Det har varit en enorm spänning över de senaste resultaten från Joint European Torus (JET)-anläggningen i Storbritannien, vilket tyder på att drömmen om kärnfusionskraft närmar sig verkligheten. Vi vet att fusion fungerar – det är den process som driver solen och ger värme och ljus till jorden. Men i årtionden har det visat sig svårt att göra övergången från vetenskapliga laboratorieexperiment till uthållig kraftproduktion.

Det grundläggande syftet med fusion är att föra samman atomkärnor för att skapa en annan, tyngre kärna – frigöra energi i processen. Detta skiljer sig från kärnklyvning, där en tung kärna som uran delas upp i mindre samtidigt som den frigör energi.

En betydande svårighet har varit processen att smälta samman lätta atomer, isotoper av väte eller helium. Eftersom de är elektriskt laddade och stöter bort varandra, motstår de sammansmältning om inte kärnor rör sig tillräckligt snabbt för att komma fysiskt mycket nära varandra - vilket kräver extrema förhållanden. Solen uppnår detta i sin kärna tack vare dess enorma gravitationsfält och dess enorma volym.

Ett tillvägagångssätt som används i laboratorier på jorden är "tröghetsinneslutning", där en liten fusionsbränslepellet runt en tiondels centimeter i diameter värms upp och komprimeras utifrån med hjälp av laserenergi. Under de senaste åren har vissa uppmuntrande framsteg gjorts med denna teknik, kanske främst av National Ignition Facility i USA där ett fusionsutbyte på 1,3 miljoner Joule (ett mått på energi) rapporterades förra året. Även om detta gav en effekt på 10 kvadrilljoner watt, varade det bara i en bråkdel (90 biljondelar) av en sekund.

En annan teknik, "magnetisk inneslutning", har använts bredare i laboratorier över hela världen och anses vara en av de mest lovande vägarna för att förverkliga fusionskraftverk i framtiden. Det innebär att man använder fusionsbränsle som finns i form av en het plasma – ett moln av laddade partiklar – begränsat av starka magnetfält. För att skapa förutsättningar för att fusionsreaktioner ska kunna äga rum, måste inneslutningssystemet hålla bränslet vid lämplig temperatur och densitet och under tillräcklig tid.

Här ligger en betydande del av utmaningen. Den lilla mängden fusionsbränsle (vanligtvis bara några gram) behöver värmas upp till enorma temperaturer, i storleksordningen 10 gånger varmare än solens centrum (150 miljoner °C). Och detta måste ske samtidigt som man bibehåller inneslutningen i en magnetisk bur för att upprätthålla en energiproduktion.

Olika maskiner kan användas för att försöka behålla denna magnetiska inneslutning av plasman, men den mest framgångsrika hittills är den så kallade "tokamak"-designen, som använder en torus (munkform) och komplexa magnetfält för att begränsa plasman, som anställd vid JET-anläggningen.

Små steg eller stort språng?

De senaste resultaten markerar en verklig språngbräda i jakten på fusionskraft. De 59 miljoner joule energi totalt, producerade under en fem sekunders period, gav en genomsnittlig fusionseffekt på cirka 11 miljoner watt. Även om detta bara räcker för att värma upp cirka 60 vattenkokare, är det ändå imponerande – att skapa en energiproduktion som är 2,5 gånger det tidigare rekordet, som sattes tillbaka 1997 (även vid JET-anläggningen och uppnådde 22 miljoner joule).

Framgången på JET är kulmen på år av planering och ett mycket erfaret team av engagerade forskare och ingenjörer. JET är för närvarande den största tokamaken i världen, och den enda enheten som kan använda både deuterium- och tritiumbränsle (båda isotoper av väte).

Maskinens design, med kopparmagneter som värms upp snabbt, gör att den bara kan arbeta med plasmaskurar på upp till några sekunder. För att ta steget till längre hållbara högeffektsoperationer kommer supraledande magneter att behövas. Lyckligtvis är detta fallet vid ITER-anläggningen, som för närvarande byggs i södra Frankrike som en del av en internationell insats som involverar 35 nationer, som nu är 80% klar. De senaste resultaten har därför gett stort förtroende för den tekniska designen och fysikprestanda för ITER-maskindesignen, också en magnetisk inneslutningsanordning, som är designad för att producera 500 miljoner watt fusionskraft.

Andra viktiga utmaningar kvarstår dock. Dessa inkluderar att utveckla lämpligt hållbara material som kan motstå det intensiva trycket i maskinen, hantera det enorma kraftutsläppet och, viktigast av allt, generera energi som är ekonomiskt konkurrenskraftig med andra former av energiproduktion.

Att uppnå anmärkningsvärda uteffekter och upprätthålla dem under mer än mycket korta tidsperioder har visat sig vara den stora utmaningen inom fusion i årtionden. Utan att detta i slutändan är löst kan ett eventuellt fusionskraftverk helt enkelt inte fås att fungera. Det är därför JET-resultaten representerar ett viktigt landmärke, även om det bara markerar ett steg på vägen.

Det enorma språnget kommer med uppskalning av de nuvarande fusionsprestationerna i efterföljande fusionssystem, såsom ITER och sedan i demonstrationskraftverk utöver detta. Och detta bör vara inom räckhåll inom en inte alltför avlägsen framtid, med sikte på drift till 2050-talet eller möjligen något tidigare.

Avgörande fördelar

Det är mycket som står på spel. Fusion producerar mer energi per gram bränsle än någon annan process som skulle kunna uppnås på jorden. Några av de främsta fördelarna med fusion är att produkterna från processen är helium och neutroner (partiklar som utgör atomkärnan, tillsammans med protoner) – ingen koldioxid eller andra växthusgaser frigörs. De råa bränslena är deuterium, som kan hittas i havsvatten, och litium - som också är rikligt och finns i stora saltslätter. Den potentiella fusionsenergin som frigörs från litiumet i en bärbar dators batteri och ett badkar med vatten uppskattas motsvara cirka 40 metriska ton kol.

Fusion producerar viss radioaktivitet i materialen som ingår i reaktorn. Men detta förväntas inte vara i närheten av lika långlivat eller intensivt som det radioaktiva avfallet som produceras av kärnklyvning – vilket gör det potentiellt till ett säkrare och mer välsmakande val än konventionell kärnkraft.

I slutändan byggdes inte Rom på en dag. Olika andra aspekter av mänsklig uppfinningsrikedom, såsom flyg, har historiskt sett tagit betydande mängder tid att utvecklas till förverkligande. Det betyder att steg på vägen som gör framsteg är oerhört viktiga och med rätta bör firas.

Fusion smyger obönhörligen framåt och vi kommer närmare och närmare att uppnå den en gång så avlägsna drömmen om kommersiell fusionskraft. En dag kommer det att ge ett nästan obegränsat utbud av koldioxidsnål kraft för många kommande generationer. Så även om det inte är riktigt där än, så kommer det.