Nye ideer fyrer opp under fusjonen

Private selskaper arbeider med nye reaktorer som ved hjelp av fusjon skal gi oss ren energi i ubegrensede mengder. Målet er å levere strøm til strømnettet allerede om ti år – tidsnok til at fusjon kan inngå i den grønne omstillingen.

Maskinen ser ut som noe fra verkstedet til en gal oppfinner: to kaffefilter som vender de spisse endene mot hverandre, og som er omkranset av et sinnrikt system av elektriske spoler.

Men så snart den starter, er maskinen åpenbart mye mer enn det. Magnetfeltene fra spolene tvinger svevende ringer av glovarme atomkjerner inn mot midten, der de braker sammen i 1,6 millioner km/t.

Sammenstøtet tvinger varmen opp over 100 millioner grader slik at kjernene fusjonerer og temperaturen stiger enda mer. Den ekstreme varmen får drivstoffet, som er elektrisk ladet, til å utvide seg og sende et magnetfelt ut mot enda et sett spoler rundt maskinen.

Og nå skjer miraklet: Feltet induserer elektrisk strøm i spolene – strøm som er skapt uten turbiner og generatorer, og som kan sendes rett ut i strømnettet.

Fusjonskraft kan bli virkelighet tjue år tidligere enn vi hadde regnet med.

Maskinen er utviklet av det amerikanske firmaet Helion Energy, og den viser en helt ny måte fusjonsenergi kan gi oss ren strøm på – ikke om 30–40 år, slik fusjonsforskerne så langt har lovet oss, men allerede om ti år.

Helion Energy er ikke alene om den målsettingen. Rundt om i verden har tretti private fusjonsselskaper til sammen skaffet over 16 milliarder kroner – først og fremst fra private investorer – til å realisere sine ambisiøse prosjekter.

Hvis selskapenes tidsplaner holder, blir fusjonskraftverk klare tidsnok til å gi et avgjørende bidrag i kampen for å fase ut det fossile drivstoffet før 2050.

Fysikere vil kopiere solen

Fusjonsenergi blir ofte beskrevet som «drømmen om å hente solen ned på jorden», og det er også i prinsippet det fysikerne vil forsøke å gjøre. Solen skaper energien sin ved at lette atomkjerner av hydrogen smelter sammen til tyngre heliumkjerner, og i den prosessen frigjøres det store mengder energi.

Fusjon er dermed den motsatte prosessen av den som foregår i dagens atomkraftverk. De er basert på fisjon, der tunge atomkjerner spaltes til lettere kjerner.

Drømmen om fusjonsenergi har gitt grobunn for store internasjonale forskningsprosjekter. Flaggskipet er den gigantiske europeiske reaktoren ITER, som er under bygging i Frankrike.

ITER fusjonsforsøk anlegg

ITER, som bygges i Sør-Frankrike, blir verdens største reaktor til fusjonsforsøk. Anlegget har også blitt kalt det mest kompliserte ingeniørprosjektet noen gang.

© Shutterstock

Fusjon har en rekke fordeler i forhold til fisjon. Først og fremst er råstoffet hydrogen tilgjengelig i ubegrensede mengder, siden vi kan utvinne det av havvann, mens det uranet vi bruker i dagens atomkraftverk, er sjeldent og dyrt.

Dessuten er fusjon trygt, siden en fusjonsreaktor ikke kan løpe løpsk og smelte ned. Og til slutt etterlater ikke fusjonsprosessen noe radioaktivt avfall som må deponeres i tusenvis av år.

Masse blir til energi

Det er imidlertid langt fra enkelt å etterligne solens energiproduksjon. Utfordringen ved å få hydrogenet til å fusjonere er at atomkjernene, som har positiv ladning, frastøter hverandre. Det krever derfor ekstrem varme og høyt trykk å tvinge kjernene tett nok sammen.

Når det skjer, overvinner den tiltrekkende sterke kjernekraften den elektriske frastøtingen mellom hydrogenkjernene, slik at de smelter sammen til helium. Og fordi de to hydrogenkjernene til sammen veier mer enn heliumkjernen, frigjøres den overskytende massen som energi.

Hydrogen krever den laveste temperaturen for å fusjonere – bare 100 millioner grader!

Tradisjonelt har fysikerne satset på tungt hydrogen med et proton og et nøytron i atomkjernen og supertungt hydrogen med et proton og to nøytroner i kjernen som fusjonsdrivstoff.

De to typene hydrogen fusjonerer i stor stil ved temperaturer på 100–200 millioner grader, mens andre stoffer krever enda høyere temperaturer for at det skal oppstå såkalt antenning i brenselet.

