Kärnfusion – den ultimata rena energilösningen på horisonten

Stjärnornas kraft

Kärnkraft har ett omstritt rykte. Olyckorna i Tjernobyl och Fukushima har bidragit till oro för säkerheten.

Andra framhåller kärnkraftens låga utsläpp över livscykeln, höga energitäthet och stabila elproduktion.

Kärnkraft kommer sannolikt att ingå i vår framtida energimix, särskilt när fjärde generationens reaktorer utvecklas och tas i drift. Målen omfattar bättre säkerhet och bränsleutnyttjande, men egenskaperna varierar mellan konstruktioner.

Dessa reaktorer bygger på kärnfission. Tunga atomkärnor, exempelvis lämpliga isotoper av uran eller plutonium, klyvs och frigör energi. Torium kan ingå i en bränslecykel där klyvbart uran bildas.

En annan form av kärnenergi är fusion, där lätta atomkärnor förenas till tyngre.

Stjärnor får sin energi från fusion. Exempelvis omvandlar solen omkring 600 miljoner ton väte per sekund till helium. Med den takten motsvarar jordens massa ungefär 315 000 års väteförbrukning.

Solenergi, vindkraft och biomassa härrör därmed indirekt från solens fusion. Även fossila bränslen innehåller energi som lagrades genom forntida fotosyntes.

Om fusion kan utnyttjas på jorden finns en mycket stor möjlig bränsleresurs. Väte står för omkring 74 procent av massan i universums vanliga materia; detta omfattar inte mörk materia eller mörk energi. För en reaktor är tillgången på rätt isotoper avgörande.

Fission vs. fusion

Förbränning av naturgas och olja frigör kemisk energi. Kärnreaktioner ger mycket mer energi per bränslemassa.

Vid fullständig fission av ett kilogram uran-235 frigörs ungefär lika mycket energi som vid förbränning av 2,7 miljoner kilogram kol. Detta beskriver inte det praktiska utbytet från varje kilogram uran i en vanlig reaktor. Vissa fusionsbränslen har ännu högre energitäthet.

Både fission och fusion kan frigöra energi eftersom kärnornas bindningsenergi per nukleon varierar.

När en tung kärna klyvs kan produkterna vara hårdare bundna än ursprungskärnan. Skillnaden frigörs som bland annat rörelseenergi och strålning. I ett kraftverk används värmen för elproduktion.

Lätta kärnor kan på motsvarande sätt förenas till en hårdare bunden kärna och frigöra energi.

Källa: Nature

Förhållandet mellan fissionens och fusionens energitäthet beror på vilka reaktioner som jämförs. Vissa fusionsbränslen kan ge flera gånger mer energi per massa än fission.

Tillgången på lätta grundämnen gör fusion intressant på lång sikt. En stor bränsleresurs är dock inte detsamma som obegränsad tekniskt och ekonomiskt tillgänglig el.

Solsystemets gasjättar och andra himlakroppar innehåller enorma mängder väte. Dagens kraftverkskoncept kräver inte att bränsle hämtas därifrån.

Redan jordens deuteriumresurser är mycket stora i förhållande till dagens energianvändning. Deuterium-tritiumreaktorer behöver dessutom en fungerande produktion och återvinning av tritium.

Helium är kemiskt inert och inte giftigt. Fusion är ändå inte helt fri från radioaktivt avfall: neutroner kan aktivera konstruktionerna och tritium måste hanteras säkert.

Fusion är svårt

Varför försörjer vi då inte redan samhället med kommersiell fusionsel?

Positivt laddade kärnor stöter bort varandra. För att få dem tillräckligt nära behövs rätt temperatur, täthet och inneslutningstid.

En stjärnas gravitation ger högt tryck och hög temperatur i dess inre. Jupiter har för liten massa för att upprätthålla vätefusion som en stjärna.

På jorden behövs andra sätt att värma upp och hålla samman bränslet.

Fusionsreaktioner har åstadkommits i laboratorier under flera årtionden. Utmaningen är att hela anläggningen ska producera mer användbar energi än den förbrukar.

(Storskalig fusion uppnåddes i det första vätebombsprovet 1952. En explosion är dock ingen kontrollerad lösning för elproduktion).

