Er jakten på fusjonsenergi, lenge dominert av smultringformede enheter kalt tokamaks, i ferd med å gjennomgå et formskifte? Akkurat som ITER, verdens største tokamak – og til titalls milliarder dollar den dyreste – nærmer seg ferdigstillelse i åsene i Sør-Frankrike, vil en mye mindre testseng med en mer vridbar geometri begynne å strupe opp til full kraft i Tyskland.
Hvis den 16 meter brede enheten, kalt en stellarator, kan matche eller utkonkurrere tokamaks av lignende størrelse, kan det få fusjonsforskere til å revurdere fremtiden for sitt felt. Stellaratorer har flere viktige fordeler, inkludert en naturlig evne til å holde de bølgende supervarme gassene de inneholder stabile nok til å smelte sammen kjerner og frigjøre energi. Enda mer avgjørende for et fremtidig fusjonskraftverk, de kan teoretisk sett bare kjøre og kjøre, mens tokamaks må stoppe med jevne mellomrom for å tilbakestille magnetspolene.
I løpet av noen sekunder får den tyske maskinen på 1 milliard euro, kalt Wendelstein 7-X (W7-X), allerede «tokamak-lignende ytelse», sier plasmafysiker David Gates, og viser seg å være flink til å forhindre at partikler og varme slipper ut den supervarme gassen. Hvis W7-X kan oppnå lange løp, “vil den være klart i ledelsen,” sier han. “Det er der stjernestjernene skinner.” Teoretiker Josefine Proll fra Eindhoven University of Technology er like entusiastisk: “Plutselig er stjernestjernene tilbake i spillet.” De oppmuntrende utsiktene inspirerer en mengde oppstartsselskaper, inkludert en som Gates nå forlater Princeton Plasma Physics Laboratory for, for å utvikle sine egne stjernebiler.
W7-X har vært i drift siden 2015 ved Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) i Greifswald, Tyskland, men bare ved relativt lave strømnivåer og for korte løp. I løpet av de siste 3 årene har skaperne av W7-X fjernet den og erstattet alle innvendige vegger og beslag med vannkjølte versjoner, noe som åpnet for mye lengre, varmere løyper. På et W7-X styremøte forrige uke rapporterte teamet at det fornyede plasmafartøyet ikke har noen lekkasjer og er klart til bruk. Den forventes å starte på nytt senere denne måneden, på vei til å vise om den virkelig kan få plasma til forhold som i en fremtidig enhet vil antenne fusjon.
Både stellaratorer og tokamaks lager magnetiske bur for gass ved mer enn 100 millioner grader Celsius, så varmt at det ville smelte enhver metallbeholder. Oppvarming leveres av mikrobølger eller høyenergipartikkelstråler. De merkelige temperaturene produserer et plasma – en bølgende blanding av separerte kjerner og elektroner – og får kjernene til å smelle sammen med en slik kraft at de smelter sammen og frigjør energi. Et fusjonskraftverk vil bli drevet med en blanding av hydrogenisotopene deuterium og tritium, som reagerer lettest. Forskningsmaskiner som W7-X som ikke prøver å generere energi, unngår radioaktivt tritium og holder seg til sikrere, mer rikelig med hydrogen eller deuterium.
For å lage sine plasma-begrensende magnetiske felt, bruker tokamaks og stellaratorer elektromagnetiske spoler som går rundt fartøyet og gjennom det sentrale hullet. Men et slikt felt er sterkere nærmere hullet enn ytterkanten, noe som får plasma til å drive til reaktorens vegg.
Tokamaks temmer driften ved å få plasmaet til å flyte rundt ringen. Den strømmingen genererer et annet magnetfelt, som vrir den ioniserte gassen som en sukkerstang og stabiliserer den. Stellaratorer bruker merkelig formede magnetiske spoler i stedet for å streame plasma for å produsere vridningen. Tokamak-ordningen har lenge vist seg å være den mest vellykkede til å holde plasma på plass, men når plasmafysikere hadde superdatamaskiner kraftige nok, kunne de finjustere de komplekse geometriene til stjernemagneter for å forbedre inneslutningen, en prosess som kalles optimalisering.
W7-X er den første store, optimaliserte stellaratoren og inneholder 50 bisarre vridd superledende spoler som hver veier 6 tonn. Byggingen, startet på midten av 1990-tallet, var kronglete, fullført 10 år for sent og kostet nesten det dobbelte av €550 millioner som opprinnelig var budsjettert.