Antenning betyr at fusjonsprosessene går videre av seg selv når de først er satt i gang. Det skjer ved at de ekstremt varme heliumkjernene som dannes i fusjonen, sørger for den fortsatte oppvarmingen.

Gjennom de siste seks tiårene har fysikerne særlig satset på en reaktortype som kalles en tokamak, og som har form som et bildekk eller en smultring.

Reaktorringen er omgitt av magneter som holder drivstoffet innesperret og svevende i et magnetisk bur mens det sirkulerer rundt i ringen. Magnetfeltet sørger for at drivstoffet ikke kommer i kontakt med reaktorveggene, som ellers vil smelte ved de ekstreme temperaturene. I ITER er magnetene hele 25 meter høye og veier 400 tonn.

ITER fusjonskraft

De superledende magnetene i ITER, som skal kjøles ned med flytende helium, er 25 meter høye.

© Shutterstock

I 2025 innleder ITER forsøk med plasma av tungt hydrogen, men de egentlige eksperimentene med et virkelig fusjonsdrivstoff av tungt hydrogen og supertungt hydrogen begynner i begynnelsen av 2035. ITER kommer aldri til å produsere strøm til strømnettet. Det vil først skje i et anlegg som vil stå ferdig etter 2050.

Minireaktor blir billigere

Så lenge vil ikke det amerikanske firmaet Commonwealth Fusion Systems vente. Firmaet utvikler nå en minitokamak som kalles SPARC, og som tar i bruk den kunnskapen den internasjonale fusjonsforskningen har bygd opp gjennom årene.

Faktisk ser SPARC ut som en miniutgave av ITER, men den inneholder et avgjørende teknologisk gjennombrudd i form av en ny type utrolig kraftige magneter. Som i andre tokamaker består spolene i magnetene av såkalte superledere, altså materialer som strøm kan gå igjennom uten motstand.

For å bli superledende må magnetene i ITER kjøles ned til minus 269 grader, mens SPARCs magneter, som består av det nye keramiske materialet ReBCO, blir superledende allerede ved minus 196 grader. Det betyr at SPARC kan bruke flytende nitrogen til nedkjølingen i stedet for flytende helium, som er nødvendig i ITER, og som er mye dyrere.

Fusionskraft Reaktoren SPARC

Den første magneten til SPARC er testet. Den skaper et magnetfelt med en styrke på 20 tesla, noe som er mer enn magneter som er ti ganger så store.

© Gretchen Ertl/CFS/MIT-PSFC

Commonwealth Fusion Systems har med suksess testet den første magneten til SPARC.

Forsøkene viser at magnetspolen med en høyde på bare 2,5 meter leverer et magnetfelt som er halvannen gang så kraftig som feltene fra de enorme magnetene på ITER. Det betyr at det er mulig å bygge fusjonskraftverk på bare en tiendedel av størrelsen.

Superleder skrumper reaktoren

Reaktoren SPARC har en velkjent utforming, men den skiller seg ut på én måte: Ved å utnytte en ny superleder som leverer verdens sterkeste magnetfelt, har forskerne redusert størrelsen til en tiendedel.

T. Henderson/CFS/MIT-PSFC—CAD & Ken Ikeda Madsen

1. Reaktoren har form som en smultring

SPARC-reaktoren er utformet som en såkalt tokamak, som er den mest gjennomtestede reaktortypen. Inne i den smultringformede reaktoren holdes fusjonsdrivstoffet av tungt hydrogen og supertungt hydrogen svevende i en ring.

T. Henderson/CFS/MIT-PSFC—CAD & Ken Ikeda Madsen

2. Drivstoffet svever i et magnetisk bur

Drivstoffet varmes opp med mikrobølger slik at hydrogenet blir til plasma, altså frie elektroner og atomkjerner. Det gjør det mulig å holde hydrogenkjernene fanget i et magnetisk bur slik at de ikke berører reaktorveggene.

T. Henderson/CFS/MIT-PSFC—CAD & Ken Ikeda Madsen

3. Superleder gir sterke minimagneter

Det magnetiske buret skapes av 18 D-formede magneter som sitter rundt reaktorens midtakse. Magnetene er bare 2,5 meter høye og består av det superledende materialet ReBCO, som er kjølt ned til minus 196 °C.

T. Henderson/CFS/MIT-PSFC—CAD & Ken Ikeda Madsen

SPARC blir klar til de første forsøkene i 2025, og målet er at minitokamaken skal antenne et drivstoff av tungt hydrogen og supertungt hydrogen og produsere et energioverskudd.

