Hva skal inn her?
Fusjonsenergi bygger på de samme prosessene som vi finner i sola og i alle andre stjerner i universet. Det er naturens egen energikilde og grunnlaget for alt liv på Jorda. Det vil være den ultimate energikilden, ifølge professor Odd Erik Garcia ved UiT Norges arktiske universitet. Her svarer han på 11 spørsmål om fusjonsenergi.
Det ligger masse energi lagret i atomkjerner, og deler av den energien kan frigjøres, når man enten smelter dem sammen eller spalter dem. Det som ligger bak vanlige kjernekraftverk og atomvåpen er fisjonsenergi, der atomkjerner spaltes. Men det går også an å frigjøre energi ved å smelte sammen atomkjerner. Det er denne energikilden som driver alle stjernene, inkludert sola, og dermed også livet på jorda. Energien kommer hovedsakelig fra hydrogenisotoper som smelter sammen til helium, noe som frigjør veldig mye energi. Det er dette som er fusjonsenergi. Fisjonsenergi og fusjonsenergi er altså ikke det samme. I en fisjon spaltes atomkjernene, mens de smelter sammen i en fusjon.
Det er flere typer krefter som virker mellom partikler. Atomkjernen er bygd opp av enda mindre partikler enn elektroner, nøytroner og protoner, som holdes sammen av det vi kaller sterke kjernekrefter. Hvis du får partiklene til å rives fra hverandre eller smelte sammen, frigjøres masse energi som ligger i den bindinga. Man kan ikke skape eller fjerne energi, men energi kan ha ulike former. I atomkjernene er det potensiell energi – muligheten til å gjøre arbeid – som kan frigjøres til å gi bevegelsesenergi. Det er det som skjer i fisjon- og fusjonsreaksjoner. Man har partikler med potensiell energi, og hvis man får dem til å kollidere med stor nok energi, kan noe av det gå over til bevegelsesenergi. Det ligger inne i materien, spørsmålet er om vi klarer å utnytte det.
Etter at man begynte å jobbe med denne type energiform under andre verdenskrig, klarte de å utvikle en fusjonsbombe, en såkalt hydrogenbombe. Man skjønte samtidig at fusjonsenergi også kunne brukes til fredelige formål, som å lage elektrisk energi. Dette var en så utfordrende problemstilling at stormaktene i 1958 ble enige om å samarbeide om forskningen. Til tross for den kalde krigen, ble det holdt konferanser og møter mellom vestlige land og Sovjetunionen, hvor de diskuterte forskningsresultater. Man ønsket å samarbeide, fordi man mente det ville være til det beste for menneskeheten om man fikk det til. Så du kan si at dette er et forskningsprosjekt som har pågått siden 1940-årene. I dag bruker internasjonale forskningsorganisasjoner i EU, Russland, USA og Asia store summer på slik forskning. Det største eksperimentet som kjøres i dag befinner seg i England og har pågått siden midten av 80-tallet.
Hvis man får til å lage elektrisk energi basert på fusjon, har vi en nesten utømmelig energikilde flere hundre tusen år fram i tid. Råstoffet man trenger er hydrogenisotopen deuterium, som utvinnes fra tungtvann som finnes i havet. Og så trenger man isotopen tritium som kan utvinnes fra metallet litium. Dette metallet finnes det rikelig av i jordskorpa. Tungtvannet som finnes i ett badekar med vann, og litium fra batteriene til to datamaskiner, vil kunne gi nok fusjonsenergi til å dekke energibehovet til en europeer gjennom et helt liv. Det sier noe om hvor konsentrert den energiformen er, og hvor lite transport av råstoff som vil være involvert i sånne kraftverk. I motsetning til fisjon, gir ikke fusjonsprosessen langvarig radioaktivt avfall. Grunnen er at hydrogen smelter sammen og lager helium, som er et veldig stabilt materiale. Mens det som skjer i en fisjon, er at uran spaltes, og lager langvarig radioaktivt avfall.
