Vad är fusionskraft och är det framtidens kraftslag?

Den 5 december år 2022 lyckades National Ignition Facility (NIF) i Livermore, USA, överträffa den efterlängtade "break even"-punkten för fusion. Det innebar att reaktionen gav ca 50 procent mer energi än vad som krävdes för att starta den. Ett stort steg framåt förvisso, men det väcker frågorna: Hur lång är vägen mot fusion som en pålitlig energikälla, och kommer vi någonsin att komma dit?

Fusionskraft som kraftslag?

Fusionkraft jämförs ofta med att fånga "solen i en flaska". Solens energiproduktion sker genom fusion och kan ses som ett stort fusionskraftverk. Att uppnå fusion på jorden är idag en teknisk möjlighet, utmaningen är att konstruera ett kraftverk, eller en “flaska”, som kan hantera de extrema miljöer som uppstår.

Ett framtida fusionskraftverk hade fungerat på liknande sätt som ett kärnkraftverk gör idag. Elen produceras genom en turbin som drivs av vattenånga. Kraftproduktionen är fri från koldioxidutsläpp men ett säkrare alternativ än kärnkraft. Fusionskraftverk är mindre radioaktiva under drift och löper ingen risk för härdsmälta. Detta underlättar avfallshantering och minskar den geografiska spridningen av radioaktiva ämnen vid en olycka. 

En annan fördel med fusionskraft är bränslet. Bränsleblandningen består av deuterium och tritium och har en energitäthet som är fyra gånger större än uran och flera miljoner gånger större än kol. En reaktor motsvarande Forsmark 1 hade behövt 250 kg bränsle årligen, vilket motsvarar125 kg deuterium respektive 125 kg tritium. Ett motsvarande kolkraftverk hade under samma period använt 2,7 miljoner ton kol.

Deuterium, även kallat tungt väte, kan produceras industriellt från vatten och finns i nästan obegränsade mängder. Tritium är däremot mycket sällsynt. Det globala förrådet av tritium uppgår idag till cirka 20 kg. Tritium går att producera från litium, men att göra det på en skala tillräckligt för att pålitligt driva ett kraftverk är en utmaning. 

Var är fusionen idag och hur ser framtiden ut?

För att mäta effektiviteten hos en fusionsreaktor används måttet Q-värde. Q-värdet är förhållandet mellan energin som krävdes för att uppnå fusionsreaktionen och energin som den producerade. Den första riktigt stora fusionreaktorn var Joint European Torus eller JET som år 1997 satte rekord med ett Q-värde på 0,67. Det rekordet stod sig i 25 år innan NIF lyckades uppnå ett Q-värde på 1,54. Hur högt Q-värde som behövs för att en reaktor ska kunna kommeriellt producera el beror på kostnaderna relaterade till kraftverket.

För närvarande finns det inga fusionsreaktorer som kan producera energi i närheten av den effektivitet som behövs för en kommersiell reaktor. Alla existerande reaktorer används i forskningssyfte och är inte byggda för att producera el. I södra Frankrike byggs det en experimentell fusionsreaktor, kallad ITER, som beräknas stå klar år 2025. ITER ska testa förutsättningar för att bygga kommersiella reaktorer och kommer vara den största och mest avancerade reaktorn av sitt slag. ITER har förhoppningar om att nå ett Q-värde på 10. Den första testreaktorn för elproduktion, DEMO, ska börja byggas år 2035 och förväntas gå i drift år 2051. DEMO förväntas ha ett Q-värde på 25.

Vägen till fusionbaserad elproduktion är lång och det är inte förrän andra halvan av seklet som kommersiella kraftverk kan bli verklighet. Huruvida fusionskraften kommer att spela en viktig roll i ett framtida energisystem eller om teknikutvecklingen sker för långsamt återstår och se.

Vad är fusion?

Fusion kallas den kärnreaktion där två lättare atomkärnor slås samman och bildar en tyngre, vid reaktionen frigörs energi. För att uppnå fusion krävs det att atomerna utsätts för extrema temperaturer och tryck, detta för att övervinna den frånstötande coulombkraften. Styrkan på coulombkraften är proportionell till antalet protoner i atomerna, därför anses väte vara det bästa alternativet för ett möjligt bränsle. Väte är det minsta grundämnet och är därför lättast att slå samman. Alla moderna fusionsreaktorer använder en blandning av deuterium och tritium (två isotoper av väte) för att uppnå fusion.

Traditionell kärnkraft använder sig av fission där man klyver en tyngre atomkärna till två mindre, ofta genom att bombardera atomkärnan med en neutron.