Uppstickaren HB11 Energy tar fusionsforskningen i ny riktning

Text: Alarik Haglund

Det australiensiska företaget HB11 Energy grundades med avsikten att förverkliga fysikern Heinrich Horas vision om ren, säker och i stort sett obegränsad energi genom fusion av väte och bor-11 med hjälp av laser. Efter att ha säkrat 4,6 miljoner australiensiska dollar i finansiering inledde företaget i februari 2021 ett internationellt forsknings- och utvecklingsprogram, med målsättningen att demonstrera att deras reaktorkoncept kan generera nettoenergivinst - fusionsforskningens heliga graal.

Den moderna fusionsforskningen har till stor del fokuserat på att utvinna energi genom att slå samman väteisotoperna deuterium och tritium. Genom att i stället fokusera på fusion av väte och bor-11, så kallad HB11-fusion, hoppas det australiensiska företaget HB11 Energy kunna undvika många av de utmaningar som hållit tillbaka andra fusionsprojekt och uppnå nettoenergivinst på mycket kortare tid och till en betydligt lägre prislapp.

Förutspåddes på 1970-talet

HB11 Energy, som är Australiens första kommersiella fusionsenergiföretag, grundades av bland andra Heinrich Hora, tidigare professor i teoretisk fysik vid University of New South Wales, och Warren McKenzie, som är entreprenör och doktor i materialvetenskap.

Heinrich Hora tog redan 1978 fram en metod för att uppnå HB11-fusion med hjälp av laser. Dessvärre existerade den laserteknik som krävdes för hans metod inte ännu och hans ambitioner lades på is.     

1985 visade Donna Strickland och Gerard Mourou hur korta och extremt intensiva pulser av laserljus kunde skapas med hjälp av en teknik som kallas CPA (Chirped Pulse Amplification). Upptäckten, som gav dem 2018 års Nobelpris i fysik, satte fart på utvecklingen av högintensivlasrar. Till slut hade tekniken kommit så långt att den uppfyllde de krav som förutspåddes av Heinrich Hora för att kunna uppnå HB11-fusion. Mellan 2005 och 2015 utfördes flera experiment där ny laserteknik användes för att demonstrera HB11-fusion och bekräfta Heinrich Horas förutsägelser.

Inga extrema temperaturer

Det som i första hand gör att laserdriven HB11-fusion skiljer sig kraftigt från de andra kommersiella fusionsmetoder som utvecklas är att fusionsbränslet inte behöver hettas upp till extrema temperaturer för att reaktionen ska starta.

Behovet av att hetta upp bränslet till tiotals miljoner grader Celsius för att sätta i gång fusionsreaktionen mellan deuterium och tritium har lett till att fusionsprojekt som ITER och NIF är några av de största och mest komplexa vetenskapliga experimenten i världen, med motsvarande stora investeringskostnader och långa tidsplaner. Tack vare att HB11-fusion kan uppnås på icke-termisk väg med hjälp av laser förväntar sig HB11 Energy inte att de kommer att ställas inför i närheten av lika stora tekniska utmaningar som andra fusionsprojekt. Det innebär också att reaktorns storlek inte har någon betydelse för resultatet, vilket gör att det inte ställs några krav på projektets skala.

Bränslet är dessutom både lättillgängligt och säkert. Väte är det vanligast förekommande ämnet i universum och bor-11 är den vanligaste isotopen av bor, som utgör omkring 80 procent av allt naturligt förekommande bor. Det är också en stabil isotop som till skillnad från tritium inte är radioaktiv.

Ingen skadlig strålning

En annan fördel är att energin från HB11-reaktionen frigörs i form av laddade partiklar, vilket gör att den lättare kan omvandlas direkt till elektricitet och inte behöver ta omvägen via värme. Det betyder att ett kraftverk baserat på HB11-fusion klarar sig utan ångturbiner och generatorer.

