En anekdot är känd: kärnfusion kommer att vara inom tjugo år. Kommer alltid att vara om tjugo år. Detta skämt, nu inte längre roligt, växte fram av optimismen för forskare som på 50-talet (och under varje årtionde därpå) trodde att kärnfusion var bara 20 år bort. Nu har denna anekdot tagits på allvar av en start - en infödd av MIT (Massachusetts Institute of Technology), en högt respekterad och berömd institution: Commonwealth Fusion Technologies. Uppstarten lovar att starta en fungerande kärnfusionsreaktor om 15 år. Löfter billig, ren och obegränsad energi som löser allt fossilt bränsle och klimatförändringar. Så de säger: "en potentiellt outtömlig och kolfri energikälla."
Enda problemet: vi har hört detta många gånger tidigare. Vad är annorlunda den här gången?
En annan berömd kliché rör fusionens energi. Idén är enkel: du lägger solen i en flaska. Det enda som återstår är att bygga en flaska. Fusionsenergin driver stjärnorna, men den kräver otroligt heta och täta förhållanden för att plasma ska fungera.
En enorm mängd energi kan frigöras när två ljuskärnor smälter samman: deuterium-tritiumfusionen, som genomförs som en del av ITER-experimentet, avger 17,6 MeV per reaktion, en miljon gånger mer energi per molekyl än du får från explosionen av TNT. Men för att frigöra denna energi måste du övervinna den kraftfulla elektrostatiska avstötningen mellan kärnorna, som båda är positivt laddade. Den starka växelverkan på korta avstånd leder till en fusion som frigör all denna energi, men kärnorna måste föras väldigt nära - på femtometers. I stjärnor sker detta av sig självt på grund av det kolossala gravitationstrycket på materialet, men på jorden är detta svårare.
Först måste du försöka hitta material som kommer att överleva efter exponering för temperaturer på hundratals miljoner grader Celsius.
Plasma består av laddade partiklar; material och elektroner tvättas bort. Det kan hållas på plats av ett magnetfält som viker plasma i en cirkel. Manipulationer med magnetfältet gör det också möjligt att komprimera denna plasma. På 1950- och 1960-talet dök en hel generation av enheter med exotiska namn fram: Stellarator, miskienatron, Z-Pinch, designad för detta. Men plasman de försökte hålla var instabil. Plasma i sig genererar elektromagnetiska fält, det kan beskrivas med en mycket komplex teori för magnetohydrodynamik. Lite avvikelser eller defekter på plasmaytan kom snabbt ur kontroll. Kort sagt, enheterna fungerade inte som avsett.
Sovjetunionen utvecklade en tokamak-enhet som erbjöd mycket förbättrad prestanda. Samtidigt uppfanns en laser, vilket möjliggjorde en ny typ av syntes - syntes med tröghetsinnehåll.
I det här fallet är det inte längre nödvändigt att hålla plasmaförbränningen i magnetfält, det är nödvändigt att komprimera den med en explosion med lasrar på kort tid. Men experiment med inertial inneslutning led också av instabiliteter. De har kört sedan 1970-talet och kanske en dag kommer vägen, men det största hittills, National Ignition Laboratory i Livermore, Kalifornien, har aldrig nått en break-even-punkt där mer energi kommer att produceras än förbrukas.
Kampanjvideo:
Mycket av hoppet är med ITER, världens största magnetiska fängelsetokamak, som fortfarande är under uppbyggnad.
Projektutvecklarna hoppas tända plasmaen inom 20 minuter för att generera 500 MW kraft med en nominell effekt på 50 MW. Fullfusionsexperiment planeras för 2035, men problem med internationellt samarbete mellan USA, Sovjetunionen (fortfarande), Japan och Europa ledde till långa förseningar och budgetsträckningar. Projektet är 12 år sent och kostar 13 miljarder dollar. Detta är inte ovanligt för projekt som kräver enorma installationer för att byggas.