I många försök överstiger plasmatemperaturen 100 miljoner grader Celsius. Plasmat måste hållas borta från väggarna och värmebelastningen hanteras.

Svårigheterna har gett upphov till det ironiska uttrycket ”Fusion är alltid 30 år i framtiden”.

Ersätta gravitationen

Fusionsutbytet jämförs med den energi som krävs för att starta och upprätthålla reaktionen. Energin som levereras till bränslet och hela anläggningens elförbrukning är olika mått.

Flera metoder har föreslagits.

Fusionsreaktioner har visats med olika försöksmetoder. Det återstår ändå mycket innan tillförlitlig och ekonomisk elproduktion är möjlig.

Tokamaker

En tokamak håller plasma i ett ringformat utrymme med hjälp av magnetfält.

Det är ett av de mest undersökta koncepten för kommersiell fusion. De första tokamakerna byggdes på 1950-talet. Även ITER  bygger på denna konstruktion. Det internationella forskningsprojektet samlar ett stort antal tekniskt avancerade länder.

Källa: DOE

ITER har drabbats av stora förseningar. I den plan som uppdaterades 2024 flyttades starten för deuterium-tritiumfasen till 2039. ITER är en forskningsanläggning och ska inte leverera el till nätet.

Andra magnetbaserade fusionsreaktorer

Andra magnetiska koncept omfattar stellaratorer, sfäromaker och kompakta toroidkonfigurationer.

I en stellarator skapar komplicerade yttre spolar ett vridet magnetfält. Konstruktionen kan lämpa sig för långvarig drift, men är svår att utforma och tillverka. Komplexiteten har också försvårat datormodelleringen och ökat utvecklingskostnaderna.

Sfäromaker  liknar tokamaker, men magnetfältets uppkomst och plasmats struktur skiljer sig.

Kompakta toroider  kan minska behovet av en spole mitt i ringen. Koncepten har olika fysikaliska och tekniska utmaningar.

Laser

Laserfusion värmer och komprimerar ett litet bränslemål med en kort, intensiv energipuls. Bränslets tröghet håller samman det under den mycket korta reaktionen.

Exempelvis U.S. National Ignition Facility (NIF) riktar 192 kraftiga laserstrålar mot ett litet mål. Toppeffekten kan vara omkring 500 biljoner watt, men pulsen är mycket kort. Effekt och energi är olika storheter.

Källa: Britannica

Tröghetsinnesluten fusion är en annan central forskningsväg mot möjlig kommersiell fusion.

Magnetisk fusion kräver bland annat avancerad plasmastyrning och lämpliga magnetmaterial. Laserfusion måste lösa effektiv energitillförsel, jämn kompression och upprepningsbarhet.

Elektriska strömmar och magnetiserad målfusion

Andra metoder använder strömmarnas magnetfält för att komprimera plasmat eller bygger på magnetiserad målfusion (MTF).

En strömbaserad metod är Z-pinch. Magnetiserad målfusion kan i stället använda mekanisk kompression. Detta är olika reaktorkoncept.

Källa: IEEE

Vissa av dessa konstruktioner kan vara mer kompakta än stora tokamaker eller laseranläggningar.

Exempelvis General Fusion (GFUZ )   och Helion utvecklar egna pulserande koncept som skiljer sig från varandra.

Steg mot kommersiell fusion

Energiutbyte

Fusion är fortfarande ett experimentellt område utan en säker tidplan för kommersiell lönsamhet.

Försökens fusionsutbyte har förbättrats, men resultaten måste bedömas utifrån vilken energiinsats som används i jämförelsen.

År 2022 meddelade NIF att fusionsenergin översteg laserenergin som levererades till målet.

Försöket tillförde 2,05 megajoule laserenergi till målet och frigjorde omkring 3,15 megajoule genom fusion.

Laseranläggningens elförbrukning var däremot mycket större: artikeln anger en uppskattning på omkring 322 megajoule. Försöket gav alltså inte ett nettoöverskott av el för hela anläggningen. Även omvandlingen av värme till el skulle medföra förluster.

