ITER: Bygga en miniatyrsol på jorden

ITER, vägen till kärnfusion

ITER, en förkortning för International Thermonuclear Experimental Reactor, som också betyder ”Vägen” på latin, är världens största satsning på att bemästra energiproduktion baserad på kärnfusion.

ITER finansieras och drivs av sju parter: Europeiska unionen (27 länder), Kina, Indien, Japan, Ryssland, Sydkorea och USA. Det har också samarbetsavtal med Australien, Kanada, Kazakstan och Thailand.

Storbritannien var tidigare en del av programmet när det var i EU och avslutade sitt deltagande 2023.

Källa: SciTech Daily

I teorin skulle ITER kunna vara prototypen och den experimentella demonstratören för kommersiell fusion, vilket öppnar mänskligheten för i praktiken obegränsad billig energi.

Detta skulle göra uppgifter som att göra öknar gröna, bekämpa CO2-utsläpp eller bli en rymdfärdig civilisation nästan triviala.

Så, även om det kan ta ett tag innan det ger resultat, är potentialen så enorm att den kan bli ihågkommen som ett av de viktigaste megaprojekten någonsin.

Kärnfusion

Obegränsad kraft

Kärnfusion skiljer sig från klassisk kärnenergi (fission) genom att den använder mycket lätta grundämnen. Istället för att splittra tunga atomer som uran, förenas mycket lätta atomer, vanligtvis väte.

Detta gör teoretiskt kärnfusion till en källa för obegränsad kraft, eftersom väte är den vanligaste formen av materia i universum.

Denna process producerar enorma mängder energi, vilket resulterar i 3–10 gånger mer energi än kärnfission och är energikällan som driver stjärnorna.

Källa: Nature

En gram av deuterium-tritium bränsleblandning i processen för kärnfusion motsvarar 11 ton kol. Någons hela livstids energiförbrukning skulle kunna täckas av lite mer än en flaska bränsle som hålls i handen.

Fördelar med kärnfusion

Inte bara levererar kärnfusion mycket energi, utan den har också några nyckelfördelar som ingen annan energikälla kan påstå:

• Deuterium är så rikligt förekommande i jordens hav och ytvattensystem att det i praktiken är obegränsat och lika tillgängligt för varje nation på jorden.
• Den kärnreaktion som sker producerar inget radioaktivt avfall, bara kemiskt ofarligt helium.
  • Ingen CO2 eller andra miljöskadliga produkter skapas av reaktionen heller.
• Eftersom den inte producerar berikat uran, plutonium eller andra radioaktiva material, medför kärnfusion ingen risk för spridning av kärnvapenmaterial.
  • Detta skulle göra antagandet av kärnfusion till en neutral teknik utan de begränsningar som påförs fissionskärnteknik.
• Ingen risk för härdsmältning eller okontrollerad kedjereaktion. Reaktionen är faktiskt så svår att upprätthålla att varje misslyckande omedelbart leder till att plasman störs och den kärnreaktion och energiproduktion avbryts.
• Om den är självförsörjande och starkt energipositiv förväntas kärnfusion vara lika billig eller billigare att driva än fissionsbaserade kärnkraftverk.
  • Ytterligare teknologisk utveckling och stordriftsfördelar genom att upprepade gånger bygga samma reaktordesign bör sänka kostnaderna över tid.

Fusion är svårt

Med tanke på allt detta, varför har vi ännu inte drivit mänsklig civilisation med kärnfusion?

Nåväl, problemet är att kärnfusion är svårt att uppnå. Väteatomernas kärnor har en positiv elektrisk laddning och repellerar naturligt varandra. Så det kan vara mycket svårt att få dem tillräckligt nära varandra för fusion, som två ultrastarka magneter som repellerar varandra.

I naturen är bara den enorma gravitationen från en hel stjärna tillräcklig för att pressa ihop väteatomer så att fusion triggas. Till och med något så stort som Jupiter är fortfarande ”för litet” för att uppnå det. Så att få väteatomer att komma nära varandra på jorden är väldigt, väldigt svårt.