Hvis det lykkes, bygger Commonwealth Fusion Systems i begynnelsen av 2030-tallet en litt større etterfølger som kalles ARC, og som skal være et prototypekraftverk som leverer strøm til strømnettet. ARC vil få en ytelse på omkring 100 megawatt, noe som er nok til å forsyne 100 000 husstander med strøm – eller for eksempel drive elmotoren i et stort CO2-nøytralt containerskip.

Sentrifuge skaper fusjon

Mens noen private selskaper bygger videre på kjente reaktortyper, går andre helt nye veier. Et klart eksempel er den kanadiske bedriften General Fusion, som bokstavelig talt vil antenne fusjonsdrivstoffet med et voldsomt brak.

Bedriften har utviklet et konsept der selve reaktortanken roterer raskt slik at en blanding av flytende bly og litium presses opp mot veggene som vann i en sentrifuge.

General Fusion stempel centrifuge

En ny reaktor fra General Fusion består av et roterende fusjonskammer som er omgitt av hardtslående stempler.

© General Fusion

Mens sentrifugen går, sprøyter forskerne fusjonsdrivstoffet av hydrogen inn i tomrommet midt i reaktoren før trykkluftsstempler hele veien rundt reaktortanken dundrer inn mot utsiden.

Slagene fra stemplene skaper en voldsom trykkbølge som presser det flytende metallet sammen rundt fusjonsdrivstoffet slik at det komprimeres og varmes opp til høye temperaturer.

Stempler setter i gang fusjonen

Firmaet General Fusion har skapt en ny type reaktor der kjernen er en sentrifuge fylt av flytende metall. Stempler drevet av trykkluft hamrer metallet sammen rundt drivstoffet slik at trykket og temperaturen får det til å fusjonere.

General Fusion stempel centrifuge 1
© Ken Ikeda Madsen

1. Sentrifuge slynger flytende metall

Reaktorkammeret er en sylindrisk sentrifuge som roterer raskt om sin loddrette akse. Rotasjonen presser flytende bly og litium (rødt) opp mot veggen. Fusjonsdrivstoffet av hydrogen sprøytes inn fra toppen av sentrifugen.

General Fusion stempel centrifuge 2
© Ken Ikeda Madsen

2. Stempler slår til fra alle sider

Stempler som sitter hele veien rundt reaktoren hamrer samtidig inn mot utsiden. Slagene utløser en trykkbølge som presser metallet sammen rundt drivstoffet. Trykket tvinger hydrogenet opp i over 100 millioner °C.

General Fusion stempel centrifuge 3
© Ken Ikeda Madsen

3. Fusjonen utløser pulser av energi

Varmen antenner drivstoffet og skaper fusjon i en kortvarig puls. Få sekunder senere slår stemplene til igjen og utløser den neste pulsen. Varmen fra pulsene omsettes via en kjele og en dampturbin til strøm.

I 2022 har General Fusion startet med bygging av en stor fusjonsmaskin ved forskningssenteret Culham i England. Den nye reaktoren blir utstyrt med 500 stempler som vil komprimere fusjonsdrivstoffet så hardt at temperaturen stiger til 150 millioner °C.

Maskinen vil etter planen stå ferdig i 2025, og den får den ekstra fordelen at den selv kan produsere en del av det supertunge hydrogenet den skal fôres med. Det skjer når nøytroner fra fusjonsprosessene treffer litiumatomer i det flytende metallet og gjør om dem til supertungt hydrogen som kan brukes til nye fusjoner sammen med tungt hydrogen som hentes fra havvann.

General Fusion stempel centrifuge

Forskerne hos General Fusion må ha kontroll på 500 stempler i sin neste forsøksreaktor, som skal stå klar i 2025. Her jobber de med en mindre utgave av reaktoren.

© General Fusion

I tokamaker er forskerne nødt til å fôre innsiden av reaktorringen med en kappe av litium for å danne supertungt hydrogen, noe som er en mer komplisert og teknologisk krevende prosess.

Ifølge General Fusion er firmaets neste skritt et prototypekraftverk som skal bli klart i begynnelsen av 2030-tallet.

Akselerator fusjonerer helium

Selv om tungt og supertungt hydrogen er det mest opplagte fusjonsdrivstoff, eksperimenterer noen av de private firmaene med andre muligheter. Det gjelder for eksempel Helion Energy, som står bak utviklingen av den spesielle akseleratoren som ser ut som to overdimensjonerte kaffefilter.

Kollisjoner gir strøm i strømnettet

Firmaet Helion Energy har utviklet en akselerator som dundrer to porsjoner fusjonsdrivstoff hardt inn mot hverandre. Prosessen skaper et sterkt magnetfelt som kan omsettes direkte til strøm i strømnettet.

