Fusion innebär att två lätta kärnor slås samman till en tyngre kärna. Fusion, eller termonukleära reaktioner mellan lätta grundämnen, är de typiska reaktioner som sker i solen och andra stjärnor. I solen omvandlas faktiskt varje sekund 657 miljoner ton väte till 653 miljoner ton helium. De 4 miljoner ton som utgör massskillnaden omvandlas till strålning – och det är så solen lyser. Den extrema temperaturen och det höga trycket skapar ett tillstånd av starkt joniserad materia som kallas plasma, och som hålls samman av gravitationskrafterna.

En fusionsreaktion där en relativt stor mängd energi (27,7 MeV) frigörs är den där fyra reagerande protoner leder till att en heliumkärna (en alfapartikel) bildas. Eftersom det är väteisotoper som slås samman i denna process, och väte finns praktiskt taget överallt omkring oss, är idén att utvinna energi ur fusion av väte oerhört lockande: den erbjuder en till synes obegränsad energikälla för kommande generationer!

Fusionsreaktioner är dock inte lätta att åstadkomma på jorden. Man måste komma ihåg att de temperaturer som krävs är extremt höga, i allmänhet i storleksordningen hundratals miljoner kelvin. Och när det heta plasmat väl har skapats är det inte på något sätt enkelt att upprätthålla det.

Här är en lista över fusionsreaktioner mellan lätta kärnor som skulle kunna komma i fråga för praktiska tillämpningar:

För att starta en fusionsreaktion måste man övervinna Coulombrepulsionen mellan kärnorna. Därför måste de ha hög rörelseenergi när de kolliderar (från några få keV till flera hundra keV) (vi återkommer senare till en annan möjlighet att starta fusion vid låga temperaturer, så kallad myonkatalyserad fusion). Det är lätt att accelerera lätta partiklar till sådana energier. Men den energi som krävs för att driva acceleratorerna är långt större än den energi man vinner genom fusionen. Det är mer praktiskt att gå en annan väg: reaktanternas rörelseenergi kan komma från den höga temperaturen i en gas av partiklarna. Vid temperaturer på tiotals eller hundratals miljoner kelvin slits elektronerna loss från atomerna, så att reaktanterna finns som ett hett plasma. Det är därför man talar om ”termonukleära” reaktioner.

Det största tekniska problemet är att skapa de extremt höga temperaturerna och trycken i den joniserade gasen, plasmat, och att hålla det instängt tillräckligt länge för att starta fusionen och därmed energifrigörelsen. När det väl har lyckats, och tillräckligt många fusionsreaktioner äger rum, skulle förhållandena kunna upprätthålla sig själva, dvs. en tillförsel av nytt bränsle skulle ge en kontinuerlig energiproduktion.

Villkoret för att en termonukleär reaktor ska kunna avge energi ges av det så kallade Lawsonkriteriet, som säger att produkten av kärntätheten i plasmat och den tid som plasmat hålls instängt vid rätt antändningstemperatur måste överstiga ett visst tröskelvärde. Till exempel för D-T-fusionsreaktionen:

n_eτ_E ≥ 1.5 × 10²⁰ s/m³

Kravet på höga temperaturer innebär att plasmat inte får komma i kontakt med väggarnas material. Därför måste man ta fram särskilda tekniker för att innesluta plasmat.

Det finns tre metoder för att innesluta plasma: gravitationell, magnetisk och tröghetsinneslutning. I stjärnorna beror inneslutningen på deras gravitationsfält, som skapar ett tillräckligt högt tryck. Den sortens inneslutning kan dock inte användas på jorden. I stället kan man använda starka magnetfält för att fånga plasmat med metoden magnetisk inneslutning, eller också pressar man, med det som kallas tröghetsinneslutning, samman vätekulor med hjälp av antingen en kraftfull laser eller partikelstrålar.

