I en tid av klimatförändringar och beroende av fossila bränslen låter fusionsenergi som en dröm: klimatvänlig, ren och med så lättillgängligt och billigt bränsle att alla världens länder skulle kunna bli självförsörjande på energi.
Solen och stjärnorna får sin energi från fusion – en process där små, lätta atomkärnor smälter samman till tyngre kärnor. Den nya tunga kärnan väger mindre än de ursprungliga lätta tillsammans och mellanskillnaden i massa omvandlas till energi enligt Einsteins berömda formel E = mc2 (energin är lika med massan gånger ljushastigheten i kvadrat).
Fusion handlar alltså om att – precis som i kärnkraften – utvinna energi ur atomkärnor. Men med fusion slipper man långlivat radioaktivt avfall. Och fusionsreaktorn riskerar aldrig att börja skena. Dessutom finns det nästan obegränsat med bränsle. Fusionskraftverk är tänkta att använda sig av två typer av väte – deuterium som finns i vanligt havsvatten och tritium som kan tillverkas från metallen litium. För medelsvenskens livstidsförbrukning av el skulle det gå åt tio gram deuterium och femton gram tritium.
Redan i slutet av 1940-talet gjorde engelska forskare det första försöket att skapa fusionsenergi. Men fortfarande har ingen fusionsanläggning lyckats producera mer energi än den själv slukar.
– Fusion är ett tekniskt mycket komplext problem, säger James Drake som är professor i fusionsplasmafysik vid KTH.
Alla atomkärnor har nämligen positiv elektrisk laddning och stöter därför bort varandra. Bara om de har mycket hög hastighet kan de komma så nära varandra att de kan smälta samman. För atomkärnor innebär hög hastighet samma sak som hög temperatur, och bränslet måste hettas upp till tiotals miljoner grader för att fusion ska kunna ske. Vid så höga temperaturer bildar bränslet ett plasma där elektronerna inte längre är bundna till atomkärnorna.
Att designa behållare som tål den höga värmen är en utmaning för forskarna. Det finns ett par olika koncept (se grafiken). Det mest utvecklade kallas för tokamak, vilket är en rysk förkortning för ”ringformad kammare med magnetfält”. Om nio år ska Iter – världens största tokamak – stå klar i Cadarache i södra Frankrike. I nuläget är markanläggningen precis avslutad och själva byggnaderna ska börja uppföras.
Iter är tänkt att bli den första fusionsanläggningen i världen som faktiskt producerar mer energi än vad man måste stoppa in för att driva den. Planeringen av Iter började redan på 1980-talet och år 2001 var designen klar. Men de inblandade länderna fastnade i krångliga politiska förhandlingar, främst om var Iter skulle ligga. Först år 2006 kunde de – EU, Japan, Indien, Kina, Ryssland, Sydkorea och USA – komma överens och skriva på ett avtal.
– Under tiden hade fusionsforskningen gått framåt, och man fick därför se över och förbättra den ursprungliga designen av Iter, säger James Drake.
Den nya designen är bättre ur fusionssynpunkt, men också dyrare. Dessutom har material- och bemanningskostnaderna ökat. Enligt inofficiella uppgifter som läckt ut till pressen ser det totala priset nu ut att landa på 10 miljarder euro – dubbelt så mycket som beräknat år 2001.
Med redan svällande kostnader får inga fler oväntade utgifter dyka upp. Projektets ledning har därför nyligen beslutat att Iter ska byggas i två steg för att minska risken att något går snett under konstruktionen. Det fördröjer experimentet ytterligare.
I den första avskalade versionen ska forskarna använda ett relativt kallt plasma av vanligt väte. Sedan ska de efter hand installera de övriga komponenter som behövs för att hetta upp plasmat. Först i slutet av 2026 kan de riktiga fusionsexperimenten starta, fem år senare än ursprungligen beräknat.
Medan hjulen i det stora, trögrullande Iter-projektet fastnat på flera tuvor har andra, mindre fusionsprojekt tagit stora steg framåt. Det är fullt möjligt att tokamaken blir snuvad på segern i kapplöpningen mot världens första fusionskraftverk.
Bland annat har en tidigare nästan övergiven fusionsmetod – stellaratorn – vaknat till liv igen. Stellaratorn påminner om tokamaken, men är skruvad till formen (se grafik). Det är just formen som tidigare legat stellaratorn till last.
– Stellaratorn är komplicerad både att designa och att bygga. Utvecklingen kunde ta fart först när vi kunde göra beräkningar med superdatorer och bygga supraledande spolar i avancerad form, säger Per Helander som är professor i teoretisk plasmafysik och en av föreståndarna vid Max Planck-institutet för plasmafysik i tyska Greifswald.
Nu är förhoppningen att stellaratorn ska kunna ge enklare och pålitligare fusion än tokamaken. Den skruvade formen gör nämligen att stellaratorn kan hålla rätt på bränslet utan den elektriska ström som tokamaken behöver ha inne i plasmat.
– Då går det åt mindre energi och plasmat blir dessutom mer stabilt, säger Per Helander.
Ett stabilare plasma innebär att man kan hålla högre tryck i plasmat – och därmed få bättre fusionseffekt – utan att plasmat plötsligt vränger till och slår in i behållarens väggar. Med datorernas hjälp har forskarna kunnat räkna ut exakt vilken form stellaratorns spolar ska ha för att producera ett magnetfält som på bästa sätt håller rätt på plasmat. Och snart ska receptet testas i praktiken. Max Planck-institutet för plasmafysik håller som bäst på att sätta ihop sin nya stellarator Wendelstein 7-X. År 2015 ska experimenten starta, men anläggningen är för liten för att forskarna ska ha chans att få ut mer energi än de stoppar in.
– Syftet är att visa att stellaratorn är en framkomlig väg mot fusionskraft, säger Per Helander.
Vid Lawrence Livermore-laboratoriet i Kalifornien satsar forskarna på en helt annan metod, så kallad tröghetsinneslutning. Deras anläggning National Ignition Facility stod färdig i våras, och redan nästa år hoppas de uppnå fusion genom att skjuta på en liten bränslepellet med 192 kraftfulla lasrar. Laserbeskjutningen gör att pelleten hastigt trycks ihop och blir så varm att fusion kan uppstå inuti.
Planen är att värmen från den första fusionsreaktionen ska leda till att alla atomkärnor inne i bränslepelleten smälter ihop och genererar fusionsenergi. Då hoppas forskarna att de får ut minst tio gånger mer energi än de skickade in med lasrarna. Men även då har de en bit kvar. Ett fusionskraftverk behöver nämligen beskjuta minst fem bränslepellets per sekund, och National Ignition Facility klarar bara av ett par laserskott om dagen.
Andra fusionsforskare är tveksamma till metoden. Lasrar drar nämligen mycket el i förhållande till mängden laserljus de producerar. Även om de amerikanska forskarna får ut mycket mer fusionsenergi än de stoppar in i form av laserljus, så kan lasrarnas elförbrukning komma att sluka hela energivinsten.
– Men laserteknologin går mycket snabbt framåt. Bara för några år sedan trodde en del att de lasrar som nu finns i National Ignition Facility aldrig skulle kunna byggas. Det här är ett mycket realistiskt alternativ för ett fusionskraftverk, säger Lynda Seaver på Lawrence Livermore-laboratoriet.
En rimlig gissning är att det första fusionskraftverket kan börja producera el om mellan trettio och femtio år, antingen det nu blir baserat på en tokamak, en stellarator eller massor av lasrar.