Målets energiöverskott var ändå en viktig vetenskaplig milstolpe.

Plasmastabilitet och reaktionsvaraktighet

Ett kraftverk behöver kontrollerade, upprepningsbara eller långvariga reaktioner och tillräckligt totalutbyte. Plasmats varaktighet, fusionsenergin och hela anläggningens elbalans är skilda mått.

År 2024 höll den franska WEST-tokamaken ett hett plasma stabilt i 6 minuter och 4 sekunder. Detta var ingen sex minuter lång reaktion med nettoelproduktion.

WEST använder volfram i aktivt kylda delar som vetter mot plasmat. Materialutveckling är viktig för hållbarheten. Läs mer i artikeln ”Volfram – den dolda högteknologiska metallen”.

Billiga supraledare

Många magnetiska fusionskoncept behöver starka magneter där supraledare är centrala. Högtemperatursupraledare kan möjliggöra starkare fält och mindre anläggningar. En praktisk rumstemperatursupraledare vid normalt tryck har inte påvisats. Läs mer i artikeln ”Framsteg inom supraledning banar väg för en ny teknologisk revolution”.

AI

Plasma är joniserad materia. Dess beteende i en fusionsanläggning kan vara mycket komplext och instabilt.

Instabiliteter kan förstöra inneslutningen och avbryta ett försök.

Magnetfälten kan justeras i realtid för att styra plasmat. Modellering och styrning är beräkningskrävande.

Detta kan förändras, tack vare framsteg inom AI, som vi rapporterade i en nylig artikel. Där beskrev vi forskning där AI förutsåg vissa plasmainstabiliteter upp till 300 millisekunder i förväg.

”Vi behöver inte längre vänta på att instabiliteter uppstår och därefter snabbt försöka korrigera dem innan plasmat störs.”

Säkerhet

Fusion upprätthåller inte en kedjereaktion av samma slag som fission. Om de nödvändiga förhållandena försvinner avstannar reaktionen. Det är en säkerhetsfördel, men följande risker måste ändå hanteras:

• Många koncept använder radioaktivt tritium. Läckage, återvinning och kontroll av bränslecykeln kräver noggrann hantering.
• Starka magnetfält, stora energilager och värmebelastningar kräver säker konstruktion och säkra rutiner.
• Särskilt deuterium-tritiumfusion producerar många högenergetiska neutroner, som aktiverar och skadar material. Materialval påverkar avfallsmängden och hur komponenterna behöver behandlas.

Relaterade ämnen

Fusionsdrift i rymden

Fusion utvecklas främst för energiproduktion på jorden, men kan även bli relevant för framtida rymdresor.

Den höga energitätheten och det heta plasmat gör fusion intressant för forskning om framdrivning i djup rymd.

En lämplig motor skulle teoretiskt kunna korta restider och minska bränslemassan. Säkerhet och prestanda beror dock på konstruktion, strålskydd och värmehantering.

Att göra reaktorn tillräckligt liten och lätt för ett rymdskepp är svårt även om en anläggning på jorden skulle fungera.

Tekniskt och kommersiellt fungerande fusion skulle kunna förändra möjligheterna till en rymdbaserad ekonomi, som vi diskuterar här. Den skulle inte ensam lösa rymdfartens alla problem.

Kallfusion

Kallfusion är den omstridda idén att betydande fusion kan ske vid låg temperatur utan hett plasma.

Vissa förslag använder väte eller deuterium i metallgitter av exempelvis palladium, erbium eller titan. Ett metallgitter är i sig inget belägg för användbar fusionsenergi.

Stanley Pons och Martin Fleischmann rapporterade ett sådant resultat 1989. De centrala påståendena kunde inte reproduceras tillförlitligt, vilket ledde till hård kritik av metoder och slutsatser.

Små forskargrupper arbetar fortfarande med ämnet under namn som LENR, CMNS och CANR. Benämningarna bevisar inte att energipåståendena stämmer.

Under 2020-talet tillkom ny forskningsfinansiering. Exempelvis meddelade ARPA-E 2023 att LENR-forskargrupper skulle få stöd. Ett separat forskningsspår är NASA:s försök med fusion i metallgitter som publicerades 2020. Dessa använde en extern högenergetisk fotonstråle och visade inte ett självgående kallfusionskraftverk.