Det har dock gjorts, och det uppnåddes först av en fusionsmaskin på 1950-talet. Dessa maskiner demonstrerade möjligheten att skapa fusion men misslyckades med att återge tillräckligt med energi jämfört med den energi som användes för att trigga den.

(Tekniskt sett uppnåddes storskalig kärnfusion redan 1952 med den första termonukleära bomben, men detta är knappast en användbar teknik för att skapa en säker energiförsörjning).

Ett annat problem med fusion är att plasma vid kärnfusion är extremt varmt, vanligtvis över 100 miljoner grader Celsius. Så det måste vara perfekt inneslutet, annars smälter reaktorn.

På grund av alla dessa problem har kärnfusion varit ett långsamt framväxande område, med den sarkastiska kommentaren, “Fusion är alltid 30 år i framtiden“.

Att få fusion att ske på jorden

Forskare har lyckats med kärnfusion i experimentella reaktorer i många år. Två huvuddesigner används:

• En förlitar sig på laser, koncentrerar en enorm mängd kraft för att träffa en liten vätepärla och trigga fusion.
• Den andra använder en donutformad maskin kallad tokamak och ultrastarka magneter för att hålla och komprimera väte till en självantändande plasma.

Problemet med fusion är att skapa rätt förhållanden med tiotals miljoner grader är mycket energikrävande. Så även om vi kan få det att ske, tenderar fusionsreaktionen att inte producera tillräckligt med energi tillbaka och blir en nettoenergikonsument.

Plasmer är också mycket instabila, så det är svårt att upprätthålla fusionsreaktionen längre än några sekunder.

Den första tokamaken byggdes 1958, och de anses vara de mest sannolika designerna för att kunna upprätthålla fusion i flera minuter, eller idealiskt timmar, och ge positiv energiproduktion.

Källa: DOE

ITER är en tokamakdesign och kommer att bli den största någonsin skapade kärnfusionsreaktorn, med 10 gånger plasma volymen av den största hittills (JT-60SA i Japan) på 830 kubikmeter (29 000 kubikfot).

Källa: ITER

ITER-tidslinje

ITER är arvtagare till International Tokamak Reactor, eller INTOR, ett samarbete mellan väst & Japan och Sovjetunionen som startade 1978.

Samarbetet fortsatte även under kalla krigets höjdpunkt. Det första målet bestämdes 1992, och de första Engineering Design Activities (EDA) slutfördes 1998, med en design validerad 2001.

En het diskussion om den slutgiltiga designen, vilket land som skulle finansiera vad, samt var reaktorn skulle byggas, försenade projektet ett tag, tills platsen Cadarache i Frankrike valdes 2005.

Källa: Wikipedia

Nästa period gick Kina och Sydkorea med i projektet 2003 och Indien 2005. Det initiala byggarbetet startade 2007.

Maskinmonteringen startade 2020, med installationen av den 1 250‑tons tunga kryostatbasen i maj 2020. Det civila arbetet (byggnation) på platsen avslutades 2023.

Kryostatens stängning bör vara klar 2033. Full magnetisk energi bör uppnås 2036, och starten av driftsfasen för deuterium‑tritium 2039.

ITERS budget

Den initiala budgeten för ITER var tänkt som “bara” €6 Mrd i byggkostnader, men som det ofta händer för vetenskapliga megaprojekt, sköt den i höjden till en nuvarande uppskattning på $25.2 miljarder, medan en annan uppskattning av USA Department of Energy sätter den till $65 miljarder, något ITER har kraftigt förnekat.

Projektet har hittills genererat 34 000 ”jobb-år” och kommer att generera ytterligare 74 000 jobb-år innan byggnationen är slutförd.

ITERS mål

Ju större plasma kammaren är, desto mer sannolikt är den att vara tillräckligt stabil för att producera positiv energiproduktion.

Men naturligtvis, ju större den är, desto dyrare och mer komplex blir den.

