Det gamla skämtet är att kärnfusion alltid är 30 år bort. Ändå är drömmen om riklig ren energi ingen skratt när vi träffar en ITER-forskare för att fånga upp framstegen vid reaktoranläggningen.

Solen har drivit liv på jorden i miljarder år och skapat ljus och värme genom kärnfusion. Med tanke på den otroliga kraften och livslängden verkar det knappast finnas ett bättre sätt att generera energi än genom att utnyttja samma kärnprocesser som sker i våra egna och andra stjärnor.

Kärnfusionsreaktorer syftar till att replikera denna process genom att smälta samman väteatomer för att skapa helium och frigöra energi i form av värme. Att upprätthålla detta i stor skala har potential att producera en säker, ren, nästan outtömlig strömkälla.

Uppdraget började för decennier sedan, men kan ett långvarigt skämt om att kärnfusion alltid är 30 år bort snart börja se gammalt ut?

Vissa hoppas det, efter ett stort genombrott under ett kärnfusionsexperiment i slutet av 2021. Detta skedde vid forskningsanläggningen Joint European Torus (JET) i Oxfordshire, U.K., i en gigantisk munkformad maskin som kallas tokamak.

Inuti genereras överhettade gaser som kallas plasma där fusionsreaktionerna äger rum, innehållande laddade partiklar som hålls på plats av kraftfulla magnetfält. Sådana plasma kan nå temperaturer på 150 miljoner grader Celsius, ofattbart 10 gånger varmare än solens kärna.

I en utdragen fem sekunder lång utbrott släppte forskare i EUROfusion-konsortiet rekordstora 59 megajoule (MJ) fusionsenergi. Detta var nästan tredubbla det tidigare rekordet på 21,7 MJ som sattes vid samma anläggning 1997, med resultaten utropade som "den tydligaste demonstrationen på ett kvarts sekel av potentialen för fusionsenergi att leverera säker och hållbar energi med låga koldioxidutsläpp."

Resultaten gav ett stort uppsving inför nästa fas av kärnfusionens utveckling. En större och mer avancerad version av JET känd som ITER (som betyder "vägen" på latin) är under uppbyggnad på en 180 hektar stor tomt i Saint-Paul-lès-Durance, södra Frankrike.

ITER, som byggs som ett samarbete mellan 35 nationer, inklusive de i EU, syftar till att ytterligare stärka begreppet fusion. En av de mest komplicerade maskinerna som någonsin har skapats, den var planerad att börja generera sin första plasma 2025 innan den började användas med hög effekt runt 2035 – även om forskare i projektet förväntar sig vissa förseningar på grund av pandemin.

Större milstolpe

Resultaten vid JET representerar ett stort landmärke, säger professor Tony Donné, programledare för EUROfusion-projektet, ett stort konsortium med 4 800 experter, studenter och anläggningar över hela Europa. "Det är en enorm milstolpe - den största på länge," sa han.

"Det har bekräftat all modellering, så det har verkligen ökat förtroendet för att ITER kommer att fungera och göra vad det är tänkt att göra." Medan energin som genererades vid JET varade bara några sekunder, är målet att öka detta till en ihållande reaktion som producerar energi.

Resultaten var kulmen på år av förberedelser, där professor Donné förklarade att en av de viktigaste utvecklingarna sedan 1997 var att byta JET-fartygets innervägg.

Tidigare var väggen gjord av kol, men detta visade sig vara för reaktivt med bränsleblandningen av deuterium och tritium, två tyngre isotoper - eller varianter - av väte som användes i fusionsreaktionen. Detta resulterade i att det bildades kolväten som låste tritiumbränslet i väggen.

I ombyggnaden, som involverade 16 000 komponenter och 4 000 ton metall, ersattes kolet med beryllium och volfram för att minska kvarhållningen av tritium. I slutändan kunde teamet minska mängden instängt bränsle med en stor multipel, vilket bidrog till framgången för det senaste fusionsskottet.

DEMO-körning

Som förberedelse för nästa etapp av fusionens episka resa såg uppgraderingar till JET till att dess konfiguration överensstämmer med planerna för ITER. Längre fram i framtiden kommer nästa steg bortom ITER att vara ett demonstrationskraftverk känt som DEMO, designat för att skicka elektricitet till nätet – vilket leder till att fusionsanläggningar blir en kommersiell och industriell verklighet.

"ITER är en enhet som kommer att skapa 10 gånger mer fusionsenergi än energin som levereras till plasman", säger professor Donné. "Men eftersom det är en experimentanläggning kommer den inte att leverera el till nätet. För det behöver vi en annan anordning, som vi kallar DEMO. Detta kommer verkligen att föra oss till grunden för den första generationen av fusionskraftverk."

Prof Donné tillade:"JET har nu visat att fusion är rimlig. ITER måste visa att det är ytterligare genomförbart, och DEMO kommer att behöva visa att det verkligen fungerar."

Han har planerat att ge upp till 500 megawatt (MW) till nätet och han tror att det är realistiskt att DEMO kommer i drift runt 2050. "Vi hoppas kunna bygga DEMO mycket snabbare än vi byggde ITER, vilket gör (användning av) lärdomarna, " han sa.

Ändå finns det andra viktiga utmaningar att övervinna på vägen mot att få igång kärnfusion. Inte minst är att medan deuterium finns rikligt i havsvatten, är tritium extremt ont om och svårt att producera.

Forskarna planerar därför att utveckla ett sätt att generera det inuti tokamak, med hjälp av en "uppfödningsfilt" som innehåller litium. Tanken är att högenergineutroner från fusionsreaktionerna kommer att interagera med litiumet för att skapa tritium.

Nödvändig energi

Professor Donné sa att kärnfusion kan visa sig vara en avgörande grön och hållbar energikälla för framtiden. "Jag skulle säga att det är viktigt", sa han. "Jag är inte övertygad om att vi 2050 kan göra koldioxidomställningen med bara förnybara energikällor, och vi behöver andra saker."

Och även om han säger att den nuvarande metoden för att skapa kärnenergi genom fission blir säkrare och säkrare, har fusion viktiga fördelar. Förespråkare för ITER talar om fördelar som frånvaro av härdsmältningsrisk, och tillägger att kärnfusion inte ger långlivat radioaktivt avfall och att reaktormaterial kan återvinnas eller återanvändas inom 100 till 300 år.

"Det är definitivt mycket säkrare," sa professor Donné. Med hänvisning till det stigmat som kärnkraften bär på, sa han:"Vad vi ser när vi interagerar med allmänheten är att folk ofta inte har hört talas om kärnfusion. Men när vi förklarar för- och nackdelar, då tror jag att folk blir positiva. "

Med hänvisning till Lev Artsimovich, kallad "tokamaks fader", sa han, "Artsimovich sa alltid att fusion kommer att finnas där när samhället verkligen behöver det. Om vi ​​får fusion igång, så har vi verkligen en mycket säker och ren energikälla som kan ge oss energi i tusentals år." + Utforska vidare

Fransk forskare som leder kärnfusionsprojektet dör vid 72