Wendelsteins stellarator-reaktor har börjat provköras:

Tysk fusion ska ge världen energi

Strax söder om Skåne ligger en anläggning som kan bli modellen för ­världens framtida energiförsörjning. I norra Tyskland, utanför staden Greifswald, pågår­ just nu förberedelserna för att tända upp världens just nu kanske mest ­avancerade fusionsreaktor.
Wendelstein 7-x är en experimentanläggning som har chansen att köra om alla andra försök att tämja fusionens enorma krafter. Hittills har alla testkörningar fungerat enligt plan, och under de närmaste åren vrids effekten upp steg för steg. Målet är att visa att Wendelsteins princip är den rätta vägen att gå om vi någonsin ska kunna dra nytta av fusion.

Den torusformade plasmakammaren är omgiven av ett mycket avancerat kylsystem. Bild: IPP

Den torusformade plasmakammaren är omgiven av ett mycket avancerat kylsystem. Bild: IPP

Jakten på en användbar metod för att ­kunna utnyttja fusion som en outtömlig energikälla går vidare. Den har nu pågått i över 60 år och en lösning på de tekniska problemen tycks hela tiden ligga precis bortom horisonten.

Fusion är den process som får stjärnorna att lysa och som gör att solens yta är flera tusen ­grader varm. Det är således fusionsenergi som också ­håller igång allt liv på jorden. Utan fusion vore jorden lika kall och död som Pluto.

Men solens energi är en ständigt pågående mega­explosion som skulle förinta hela planeten om vi kom för nära. Så vi behöver en lugnare modell.

Drömmen sedan decennier är att tämja fusionen och förpacka den i ett hanterbart format. Och det är precis lika svårt som det låter. Fusionsteknikens förkämpar har under hela efterkrigstiden envist hävdat att en lösning är i sikte. Olika metoder har förts fram för att komma förbi de stora tekniska utmaningarna. På 1950-talet betraktades det som ett stort framsteg när den sovjetiska tokamakreaktorn presenterades. Nu, sex decennier senare, arbetar fortfarande några av världens främsta fysiker och ingenjörer på att förfina samma apparat. Den har ännu inte lyckats ge ett överskott av energi.

Just nu byggs den internationella fusionsreaktorn av tokamaktyp, Iter, i södra Frankrike. Den är ett projekt som startade 2006 med en beräknad kostnad på fem miljarder euro. Meningen var att reaktorn skulle börja köras på allvar i år, 2016. Planerna har skjutits fram ett antal gånger, och nu talas det snarare om en möjlig start för testkörningar under 2025, och en kostnad som är svår att beräkna, men som ligger klart över 15 miljarder euro, troligen mer. Det drar iväg, med andra ord.

Enkelt i teorin, svårt i praktiken

Det är svårt att få ordning på fusionstekniken, det visar historien, och förklaringarna är flera.

Magnetfältet i plasmakammaren är mycket invecklat och måste ha en exakt form. Här har elektroner sänts in i kammaren och fotograferats med avancerad teknik för att kartlägga magnet­fältet. Bild: IPP

Magnetfältet i plasmakammaren är mycket invecklat och måste ha en exakt form. Här har elektroner sänts in i kammaren och fotograferats med avancerad teknik för att kartlägga magnet­fältet. Bild: IPP

För att skapa en fusionsreaktion som ger överskottsenergi behöver man tvinga samman två atomer så att de bildar en tredje, tyngre atom. Enklast är att använda olika former av tungt väte. Två kärnor av väte blir helium, nästa steg i det periodiska systemet, och när protoner och neutroner i den nybildade heliumkärnan hittar sina nya stabila lägen försvinner en del av deras massa, förvandlad till ren energi. Massor av energi. Enkelt i teorin, kan man tycka, men ack så svårt att få till i praktiken.
Atomkärnor vill helt enkelt inte föras ihop. Deras laddningar vill tvärtom tvinga isär dem. Man måste övervinna motståndet från den elektrostatiska kraften tills den starka kärnkraften, som verkar över extremt små avstånd, tar över och drar ­samman partiklarna till en ny, tyngre kärna. För att nå dit krävs temperaturer på över 100 miljoner grader. Och med de energinivåerna så far ­väteatomerna runt i superhög hastighet i alla möjliga riktningar. De vill inte nödvändigtvis krocka med sina ­grannar.
Man kan mycket kortfattat beskriva de tekniska svårigheterna som konsten att hålla en liten mängd gas i en behållare vid extrema temperaturer, och få atomkärnorna så nära varandra att de kommer att slås ihop, trots att de egentligen vill stöta bort varandra.