Vid magnetisk inneslutning, där partikeltätheten är större än omkring 10²⁰/m³, måste inneslutningstiden enligt Lawsonkriteriet vara längre än 1s. Vid tröghetsinneslutning är den typiska plasmatätheten till exempel ≈ 10³¹/m³, och inneslutningstiden måste vara av storleksordningen 10^-11s.

Den reaktion som är mest sannolik för praktiska tillämpningar är fusion av deuterium och tritium, D + T → ⁴He + n + 17,58 MeV, även om man också överväger deuterium-deuterium-reaktioner. Deuterium finns lätt tillgängligt i vatten (30 gram per kubikmeter). Tritium måste däremot antingen framställas i en kärnreaktor eller avlas fram i en fusionsreaktor ur litium, ett grundämne som finns i stora mängder i jordskorpan.

Det kan åstadkommas genom att omge reaktorkärnan med en relativt tjock (omkring 1m) litiummantel som också innehåller beryllium. Litium absorberar neutroner som bromsas in i manteln och omvandlas till tritium och helium. Den frigjorda energin värmer upp manteln, och därmed startar en konventionell energiproduktion. Berylliumets uppgift är att upprätthålla ett tillräckligt antal neutroner i systemet.

Laddade partiklars rörelse i ett plasma kan styras med ett yttre magnetfält. I slutna magnetiska inneslutningssystem, så kallade tokamakreaktorer, värmer och innesluter man plasmat (till exempel D-T) vid tätheter på upp till 10²¹ partiklar per kubikmeter. Magnetfältet är utformat för att hålla partiklarna borta från behållarens väggar. Annars skulle plasmat omedelbart ’kylas av’ och fusionsreaktionerna upphöra.

Förutom den mycket höga temperaturen är också det magnetiska tryck som krävs för att innesluta plasmat imponerande. Vid en partikeltäthet som i atmosfären (omkring 10²⁷ partiklar per kubikmeter) och en termisk energi på 10keV måste det magnetiska trycket överstiga 10⁸ hPa. Fältspolarna och deras mekaniska upphängning tål inte sådana tryck! För att sänka trycket måste man minska partikeltätheten. För att uppfylla Lawsonkriteriet måste man då hålla det heta plasmat instängt längre tid.

Den mest effektiva magnetfältskonfigurationen har visat sig vara den toroidala. Reaktorkammaren har formen av en munk och bildar en sluten ”magnetisk flaska”. För att plasmat ska vara stabilt följer magnetfältlinjerna i själva verket en skruvformad bana. Sådan inneslutning åstadkoms i anläggningar som kallas tokamaker, stellaratorer och reverse field pinch (RFP).

I en tokamak är en rad spolar placerade runt den torusformade kammaren. Transformatorkärnan går genom tokamakens centrum, medan strömmen i plasmat utgör en sekundärkrets. Det vinkelräta, så kallade poloidala fältet induceras både inifrån, av den ström som drivs i plasmat, och utifrån, av poloidala fältspolar som är placerade runt behållarens omkrets.

Denna ström värmer också plasmat till den nödvändiga höga temperaturen på omkring 10 miljoner K. Idén till tokamaken kommer från de ryska fysikerna Andrej Sacharov och Igor Tamm. Tokamakernas största nackdel är det relativt snäva driftsområdet för parametrarna. Den största tokamak som hittills byggts var Joint European Torus (JET).

I en stellarator regleras plasmaförhållandena av strömmar som går utanför plasmat. De skruvformade fältlinjerna i stellaratorerna skapas av en rad spolar som själva är skruvformade.

Den största stellaratorn, Large Helical Device (LHD), som syns på bilden nedan, togs i drift 1998 vid Japans National Institute for Fusion Science. Eftersom ingen ström induceras i plasmat i stellaratorer måste uppvärmningen ske på andra sätt, till exempel genom att tillföra plasmat elektromagnetisk strålning. En sådan teknik planeras i Greifswald i Tyskland. Dessa anläggningar liknar tokamaker när det gäller de toroidala och poloidala fälten. Strömmarna är dock mycket starkare, och dessutom är det toroidala fältets riktning inne i plasmat omvänd vid plasmats kant. Den typen av system används bland annat i Padua i Italien.

