Fusion svarer til at tænde et bål med drivvådt brænde. De positivt ladede brintkerner frastøder hinanden og gør alt, hvad de kan, for at undgå kontakt. Derfor kræver det verdens mest ekstreme maskiner at tvinge de modvillige brintatomer sammen med enten en glohed temperatur eller et enormt tryk.
Når det lykkes, kan de umådelige mængder energi, som fusionerne udløser, forsyne os med ren og billig strøm.
Jagten på at udnytte energien fra fusion har strakt sig over årtier. Nu tager fysikerne et nyt skridt på vejen mod fremtidens energikilde, når den europæiske reaktor JET i slutningen af 2020 bliver fyldt med tung og supertung brint.
JET er den største af de nuværende forsøgsreaktorer og den eneste, som er bygget til at kunne håndtere rigtigt kraftværksbrændstof. De andre reaktorer bruger kun tung brint, og det giver for få fusioner til at kunne bruges i et kraftværk.
Forsøgene på JET bliver forpremieren på næste generation af fusionsreaktorer, den otte gange større ITER, som er ved at blive bygget i Frankrig. Forsøgene på det nye fusionsflagskib, der begynder i 2025, skal skabe den første selvkørende fusionsproces – det, som fysikerne kalder antænding – og derved producere et stort overskud af energi.
Perspektiverne ved fusionsenergi er enorme. Råstofferne er tung brint, som udvindes af havvand, og supertung brint, der fremstilles af litium. Det gør fusionsenergi til en nærmest uudtømmelig energikilde.
Havvand er der nok af i al evighed, og de kendte reserver af litium rækker til mindst tusind års forbrug. Men de teknologiske udfordringer er til gengæld enorme.
Målet er en selvkørende fusionsproces
1. Brint og brint danner helium
Brintkerner opvarmes med energi, der tilføres udefra. Det får tung brint og supertung brint til at fusionere og danne varme heliumkerner.
2. Varm helium starter kædereaktion
Heliumkernerne bliver så varme, at brintkernerne fusionerer til nye heliumkerner, der igen starter nye fusioner – såkaldt antænding.
Laser konkurrerer med reaktorer
De fleste fusionsanlæg følger en af to hovedveje til fusionsenergi. Den ene er laserfusion, hvor USA er længst fremme. Her bombarderer energirige laserstråler en brintpille fra alle sider og presser brinten så voldsomt sammen, at brinten fusionerer til helium.
I 2014 hentede det gigantiske laseranlæg NIF halvanden gang mere energi ud af en lille brintpille end den energimængde, laserstrålerne pumpede ind i brændstoffet. Men fysikerne nåede ikke deres mål om at få fusionsprocesserne til at fortsætte af sig selv, når de først var sat i gang.
På den baggrund har reaktorerne nu erobret førertrøjen, og her er der skarp konkurrence mellem to teknologier. Begge opvarmer brinten til et glohedt plasma, hvor kernen og elektronerne er skilt, og holder det fanget i et kraftigt magnetfelt, så det ikke rører reaktorvæggen og bliver nedkølet.
Den ene type er de klassiske reaktorer som JET og ITER, der kaldes tokamakker. Det er den reaktortype, som er lettest at bygge. Men ulempen er, at en tokamak højst vil kunne fastholde fusionsbrændstoffet i det magnetiske bur i en time ad gangen. Herefter må reaktoren tømmes og nyt brændstof pumpes ind og antændes. Det skal ske lynhurtigt i et kraftværk, så kunderne ikke oplever udfald i elproduktionen.
Den anden reaktortype er stellaratoren, hvor magneterne er vredet i skæve former for at skabe et ekstremt jævnt magnetisk bur, som i princippet kan opretholdes i årevis. Her kan der løbende fyldes nyt brændstof i reaktoren, ligesom når man smider mere kul ind en kedel.
Men de forvredne magneter gør det ekstremt kompliceret at konstruere reaktoren, og i 2003 var tyskerne lige ved at opgive byggeriet af verdens første store stellarator, Wendelstein 7-X. Heldigvis fortsatte de, for reaktoren kører nu som smurt og har allerede efter et par års forsøg klaret at holde brændstoffet indesluttet i 100 sekunder ad gangen.
Der er stadig et stykke vej op til verdensrekorden på seks og et halvt minut, som blev sat af den lille franske tokamak WEST i 2003, men de tyske fysikere vurderer, at det vil lykkes at holde brændstoffet indesluttet i en halv time ad gangen i Wendelstein 7-X-reaktoren.
Stellarator kører kontinuerligt
Wendelstein 7-X er af typen stellarator. Reaktortypen har et mere stabilt magnetfelt, så den kan holde fusionen kørende i længere tid. Til gengæld er den krævende at konstruere.
Skæve magnetspoler skaber et stabilt magnetfelt, der er lige stærkt overalt i reaktorringen.
Brintplasmaet er fanget, så det ikke kan røre reaktorvæggene.
Tokamakreaktor skal genstartes
JET er en reaktor af tokamaktypen. Det er den enkleste og teknisk mest stabile reaktortype, men ulempen ved den er, at den løbende skal genstartes.