Det uttalade målet för ITER är att uppnå en produktion av termisk energi 10 gånger större än den injicerade termiska effekten. Fusionspulsen bör hålla i upp till 8 minuter.

Tillsammans skulle detta innebära skapandet av 500 MW värme på bara 400–6000 sekunder. Den bör nå upp till 150 miljoner °C, eller 10 gånger solens kärntemperatur.

För att uppnå dessa resultat måste ITER uppnå en så kallad ”brinnande plasma”, där mer än hälften av den energi som plasman får kommer från fusionsreaktioner (istället för från externa stimuli). Brinnande plasma är ett måste för varje energipositiv, kommersiell kraftverk som använder kärnfusion.

ITER:s energiproduktion kommer inte att omvandlas till elektricitet, eftersom detta är en teknologisk demonstrator, och att omvandla denna värme till kraft är en välkänd teknik som redan rutinmässigt används i kommersiella fissionskraftverk med uran.

Ett annat mål för reaktorn är att i verkliga förhållanden testa nyckelteknologier som fortfarande är oprövade, såsom supraledande magneter, fjärrhantering (underhåll av robot), neutronavskärmning, värmeomvandling och konceptet med tritiumodling (se nedan).

DEMO-fusionsreaktorer

ITER skulle följas av DEMO-klassens reaktor, som återanvänder ITER:s design (med potentiella förbättringar från experimentell återkoppling), och dessa skulle bilda den första generationen av kommersiella kärnfusionskraftverk.

DEMO-reaktorer förväntas producera 300 till 500 megawatt nettoelektricitet som levereras till elnätet.

• Kina: The Chinese Fusion Engineering Testing Reactor (CFETR) design was done in 2020, and should be built by 2040.
• Europa: The DEMO power plant should be built by 2050. A precursor to this project will be the building of a plasma-based volumetric neutron source (VNS) facility for testing the technologies considered for DEMO.
• Japan: JA-DEMO to be completed in the 2040s-2050s will aim for stable power generation beyond several hundreds of MW and fusion output of 1500 MW or higher.
• Sydkorea: K-DEMO will be built after 2050 while being preceded by a Virtual DEMO (V-DEMO) based on supercomputing, artificial intelligence, and digital twin technology.
• Ryssland: DEMO-RF should be built by 2055. A fusion-fission hybrid facility is also being considered.
• Indien: the country will focus first on a fusion pilot plant of 200–300 MW before building a DEMO reactor.
• USA: The US’s DoE is still considering the next steps, including partnering with private companies for the steps coming after ITER.

Tritiumodling

Som ett projekt i framkant av vetenskapen finns det många koncept som måste demonstreras experimentellt.

En kritisk är produktionen av tritium, eftersom ITER:s design förlitar sig på fusion av deuterium och tritium (båda väteisotoper).

Källa: Climate & Hope

Deuterium‑deuterium skulle vara idealiskt, eftersom deuterium är ett naturligt förekommande element, men detta skulle göra artificiell fusion mycket svårare på grund av ännu högre temperaturkrav.

Problemet är att tritium inte finns i naturen och måste produceras artificiellt i kärnkraftverk (20 kg per år globalt). Men ITER skulle förbruka all jordens tritiumproduktion.

Hur som helst, framtida kärnfusionsreaktorer skulle inte ha tillräckligt med tritium för att producera energi, eftersom varje fusionsreaktor skulle kräva 100 till 200 kilogram per år.

Alltså måste tritium produceras direkt i reaktorn. Detta är uppgiften för ”tritiumodlingsfiltret”.

Detta 600 m² stora täcke över reaktorns väggar, som innehåller litium, har den dubbla uppgiften att skapa energi när det träffas av neutroner (grunden för framtida elproduktion) samtidigt som det producerar tritium genom nedbrytning av litiumatomerna.

Källa: C&EN

Det bör noteras att mellanelement som beryllium säkerställer att minst 1 tritium ”återgenereras” för varje kärnfusionsreaktion, genom att multiplicera antalet neutroner.

