I en värld som kämpar för att sparka sitt beroende av fossila bränslen och mata dess växande aptit för energi, Det finns en teknik under utveckling som nästan låter för bra för att vara sann:kärnfusion.

Om det fungerar, fusionskraft erbjuder enorma mängder ren energi med en nära gränslös bränslekälla och praktiskt taget noll koldioxidutsläpp. Det är om det fungerar. Men det finns team av forskare runt om i världen och miljarder dollar läggs på att se till att det gör det.

I februari förra året inleddes ett nytt kapitel inom forskning om fusionsenergi med den formella öppnandet av Wendelstein 7-X. Detta är en experimentell fusionsreaktor på 1 miljard euro (1,4 miljarder dollar) byggd i Greifswald, Tyskland, för att testa en reaktordesign som kallas en stellarator.

Det är planerat att det kommer att kunna fungera i upp till 30 minuters tid fram till 2021, vilket skulle vara rekord för en fusionsreaktor. Detta är ett viktigt steg på vägen för att visa ett väsentligt inslag i ett framtida fusionskraftverk:kontinuerlig drift.

Men W-7X är inte det enda fusionsspelet i stan. I södra Frankrike byggs ITER, en experimentell fusionsreaktor på 20 miljarder dollar (26,7 miljarder dollar) som använder en annan design som kallas tokamak. Dock, även om W-7X och ITER använder olika design, de två projekten kompletterar varandra, och innovationer i en kommer sannolikt att översättas till ett slutgiltigt fungerande kärnkraftverk.

Vrider och vänder sig

Fusionsenergi försöker replikera reaktionen som driver vår sol, där två mycket ljusa atomer, såsom väte eller helium, är sammanfogade. Den resulterande sammansmältade atomen hamnar något lättare än de två ursprungliga atomerna, och skillnaden i massa omvandlas till energi enligt Einsteins formel E =mc².

Svårigheten kommer att uppmuntra de två atomerna att smälta ihop, vilket kräver att de värms upp till miljontals grader Celsius. Att innehålla ett sådant överhettat bränsle är ingen lätt grej, så det förvandlas till en het joniserad gas - en plasma - som kan rymmas i ett magnetfält så att den faktiskt inte berör reaktorns insida.

Det som gör W-7X särskilt intressant är dess stellaratordesign. Den består av en vakuumkammare inbäddad i en magnetflaska skapad av ett system med 70 supraledande magnetspolar. Dessa producerar ett kraftfullt magnetfält för att begränsa den heta plasma.

Stellaratorer och tokamaker är båda typer av toroidala (munkformade) magnetiska inneslutningsanordningar som undersöks för fusionskraft. I dessa experiment skapar ett starkt toroidalt (eller ring) magnetfält en magnetflaska för att begränsa plasma.

Dock, för att plasman ska ha god inneslutning i den munkformade kammaren, magnetfältet måste ha en vridning. I en tokamak, som i ITER -reaktorn, en stor ström flödar i plasma för att generera den erforderliga vridna vägen. Dock, den stora strömmen kan driva "kink" instabilitet, vilket kan leda till att plasma störs.

Om plasma störs, reaktorn måste översvämmas med gas för att släcka plasman och förhindra att den skadar experimentet.

I en stjärna, vridningen i magnetfältet uppnås genom att vrida hela maskinen själv. Detta tar bort den stora toroidala strömmen, och gör plasma i sig mer stabilt. Kostnaden kommer i fältspolarnas tekniska komplexitet och minskad inneslutning, vilket betyder att plasma är mindre lätt inne i magnetbubblan.

Kom tillsammans

Medan W7-X och ITER använder olika metoder, det mesta av den bakomliggande tekniken är identisk. De är båda toroidala supraledande maskiner, och båda använder externa värmesystem som radiofrekvens och neutralstråleinsprutning för att värma plasma, och mycket av plasmadiagnostik är gemensamt.

I ett kraftverk, tunga isotoper av väte (deuterium och tritium) smälter till helium tillsammans med en energisk neutron. Medan heliumet finns i plasma, neutronen har en neutral elektrisk laddning, och skjuter iväg i "filten" som omger plasma. Detta värmer upp det, som i sin tur driver en ångturbin som genererar el.

Ett gemensamt drag i fusionskraften är behovet av att utveckla material som tål hög värme och snabba neutroner som genereras av fusionsreaktionen. Oavsett design, den första väggen i en fusionsreaktor måste tåla ett massivt bombardemang från partiklar med hög energi under hela sin livstid.

I detta skede, det är för tidigt att säga om tokamak-designen som används av ITER eller stellaratorn som används av W-7X kommer att vara bättre lämpad för ett kommersiellt fusionskraftverk. Men påbörjandet av forskningsverksamheten för W-7X hjälper inte bara till att avgöra vilken teknik som kan vara bäst att driva, men kommer att bidra med värdefull kunskap till framtida fusionsexperiment, och kanske en dag en sann energirevolution.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.