Tekniken med tröghetsinneslutningsfusion (ICF) bygger på en förberedd bränslekula av D-T som sedan snabbt värms upp för att nå den temperatur och det tryck som krävs för att bilda ett plasma.

Det åstadkoms genom att kulan pressas samman genom beskjutning med kraftiga, välfokuserade laserpulser. Under sådana förhållanden förångas kulans yta och bildar en plasmakrona. Plasmat expanderar och skapar en inåtgående kompressionsfront som får kulan att implodera, så att en ögonblicklig fusionsreaktion äger rum.

Det mest avancerade fusionssystemet som bygger på tröghetsinneslutning är NOVA vid Lawrence Livermore Laboratory i USA. Forskare vid NOVA har visat att man vid kompression kan nå tätheter som är 600 gånger högre än tätheten hos en flytande D-T-blandning och 20 gånger högre än tätheten hos bly.

Europeiska gemenskapen startade programmet Joint European Torus – JET 1978. Huvudsyftet med JET var att göra försök med fusion, plasmafysik och stabilitetsförhållanden. Culham i Storbritannien valdes som plats för JET.

Anläggningen, som faktiskt är den största tokamak som hittills byggts, var klar för drift 1983, och den första kontrollerade fusionseffekten producerades i november 1991. Rekordeffekten 16 MW uppnåddes under en sekund 1997 med blandat deuterium-tritium-bränsle. JET-experimentet visade att kontrollerad fusion är möjlig.

Dess efterföljare är ITER, ett internationellt forsknings- och teknikprojekt som just nu bygger världens största experimentella fusionsreaktor av tokamaktyp i Cadarache i Frankrike. ITER-projektet har som mål att ta det efterlängtade steget från experimentella studier av plasmafysik till fullskaliga fusionskraftverk som producerar elektricitet.

National Ignition Facility (NIF) i Kalifornien, USA, är världens största och mest energirika laseranläggning, och ett av dess mål är att för första gången uppnå fusion med energivinst i laboratoriet – i grunden att skapa en miniatyrstjärna på jorden.

NIF använder kraftfulla lasrar för att värma upp och pressa samman en liten mängd vätebränsle tills fusionsreaktioner äger rum. NIF är den största och mest energirika ICF-anläggning som hittills byggts, och den första som väntas nå det länge eftersträvade målet ”antändning”, där mer energi produceras än vad som tillfördes för att starta reaktionen. Anläggningens uppdrag är att uppnå fusion med stor energivinst i laboratoriet och att stödja underhåll och konstruktion av kärnvapen genom att studera materiens beteende under de förhållanden som råder inuti kärnvapen.

De extrema temperaturer och tryck som skapas inuti NIF:s målkammare gör det möjligt för forskarna att utföra aldrig tidigare skådade experiment inom högenergitäthetsfysik och få nya insikter om astrofysikaliska fenomen som supernovor, jätteplaneter och svarta hål.

Fusion är på sätt och vis den motsatta reaktionen till fission. Vid fission bildas kärnor med mindre massa ur en tung kärna, och summan av de bildade massorna är mindre än den tunga kärnans massa. Vid fusion är den tyngre kärnans massa mindre än summan av de lättare kärnornas ursprungliga massor.

Det är lätt att se att för att starta en sådan reaktion måste de kolliderande kärnornas relativa energi (kom ihåg att de är positivt laddade!) vara tillräckligt hög för att övervinna deras elektriska repulsion. För att bilda heliumatomer genom till exempel fusion av deuterium och tritium måste bränslet därför hållas under extremt hög temperatur och högt tryck.