Totalt kommer 6 olika tritiumodlingssystem att testas i ITER för att bestämma den optimala materialstrukturen, kylsystem, flytande vs fast litium, litiumutvinningsmetod, etc.

ITERS design

Byggnaden i sig

Medan den intressanta delen av ITERS ingenjörskonst ligger i den avancerade tekniken som används för kärnfusion, är själva byggnaden massiv och rymmer inte bara högteknologiska element utan även alla stödkonstruktioner, energiförsörjning, kylsystem, underhållssystem, etc.

Källa: ITER

ITER-reaktorn i sig är också massiv, väger 23 000 ton, tre gånger vikten av Eiffeltornet. Totalt kommer 400 000 ton att vila på den lägre basplattan i Tokamak-komplexet, vilket är mer än vikten av New Yorks Empire State Building.

Källa: ITER

För att hantera allt detta användes cirka 120 000 kubikmeter betong under den civila byggfasen av Tokamak-komplexet, med en stor betongfabrik byggd direkt på plats för att producera ett brett spektrum av betongformler, var och en anpassad till de specifika kraven för ITERS byggnader och strukturer.

Byggnaden är också konstruerad med seismiska isolatorer och skyddad av en kärnklassad struktur av armerad betong.

Logistik & infrastruktur

Ett annat ”grundläggande” problem med ITER-projektet var logistiken att transportera alla stora komponenter som byggts i specialiserade forskningsinstitut världen över till platsen.

Till exempel väger varje av ITER:s Tokamaks 18 D-formade toroidala fältspolar 310 ton, och de tyngsta elementen, inklusive transportfordonet, väger upp till 900 ton. Därför måste de skeppas med båt istället för flyg.

De transporteras sedan på en speciellt modifierad 104 km lång väg (64 mil), eftersom vissa element kan vara så långa som 33 meter (108 fot).

Installationen krävde också en 400 kV kraftlinjeutvidgning och omfattande faciliteter för kontor, verkstäder, utrustningslagring och bekvämligheter.

Källa: ITER

Byggandet i sig, som ofta krävde att passa in i trånga utrymmen, ledde till designen av mer än 100 specialanpassade enheter för montering av ITER:s maskineri och byggnader.

Källa: ITER

Monteringen av tokamaken, med sina 1,000,000+ komponenter, var ett projekt i sig.

Supraledande magneter

I kärnan av ITER:s maskineri kommer magneterna att använda supraledande trådar av niobium‑tin (Nb3Sn). Totalt behövs 100 000 kilometer (62 000 miles) av dessa trådar, tillräckligt för att linda runt jordens ekvator två gånger.

Källa: ITER

Detta krävde en massiv industriell produktionsinsats. Före ITER:s uppskalning var den globala produktionen av niobium‑tin trådar bara 15 ton/år. Kina, Europa, Japan, Korea, Ryssland och USA ökade den till 150 ton/år.

Kryoplant & kylningstorn

Supraledande magneter är endast supraledande (ingen elektrisk resistans) när de är ultrakalla. Det är så kallt att det bara är 4,5 grader Celsius över den absoluta nollpunkten.

Därför kräver de kryoplanten, en fotbollsplanstor installation som lagrar helium och kväve för att kyla dem och omvandla dessa gaser till ultrakalla vätskor.

Källa: ITER

De 50 ton/dag av flytande kväve används som förkylning för flytande helium-anläggningen, och flytande helium används för att kyla magneterna. Nästan 25 ton flytande helium vid minus 269 °C kommer att cirkulera i ITER-installationen under drift.

Samtidigt som magneten måste vara ultrakall, kommer kärnfusionen att producera en maximal värmebelastning på 1150 MW, som måste avlägsnas. Detta är kylningstornets uppgift.

Kemikalier injiceras för att minimera korrosion av rören och upprätthålla önskat pH i vattnet. Ett ozongenereringssystem upprätthåller en kontinuerlig injektion av ozon, vilket förbrukar organiskt material och förhindrar bakterietillväxt.