Kallfusion som praktisk energikälla är fortfarande osäker och spekulativ. Noggranna och oberoende reproducerbara försök behövs för att pröva påståendena.

Bubbelfusion

Bubbelfusion, även kallad sonofusion, är tanken att kollapsande bubblor som skapats med ultraljud kan ge upphov till fusion.

Bubbelkollaps kan ge höga lokala tryck och temperaturer och är kopplad till sonoluminiscens , ljusblixten när en bubbla kollapsar. Ljusutsändningen bevisar dock inte fusion.

Bubbelfusionspåståenden är omstridda och forskningsmetoderna har kritiserats.

Forskning publiceras fortfarande, men resultaten behöver granskas och reproduceras.

I maj 2024 publicerades studien ”Observation av neutronemission vid akustisk kavitation av deutererat titanpulver” i Scientific Reports, som ingår i Nature Portfolio men är en annan tidskrift än Nature. Författarna rapporterade neutronobservationer under kavitation.

”Vi kunde upprätthålla neutronproduktionen i flera timmar och upprepade försöket under olika förhållanden. Vår hypotes är att neutronerna härrör från fusion av deuteriumjoner i titangittret genom kavitationstrålarnas mekaniska verkan.”

Detta är författarnas tolkning. Observationerna visar inte i sig nettoutbyte eller en kommersiell energikälla. Oberoende reproduktion och prövning av alternativa förklaringar behövs.

Den privata sektorns inträde

Plasmafysik och fusion har länge utvecklats främst genom offentligt finansierad forskning.

En del av forskningen gäller kärnvapenfysik. NIF stödjer bedömningen av USA:s kärnvapenarsenals säkerhet och tillförlitlighet utan kärnvapenprov samt grundforskning om fusion och höga energitätheter.

När kommersiella intäkter ligger långt fram blir offentlig och akademisk finansiering särskilt viktig.

Den privata finansieringens tillväxt stöds bland annat av tre faktorer:

1. Årtionden av forskning har skapat kunskap och utbildat experter som företag kan anlita.
2. Tekniska framsteg och en möjlig stor energimarknad lockar långsiktiga högriskinvesterare. Fusion och asteroidbrytning är dock fortfarande osäkra kommersiella projekt.
3. Klimatförändringar, geopolitik och energiförsörjning ökar efterfrågan på energikällor med låga utsläpp.

Privata fusionsföretag undersöker olika konstruktioner och utvecklingsmetoder. Ibland lyfts SpaceX (SPCX ) fram som förebild för hur en bransch kan förändras. Jämförelsen garanterar inte samma tekniska eller ekonomiska framgång.

Fusionsföretag

Vid artikelns tidpunkt var många företag som utvecklade kommersiell fusion onoterade. De omfattade Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TAE Technologies, ZAP Energy och NEO Fusion. Se Dealrooms lista över startups inom fusion.

1. General Fusion

General Fusion är ett av företagen som försöker utveckla fusion till en kommersiell energikälla.

Företaget grundades 2002 för att utveckla magnetiserad målfusion, MTF.

Företaget bedömer att MTF kan ge en snabbare och billigare väg till användbar fusion. Det uppgav att en plasmainjektor i kraftverksskala byggdes 2010 och att fler tekniska milstolpar därefter nåtts.

Källa: General Fusion

Enligt företagets plan från 2024 var målen 100 miljoner grader Celsius 2025 och framsteg mot vetenskaplig energibalans 2026. Dessa var framtidsmål, inte uppnådd nettoelproduktion. År 2023 testades en modell i en femtedels skala som enligt företaget motsvarade datormodellerna.

General Fusion har stegvis utvecklat deltekniker i mer än två årtionden. Framgångsrika delprov bevisar ännu inte att ett kommersiellt kraftverk fungerar.

Ett privat företag har andra beslutsvägar än internationella projekt som ITER, men möter fortfarande tekniska, finansiella och regulatoriska begränsningar.

