13. desember kunngjorde USA et gjennombrudd innen fusjon ved hjelp av verdens sterkeste laser.

Ansatte ved Lawrence Livermore National Ignition Facility klarte å skape mer energi fra fusjonsreaksjoner enn mengden energi som ble tilført fra laserne.

Det er ikke medregnet energien som gikk med til å drive laserne. Tar man med det, går regnestykket fremdeles i minus.

I et anlegg som er like stort som tre fotballbaner, dannes laserstråler som fyker igjennom mange steg og forsterkes.

Det starter med en svak laserpuls, som gjennom sin 1500 meter lange reise igjennom anlegget forsterkes en million milliarder ganger i løpet av noen få milliontedeler av et sekund.

I enden av løpet rettes 192 laserstråler mot et hylster på størrelse med en blyantspisser. Inni sitter et lite korn med to typer hydrogen.

I eksperimentet klarte forskerne å «antenne» drivstoffet, i det som beskrives som en milepæl innen fusjonsforskning.

Her få du vite hva forskerne har gjort og hvorfor det enda er langt igjen til denne metoden eventuelt kan brukes til å lage strøm til strømnettet.

les også

Forskere har skapt energi i fusjons­reaktor

Solens kraft

Audun Theodorsen er førsteamanuensis ved UiT Norges arktiske universitet og forsker på plasmafysikk, spesielt innenfor fusjonsenergi.

Han sier at forskerne ved National Ignition Facility (NIF) har gjort et veldig imponerende stykke fysikkarbeid.

For å forklare hva amerikanerne har oppnådd, går han raskt innom hva fusjon er.

Det er en av to former for atomkraft. Den andre kalles fisjon.

– Fisjon er det vi vanligvis forbinder med kjernekraft. Da spaltes tunge atomkjerner, som uran, sier Theodorsen.

Dette produserer strøm i dagens atomkraftverk.

– I fusjon smelter du isteden sammen lette atomkjerner, gjerne hydrogen til helium. Det gir store mengder energi.

Fusjon er prosessen som får solen og andre stjerner til å lyse og stråle ut varme. Hvis vi klarer å lage kraftverk basert på fusjon på jorden, vil det være en fantastisk kilde til utslippsfri energi. Man slipper i tillegg problemet med langvarig radioaktivt avfall.

– I utgangspunktet er avfallsstoffet bare helium. I en fusjonsreaktor er det ikke fare for nedsmelting slik det er med fisjon. Der er det noen grunnleggende fordeler som gjør at det er mange som er veldig motiverte til å prøve å få til fusjonsenergi, sier Theodorsen.

To hovedretninger

Å etterligne det ekstreme trykket og temperaturen inne sola er ingen lett oppgave. Ingen har så langt klart å lage et kraftverk basert på fusjon.

Men forskere har fått til mye som kan virke utrolig. De har varmet opp gass til over 100 millioner grader, som er varmere enn inne i sola. De har funnet metoder for å holde styr på vill plasma. Atomer har fusjonert i testanlegg.

Men prosessene må opprettholdes over lengre tid, og hele energiregnestykket må gå i pluss. Her er man enda nokså langt unna.

– Du kan bruke veldig sterke magneter til å sperre inne sterkt oppvarmet gass, altså plasma. Det er det vi jobber med på UiT, sier Audun Theodorsen.

Smultringformet kammer og laseranlegg

Magnetisk innesperring er metoden det forsket mest på. Som regel brukes et smultringformet kammer. Her holdes det varme plasmaet innesperret og unna veggene ved hjelp magneter.

Målet er at atomene i plasmaet skal tilføres så mye energi og holdes sammen så tett at de krasjer, smelter sammen og altså fusjonerer. Energien som utløses, skal bidra til å sette i gang nye fusjonsprosesser. Man kan tenke på det som at plasmaet har «tatt fyr».

I Frankrike er verdens største testanlegg for magnetisk innesperring under konstruksjon. Det internasjonale samarbeidsprosjektet kalles ITER. Anlegget skal etter planen lage sitt første plasma i 2025. Les mer om ITER i denne saken.

Den andre hovedtilnærmingen for å skape fusjon er den de forsker på ved National Ignition Facility (NIF) i USA.

– Du har et lite pepperkorn med drivstoff som du putter i en hylse og så bombarderer du det med veldig sterke lasere, sier Theodorsen.

– Temperaturen og trykket i det lille hylsteret går opp så mye at drivstoffet fusjonerer.

Hva har de oppnådd i USA?

Det de har oppnådd ved National Ignition Facility (NIF) er å skape mer energi fra fusjonsreaksjoner enn det som ble tilført det lille kornet via laserne. Det skjedde 5. desember.

Nærmere bestemt hadde laserne en energi på 2.05 megajoule, mens reaksjonene i kapselen produserte 3.15 megajoule med energi. Det tilsvarer omtrent tre dynamittgubber, ifølge Science.

– Dette er den første store milepælen som vi har vært ute etter i begge grenene av fusjon. Altså det å få mer energi ut enn du putter inn, sier Theodorsen.

Amerikanerne sier de har oppnådd ignition, som kan oversettes med «antenning».

– Du har fått nettoenergi fra fusjonsprosessen som kan drive nye fusjonsprosesser, sier Theodorsen.

For et veldig kort øyeblikk var reaksjonen selvgående, og energien fra fusjon sparket i gang nye fusjonsprosesser.

I en podcast fra The Economist sammenlignes det forskerne har oppnådd med å forsøke å sette fyr på et bål. Fyrstikker en tent før, men de har fislet ut raskt.