Vill man göra det här utan full kontroll så går det bra. Då har man en vätebomb, och sådana har man kunnat bygga sedan 50-talet. Tricket är att behålla vätebombens grundläggande mekanism, men i mindre skala inuti en behållare, så att man kan ta ut lite energi i taget istället för en okontrollerad ­explosion.

Tokamakreaktorn

En reaktor av typen tokamak försöker klara av det här genom att linda en ledande spole runt ett rör. En ström genom spolen alstrar ett starkt magnetfält som håller gasen på plats utan att den kommer i kontakt med rörets väggar.

En arbetare står i det utrymme som med tiden ska bli många miljoner grader varmt. Bild: IPP

En arbetare står i det utrymme som med tiden ska bli många miljoner grader varmt. Bild: IPP

Vid de extremt höga temperaturer det handlar om så har nämligen gasens atomer tappat sina elektroner. Atomerna har blivit laddade joner och gasen är därför ett plasma. Och ett plasma kan både leda elektricitet och styras magnetiskt.
Men magnetfältet gör att gasen vill rusa iväg mot rörets ändar. Det löser man genom att böja röret så att ändarna möts. Röret blir en ring – eller en torus, som fysikerna kallar den formen.

Nu kan plasmat hållas kvar i sin ringform. Men nästa problem är att magnetfältet inte är jämnt fördelat. När man böjer röret, och därmed också spolen, så blir spolens lindning tätare på insidan. Det gör att magnetfältet blir ojämnt fördelat – plasmat splittras och drar iväg mot ytterkanterna. Man förlorar alltså den helt avgörande förtätningen av bränslet.

I en tokamak försöker man lösa det här genom att köra en elektrisk ström genom vätet samtidigt. Strömmen håller ihop partiklarna i en spiralformad rörelse runt i torusen. Det är en tekniskt mycket avancerad lösning som samtidigt gör att man inte kan köra en sådan reaktor mer än i korta ­pulser på ­några sekunder.

Men det finns andra tekniska modeller som blivit möjliga att använda först på senare år.

En av dem heter stellarator, och det är den reaktorn som nu har börjat testköras på allvar i norra Tyskland.

Stellaratorreaktorn

Stellarator är faktiskt en av de äldsta idéerna för en fusions­reaktor, men den ansågs länge för svår att bygga. Det är de ­moderna superdatorerna och deras enorma beräkningskapacitet som öppnat dörren för den.

Angela Merkel, Tysklands förbundskansler, startade det första försöket med plasma i Wendelstein 7-x. Merkel har en doktorsgrad i kvantkemi och bör ha haft bra koll på vad som skulle hända när hon tryckte på startknappen. Bild: IPP

Angela Merkel, Tysklands förbundskansler, startade det första försöket med plasma i Wendelstein 7-x. Merkel har en doktorsgrad i kvantkemi och bör ha haft bra koll på vad som skulle hända när hon tryckte på startknappen. Bild: IPP

En stellarator kräver exakta beräkningar av komplicerade förlopp på atomnivå för att fungera. Där en tokamak försöker styra processen i reaktorn genom att reglera magnetfält och strömmar, så ligger stellaratorns grundläggande stabilitet i själva konstruktionen och formen. Och reaktorn kräver inte bara exakta beräkningar av komplicerade händelser på atomnivå. Den kräver också extrem precision i själva bygget. De första stellaratorerna konstruerades redan på 1950-talet i USA och där hade reaktorerna en ring som liknade en vanlig löparbana, med två raksträckor och två kurvor. Precis som i en tokamak hölls plasmat på plats av ett starkt magnetfält, men för att jämna ut magnetflödet under varvet, som ju blir ojämnt fördelat i kurvorna, reds halva banan ett halvt varv så att den förvandlades till en åtta. På så vis blir varannan kurva en innersväng och varannan en ytterkurva för partiklar som snurrar runt banan.