Vi sperrer mange partikler, primært hydrogenisotoper, inne i en reaktor, varmer dem opp og får det vi kaller plasma. I stjerner er plasmaet innesperret av det enorme gravitasjonstrykket, mens vi i laboratorier kan bruke sterke magnetfelt til å holde på de elektrisk ladde partiklene i et smultringformet kammer. Vi varmer dem opp på forskjellige måter, blant annet ved å sende inn elektromagnetiske bølger. Oppvarminga går ekstremt fort. En hydrogenkjerne kan gå rundt en magnetfeltlinje flere hundre millioner ganger i løpet av et sekund. Når hydrogenkjernene kolliderer, vil de av og til smelte sammen og danne helium, og samtidig lages det ett nøytron. Prosessen frigjør energi, som kan brukes som varme til å drive en vanlig turbin. Siden prosessene skjer så fort, får man innsikt i veldig mye ved å kjøre et eksperiment i bare noen sekunder. Da har man allerede oppnådd det samme som om man fortsatte i det uendelige.
Nei, det er ingen eksperiment som leverer kraft til nettet i dag. Men det er gjort flere forsøk der man ser at det har foregått kjerneprosesser ved å måle nøytronene som kommer ut. Å sette i gang en fusjonsprosess krever enormt med energi, og har en rekke betingelser. Temperaturen må være flere hundre millioner grader celsius, og den må opprettholdes over lang tid. I tillegg må det være mange nok partikler. Man har klart å tilfredsstille betingelsene hver for seg, men ikke alle samtidig. Ett av problemene er at det oppstår turbulente strømninger, som også finnes i atmosfæren og i havet, fordi temperaturen varierer fra noen tusen grader ved reaktorveggen til noen hundre millioner grader midt i reaktoren. På grunn av turbulensen kommer det partikler og varme ut, og det er det vi studerer her i Tromsø. Vårt hovedfokus er å studere den turbulente transporten, hvorfor det kommer så mange partikler ut til veggene, hvilken skade de gjør, og hvordan transporten kan reduseres, så vi får holdt varmen bedre inne i reaktoren.
Det krever mye energi å sette i gang en fusjonsprosess. Men så snart den er i gang og isotopene smelter sammen, frigjøres det nok energi til at en del av varmen kan brukes til å lage elektrisk energi, og resten kan brukes til å varme opp plasmaet selv. Prosessen kan til og med bli selvgående, slik at ekstern oppvarming ikke trenges. Selv om vi kanskje ikke kommer helt dit, vil vi kunne utvinne mye mer energi enn det som må tilføres for å holde prosessene i gang. Det blir som et brennende bål, der man legger på energi i form av ved og får mye varme tilbake. I en fusjon skjer det på grunn av kjemiske reaksjoner.
Kjerneenergi jorda rundt:
* Forskning på fisjon og fusjon er i EU organisert i programmet Det europeiske atomenergifellesskap (EURATOM). Norge har valgt å ikke være med fordi det involverer kjerneenergi.
* Likevel har Norge fisjonforskningsreaktorer på Kjeller og i Halden, som brukes til grunnforskning i fysikk, produksjon av radioaktive legemidler, og forskning på materialteknologi og kjernebrenselsikkerhet i forbindelse med fisjonkraft.
* Det har lenge vært forsket på plasmafysikk i Norge, relatert til romfysikk og nordlys, men det er bare forskningsgruppa i Tromsø som forsker aktivt på fusjonsenergi.
* Forskningsgruppa samarbeider med flere institutter både i Europa og USA. Gruppa får måledata fra ulike eksperimenter og kan foreslå egne eksperiment for å se på den turbulente transporten.
* Sommeren 2005 vedtok EU, India, Japan, Kina, Russland, Sør-Korea og USA å gå sammen om å bygge og utnytte et fusjonsforskningseksperiment som heter ITER. Den vil koste 13 milliarder euro.
