Fusion betyder sammansmältning. I fysiken syftar ordet på kärnfusion: två lätta atomkärnor pressas så hårt mot varandra att de smälter ihop till en enda tyngre kärna, och i samma ögonblick frigörs energi. Solen gör detta varje sekund. På jorden krävs temperaturer över 100 miljoner grader Celsius för att samma sak ska ske, vilket är ungefär sex gånger hetare än solens kärna.
Frågan vad är fusion får olika svar beroende på vem som ställer den. Ekonomer menar sammanslagning av bolag, musiker menar möten mellan genrer (se vår text om fusion jazz och hur olika musiktraditioner smälter samman). Här handlar det om fysikens variant, den som forskare har jagat sedan 1930-talet.
Vad är fusion och vad smälter egentligen samman?
Atomkärnor består av protoner och neutroner. Protonerna är positivt laddade, och lika laddningar stöter bort varandra. Det är därför två kärnor normalt aldrig kommer i närheten av varandra. Men om de får tillräckligt hög fart, alltså tillräckligt hög temperatur, kan de komma så nära att en annan kraft tar över. Den starka kärnkraften griper tag och håller ihop dem.
Den vanligaste reaktionen i forskningsreaktorer använder två tunga former av väte: deuterium och tritium. När de smälter samman bildas en heliumkärna och en fri neutron. Det märkliga är att slutprodukterna tillsammans väger en aning mindre än det som gick in. Den försvunna massan har blivit energi, precis enligt Einsteins E=mc². Eftersom ljushastigheten i kvadrat är ett gigantiskt tal räcker en försumbar massförlust till enorma energimängder. Ett enda gram fusionsbränsle bär på ungefär lika mycket energi som en villa gör av med under ett år.
Att stjärnor lyser tack vare just den här processen förstod fysikern Hans Bethe redan på 1930-talet. Han kartlade reaktionskedjorna som omvandlar väte till helium inne i solar, och fick Nobelpriset i fysik 1967 för arbetet.
Därför räcker det inte med att bara värma upp bränslet
Vid 100 miljoner grader existerar ingen gas i vanlig mening. Elektronerna har slitits loss från kärnorna och materien har blivit plasma, ett laddat gasmoln som reagerar på magnetfält. Det är en förutsättning, inte ett problem: eftersom plasman är laddad kan den hållas svävande av magneter och slipper röra vid reaktorväggen. Ingen känd metall överlever direktkontakt med den hettan.
Uppvärmningen sker i flera steg, ofta med flera metoder samtidigt:
- Ohmsk uppvärmning, en kraftig ström skickas genom plasman och värmer den på samma sätt som en glödtråd blir varm. Fungerar bra i början men tappar effekt när plasman blir het, eftersom motståndet sjunker.
- Neutralstråleinjektion, snabba, oladdade atomer skjuts in i plasman och lämnar ifrån sig sin rörelseenergi genom kollisioner.
- Radiofrekvensvärmning, radiovågor stäms av mot partiklarnas naturliga rotationsfrekvens i magnetfältet, ungefär som mikrovågsugnen träffar vattenmolekylerna.
- Laser, används i en helt annan reaktortyp, där små bränslekapslar komprimeras av hundratals laserstrålar under bråkdelen av en miljarddels sekund.
Fusion och fission gör precis tvärtom
Kärnkraftverken som står i drift idag använder fission, alltså klyvning. Tunga urankärnor splittras och frigör energi. Fusion går åt motsatt håll och slår ihop de allra lättaste kärnorna. Båda utnyttjar samma grundprincip, att massa kan bli energi, men skillnaderna i praktiken är stora.
| Fusion | Fission | |
|---|---|---|
| Bränsle | Deuterium ur havsvatten, tritium från litium | Uran, plutonium |
| Avfallets farlighet | Cirka 100 år | Cirka 100 000 år |
| Skenande kedjereaktion | Omöjlig, plasman slocknar vid störning | Möjlig, kräver aktiv kylning och kontroll |
| Energi per kilo bränsle | Ungefär 3–4 gånger högre | Referensnivå |
Säkerhetsargumentet är värt att stanna vid. En fusionsreaktor innehåller bara några gram bränsle åt gången. Går något fel kyls plasman ned på ett ögonblick och reaktionen upphör av sig själv. Det finns inget lager av bränsle som kan fortsätta reagera utan tillsyn, vilket är hela skillnaden mot en fissionshärd.
Lawsonkriteriet avgör om reaktorn går med vinst
Att få enstaka fusionsreaktioner att ske är inte svårt. Det görs rutinmässigt i laboratorier över hela världen. Det svåra är att få ut mer energi än man stoppar in, och där kommer Lawsonkriteriet in. Det säger att tre saker måste uppfyllas samtidigt: plasman måste vara tillräckligt het, tillräckligt tät och hållas ihop tillräckligt länge.