Nu hjälper inte det helt och hållet, eftersom det uppstår en liten höjdskillnad i åttans ”midja”, till exempel, vilken måste kompenseras. Och det är här beräkningsproblemen kommer in. För att skapa en stabil konstruktion, där väteatomerna kan rusa runt tätt sammanpressade utan att glida isär så krävs extremt hög precision. Man behöver också kunna simulera plasmats beteenden och magnetfältens egenskaper i stora datormodeller. Det kunde man inte på 50-talet.

Idag vet man att plasmat måste hållas i ett spiral­vridet magnetfält för att uppnå den täthet som krävs för att det ska bli någon fusion, för att reaktorn så att säga ska tända upp. Den spiralen skapas i en tokamak med hjälp av den pulserande strömmen som kompletterar magnetfältet. I en stellarator skapar man det spiralformade magnetfältet utifrån, genom själva konstruktionen av de stora elektro­magneterna.

Om man lyckas få hela apparaten helt rätt så kan en stellarator drivas mer eller mindre kontinuerligt under längre perioder och inte bara i sekundkorta pulser som en tokamak.

Men precis som i en tokamak behöver även en stellarator fler delar än själva inneslutningen.  Framförallt behöver man ett rejält magnetfält. Det skapas med elektromagneter som måste vara supraledande för att få maximal styrka. Det betyder att de kyls ner till extremt låg temperatur där det elektriska motståndet blir noll. Det görs med hjälp av flytande helium som håller ungefär en grad över den absoluta nollpunkten, cirka minus 270 grader.

Magneterna, liksom själva inneslutningen, är osymmetriska och behöver vridas till efter de specifikationer som räknats fram i datorsimuleringarna.

Den mest avancerade datorberäkning som gjorts

Wendelstein 7-X har 50 elektromagneter med en diameter på 3,5 meter som liknar lätt deformerade ringar. De väger sex ton per styck, och måste byggas och placeras in med millimeterprecision.

Den första plasman i experimentstarten av Wendelstein 7-x. Bild: IPP

Den första plasman i experimentstarten av Wendelstein 7-x. Bild: IPP

Det tog ett antal år och 1,1 miljoner arbetstimmar att få allting rätt. Hela projektet startade kring 1994 med en planerad driftstart 2006. Men redan efter några år var man nära att lägga ner hela idén. Magneterna som levererades höll inte måttet och det visade sig vara svårare än man trott att förvandla de teoretiska ritningarna till en fungerande apparat. Men med nya pengar och ett löfte om start 2015 fick man fart på verksamheten igen med en försening på tio år. Det är som sagt svårt med fusion.

Hela konstruktionen hålls uppe av en central ring av stål som måste stå emot enorma krafter när magneterna slås på för att inte hela anläggningen omedelbart ska slitas i stycken. Eftersom magneterna i sin tur är osymmetriska blir krafterna extremt svåra att förutsäga. Den datormodell som räknade ut hur den centrala stödringen ska konstrueras­ för att hålla sägs ha varit den mest avancerade som ­någonsin gjorts, skapad av experter från hela ­Europa och Ryssland i samarbete. Resultatet visade att toleransen för fel när ringens delar monterades ihop var på nivån av miljondelar av en millimeter. Och delarna väger några ton per styck.

Bygget av experimentreaktorn innehöll alltså stora ingenjörsmässiga utmaningar.

Men i maj 2014 stod den klar. Efter inkörning, mätningar och finputsning startades reaktorn för första gången i december 2015. Det var en ren testkörning med helium där syftet var att låta helium­plasmat göra rent inuti reaktorkärlet. I februari 2016 var det så dags för det stora premiärskottet, när startknappen trycktes ner av förbundskansler Merkel och vätgasen i reaktorn hettades upp av en mikrovågspuls på två megawatt. Under en fjärdedels sekund nådde plasmat en temperatur på 80 miljoner grader. Det blev ingen fusion, och det var inte heller meningen. Körningen var ett test för att visa att anläggningen kan producera och hålla ihop ett plasma vid den här temperaturen. Enligt driftchefen vid Wendelstein motsvarade reaktorn alla förväntningar.