Byggnader för magnetkraftomvandling

Ett annat system som stödjer magneterna är kraftomvandlingen som omvandlar nätets växelspänning till likström som kan användas av de supraledande magneterna.

På grund av den enorma strömtätheten kan traditionella kablar inte användas för att leda kraften till magneterna.

Istället används stålklädda aluminiumstänger kallade ”busbars”—aktivt kylda genom ett konstant flöde av trycksatt vatten. De är i princip kraftkablar men tjockare än tågräls.

Källa: ITER

Totalt kommer 5 km (3,1 miles) av bipolära busbars att löpa genom ITER-komplexet.

Neutrala strålinjektorer

När strömförsörjning och magneter fungerar, måste ITER injicera deuterium som kommer att driva fusionsreaktionen.

Strålen kommer att använda elektrisk ström för att accelerera partiklarna till mycket höga hastigheter, och injicera 33 MW av den nödvändiga 50 MW ingångseffekten. Den ”neutraliserar” dem sedan, så att de kan passera magnetfältet och överföra sin energi till plasma.

Detta kommer att använda mer än 1 MW av likspänning, en mycket exceptionell mängd. Det kommer att kräva specialbyggda komponenter, gå ”bortom den nuvarande tekniken”, och passa in i en byggnad på 11 700 m² (126 000 kvadratfot).

Källa: ITER

Eftersom detta är en nyckelkomponent byggdes Neutral Beam Test Facility (NBTF) i Padua, Italien. Detta bör hjälpa till att lösa några tekniska hinder, till exempel att partikelstrålen som används i ITER är mycket tjockare än i tidigare kärnfusionsupplevelser.

Att neutralisera jonerna i denna skala kan också vara svårt, och de faktiska resultaten måste testas innan de installeras i ITER.

Källa: ITER

Cyklofonuppvärmning

De andra värmekällorna för att rikta in sig på plasma är elektron- och joncyklofonuppvärmningssystemen. Detta inkluderar Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) och Ion Cyclotron Resonance Heating (ICRH).

De förlitar sig på högfrekventa elektromagnetiska vågor för att skapa en resonanseeffekt på partiklarna i plasma, och överför fjärrstyrd kraft/värme in i reaktorns kärna. ECHR får elektronerna att resonera med en frekvens på 170 GHz, medan ICRH får jonerna i plasma att resonera med en frekvens på 40–55 GHz.

ITERS konkurrenter

ITER är ett så massivt projekt att många av de forskare som var involverade i dess tidiga design sannolikt inte kommer att vara kvar för att se den i drift.

Denna ambition kan också vara en begränsning för projektet. Det är mest baserat på fusionsdesign från slutet av 1990‑talen och början av 2000‑talen, med brist på antaganden och teknikval.

Detta beror på att sedan dess har nya fusionskoncept dykt upp, och flera privata företag utforskar sätt att göra kärnfusion till verklighet med mycket mindre maskineri.

Det har till och med lett vissa kritiker av ITER att kalla det ”föråldrat”. ITER:s internationella karaktär, som leder till en viss mängd byråkrati och politik som stör vetenskapen, har också beskrivits som ett problem.

Vi diskuterade många av dessa fusionsföretag (mest privata), som General Fusion, TAE Technologies, Helion och Lockheed Martin Corporation i vår artikel ”Kärnfusion – den ultimata rena energilösningen på horisonten”, som också diskuterar alternativ till tokamak‑designer för att uppnå kärnfusion.

• Magnetized Target Fusion (MTF) technology.
• 3D-utskrift av reaktorkomponenter.
• Plasmakanon, kanske mer för fusionsrymdpropulsion än för energiproduktion.
• Direkt elinfångning från plasma, med Faradays lag för att inducera en ström istället för värmesamling.

I december 2024, Commonwealth Fusion Systems (CFS) meddelade att de siktar på att deras ARC-reaktor ska generera 400 MW för Virginias elnät, vilket räcker för att förse 150 000 hushåll med el, med en start i början av 2030‑talen (CFS använder högtemperatur‑supraledande magneter).

