For et år siden, 10. december 2015, trykkede Hans-Stephan Bosch, operativ direktør for forskningsanlægget Wendelstein 7-X (W7-X) på startknappen i fusionsreaktoren i Greifswald på den tyske østersøkyst lige syd for Danmark.
Det 30 kubikmeter store vakuumkammer blev fyldt med et milligram helium. Med mikrobølgestråling med en effekt på 1,3 megawatt blev den ultratynde heliumsky opvarmet til en temperatur på ca. en million grader i 1/10 sekund, så elektroner blev løsrevet fra heliumatomerne, og det første plasma blev dannet i reaktoren.
Læs også: Så er det første plasma tændt i en ny tysk fusionsreaktor
Den 3. februar 2016 var det forbundskansler Angela Merkel, der fik lov til at trykke på knappen, der antændte det første hydrogenplasma, som opnåede en temperatur på 80 millioner grader i et kvart sekund.
»I alt lavede vi ca. 900 plasmaer,« fortæller danske Thomas Sunn Pedersen, som er direktør for den eksperimentelle forskningsdivision for stellaratorkant- og divertorfysik ved Max Planck Instituttet for Plasmafysik.
I den kapacitet har han haft en nøglerolle i opbygningen af fusionsreaktoren og de planlagte opgraderinger de kommende år, hvoraf den første er igangværende.
Magnetfeltet er ultrapræcist
W7-X fungerer bedre end forventet, fortæller Thomas Sunn Pedersen.
»Vi havde forventet plasmaladning i op til to sekunder, men nåede seks. Vi havde forventet en elektrontemperatur på ca. 12 millioner grader, men nåede typisk det femdobbelte og i sjældne tilfælde ved lave tætheder det tidobbelte. Alt i alt var vi i stand til at overgå mange af vores forventede parametre med mindst en faktor 2,« siger han.
I de tre måneder, maskinen var i drift, kunne teknikerne antænde plasmaet med en succesrate på over 99 pct.
Det måske allervigtigste resultat har dog været, at det er lykkedes at måle det meget komplicerede magnetfelt, der holder plasmaet frit svævende i reaktorkammeret, og vise, at det har den helt rette form.
Når produktet af tætheden af et plasma, dets temperatur og indeslutningstid når over en bestemt værdi, der kendes som Lawson-kriteriet, får man mere fusionsenergi ud af et plasma, end man bruger til at danne det. Dette opnås lettest ved fusion af deuterium og tritium og kræver temperaturer over hundrede millioner grader. Der findes to metoder til magnetisk indeslutning af et så varmt plasma. Tokamak-princippet er oprindeligt udviklet i Sovjetunionen, mens stellaratoren er amerikansk. I begge er plasmakammeret formet som et bildæk, hvor magnetfelter holder de elektrisk ladede partikler frit svævende i kammeret og borte fra væggene. I en stellarator dannes magnetfeltet udelukkende af ydre spoler, mens det i en tokamak også påvirkes af en elektrisk strøm i plasmaet, hvilket let giver anledning til ustabiliteter. Den videnskabelige leder for Wendelstein 7-X, Thomas Klinger, har beskrevet forskellen på denne måde: »I en stellarator svarer indeslutningen af plasmaet til at holde en stang fast i hånden, i en tokamak svarer det til at skulle balancere samme stang på en finger.« Stellaratorens fordele i drift har dog en pris. Det er overmåde vanskeligt at bygge den, da tolerancekravene er meget høje i forhold til en tokamak. Volker Naulin, som er professor i plasmafysik ved DTU, har tidligere beskrevet dette på denne måde: »Hvor en tokamak er som en VW, så er en stellarator mere som en racerbil.« Det er årsagen til, at tokamakker længe har været foretrukket frem for stellaratorer blandt fusionsforskere, og det er først med Wendelstein 7-X, at det vil vise sig, om stellaratorer i det hele taget er et realistisk alternativ ud fra et praktisk synspunkt. Læs også: Stellaratoren er fusionsforskningens redningskransStellarator eller tokamak?
Ved magnetisk indeslutning af et fusionsplasma, hvad enten det er i en tokamak eller en stellarator (se boksen), udnytter man, at en elektrisk ladet partikel er bundet til en magnetisk feltlinje, der løber hele vejen rundt i kammeret.