Det skjer jo i stjernene. Når man kjenner til grunnleggende fysikk er det ganske enkelt å beregne hva som må til. Vi vet at prosessene fungerer, og har laget betydelige mengder energi i forsøkseksperiment, men foreløpig ikke nok til å levere til strømnettet. Til det kreves et større eksperiment, og et steg på veien er testreaktoren ITER som er under bygging i Frankrike. Den er 11 meter høy og vil bli det suverent største eksperimentet i verden. Det viser seg at det trengs en viss størrelse på en sånn reaktor for at prosessen skal settes i gang, og for å holde varmen inne lenge nok. Det har vi mange teoretiske modeller for. Ett av de vitenskapelige målene for eksperimentet i Frankrike, er å få ti ganger mer energi ut enn det som puttes inn.
Det forskes mye på hva man skal bygge veggene av, så de ikke smelter. Materialet må også ha gode egenskaper til å sperre inne gassene. Materialteknologi under ekstreme temperaturer er en egen fagdisiplin innenfor denne forskningen. Her prøver man for eksempel beryllium, wolfram og karbon. Stort sett er ikke plasmaet borti veggene, siden partiklene nærmest er tvunget til å bevege seg langs magnetfeltet i sentrum av reaktoren. Vi bruker magnetfeltet til å isolere plasma fra veggene, men vi får det ikke helt til, nettopp på grunn av de turbulente bevegelsene. Av og til kommer det energetiske partikler ut til veggene, som kan føre til at veggene skades eller smelter. Derfor forsker vi på det, for å forstå hva som foregår og for å prøve å begrense det.
Ja, hvis man får det til å fungere, så regner man med at fusjonsreaktorer kan erstatte dagens kjernekraftverk. Det finnes allerede design på demonstrasjonsreaktorer som vil kunne forsyne store byer med elektrisk energi. Det vil opplagt være veldig kostbart å bygge slike reaktorer, og derfor vil de nok i første omgang være mest attraktive rundt større byer og kraftkrevende industri. I områder med mindre folk, som her i Nord-Norge, vil energibehovet kunne utfylles med fornybar energi, som vann-, sol- og vindkraft.
Fanget sola på jorda
I boka The fusion quest beskriver forfatter T. Kenneth Fowler øyeblikket da forskere for første gang klarte å lage kontrollert fusjonsenergi. Noen minutter før midnatt 9. desember 1993 oppstod det en energi på tre millioner watt, som varte i ett sekund. Et kort øyeblikk hadde solas energi blitt fanget på jorda.
Hva har nordlyset med fusjonsenergi å gjøre?
Forskerne bruker blant annet kameraer som tar hundretusen bilder i sekundet når de skal måle turbulensen i en reaktor. De kan se hvordan plasmaet beveger seg, fordi det kommer lys når partiklene kolliderer med nøytralgass, som alltid er til stede i randen av en reaktor. Det er samme prosessen som i nordlys. Det er lys som sendes ut fra partikler som har kollidert med plasma fra sola.
Fusjonsaktiviteten har pågått i flere tiår, og skeptikere vil ha det til at det alltid er 30 år eller mer til vi har kommersiell fusjonsenergi. Det finnes motstandere til dette forskningsprogrammet, som mener at vi aldri vil lykkes, og at vi burde bruke pengene på annen forskning. Men det er alltid motstridende interesser når man har store forskningsprosjekt, og begrenset med midler. Hvor fort programmet tas videre er avhengig av den politiske satsingen. Noen mener vi bør få en fusjonsenergiløsning raskt, som en del av svaret på klimaproblemet, og at vi derfor må begynne å arbeide med demoreaktoren allerede nå. Langsiktig og grunnleggende forskning som fusjonsenergi hører naturlig til i universitetssektoren og ved offentlige forskningsinstitutt, og er en prioritert satsning ved UiT Norges arktiske universitet og Norges forskningsråd.
Artikkelen er hentet fra Labyrint nr. 2 2015
Kilder:
Garcia, Odd Erik. Fusjonsenergi og plasmafysikk. Fra Fysikkens Verden 2007 (4),
www.ec.europa.eu
www.iter.org
www.euro-fusion.org