Tack vare att reaktionen inte ger upphov till några neutroner med hög energi genereras inte heller någon skadlig strålning och det bildas inget radioaktivt avfall. Det finns inte heller någon risk för härdsmälta eftersom reaktionen lätt kan stoppas. Därmed finns det inget behov av storskaliga externa kylsystem.

- Vår rena och helt säkra reaktor kan placeras i tätbebyggda områden, utan risk för en katastrofal härdsmälta som de som har setts med fissionsreaktorer, säger Heinrich Hora.

Förutom att reaktorn är både ren och säker betyder elimineringen av ångturbiner och generatorer och det minskade behovet av säkerhetsåtgärder att ett kraftverk kan vara mycket liten och att infrastrukturkostnaderna blir låga. HB11 Energy uppskattar att kostnaden bara kommer att vara omkring en fjärdedel så stor som för ett kolkraftverk.

 

bild
Tack vare att energin från fusionen av väte och bor-11 frigörs i form av laddade heliumkärnor i stället för neutroner kan den omvandlas direkt till elektricitet och man slipper ångturbiner och generatorer. Illustration: HB11 Energy

 

Lavinreaktion nyckeln till nettoenergivinst

Efter att Heinrich Horas förutsägelser bekräftats experimentellt följde ytterligare två viktiga milstolpar som banat väg för HB11 Energys reaktorkoncept.

De första experimenten visade att det är möjligt att uppnå fusion av väte och bor-11 på icke-termisk väg genom att använda högintensiva laserpulser för att accelerera vätekärnor mot atomer av bor-11. Fusionsreaktionen resulterade som förväntat i alfapartiklar, det vill säga positivt laddade heliumkärnor, med hög energi. I senare experiment observerades emellertid att utbytet av reaktionen var omkring en miljard gånger större än man förväntat sig. Förklaringen visade sig vara att det sker en lavinartad reaktion och resultatet var av mycket stor betydelse eftersom det skulle kunna vara nyckeln till att uppnå nettoenergivinst.

Andra experiment demonstrerade dessutom att det med hjälp av en andra laser och en kondensatorspole går att skapa ett magnetiskt fält med kiloteslastyrka. Det magnetiska fältet ökar sannolikheten för att de accelererade vätekärnorna ska slås samman med en boratom. Med andra ord ökar antalet reaktioner, vilket gör att utbytet av reaktionen blir ännu större.

 

Elegant koncept

I HB11 Energys reaktorkoncept, som tar avstamp i dessa experiment, är en cylinderformad bränslepellet, innehållande väte och bor-11, placerad i en kondensatorspole. Samtidigt som ett magnetiskt fält med kiloteslastyrka skapas med hjälp av en nanosekundlång laserpuls sätts fusionsreaktionen i gång av en pikosekundlång laserpuls med en energi på flera kilojoule.

För att man ska kunna ta vara på energin hos de heliumkärnor som bildas i samband med reaktionen omges den av en sfär med en elektrisk potential på strax under 1,4 megavolt och en radie på minst en meter. Eftersom sfären ska stå emot chockvågen från fusionsreaktionen, som uppskattas motsvara chockvågen från omkring 50 gram kemiskt sprängämne, måste den vara gjord av stål eller ett liknande material och vara minst några millimeter tjock.

Genom att de laddade heliumkärnorna bromsas in innan de når sfären och sedan neutraliseras när de kommer i kontakt med sfären kan de omvandlas direkt till elektricitet. Enligt HB11 Energys beräkningar kan varje bränslepellet på 15 milligram generera upp till 300 kilowattimmar elektricitet.

- Professor Heinrich Hora är pionjär inom teknik för fusion av väte och bor - den mest eleganta metod som jag hittills har stött på. Nu måste vi omsätta teorin i praktiken, säger Lukasz Gadowski, som anslöt sig till företagets styrelse i februari 2021 i samband med att de inledde ett internationellt forsknings- och utvecklingsprogram för att demonstrera att reaktorkonceptet kan generera nettoenergivinst.