I et toroidalt system vil der dog være en drift på tværs, som skyldes krumningen af feltlinjerne og inhomogeniteter i feltstyrken. Det fører meget hurtigt til tab af partikler i kammeret, hvis man ikke korrigerer magnetfeltet.
Denne korrektion er langt vanskeligere at udføre i stellaratorer end i tokamakker, og det er en hovedårsag til, at tokamakker i første omgang har vundet kampen om at blive favorit til praktisk produktion af fusionsenergi.
Da stellaratorer dog i modsætning til tokamakker i princippet kan køre kontinuert, blev interessen for denne reaktortype aldrig helt tabt.
Den første optimerede stellarator
En bedre teoretisk forståelse kombineret med teknologiske fremskridt til design af superledende magneter og anvendelse af supercomputere til design af elementer har gjort det muligt at bygge en ny form for optimerede stellaratorer, hvoraf W7-X er den første.
Da magnetfeltet i en stellarator i modsætning til i en tokamak udelukkende er bestemt af de ydre magneter, kan det måles, uden at et plasma er til stede i kammeret.
Det er sket ved at sende elektroner langs magnetfeltlinjerne. Målingerne har vist, at magnetfeltet afviger mindre end en hundredtusindedel fra det designede.
»Det viser, at vi har bygget maskinen ekstremt nøjagtigt – og nøjagtigt nok,« siger Thomas Sunn Pedersen.
Målingerne er for nylig blevet offentliggjort i en videnskabelig artikel i Nature Communications.
De meget små unøjagtigheder, der er tilbage, kan korrigeres med fem såkaldte trimspoler.
Deuterium fra 2020
W7-X står dog ikke færdig i sin endelige konfiguration endnu. Der er planlagt to opgraderinger, der skal lede frem til de egentlige fusionseksperimenter i takt med, at teknikerne lærer at operere maskinen.
Da maskinen planmæssigt blev lukket ned 10. marts, begyndte man at installere 6.200 kulstofplader – alle af forskellig form – der skal beskytte væggene mod den højere varme i de kommende forsøg. De skal placeres med millimeternøjagtighed.
Derudover bliver der installeret et ‘udstødningsrør’ i form af en såkaldt divertor, hvorfra partikler, der rammer reaktorvæggene, og urenheder i kammeret, løbende kan fjernes.
Herefter vil det blive muligt at levere en opvarmningsenergi op til 80 MJ – eksempelvis 8 MW i 10 sekunder. I forsøgene i år nåede man op på 4 MJ.
Thomas Sunn Pedersen har et håb om, at det vil gøre det muligt at holde plasmaet stabilt helt op til et minut med en tilført effekt på 1,3 MW. Det lykkedes i år at have det stabilt ved denne effekt, men da maskinen manglede en divertor, var levetiden af plasmaet kun få sekunder.
I 2018 går næste opgradering i gang. Når maskinen så efter planen i 2020 genåbner, bliver det i en konfiguration, hvor man skal forsøge at få de meget lange levetider af plasmaet.
I teorien kan en stellarator køre kontinuert, i praksis vil W7-X kunne komme op på ca. 30 minutter. Det bliver også ved den lejlighed, at man vil begynde at bruge deuterium i stedet for almindeligt hydrogen.
Hvis fusionsenergi nogensinde vil blive brugt i et anlæg, der skal levere elektricitet, vil det blive baseret på fusion af deuterium og tritium.
Tritium er et radioaktivt materiale, som det kræver særlige forholdsregler at håndtere. W7-X er ikke bygget til at kunne gøre dette.
Samtidig med, at den store tokamak-reaktor Iter bliver taget i brug omkring 2025, og længe før den vil udføre forsøg med fusion af deuterium og tritium, som i dag er planlagt til at begynde i 2035, vil deuteriumforsøgene ved W7-X dog vise, om stellarator-designet kan betragtes som et seriøst alternativ inden for fusionsenergi.
Dette er noget, som fusionsforskerne stadig håber kan blive en mulighed engang efter 2050 – altså rundt regnet 100 år efter, de første tanker herom blev født. Tiden vil vise, om det kommer til at ske.
