är ju intresserade av att se plasmat som ett integrerat system och det är helhetsaspekterna vi vill titta på, säger han.
Stor, större, störst – JET, ITER, DEMO
JET invigdes i början av 1980-talet och är världens nu största och mest kraftfulla tokamak, med en radie på tre meter. Ordet tokamak är en akronym för de ryska orden med den ungefärliga betydelsen ”ringformad magnetkammare”. När JET byggdes var förhoppningen att fusionseffekten skulle vara lika stor som den erfordrade värmeeffekten för att upprätthålla reaktionerna. Detta lyckades inte, men mycket ny kunskap kunde ändå byggas upp och slutsatsen kunde dras att nästa tokamak behöver vara betydligt större. Så föddes planerna på International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), en tokamak med en radie på drygt sex meter.
ITER har kommit till genom ett samarbete med sju medlemmar, EU, USA, Ryssland, Japan, Indien, Sydkorea och Kina. Den är under byggnation i Cadarache i Frankrike och beräknas stå klar 2025. Förhoppningen för ITER är att producera 500 MW under mer än sex minuter långa experiment, med syftet att verifiera den praktiska genomförbarheten inför bygget av en demonstrationsanläggning ansluten till elnätet.
Huvudfokus för experimenten vid JET är sedan många år att förbereda för ITER, och de senaste resultaten från JET stärker forskarna i uppfattningen att ITER är rätt väg framåt.
- Allting vi hittills sett i experimenten stöder den planering och design som finns för ITER, så det ger extra stöd till ITER:s vetenskapliga program och att man skall kunna uppnå de kriterier man har satt upp, säger Pär Strand, vars analysmjukvara, bland andra, används för både för JET och ITER.
Om detta stämmer blir ITER den sista experimentreaktorn som behövs innan en demonstrationsreaktor kan börja byggas. En sådan, DEMO, är redan på planeringsstadiet. Den är tänkt att vara ytterligare lite större än ITER, men framförallt är den tänkt att faktiskt kunna leverera 300-500 MW netto till elnätet.
När vet vi om vi hittat graalen?
Fusionsenergi som energiteknikens heliga graal har hånats för att alltid ligga 50 år fram i tiden. Närmast obegränsad tillgång till miljövänlig energi, från små volymer bränsle tillgängligt nästan var som helst i världen till en låg kostnad, låter nästan för bra för att vara sant. Kan prognosen om 50 år faktiskt börja minska på allvar? Pär Strand är försiktigt optimistisk.
- Tidsskalan tror jag i första hand beror på ITER, men vi går in i ITER med mer kunskap och tillit till vår kapacitet att prediktera och extrapolera denna kunskap, säger han.
Han berättar att även om ITER invigs under 20-talet kommer de första fullskaleexperimenten inte kunna köras förrän 2035. Resultaten från dessa experiment behöver därefter tas med i planeringen för demonstrationsreaktorn.
- Den europeiska planen, Eurofusion Roadmap, har en första demonstrationsreaktor under 2050-talet, vilket bör vara realistiskt. Hur fort det går efter det är mest en fråga om resurser från politiskt och kommersiellt håll.
Det dröjer troligen ytterligare innan vi kan ansluta en svensk fusionsreaktor till elnätet.
- Jag tror inte att Sverige kommer vara först på bollen och bygga en nationell egen reaktor utan det kommer nog ske inom bredare europeiska samarbeten som bygger på den nuvarande designen av DEMO-reaktorn. Kina och Indien med flera har helt andra utmaningar att möta på energifronten och de ligger redan nu i framkanten mot design av både demonstrationsreaktorer och kommersiella reaktorer, säger Pär Strand.
Oavsett när fusionen är här framhåller Pär Strand vikten av att fortsätta utveckla och förbättra flera olika metoder för att säkra vår framtida energiförsörjning.
- Behoven är väldigt olika, både försörjningsmässigt, geopolitiskt och strukturellt, och det finns inte nu och kommer förmodligen inte i framtiden heller finnas en enda lösning för alla behov. En tokamak är, förutom en potentiell energikälla, en unik miljö med höga magnetfält, starka strömmar och material i närheten av en plasmahärd. Detta ger spin-off-kunskap som kan användas i andra tekniska sammanhang.
- Jag tror att vi i stället för att spela ut det ena energislaget mot det andra för att vinna politiska poänger eller positionera oss utifrån lokala perspektiv, måste ta ett betydligt bredare angreppsätt för att undvika att kommande generationer behöver leva med energisvält som en del av vardagen, avslutar Pär Strand.