De tre kraven motarbetar varandra. Höjer man trycket vill plasman expandera och fly ut ur magnetfältet. Håller man den kvar längre hinner instabiliteter växa sig starka och slita sönder den. Ökar man temperaturen ökar också energiförlusterna genom strålning. Sjuttio års fusionsforskning kan sammanfattas som ett metodiskt sökande efter den punkt där alla tre villkoren råkar vara uppfyllda på samma gång, i en anläggning som inte kostar mer än den producerar.
Tre sätt att bygga en reaktor
Tokamaken är den dominerande konstruktionen. Plasman går runt i en munkformad kammare och hålls på plats av magnetfält från både yttre spolar och en ström som drivs genom plasman själv. Konstruktionen är välbeprövad men strömmen måste pulsas, vilket gör kontinuerlig drift knepig.
Stellaratorn löser problemet genom att flytta hela magnetfältsjobbet till de yttre spolarna. Priset är att spolarna får en vriden, nästan organisk form som är extremt svår att tillverka med rätt precision. I gengäld kan en stellarator i princip gå oavbrutet.
Tröghetsfusion arbetar helt annorlunda. Här komprimeras en liten bränslekapsel av laserpulser tills den antänds, och energin utvinns ur en serie mikroskopiska explosioner snarare än ur en stabil plasma. Metoden har visat imponerande enskilda resultat men står inför andra hinder, framför allt hur många skott per sekund ett kraftverk skulle behöva klara.
Från plasma till el i vägguttaget
Ett fusionskraftverk producerar ingen el direkt ur plasman. Energin bärs främst av neutronerna, som är oladdade och därför obehindrat flyger rakt igenom magnetfältet och slår in i reaktorväggen. Väggen är klädd med ett så kallat täcke av litium, och där händer två saker samtidigt.
Neutronernas rörelseenergi omvandlas till värme när de bromsas in i materialet. Samtidigt reagerar en del av dem med litiumkärnorna och skapar nytt tritium, som matas tillbaka som bränsle. Ett fungerande kraftverk tillverkar alltså en del av sitt eget bränsle under drift. Värmen förs bort med kylmedel, kokar vatten och driver en ångturbin. Slutsteget är alltså exakt samma teknik som i ett kol- eller kärnkraftverk, byggd på hundraårig ingenjörskonst.
Så långt har forskningen faktiskt kommit
Rekordet för kontrollerad fusion sattes vid anläggningen JET i England, där EUROfusion rapporterade 69 megajoule frigjord fusionsenergi i en enda puls innan maskinen togs ur drift efter fyrtio års experiment. Energin räckte i sig inte för att göra anläggningen självförsörjande, men den bekräftade att fysiken beter sig som modellerna förutsäger.
Nästa steg är ITER i södra Frankrike, ett samarbete mellan EU, Kina, Indien, Japan, Sydkorea, Ryssland och USA. Montaget inleddes sommaren 2020 och notan väntas överstiga 100 miljarder kronor. Målet är att bli den första anläggning som producerar mer fusionsenergi än den energi som skjuts in i plasman. Parallellt kom Japans JT-60SA igång med sitt första plasma 2023 och blev därmed världens största tokamak i drift.
Vid sidan av de statliga jättesatsningarna har ett trettiotal privata bolag vuxit fram, flera med betydligt mer optimistiska tidplaner. I Stockholm bygger Novatron Fusion Group en prototypreaktor med en egen magnetisk inneslutningsprincip och siktar på el till nätet innan decenniets slut.
Läs fusionsnyheter med rätt måttstock
Rubriker om fusionsgenombrott dyker upp med några månaders mellanrum, och de flesta av dem beskriver verkliga framsteg. Problemet är att samma ord används om helt olika saker. Nyckeltalet heter Q och anger hur mycket energi reaktionen ger jämfört med vad som stoppas in. Ett Q på 1 betyder balans. Men det spelar avgörande roll om siffran gäller energin som når fram till plasman eller den el som anläggningen faktiskt drar från nätet, och skillnaden mellan de två måtten kan vara en faktor hundra.
Tre frågor räcker för att bedöma en fusionsnyhet på egen hand. Gäller Q-värdet plasman eller hela anläggningen? Hur länge varade reaktionen, en bråkdel av en sekund eller flera minuter? Och användes deuterium och tritium, eller bara deuterium i ett testläge med lägre effekt? Får du svar på alla tre vet du var experimentet står i förhållande till Lawsonkriteriet.
Fusionen kommer inte att rädda klimatet under det här decenniet, och den behöver inte göra det heller. Den kandiderar till något annat: att bli den energikälla som tar vid när dagens lösningar har gjort sitt, med bränsle hämtat ur havsvatten och avfall som är ofarligt inom ett sekel. Det är därför forskningen fortsätter trots att målet har flyttat sig så många gånger.