Andra teknologier kan också hjälpa. En viktig är AI, som kan användas för att upptäcka och korrigera plasmainstabilitet i realtid.

En annan är potentiella rumstemperatur‑supraledande material, som nu är närmare än någonsin. Detta skulle radikalt förändra energiförbrukningen i en fusionsreaktor, genom att göra dess magneter mycket mer energieffektiva och pålitliga.

Slutsats

ITER kan vara ett av de viktigaste företagen mänskligheten någonsin har tagit, på samma skala eller kanske ännu viktigare än Apollo-programmet.

Och även om det är möjligt att privata initiativ uppnår kommersiell fusion före ITER, är detta också långt ifrån säkert.

Om kärnfusion är en teknik som kräver megareaktorer för att vara energipositiv och ekonomiskt hållbar, är det sannolikt att endast en internationell insats som ITER kan uppnå det.

Även om det misslyckas kommer det ha utvecklat den industriella basen och utbildat den vetenskapliga talang som krävs för att hitta nyckeln till kärnfusion genom andra designval. Så i alla fall kan det knappast betraktas som slöseri; särskilt när man beaktar den påverkan som kärnfusionsenergi skulle ha på mänskligheten.

I framtiden kan vi förvänta oss att ITER-liknande design förbättras med ny teknik, inklusive AI, rumstemperatur‑supraledare, direkt elinfångning, etc.

Det kommer dock att ta mer än ett decennium innan ITER kör sina experiment, vilket gör det till ett av de mest förväntade och mest efterlängtade vetenskapsprojekten under detta årtusende.

ITER‑relaterat företag

Mitsubishi Heavy Industry

Många av de komponenter som byggts för ITER är unika och designade av kärnforskningsinstitut. Men många andra byggdes av branschledare i de deltagande länderna, som bidrar med sin tillverknings- och ingenjörsexpertis till det vetenskapliga megaprojektet.

En viktig bidragsgivare är Mitsubishi Heavy Industry.

Företaget har en historia som sträcker sig tillbaka till 1884, inom skeppsbyggnad. Det började senare tillverka tung maskineri, flygplan, tåg och bilar.

1995 integrerades Mitsubishi Atomic Power Industry i koncernen, och har byggt 24 reaktorer i Japan.

I dag är företagets huvudsakliga intäktskälla energisystem (kärn-, gas- och ångsystem) samt logistik & termiska (HVAC, motorer, turboladdare). Det är nummer ett globalt inom gasturbin och CO₂‑avskärmningssystem. Det sysselsätter över 77 000 personer på 300 platser världen över.

Källa: Mitsubishi Heavy Industry

Mitsubishi bidrog till många kärnkomponenter i ITER, inklusive den toroidala fältspolen (magnet), divertorn (plasmaavgränsning) och komponenterna med hög värmeflöde, inklusive plasmauppvärmningssystemet.

Källa: Mitsubishi Heavy Industry

Förutom ITER avser företaget att dra nytta av återstarten av kärnkraftsindustrin i Japan och den växande mängden kärnprojekt globalt. Företaget planerar också att utveckla sin egen SMR‑teknik, samt en snabbreaktor (förbränning av kärnavfall) och högtemperatur‑gastyrda reaktorteknologier.

Växande försvarsbudgetar bör också gynna företagets segment för rymd- och skeppsbyggnad.

Inom framtida teknik arbetar Mitsubishi med produktion av grön vätgas och grön ammoniak, inklusive världens första ammoniakbunkringsprojekt i Singapore för att driva fartyg och gasturbiner med ammoniak istället för bränsle och naturgas.

Koldioxidavskiljning kan också bli en växande grön aktivitet, liksom hög effektiv kylning för datacenter.

Källa: Mitsubishi Heavy Industry

Sammanfattningsvis är Mitsubishi Heavy Industry en ledare inom många nyckelteknologier för framtiden, särskilt inom kylning, energiproduktion (gas och kärnkraft) och skeppsbyggnad, vilket illustreras av att de valts för att bygga många av de viktigaste komponenterna i ITER.