I den nyss beskrivna reaktionen bildas en neutron. Denna neutron har mycket hög rörelseenergi, som avges när den bromsas in. Denna energi kan omvandlas till värme för att producera ånga, som i sin tur kan driva en turbin och en elgenerator. De neutroner som bildas i sådana fusionsreaktioner kan också användas för att framställa kärnbränsle ur utarmat uran, dvs. uran som innehåller mindre ²³⁵U än naturligt uran (0,72 %).

Ungefär en av varje 6000 väteatomer omkring oss (även vätet i vatten) är en deuteriumatom. Denna förekomst är en stark drivkraft för att konstruera någon form av fusionsanläggning – eftersom det i praktiken skulle ge mänskligheten en energiförsörjning i kanske miljarder år!

Som jämförelse: för att producera 1 GW-år elektrisk energi behöver man omkring 35 ton UO₂ vid fission, men omkring 100kg deuterium plus 150kg tritium vid fusion. Något annat som gör fusion attraktiv är den nästan fullständiga avsaknaden av radioaktiva biprodukter. Framför allt uppstår inget material som kan användas för att tillverka kärnvapen när ett fusionskraftverk är i drift. Till skillnad från kärnreaktorer som använder fission är en explosion i anläggningen dessutom praktiskt taget omöjlig: om en explosion skulle inträffa skulle plasmat expandera och svalna, vilket automatiskt skulle stoppa fusionsprocessen.

Det betyder inte att det inte finns några risker med fusionsreaktorer. Man måste särskilt tänka på den omfattande produktionen av neutroner och av radioaktivt tritium. Förekomsten av smälta litiumsalter och av det cancerframkallande berylliumet skulle också vara ett problem.

Precis som i fissionsreaktorer bildas en hel del joniserande strålning (särskilt neutroner) i fusionsreaktorer. Man räknar därför med att ett av de största problemen blir avskärmningen mot inducerad radioaktivitet i hela anläggningen. Den risk som är förknippad med en eventuell olycka i magnetsystemet, som lagrar extremt stora mängder energi, måste tas på allvar. År 1992 bildades en grupp som kallas European Safety and Environmental Assessment of Fusion Power (SEAFP). Gruppens syfte är att arbeta med utformningen av fusionskraftverk, deras säkerhetsförhållanden och bedömningen av deras miljöpåverkan. Enligt SEAFP:s bedömningar består fusionens största fördelar jämfört med fissionskraftverk i att utsläppet av strålning inte ens i värsta tänkbara fall skulle nå en nivå som tvingar människor att evakueras. Dessutom sönderfaller det radioaktiva avfallet från fusionskraftverk relativt snabbt och behöver inte isoleras från omgivningen. Ett särskilt problem är ett eventuellt utsläpp av radioaktivt tritium till miljön. Denna radioaktiva gas tränger mycket lätt igenom material, löser sig lätt i vatten och kan fortfarande vara farlig lång tid efter att den bildats (tritiums halveringstid är omkring 12 år).

Hittills har alla löften och förhoppningar om energiproduktion visat sig vara förhastade – det är först för inte så länge sedan som den producerade energin har motsvarat den energi som tillförts systemet (först i amerikanska TFTR och japanska JT60 och vid Joint European Torus – JET). De största utmaningarna är: att upprätthålla en stabil plasmakonfiguration, att hitta material som tål de intensiva neutronflöden som bildas, att ta tillvara energin för nyttiga ändamål och att producera betydligt mer energi än vad som tillförs.

I spetsen för arbetet med att göra fusionsenergi kommersiell står i dag ITER, som går tillbaka till 1985. Projektet fick ny fart efter att ITER-organisationen grundades 2007 med Kina, EU, Indien, Japan, Sydkorea, Ryssland och USA som medlemmar. Anläggningen byggs nu i Cadarache i Frankrike med målet att uppnå en effekt på 500MW och en fusionsförstärkningsfaktor Q=5-10 inom projektets tidsram på 30 år.

Grunden läggs till den kommande tokamakbyggnaden – Cadarache, februari 2014.

Tyvärr har termonukleär energi (liksom andra energiformer) redan använts för militära ändamål i den så kallade vätebomben.