Full fart om fyra år

Under våren 2016 har testerna fortsatt och isoleringen av reaktorkärlets väggar ska förbättras för att det ska gå att driva upp hettan ännu mer under längre tider.

Målet är att långsamt höja temperaturen på plasmat och förlänga tiden för mikrovågspulserna.

Om fyra år tror man att stellaratorn ska kunna köras på full effekt, det vill säga med 20 megawatt energi i form av mikrovågsstrålning under 30 ­minuter vilket ska pressa upp plasmat i inneslutningen till fusionstemperatur.

Om man håller den tidsplanen – och hittills har de tyska teknikerna klarat det hyfsat – så ligger Wendelstein flera år före det stora Iter-projektet i Frankrike.

Målet är inte att producera energi, utan i ­första hand att visa att en stellarator kan fungera som en kraftverksanläggning, lika bra som en tokamak – det vill säga Iter.

Om man lyckas med det kan det bli dags att börja diskutera hur världens fusionsdrömmar ska fortsätta förverkligas. Många oberoende experter betraktar Wendelstein 7-x som ett slags back-up till Iter. Om det stora prestige­projektet i Frankrike inte lyckas uppfylla ­förväntningarna finns det alltså en alternativ plan.

Fakta: 
Wendelstein 7-x inifrån och ut
I plasmakammaren rör sig den spiralformade plasman (blå), formad av magnetfält från 50 stycken supraledande magneter (röda) i olika former som räknats fram av en superdator. Utanför dessa finns 20 plana supraledande magneter (gula) som kan finjustera magnetfältet. 

Utanpå alltihop finns kylanläggningen som kyler ner magneterna till nära absoluta nollpunkten för att åstadkomma supraledningen. Även det är en oerhört komplicerad historia som är utformad så att det flytande heliumet ska komma så nära som möjligt. Bild: IPP

Stellarator
Spitzer med sin tidiga stellarator.

Spitzer med sin tidiga stellarator.

Stellaratorn är en av de tidigaste modellerna för de praktiska försöken att bygga en fusionsreaktor, och nu har idén dammats av efter flera decennier i malpåse. Principen innebär att reaktorkärlet och elektromagneterna utformas så att plasmat ska hållas samman så tätt att fusion kan uppnås. 

Den första stellaratorreaktorn byggdes under ledning av fysikern Lyman Spitzer vid Princeton i USA. Han var astrofysiker och intresserad av hur stjärnorna funge­rar. Namnet stellarator kommer av att man imiterar stjärnornas energiproduktion (stella är latin för stjärna).

Spitzer sägs ha varit inspirerad av de experiment som gjordes i Argentina 1951 av den österrikiske fysikern Ronald Richter. Richter hade övertygat landets president Juan Peron om att bygga ett hemligt laboratorium på en ö, där han sedan påstod sig ha skapat fusion i vätgas. Prestationen blev en världsnyhet och Lyman Spitzer i USA började fundera på hur det här kunde gå till. Det var så han kom på idén med att innesluta ett plasma av väte i ett magnetfält. Då visste han inte att brittiska forskare i hemlighet redan hade jobbat med fusion i några år.

En stellarator måste ha en mycket exakt form på plasmakammaren för att fungera. Innan det fanns datorer som var kraftfulla nog att beräkna formen var det inte möjligt att konstruera en stellaratorreaktor. Nu kan man räkna fram formen – men att bygga den är fortfarande en utmaning.  Bild: Universität Ulm

En stellarator måste ha en mycket exakt form på plasmakammaren för att fungera. Innan det fanns datorer som var kraftfulla nog att beräkna formen var det inte möjligt att konstruera en stellaratorreaktor. Nu kan man räkna fram formen – men att bygga den är fortfarande en utmaning. Bild: Universität Ulm

Richters resultat visade sig senare vara påhittade. Han hade helt enkelt lyckats få vätgas att explodera med hjälp av en elektrisk urladdning, långt under de temperaturer som krävs för verklig fusion. Men rapporterna från Argentina satte ändå fart på flera hemliga projekt, bland andra det som Spitzer startade under namnet Matterhorn.

