Elektromagnetiska fält har stor betydelse inom modern teknik och fysik. Tekniska tillämpningar finns inom vitt skilda områden såsom maskinteknik, elektronik och kommunikationsteknologi, t ex mikrovågor eller fiberoptik. Vid institutionen för elektromagnetisk fältteori bedrivs forskning inom några av dessa specialdiscipliner, och framför allt inom området plasmafysik. Plasma är materiens fjärde aggregationstillstånd. Vid tillräckligt hög temperatur bryts atomerna upp i fria elektriskt laddade partiklar, atomkärnor och elektroner, som bildar ett plasma. Dessa växelverkar med varandra och med omvärlden genom elektriska och magnetiska fält.
Fusion har två viktiga fördelar som energikälla: råvarorna är praktiskt taget outtömliga och processen är miljövänlig. Deuterium finns naturligt, tex i vatten. Tritium finns inte naturligt men kan produceras från litium under neutronbestrålning i en fusionsreaktor. Uttryckt i nuvarande energiförbrukning, räcker de kända resurserna av litium på land i 30 tusen år. Resurserna i havet räcker i 30 miljoner år. Råvarukostnaderna för fusionskraft är mycket låga: en bråkdel av ett öre per kWh. Fusion ger ingen kemisk förorening och inte heller något radioaktivt avfall i konventionell mening. Det finns ingen möjlighet för en olycka liknande en härdsmälta i en fissionsreaktor. En störning i en fusionsreaktors funktion leder till att reaktionen avstannar.
Figur 1. Schematisk skiss av en tokamak. Plasmat innesluts i den ringformade (toroidala) behållaren, som ligger orienterad i vertikalplanet.
De tekniska svårigheterna att åstadkomma fusion beror på att de vätekärnor som skall kollidera är elektriskt laddade. För att överkomma repulsionen mellan lika laddade partiklar måste de kolliderande vätekärnorna ha hög energi, svarande mot en temperatur av 100-200 miljoner grader. För att fusionsreaktionen skall producera mer effekt än vad plasmat förlorar till omgivningen, måste plasmat inneslutas väl. Den mest framgångsrika metoden för detta utnyttjar magnetiska fält. Plasmats partiklar följer i stort sett de magnetiska fältlinjerna. För att få en god inneslutning anordnar man en sluten geometri, så att de magnetiska fältlinjerna stannar inom plasmabehållaren. Detta åstadkoms i toroidala behållare (av samma form som en innerslang till ett däck). Hittills har de bästa resultaten uppnåtts med en konfiguration som kallas tokamak, se figur 1. Starka magnetfält genereras av strömmar i de sk toroidalfältsspolarna. Ytterligare en magnetfältskomponent genereras av en elektrisk ström i plasmat. Som alternativ till tokamaklinjen arbetar man också med en mera komplicerad konfiguration under namnet stellarator. Denna har fördelen att kunna opereras kontinuerligt, medan en tokamak i allmänhet drivs i pulser. Ett exempel på en stellarator visas i figur 2.
Figur 2. En stellarator omgiven av spolar som genererar det yttre magnetfältet. Experimentet W7-X som nu byggs i Greifswald bygger på denna princip.
Ett fusionsexperiments framgång mäts av produkten av plasmatrycket p och energiinneslutningstiden tE. För att plasmat skall ”tända”, dvs producera mer energi än som tillförs och uppnå självunderhållande fusion, måste denna produkt överstiga ca 7 atmosfärsekunder. Sedan fusionsforskningens början har produkten ptE ökats med en faktor av ett par miljoner. Tokamakerna JET (Joint European Torus) utanför Oxford och TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) i Princeton har uppnått ca 1 atmosfärsekund, dvs mindre än en faktor 10 från tröskelvärdet. TFTR har under 1994 producerat 10 MW fusionseffekt. Vid detta experiment upphettades plasmat med en effekt av 30 MW, dvs nettoeffekten är än så länge negativ.
För att demonstrera tändning planeras nu tokamaken ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) som ett samarbete mellan Europa, USA, Japan och Ryssland. ITERs plasmavolym är drygt 2000 m3, och plasmaströmmen maximalt 24 MA. Trots dessa gigantiska siffror är den totala vikten av ITERs plasma knappt 1 g. Detta är orsaken till säkerheten mot en stor olycka: alltför lite brännbart material finns i reaktorn för att en sådan skall kunna äga rum. ITERs mål är att ge självunderhållande fusion under 1000 sekunders pulser och att demonstrera bridning av tritium.
ITER är planerad att tända med rimlig säkerhet på basis av erfarenheter från nuvarande tokamaker. Dock kvarstår många tekniska problem för att utnyttja fusion som energikälla. Det är i nuläget inte klart hur ekonomiskt slagkraftig fusionen kan bli. Råvarukostnaden är låg, men en fusionsreaktor blir dyrbar och därför kan energipriset bli högt. Självfallet beror den ekonomiska bärkraftigheten av vilka andra alternativ som kommer att finnas på lång tidsskala. De begränsade tillgångarna på fossila bränslen, samt dessas negativa effekter på miljön är starka argument för att utveckla fusionskraft.
En tokamak är ett komplext system där processer på olika tids- och rumsskalor växelverkar. Teoretisk förståelse kräver i allmänhet avancerade fysikaliska modeller. Realistiska beräkningar blir omfattande och genomförs normalt på superdatorer. Ett huvudmål för fusionsteori är att optimera experimenten, framför allt maximera det inneslutna plasmatrycket och inneslutningstiden. Avgörande förbättringar av tokamakers prestanda har följt från teoretiska analyser som visat att ett plasma med elliptiskt eller D-format tvärsnitt kan innesluta ett högre tryck än ett med cirkulärt tvärsnitt. En nyutveckling inom detta område, där min egen forskning bidragit, är inverkan av rotation hos plasmat. Experimentellt finnar man att rotation ökar tryckgränsen, vilket nu är tämligen väl förstått teoretiskt. Fenomenet är av intresse därför att det öppnar möjligheter för en konfiguration som kallas ”avancerad tokamak”. En avancerad tokamak kan drivas kontinuerligt och skulle i hög grad förbättra förutsättningarna för ekonomiskt attraktiv fusionskraft.
Anders Bondeson avled 2004.
(Texten publicerades 1996 i skriften Ny kunskap.)