Til tross for ventetiden har forskerne ikke blitt skuffet. “Maskinen fungerte umiddelbart,” sier W7-X-direktør Thomas Klinger. «Det er en veldig lettvint maskin. [It] bare gjorde det vi ba den gjøre.” Dette står i kontrast til tokamaks, som er utsatt for “ustabilitet” – plasma som buler eller slingrer på uforutsigbare måter – eller mer voldelige “forstyrrelser”, ofte knyttet til avbrutt plasmastrøm. Fordi stellaratorer ikke er avhengige av plasmastrøm, som “fjerner en hel gren” av ustabilitet, sier IPP-teoretiker Sophia Henneberg.
I de tidlige stjernebildene førte geometrien til det magnetiske feltet til at noen partikler i langsommere bevegelse fulgte bananformede baner til de kolliderte med andre partikler og ble slått ut av plasmaet og lekket ut energi. W7-Xs evne til å undertrykke den effekten betyr at “optimeringen fungerte som den skulle,” sier Gates.
Når denne akilleshælen er fjernet, mister W7-X stort sett varme gjennom andre former for turbulens – små virvler som skyver partikler mot veggen. Simulering av turbulens krever alvorlig datakraft, og teoretikere har først nylig fått tak i det. W7-Xs kommende kampanje bør validere simuleringene og teste måter å bekjempe turbulens på.
Kampanjen bør også vise frem en stjernespillers evne til å kjøre kontinuerlig, i motsetning til den pulserende operasjonen til en tokamak. W7-X har allerede operert i 100 sekunder lange kjøringer etter tokamak-standarder, men med relativt lav effekt. Ikke bare var komponentene ukjølte, men enhetens mikrobølge- og partikkelvarmesystemer kunne bare levere 11,5 megawatt strøm. Oppgraderingen vil øke varmeeffekten med 60 %. Å kjøre W7-X ved høy temperatur, høy plasmatetthet og for lange løp vil være den virkelige testen på stjernetegners potensial for å produsere fusjonskraft. Et første mål, sier Klinger, er å få ionetemperaturen opp til 50 millioner grader Celsius i 100 sekunder. Det ville sette W7-X “blant de ledende maskinene i verden,” sier han. Deretter vil teamet presse det lenger, opptil 30 minutter. “Vi vil gå steg for steg og utforske ukjent territorium,” sier han.
W7-X sine prestasjoner har fått venturekapitalister til å støtte flere oppstartsselskaper som utvikler kommersielle kraftproduserende stjerner. Første prioritet for oppstartene: Finn en enklere måte å lage magnetene på.
Princeton Stellarators, grunnlagt i år av Gates og kolleger, har sikret seg 3 millioner dollar og har som mål å bygge en demonstrasjonsreaktor som vil gi avkall på de vridde magnetspolene til W7-X. I stedet vil den stole på en mosaikk av rundt 1000 bittesmå firkantede spoler laget av høytemperatursuperleder (HTS) på utsiden av plasmakaret. Ved å variere magnetfeltet som produseres av hver spole, vil operatørene kunne endre formen på det påførte feltet etter eget ønske. “Den tar kompleksiteten ut av spolene og legger den inn i kontrollsystemet,” sier Gates. Firmaet håper å i utgangspunktet utvikle en reaktor som vil smelte sammen bare billig, rikelig deuterium, for ikke å generere kraft, men nøytroner for produksjon av radioisotoper. Hvis det lykkes, vil firmaet sikte seg mot en kraftproduserende reaktor.
Renaissance Fusion, basert i Grenoble, Frankrike, har samlet inn €16 millioner og planlegger å belegge segmenter av plasmakaret i en flerlags HTS, som danner et jevnt belegg. Deretter, ved hjelp av en laser, vil ingeniører brenne av spor i superlederen for å etse et vridningsmønster av magnetspoler. De har som mål å lage et meterlangt testsegment i løpet av de neste 2 årene og en full prototype innen 2027.
Et tredje firma, Type One Energy i Madison, Wisconsin, mottok midler fra det amerikanske energidepartementet for å utvikle HTS-kabler med nok bøyning til å brukes i stjernemagneter. Selskapet ville skulpturere metallbiter med datastyrte etsemaskiner, skjære ut vridningskanaler som kabelen vikles inn i for å gjøre den om til en spole. “Avansert produksjonsteknologi åpner døren for stjernestjernen,” sier medgründer David Anderson ved University of Wisconsin, Madison.
Anderson sier at neste fase av W7-Xs operasjon vil akselerere boomen i stjernespill. “Med halvtimes utslipp er du i hovedsak steady-state,” sier han. “Dette er en stor sak.”