Måler prosessene i en fusjonsreaktor

07.04.15 Vibeke Os

Kjernekraft basert på fusjonsreaksjoner kan løse verdens energibehov, men er utfordrende å produsere med netto energigevinst. Fysiker ved UiT, Ralph Kube, har jobbet med å utforske turbulensen inne i kjernekraftreaktorer.

Fusjonsreaktor JET
1. Bildet er tatt inni verdens største fusjonsreaktor, Joint European Torus (JET), som er plassert i Culham like utenfor Oxford i England. Foto: EFDA/JET

I årtier har forskere forsøkt å knekke koden for bruk av fusjonsenergi. Potensialet for evigvarende og miljøvennlig energi er enormt. Ralph Kube har i sitt doktorgradsarbeid jobbet på et stort internasjonalt prosjekt der målet har vært å finne ut mer om hva som foregår inne i en fusjonsreaktor med tanke på fremtidig utvikling av fusjonskraftverk som energikilde.

 

Fusjonsreaksjon versus fisjonsreaksjon

Fusjonsreaksjon der to hydrogenatomer (deuterium + tritium) kolliderer og skaper Helium og energi. Wikipedia.

Kjernekraftverk verden over baserer seg på fisjonsprosessen, der spalting av stoffer som f.eks uran starter en kaskade av kjernedelinger og genererer enorme mengder energi, deriblant radioaktiv stråling. Dette er effektiv energiproduksjon, men fører som kjent til risiko for farlig radioaktivt utslipp og utfordringer knyttet til radioaktivt avfall. Den motsatte prosessen hvor lette atomkjerner smeIter sammen når de kolliderer, kjent som kjernefusjon, fører også til at det frigjøres store energimengder.

 

 

Bærekraftig energiproduksjon med fusjonskraftverk

Kube skriver i sin avhandling at fusjonsenergi er den ideelle løsningen på verdens energibehov; miljøvennlig, bærekraftig energi basert på hydrogen. Den store utfordringen er at man må tilføre mer energi for å sette i gang en fusjonsprosess enn man foreløpig klarer å høste, i tillegg til at de enorme energimengdene rett og slett kan ødelegge reaktoren.

 

Kubes doktorgradsarbeid har gått ut på å utlede og studere matematiske modeller som kan forklare noen av de prosessene som pågår i reaktoren.

Noe av det Kube kom frem til var en bedre forståelse av turbulensen, såkalte "elektroniske vinder," nær reaktorveggene. I tillegg har forskerne utviklet en statistisk beskrivelse av prosessen, noe som gjøre det mulig å forutsi hvor store variasjoner i temperatur og hastighet disse elektroniske vindene kan ha. 

 

Denne fremstillingen er basert på en datamodell Kube utviklet i sitt doktorgradsarbeid og viser en plasmaboble idet den nærmer seg reaktorveggen i høyre side av illustrasjonen. Illustrasjon: Ralph Kube

100 millioner grader for å starte en fusjonsprosess

For å sette i gang en fusjonsprosess må det tilføres utrolige mengder energi, forskerne må varme opp hydrogengassen til mer enn 100 millioner grader. To hydrogenkjerner vil normalt frastøte hverandre, men med tilførsel av ekstrem varme får man en tilstand med plasma i reaktoren. Da vil elektroner og protoner fra hydrogenkjernen rives løs fra hverandre og bevege seg rundt i voldsom hastighet. I dette virvaret av partikler vil noen hydrogenkjerner kollidere med hverandre og danne en heliumkjerne, og i denne prosessen frigis det masse energi. Denne energien er det som fysikerne på sikt ønsker å kunne høste med nettogevinst.

 

Brukte testreaktor i USA

Veileder Odd Erik Garcia, kan fortelle at forsøkene knyttet til denne forskningen foregår i en test reaktor, Alcator C-Mod device, lokalisert ved MIT (Massachusetts Institute of Technology) i Cambridge.

-Inne i reaktoren introduseres et magnetisk avgrenset plasma der vi forsøker å kontrollere prosessen på en slik måte at det ikke skader reaktoren, dvs at partiklene ikke krasjer i reaktorveggen, forklarer Garcia. - I reaktoren introduseres magnetiske felt som både genererer energi til eksperimentet men også gjør at partiklene tvinges til å bevege seg innenfor et avgrenset område. Eksperimentene gjøres i pulser på noen få sekunder fordi det å opprettholde en tilstand med plasma er så ekstremt ressurskrevende.

 

Garcia sier at forskningsgruppen fra Tromsø har fokus på å forstå oppførselen til partiklene i plasma og forsøker å kartlegge hvorfor såkalte bobler med plasma plutselig kan bryte ut og krasje i reaktorveggen, hvordan denne turbulensen oppstår, hvor mange partikler som treffer reaktorveggen og hvor mye skade de kan gjøre.

 

Ralph Kube forsvarte sin avhandling 16. desember 2014, tittel på avhandlingen er: Dynamics and statistical properties of blob structures in scrape-off layer plasmas”. Arbeidet ble utført ved Institutt for fysikk og teknologi med Odd Erik Garcia som veileder.

På Twitter   #norgesarktiske