Enligt ITER-planen bör den första termonukleära fusionsreaktorn, som kommer att fungera som ett kraftverk, tända och stödja fusion, DEMO, tas i drift 2040 eller till och med 2050. Med andra ord, kärnfusion … kommer att vara om tjugo år. Det finns en tendens att lösa problem med instabilitet genom att bygga fler och fler faciliteter. ITER kommer att vara större än JET, och DEMO kommer att vara större än ITER.
Under åren har många lag utmanat internationellt samarbete med mindre design. Frågan är inte hastighet utan praktiska. Om det verkligen tar miljarder dollar och tiotals år att bygga en fusionsreaktor, kommer det då att vara värt det alls? Vem betalar för konstruktionen? Kanske när en fungerande tokamak byggs kommer kombinationen av solpaneler och nya batterier att ge oss energi som blir billigare än den som tillverkas på tokamak. Vissa projekt - till och med den ökända "kalla fusionen" - visade sig vara falska eller inte fungera.
Andra förtjänar mer uppmärksamhet. Startups med nya fusionsreaktorkonstruktioner - eller i vissa fall reviderade versioner av äldre försök.
Tri Alpha förväntar sig att kollidera moln av plasma i en struktur som påminner om Large Hadron Collider och sedan hålla den syntetiserande plasman i ett magnetfält tillräckligt länge för att bryta jämnt och generera kraft. De lyckades uppnå de erforderliga temperaturerna och plasmabegränsningen på några millisekunder och samlade också mer än 500 miljoner dollar i riskkapital.
Lockheed Martin Skunk Works, känd för sina hemliga projekt, gjorde en stänk under 2013 genom att tillkännage att de arbetade på en kompakt, 100 MW fusionsreaktor i storleken på en jetmotor. Vid den tiden uppgav de att prototypen skulle vara klar om fem år. Naturligtvis avslöjade de inte designdetaljer. Under 2016 bekräftades det att projektet får finansiering, men många har redan tappat förtroendet och fått skepsis.
Och mot bakgrund av all denna skam, brast MIT-forskare in i ringen. Bob Mumgaard, VD för Commonwealth Fusion Energy, sade:”Vi har åtagit oss att få en arbetsstation i tid för att bekämpa klimatförändringar. Vi tror att projektets vetenskap, hastighet och skalning kommer att ta femton år."
MITs nya projekt följer designen av tokamak, som det har gjort tidigare. SPARC-enheten är tänkt att producera 100 MW energi i 10 sekunders inneslutningspulser. Det har redan varit möjligt att få energi från pulser tidigare, men break-even-punkten är det som verkligen lockar forskare.
En speciell sås i detta fall är de nya högtemperatur-superledande magneterna gjorda av yttrium-barium-kopparoxid. Med tanke på att HTSM kan skapa kraftfullare magnetfält vid samma temperatur som konventionella magneter, kan det vara möjligt att komprimera plasma med en lägre ingångseffekt, en lägre magnetisk enhet och uppnå syntesförhållanden i en anordning som är 65 gånger mindre än ITER. Det är planen, ändå. De hoppas kunna skapa superledande magneter under de kommande tre åren.
Forskare är optimistiska: "Vår strategi är att använda konservativ fysik baserad på decennier av arbete på MIT och på annat håll", säger Martin Greenwald, biträdande chef för Center for Plasma Science and Fusion på MIT. "Om SPARC uppnår den förväntade prestationen, dikterar min instinkt att den kan skalas upp till ett verkligt kraftverk."
Det finns många andra projekt och startups som på samma sätt lovar att kringgå alla typer av tokamaks och internationella samarbetsbudgetar. Det är svårt att säga om någon av dem kommer att hitta den hemliga ingrediensen för syntes, eller om ITER, med dess vikt i det vetenskapliga samfundet och ländernas stöd, kommer att vinna. Det är fortfarande svårt att säga när och om fusion kommer att bli den bästa energikällan. Syntesen är svår. Så här visar historien.
Ilya Khel