Källa: General Fusion

Investerare hoppas därför att privata företag ska komplettera offentlig forskning. Utfallet är fortfarande öppet.

2. Lockheed Martin Corporation

Även börsnoterade koncerner har arbetat med fusion. Ett exempel är försvarsföretaget Lockheed Martin Corporation (LMT ).

Lockheed Martin utvecklade från början av 2010-talet konceptet Compact Fusion. De ambitiösa tidplanerna förverkligades inte och arbetet uppgavs ha avslutats 2021.

Efter den första uppmärksammade presentationen offentliggjorde företaget få detaljer. Offentliga uppgifter räcker inte för att säkert fastställa alla tekniska resultat eller skälen till avslutet.

Lockheed Martin Ventures har även investerat i Helicity, som utvecklar fusionsbaserad rymdframdrivning.

Helicity undersöker korta fusionspulser för framdrivning. Konceptet är inte detsamma som General Fusions kraftverk, även om båda använder pulserande plasma.

Det finns inte tillräcklig offentlig information för säkra slutsatser om Lockheeds tidigare interna försöksresultat.

En rymdmotor ställer andra krav än ett kraftverk som levererar el kontinuerligt. Korta pulser kan vara användbara för framdrivning, men en fungerande kommersiell produkt återstår att visa.

3. TAE Technologies

Kalifornienbaserade TAE Technologies hette tidigare Tri Alpha Energy. Vid artikelns tidpunkt utvecklade företaget Copernicus, en sjätte generations efterföljare till Norman.

Källa: TAE

TAE använder neutrala partikelstrålar för att värma och upprätthålla plasmat. Liknelsen med ett förtjockningsmedel ska inte tolkas bokstavligt.

Företaget använder också 3D-utskrift för snabba konstruktionstester. För vissa komponenter uppgav det att vikten halverats jämfört med konventionell tillverkning.

Källa: TAE

TAE siktade på en nätansluten prototyp i början av 2030-talet och fortsatt kommersiell utveckling därefter. Tidplanen var en företagsprognos. Vd Michl Binderbauer beskrev möjligheten som en framtid präglad av överflöd.

Företaget beskriver sin finansiering som knuten till tekniska milstolpar som stöder kommande finansieringsrundor.

År 2022 deltog Google och Chevron (CVX ) i TAE:s finansieringsrunda på omkring 250 miljoner dollar. Google samarbetar med företaget om AI och beräkningsmetoder.

Företaget erbjuder även livsvetenskapliga tjänster  inom borneutroninfångningsterapi (BNCT) samt energilösningar för batterier och eldrift.

4. Helion

Helion utvecklar fusion med deuterium och helium-3 i stället för den vanligare deuterium-tritiumreaktionen.

Helium-3 är sällsynt, men Helion planerar att framställa det genom deuteriumreaktioner. Utvinning på månen är inte en förutsättning för företagets bränslecykel.

Helion bildar och förenar plasmapulser med magnetfält. Privata fusionsföretag använder inte alla samma metod.

Företaget vill fånga elektrisk energi direkt genom förändringen av magnetflödet när plasmat expanderar, utan en vanlig ångturbinprocess.

Det skulle kunna minska vissa omvandlingsförluster och behovet av anläggningsdelar. Nettoeffekten på verkningsgrad och kostnad måste fortfarande visas i praktiken.

Enligt Helion skulle konceptet kunna ge låga bränsle- och driftskostnader, hög tillgänglighet och konkurrenskraftiga investeringar. Företaget hänvisar till direkt energiåtervinning samt att ångturbiner och kyltorn undviks. Detta är företagets mål, inte resultat från ett fungerande kommersiellt kraftverk.

Vid artikelns tidpunkt var Helions Trenta en sjätte generations försöksanläggning. Enligt företaget hade den genomfört över 10 000 pulser och nått 100 miljoner grader Celsius.

Källa: Helion

Nästa modell var Polaris, som skulle arbeta med betydligt högre pulsfrekvens än Trenta och demonstrera nettoelproduktion. Målet betydde inte att detta redan hade uppnåtts.

Polaris uppgavs bli omkring 19 meter lång, relativt kompakt jämfört med stora fusionsforskningsanläggningar.