En magnetspole midt i reaktorringen trækker det elektrisk ledende plasma af atomkerner og elektroner ind mod reaktorens centrum.
D-formede magneter skal hindre det varme plasma i at røre reaktorvæggen og nedkøles, men der er større mellemrum mellem spolerne på ydersiden end på indersiden, så magnetfeltet er svagere på ydersiden.
To runde magneter kompenserer for svagheden på ydersiden, men alligevel kan plasmaet højst fastholdes i en time, før det kommer i berøring med reaktorvæggen.
Glohed plasma bryder ud af buret
Ingen af nutidens største forsøgsreaktorer vil passere break-even og producere mere energi, end de bruger på at opvarme brændstoffet. Men tilsammen afdækker reaktorerne de udfordringer, som skal løses for at bane vej for rigtige fusionskraftværker.
På JET vil forskerne få uvurderlige erfaringer fra de kommende forsøg med rigtigt kraftværksbrændstof bestående af både tung og supertung brint. Når fysikerne indtil nu har været tilbageholdende med at lukke supertung brint ind i deres reaktorer, skyldes det, at supertung brint er et radioaktivt stof, som kræver dyre sikkerhedsforanstaltninger.
Men den største udfordring er at fastholde fusionsplasmaet i længere tid, den såkaldte indeslutning. Det glohede og turbulente brændstof prøver hele tiden at bryde ud af det magnetiske greb og komme i kontakt med reaktorvæggen. Derfor er det nødvendigt at omslutte reaktorringen med ekstremt stærke og stabile magnetfelter.
Den aldrende JET-reaktor har kun almindelige magneter og kan derfor kun holde brændstoffet indesluttet i få sekunder. Men til næste år afprøves et mere effektivt magnetisk bur i den japanske tokamakreaktor JT60-SA, som er blevet opgraderet med superledende magneter, der skal holde brændstoffet indesluttet i 100 sekunder ad gangen.
For at tage det næste skridt mod fremtidens rene og uudtømmelige energikilde arbejder forskerne nu med at konstruere verdens største og mest komplekse maskine til en pris på 145 milliarder kr.
Reaktoren ITER opføres i Sydfrankrig i et samarbejde mellem EU, USA, Rusland, Japan, Kina, Indien og Sydkorea. Bygningen er lige så høj som et 15-etagers hus, og reaktoren kommer til at veje 23.000 tons. Reaktorringen får en diameter på 19,4 m og vil blive omgivet af enorme superledende magneter, som måler op til 25 m fra top til bund.
Den gigantiske reaktor skal passere den afgørende milepæl på vejen til kraftværker og antænde brændstoffet, så fusionsprocesserne kører videre af sig selv, når reaktorens varmeapparat slukker.
I det brændende plasma kolliderer de ekstremt varme heliumkerner fra fusionerne med brintkernerne og opvarmer dem og tvinger dem til nye fusioner. Energiproduktionen fortsætter, så længe der tilføres nyt brændstof til reaktoren, og så længe det magnetiske bur kan holde brændstoffet fanget. Målet er at opretholde indeslutningen i en time ad gangen.
Forsøg med rigtigt kraftværksbrændstof af tung brint og supertung brint starter i 2035, og her skal antændingen gøre det muligt at producere ti gange mere energi, end reaktoren bruger til at opvarme brændstoffet. Senere skal energioverskuddet øges til 30 gange den tilførte energimængde.
ITER skaber fusionsenergi med ekstrem varme og kulde
Brændstoffet i reaktorringen opvarmes til 150 mio. °C varmt plasma med mikrobølger og energirige brintatomer, der skydes ind.
Superledende magneter
omkring ringen og ned gennem midten fastholder plasmaet, så det ikke rører reaktorvæggen.
Indervæggen
bag fliserne er foret med litium, der absorberer neutroner og omdanner dem til fusionsbrændstoffet supertung brint.
En fryser
uden om reaktorringen nedkøler magneterne til minus 269 °C med flydende helium for at gøre dem superledende.
Det er endnu uvist, om efterfølgeren til ITER bliver en tokamak eller en stellarator. Resultaterne fra Wendelstein 7-X kan blive så gode, at stellaratoren bliver den vindende teknologi – eller et af de alternativer, som private firmaer afprøver i helt lille skala, kan ende med at overhale giganterne indenom.
Almindeligt havvand erstatter kul
Det første fusionskraftværk ventes at levere strøm til elnettet omkring 2060. Uanset hvilken version der vinder, vil fusion være en helt sikker energikilde, fordi der ikke er risiko for løbske kædereaktioner som i et atomkraftværk. Så snart tilførslen af brændstof stoppes, går reaktoren i stå som en bilmotor, der løber tør for benzin.
Fusion efterlader heller ikke noget højradioaktivt brændselsaffald, som skal opbevares sikkert i 100.000 år, for det eneste restprodukt er helium.
Tung brint fra 40 liter havvand og supertung brint fra fem gram litium – svarende til indholdet i en mobiltelefon – kan levere lige så meget energi som 40 tons kul og vil hverken forurene luften eller udlede CO2. Det kan give fusion en hovedrolle i fremtidens klimaneutrale energiforsyning.