Forskere som jobber med den andre hovedgrenen av fusjon, magnetisk innesperring, håper også å få mer energi ut enn inn om ikke altfor lenge.

– Det mest ambisiøse målet er å få det til innen 2030, sier Theodorsen.

Imploderer

Ved NIF lages fusjon ved at de 192 laserstrålene møtes i toppen og bunnen av en blyantspisser stort hylster av gull. Inni hylsteret er det en trillrund kule med overflate av diamant.

Inni kulen igjen er det to typer hydrogen, deuterium og tritium. Disse er litt tyngre enn vanlig hydrogen fordi de har et og to nøytroner i kjernen i tillegg til et proton.

Hylsteret varmes opp av laserne til millioner av grader og gullet sender ut røntgenstråler, skriver Science.

Strålingen gjør at partikler på overflaten av den runde kapselen løsrives, forklarer Theodorsen.

Partiklene fyker utover. Drivstoffet inni trykkes da innover på grunn av Newtons 3. lov (når et legeme virker på et annet legeme med en kraft, vil det andre legemet virke tilbake på det første med en like stor kraft i motsatt retning).

Innholdet i kapselen trykkes sammen og imploderer, noe som setter i gang fusjon.

Ujevnhet på størrelse med bakterie påvirker

NIF er en del av forskningsinstitusjonen Lawrence Livermore National Laboratory som har som hovedansvar å sikre USAs lager av kjernefysiske våpen.

Det store laseranlegget brukes til å gjøre eksperimenter som skal sikre atomvåpenlageret og til eksperimenter med fusjon i energiøyemed.

Anlegget åpnet i 2009 og planen var å oppnå «antenning» allerede i 2012, men det viste seg å være vanskelig.

I 2021 satte forskerne rekord ved å få ut 70 prosent av energien som laserne tilførte. Men resultatet lot seg ikke gjenta.

Forskerne har jobbet med å justere laserne og kapselen med drivstoffet. Kapslene er 100 ganger glattere enn speil. Små ujevnheter i overflaten av kapselen, selv på størrelse med en bakterie kan påvirke resultatet, ble det fortalt på pressekonferansen 13. desember.

Det er også viktig at implosjonen blir symmetrisk, ifølge Science, slik at drivstoffet presses sammen likt fra alle sider, heller enn å tyte ut til siden eller presses flatt.

5. desember ble det full klaff.

Går fortsatt i minus

Selv om NIF klarte å få ut mer energi enn det som ble tilført kapselen via laser, så betyr det ikke at eksperimentet gikk i pluss når man ser på det fulle regnestykket.

For å skape laserstrålene trakk anlegget 322 megajoule med energi fra strømnettet, ifølge Nature.

Eksperimentet brukte dermed 100 ganger mer energi enn det laget.

– Det gir et bilde av hvor langt unna man er, sier Theodorsen.

– På den andre siden, så skal man ikke ta det som spikeren i kista. Dette er tross alt en forskningsinstitusjon som har optimalisert seg for å få til denne fysiske milepælen. En reaktor vil være annerledes.

Holder ikke med et korn

Det er flere store utfordringer som må løses hvis laserindusert fusjon skal kunne brukes til å lage strøm.

– Nå har de fått til dette med ett korn. Da må de finne en måte kontinuerlig tilføre nye korn eller bruke større korn. Det vil ikke holde å bare brenne ett, sier Theodorsen.

– Du må på en eller annen måte klare å lage et slags samlebånd.

Kapslene er avanserte å lage, og som nevnt kan små forskjeller påvirke resultatet.

Tritium brukes i kapslene. Det er et svært sjeldent stoff som er veldig dyrt. Innen grenen av fusjon som bruker magnetisk innesperring, er planen å produsere tritium fra en litiumkappe som ligger rundt maskinen. Det skal skje ved hjelp av nøytronstråling som dannes i fusjonsreaksjonene.

– De vil jo på samme måte som oss ha nøytronstråling, og målet er å produsere tritium fra en litiumkappe. Så må de da også produsere nye kapsler med det de lager. Det blir en litt lengre industriprosess enn det vi ser for oss, sier Theodorsen.

Energien må høstes

Videre må energien som skapes lages faktisk høstes. Dette er ikke maskinen konstruert for så langt.

Ved magnetisk innesperring er energien planlagt å høstes via veggene.

– Maskinen vil bli oppvarmet av nøytronstråling og varmestråling. Da kan du kjøle dem med væskekjøling og får varmeenergi som kan drive en dampturbin eller brukes direkte til oppvarming, sier Theodorsen.

– Det vil måtte være noe lignende de må gjøre.

Andre ting, som å øke effektiviteten på laserne, at en eventuell reaktor tåler påkjenninger over tid, samt å kunne skyte laserne med korte mellomrom er ting som må utforskes.

Er nærmere en reaktor med magnetisk innesperring

Audun Theodorsen har foreløpig mest troen på magnetisk innesperring.

– Vi er ganske mye nærmere en reaktor der og håper som sagt å nå den samme milepælen om ikke så lenge.

Et av designene kalles SPARC. Den utvikles av selskapet Commonwealth Fusion Systems (CFS) med støtte fra MIT.

– CFS som lager SPARC-reaktoren, håper å få mer energi ut enn inn innen 2030 og da er de ganske mye nærmere å ha en fullverdig reaktor enn det NIF er.

– SPARC er laget med veldig sterkt magnetfelt og er en liten maskin som gjør at de er mye kjappere å bygge enn en ITER-type maskin. Dersom de lykkes med SPARC, så er det den absolutt den raskeste veien.

LES OGSÅ:

Partikkel­eksperiment bekrefter gammel teori om hva som faktisk skjer inne i sola