Vid 50-talets mitt började det stå klart att de små reaktorer som man försökte få liv i på Princetons laboratorium inte fungerade som det var tänkt. Det gick inte att förutsäga hur plasmat skulle bete sig i maskinen med de verktyg man hade tillgång till då. Partiklarna fick aldrig tillräcklig täthet i reaktorn.

När det gäller den bluffande fusionsforskaren Richter har det diskuterats om han var ett geni eller en galning. Framstående fysiker har sagt att han har drag av bägge delarna. Han avled 1991 i Libyen.

Fusion - en lång historia
Ivy Mike, världens första fusionsbomb.

Ivy Mike, världens första fusionsbomb.

Forskningen kring fusionens principer är faktiskt äldre än kunskapen om fission, den process där man klyver atomer och som används i dagens kärnkraftverk. Redan på 1920-talet upptäckte den engelska kemisten Francis Aston att gasen helium är aningen lättare än den borde vara. Helium består i princip av två väteatomer, men helium har en atomvikt som är lite mindre än dubbelt så stor som vätets. En del av massan har ”försvunnit”. Arthur Eddington, en av de fysiker som hjälpte till att bevisa Einsteins teorier efter första världskriget, föreslog att det var den här försvunna massan som höll solen och stjärnorna brinnande. Att massa kunde förvandlas till energi enligt formeln E=mc2 hade ju Einstein föreslagit i en av sina uppsatser 1905.

Hur den här energiomvandlingen i stjärnorna går till beskrevs mer i detalj av tysk-amerikanen Hans Bethe på 30-talet och det gav honom ett nobelpris 1967.

Strax efter andra världskriget var det engelska forskare som var först med ett patent på en fusionsapparat. De skapade det koncept som fortfarande kallas z-pinch. Det går i enkelhet ut på att driva en stark ström genom plasmat, vilken i sin tur alstrar ett kraftigt inåtriktat magnetfält som trycker ihop, nyper, plasmat med stor kraft. Principen används fortfarande i en del fusionsprojekt.

Men inga maskiner lyckades på långa vägar att få vätgasplasmat att förtätas så mycket som behövdes. Det var först 1951 som fusionsenergi släpptes lös för första gången. USA testade då sin tidigaste konstruktion av en atombomb förstärkt med tungt väte. Explosionen skedde över atollen Enewatak under namnet Greenhouse George. Den första verkliga fusionsbomben, Ivy Mike, sprängdes på samma plats i november 1952.

Mindre än ett år senare svarade Sovjetunionen med sin första vätebomb i Kazakstan.

ITER
Så här långt hade det jättelika Iterbygget ­kommit i april i år. Bild: Matthieu Colin/Iter

Så här långt hade det jättelika Iterbygget ­kommit i april i år. Bild: Matthieu Colin/Iter

Det viktigaste projektet inom utvecklingen av fusionsenergi idag är det som kallas Iter, International thermonuclear experimental reactor.

Det är en gigantisk gemensam satsning mellan sju intressenter; EU, Kina, Japan, USA, Sydkorea, Ryssland och Indien. Platsen för reaktorn är Cadarache, sex mil norr om Marseille i södra Frankrike.

Iter är precis som Wendelstein 7-x en experimentanläggning som ska demonstrera att det går att fixa energi med hjälp av fusion. Iters uppdrag är att visa att det går med den modell som kallas tokamak.

Bygget pågår för fullt i Cadarache och de första delarna av själva reaktorn är på plats. Men det kan komma att dröja tio år innan de första försöken med plasma sätter igång. Hela projektet har drabbats av förseningar ett antal gånger och dras med stora fördyringar. Projektet är extremt komplicerat, inte bara tekniskt – en av de största svårigheterna har varit att samordna bidragen från alla de 31 länder som deltar.