General Fusion Accele­rator 1
© Ken Ikeda Madsen

1. Drivstoff sendes på kollisjonskurs

Akseleratoren sender inn to roterende ringer av hydrogen- og heliumkjerner mot sentrum. De ladde partiklenes rotasjon skaper et sterkt internt magnetfelt som er med på å holde sammen ringene.

General Fusion Accele­rator 2
© Ken Ikeda Madsen

2. Tettheten i brenselet stiger

På veien gjennom de stadig smalere rørene presses ringene sammen av magnetfelt fra spoler rundt rørene. Det øker drivstoffets tetthet før det støter sammen i reaktorkammeret, der atomkjernene fusjonerer.

General Fusion Accele­rator 3
© Ken Ikeda Madsen

3. Fusjonen skaper nytt magnetfelt

Varmen fra fusjonen får drivstoffet til å utvide seg voldsomt. I prosessen ekspanderer brenselets magnetfelt slik at det induserer strøm i spoler rundt reaktorkammeret. Strømmen sendes rett ut i strømnettet.

Drivstoffet som møtes i midten av den tolv meter lange akseleratoren, er en blanding av tungt hydrogen og såkalt helium-3, som har to protoner og et nøytron i atomkjernen. Ved fusjonen oppstår vanlig helium med to protoner og to nøytroner i kjernen samt et fritt proton.

Problemet med helium-3 som drivstoff er at denne varianten av helium er veldig sjelden på jorden. Derfor har forutsetningen vært at stoffet skulle hentes på månen, der det til gjengjeld finnes i rikelige mengder. Her blir det skapt når kosmisk stråling fra verdensrommet treffer månens ubeskyttede overflate.

Men gruvedrift på månen blir ikke nødvendig for Helion Energy. Selskapet har nemlig utviklet og patentert en metode for å produsere helium-3 ved fusjon av to tunge hydrogenkjerner som skal finne sted i en biprosess i akseleratoren.

Helion Energy startet i 2020 forsøkene på selskapets sjette akselerator, som har fått navnet Trenta. Senere har selskapets forskere gjennomført over 10 000 kollisjoner i maskinen, og i 2021 nådde de en viktig milepæl. For første gang klarte et privat fusjonsselskap å varme opp et fusjonsdrivstoff til 100 millioner grader.

Helion Energy accelerator

Som første private selskap har Helion Energy klart å skape temperaturer på over 100 millioner grader i fusjonskammeret.

© Helion Energy

Det geniale ved Helion Energys konsept er at fusjonsprosessen genererer strøm direkte ved hjelp av av det magnetfeltet som oppstår i reaktoren. Det er ikke behov for dampturbiner og generatorer til å omsette varme til strøm, som i et tradisjonelt kraftverk, og det gjør fusjonsstrømmen billigere.

Men det er ikke den eneste fordelen med prinsippet. For å oppnå antenning – altså en selvstendig fusjonsprosess – i et fusjonsdrivstoff av helium-3 og tungt hydrogen må temperaturen opp i flere hundre millioner grader. Men antenning er ikke nødvendig i Helion Energys konsept. Det er nok at det ekspanderende fusjonsdrivstoffet i kortvarige pulser sender magnetfelt ut i de omgivende spolene.

Trenta kan bare levere en kollisjon hvert tiende minutt, men Helion Energy har allerede tatt første spadestikk til etterfølgeren, Polaris. Den skal skape sammenstøt en gang i sekundet, og i 2024 vil den som første fusjonsmaskinen faktisk produsere strøm til strømnettet – selv om det bare er i små mengder.

Hvis Polaris lever opp til forventningene, regner Helion Energy med å bygge kommersielle fusjonskraftverk på begynnelsen av 2030-tallet.

Fusjon supplerer sol og vind

Fusjonsenergi er en perfakt partner til sol- og vindenergi, der strømproduksjonen svinger med været og årstidene. Fusjonskraftverk kan utlikne variasjonene på samme måte som kull- og gassfyrte kraftverk gjør det i dag.

Også i forhold til kjernekraft står fusjonskraften sterkt. Fusjonsenergien gir ikke høyradioaktivt avfall som må oppbevares i 100 000 år. Først når et fusjonskraftverk er utrangert, oppstår det et mindre avfallsproblem fordi nøytroner fra fusjonsprosessen gjør reaktorene radioaktive. Dette avfallet må bare deponeres i om lag hundre år.

Alle disse fordelene gjør fusjonskraften til et supervåpen i kampen mot den truende klimakatastrofen. Og hvis de private selskapenes optimistiske tidsplaner holder, vil vi få det i hendene tidsnok til å bruke det.