Äntligen tycks de mångåriga strävandena att bygga en fusionsreaktor ha ryckt ett steg närmare att bli verklighet. De senaste experimenten med det amerikanska forskningsinstitutet MIT:s experimentella reaktor Alcator C-Mod har gett lovande resultat.
De har uppdagat ett antal ”operativa” parametrar för reaktorn – ett driftläge (”a mode of operation”) – som kan erbjuda en lösning på ett sedan länge känt driftproblem: Hur kan värmen hållas kvar innesluten i den upphettade gasen, kallad plasma, inne i reaktorn och samtidigt tillåta att kontaminerade partiklar, som kan störa fusionsreaktionen, släpps ut och avlägsnas från kammaren?
De flesta experimentella fusionsreaktorer i världen i dag är i likhet med MIT:s Plasma Science and Fusion Center av en typ som kallas tokamaker, i vilka kraftfulla magnetfält används för att fånga het plasma inuti en bullformad eller toroidal kammare.
En tokamak – ordet kommer från ryskan och är en akronym för ”toroidal kammare i magnetiska spolar”, en konstruktion för inneslutning av plasma med ett toroidalt magnetfält för termonukleär fusion.
Beroende på hur man varierar magnetfältets styrka och form brukar både värme och partiklar konstant läcka ut ur plasman (i ett driftläge som kallas L-mode för låg inneslutning), eller så kan de hållas kvar på plats i större utsträckning (i H-mode, för hög inneslutning), menar Dennis Whyte, MIT.
Whyte har nu tillsammans med forskarkolleger vid MIT, efter omkring 30 års tester med Alcator-reaktorer som utvecklats och förfinats under årens lopp, hittat ett nytt driftläge. Det kallar de för I-mode (för förbättrad, ”improved”). Det här bör leda till att värmen hålls kvar helt och hållet medan såväl partiklar som föroreningar kan läcka ut. Det bör förhindra att föroreningarna “förgiftar” fusionsreaktionen.
IAEA
– Det här är väldigt spännande, säger Dennis Whyte som också är medförfattare till några nyare artiklar som beskriver mer än 100 tester av det nya driftläget. Whyte presenterade resultaten av sin forskning vid Internationella atomenergiorganets (IAEA) internationella fusionskonferens i Sydkorea i slutet av förra året.
– Det ser verkligen annorlunda ut jämfört med de tidigare kända driftlägena, säger han.
I tidigare experiment i tokamaker ändrades alltid inneslutningsgraden av värme och partiklar simultant.
– Vi har i alla fall bevisat att de inte måste föl- jas åt, säger Amanda Hubbard, en av de ledande forskarna vid MIT:s Plasma Science and Fusion Center och medförfattare till rapporterna.
Hubbard presenterade de senaste resultaten under ett möte i december hos American Physical Society, avdelningen för plasmafysik, och hon säger att resultaten där ”tilldrog sig mycket uppmärksamhet”.
Men, tillägger hon:
– Vi försöker fortfarande förstå varför det nya driftläget fungerar som det gör.
Forskningen är finansierad av amerikanska energidepartementet.
Bränslet
Bränslet i planerade tokamaker består av väteisotoperna deuterium och tritium och det värms upp till mer än 100 miljoner grader Celsius. I nuvarande reaktorer som Alcator C-Mod används dock inte tritium och temperaturen är vanligtvis något lägre. Denna heta plasma innesluts alltid i en bullformad magnetisk “flaska” som hindrar den från att vidröra – och därmed smälta ned - kammarens väggar. Ändå orsakar bara dess närhet till väggarna och enstaka läckage av het plasma att ett mindre antal partiklar från väggarna blandar sig med plasman och en sorts förorening uppstår.
En annan typ föroreningar som man kan förvänta sig som en produkt av fusionsreaktionerna själva är heliumatomer, som skapats genom sammansmältning av väteatomer men som inte har kapaciteten att åstadkomma ytterligare fusioner under samma förhållanden.
När en fusionsreaktor är i drift ackumuleras orenheter. Enligt Whyte finns ett flertal experimentella observationer och teoretiska förslag till hur man skulle kunna avlägsna dem med intervaller allteftersom de ackumuleras.
– Nu verkar det som att vi har upptäckt en helt ny spolmekanism som innebär att de inte ackumuleras överhuvudtaget.
– En av nyckelfaktorerna bakom det nya driftläget var att konfigurera magnetfältet inne i tokamaken så att det står vänt uppochner jämfört med det vanliga H-driftläget, säger Hubbard.
Resultaten kan vara betydelsefulla för att möjliggöra nästa steg inom fusionsenergin som går ut på att fusionsreaktioner och fusionskraft hålls igång genom ”självuppvärming”, så att det inte behövs tillförsel av några större mängder kraft utifrån.
ITER
Forskare räknar med att uppnå den milstolpen, kallad ”fusion burn”, inom ramen för ett nytt internationellt reaktorsamarbete, ITER, som är en reaktor som byggs i Frankrike.
– Resultaten från MIT kan högst sannolikt appliceras på ITER:s mycket snarlika reaktordesign, säger Whyte.
Patrick Diamond, professor i plasmafysik vid University of California i San Diego, säger:
– Resultaten kan vara av stor betydelse eftersom de kunde lösa ett centralt problem när det gäller designen av nästa generations fusionsreaktorer: förekomsten av oförutsägbara utbrott av värme från kanten av den inneslutna plasman som kan “bränna sönder” en del av tokamakens inre delar.
– I-driftläget eliminerar eller minskar avsevärt dessa värmeutbrott eftersom det möjliggör en brant temperaturgradient - vilket är vad man vill uppnå - men ingen brant densitetsgradient, som man egentligen inte behöver, säger han.
Diamond tillägger att teoretiker kommer att ha fullt upp att förklara det nya driftläget.
– Varför transporteras värme och partiklar olika? Detta är en verkligt grundläggande fråga eftersom de flesta teorier skulle förutse att det finns en stark koppling mellan de två, säger han.
– Det är en verklig utmaning för oss teoretiker, viktig både begreppsmässigt och praktiskt.
Stor flexibilitet i driften
Rich Hawryluk, forskare vid Princeton Plasma Physics Laboratory, säger att forskningen är ett “betydande framsteg” som väckt stort internationellt intresse och att andra forskare nu planerar att följa upp dessa resultat.
Ett forskningsområde kan enligt Rich Hawryluk bli, om det är praktiskt genomförbart, att låta en fusionsreaktor “tillförlitligt köras i I-driftläge utan att gå över i H-läge, som kan medföra sådana våldsamma instabiliteter i kanterna”.
– De driftförhållanden och kontrollkrav som behövs för att vara kvar i I-driftläge måste förstås bättre, säger han.
En av de viktigaste skillnaderna som, enligt Hubbard, förklarar vad som gjorde det möjligt att upptäcka detta fenomen i MIT:s reaktor Alcator C-Mod är att det är en relativt liten reaktor, men ändå tillräckligt stor för att frambringa resultat som är relevanta för framtida reaktorer som ITER.
– Den har därför stor flexibilitet i driften och det är lätt att göra uppföljningar med den när vi gör nya upptäckter.
I större reaktorer måste man vanligtvis planera sina tester upptill två år i förväg.
– Med denna mindre maskin kan vi prova på nya saker allteftersom de uppstår. Denna möjlighet till utforskning har varit en nyckelfaktor.