Det går inte att säga hur mycket Iter kommer att kosta eftersom medlemsstaterna förutom att ge pengar till budgeten också bidrar genom att leverera komponenter och arbetsinsatser och de kostnaderna redovisas inte fullt ut. Den officiella prislappen ligger enligt den senaste uppräkningen 2015 på 15 miljarder euro.

Chefen för hela projektet, fransmannen Bernard Bigot, som tillträdde förra året har sagt att hela projektet är i fara om man inte lyckas styra upp hela arbets­processen.

Andra fusionsprojekt

• JET – Joint European Torus, en forskningsreaktor i England av tokamaktyp, är världens hittills mest effektiva. För snart 20 år sedan lyckades man få fart på fusionen under några sekunder och fick under det korta ögonblicket ut ungefär två tredjedelar av den energi som gick åt för att tända upp reaktionen. En nettoförlust alltså, men det blev trots allt fusion.

JET är en klassisk tokamak och en föregångare till Iter. Bild: EUROfusion

JET är en klassisk tokamak och en föregångare till Iter. Bild: EUROfusion

• National Ignition Facility i Kalifornien äger världens största laserkanon som man vill använda för att åstadkomma fusion hos fruset väte i en liten metallbehållare. Där hade man förhoppningen att uppnå antändning av fusionen redan 2012, men ambitionerna har dragits ner sedan dess. Idag har man uppnått en tredjedel av den effekt som krävs, och framtiden ser idag mer osäker ut.

Fusion med hjälp av laser är ett annat spår som det forskas på. Bland annat har National Ignition Facility i Kalifornien en försöksanläggning. Bild: Lawrence Livermore National Laboratory

Fusion med hjälp av laser är ett annat spår som det forskas på. Bland annat har National Ignition Facility i Kalifornien en försöksanläggning. Bild: Lawrence Livermore National Laboratory

• Sandia Laboratories i New Mexico är en mindre spelare som arbetar med den teknik som kallas z-pinch.

Z-pinch-tekniken går ut på att plasmat ­komprimeras med hjälp av elektricitet.  Bild: Washington University

Z-pinch-tekniken går ut på att plasmat ­komprimeras med hjälp av elektricitet. Bild: Washington University

•  K-STAR heter Sydkoreas experiment­reaktor som varit i gång med försök sedan 2008. Det är en tokamak precis som Iter, där Korea för övrigt också deltar. Koreanerna planerar också att dra nytta av de kommande erfarenheterna från Iter och bygga en egen reaktorprototyp vid namn K-DEMO som man tror ska leverera ström till nätet under 2030-talet. Det skulle i så fall bli världens första fusionsreaktor som skapar elektricitet till konsumenter.

Det sydkoreanska K-STAR-projektet är en reaktor av tokamaktyp.  Bild: Michael Maccagnan

Det sydkoreanska K-STAR-projektet är en reaktor av tokamaktyp. Bild: Michael Maccagnan

Den koreanska staten har till att börja med anslagit motsvarande sex miljarder kronor till bygget. Men med tanke på de förseningar som drabbat Iter kan man nog räkna med att ett koreanskt fusionskraftverk kan bli några år försenat det också.

Det finns också en rad privata initiativ som arbetar i mindre skala, till exempel:

• Tri Alpha i Kalifornien, som har planer på att slå samman kärnor av tungt väte och bor.

• General Fusion håller till i Kanada och finansieras bland annat av nätbokhandeln Amazon. Där försöker man uppnå fusion genom att pressa samman väteplasmat med hjälp av ångkraft.

Tri Alpha är ett hemlighetsfullt företag som har en lösning där två plasmaringar accelereras mot varandra i ett rör och kolliderar så kraftigt att fusion uppstår.

Tri Alpha är ett hemlighetsfullt företag som har en lösning där två plasmaringar accelereras mot varandra i ett rör och kolliderar så kraftigt att fusion uppstår.


 

Material från
Allt om Vetenskap nr 7 - 2016

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter