Få utskriftsvennlig versjon ved å trykke på denne

– Det blir som å putte sola i en boks

Fusjonsenergi kan være verdens mest miljøvennlige energi, men først må forskerne klare å utvikle en reaktor som ikke brenner opp.


Vibeke Os 12.11.2018 13:24   (Sist oppdatert: 22.11.2018 09:30)

Audun Theodorsen har utviklet en datamodell som kan beskrive de turbulente forholdene som oppstår inne i en kjernereaktor når bobler av plasma river seg løs fra elektronstrømmen og truer med å ødelegge reaktorveggen. Foto: Vibeke Os

Plasmafysiker ved UiT, Audun Theodorsen jobber med prosessene som foregår inne i en fusjonsreaktor og sammenlikner energinivået inne i reaktoren med sola.

Evig energikilde

– For å sette igang en fusjonsprosess må vi ha temperaturen opp til 100 millioner grader celsius, det er faktisk mye varmere enn temperaturen på sola, påpeker Theodorsen som har skrevet en doktorgradsavhandling på temaet.

Han forteller at ingen reaktor tåler en slik temperatur over tid uten å brenne opp og dette jobber forskere over hele verden med å finne ut av. Potensialet for utnyttelse av fusjonsenergi er enormt, dette er energikilden på sola og i stjernene; to hydrogenisotoper smelter sammen og frigjør energi. Om menneskene mestrer denne prosessen vil det kunne løse klodens energibehov til evig tid.

Fusjon versus fisjon

Den motsatte prosessen av fusjon er fisjon, der atomkjerner spaltes. Fisjon brukes i kjernereaktorer mange steder i verden, men skadepotensialet er stort om det kommer ut av kontroll. En fusjonsprosess vil stoppe dersom noe går galt mens en fisjonsprosess kan forårsake skadelig utslipp av radioaktivitet.

Fusjon krever foreløpig mer tilført energi i form av varme enn forskerne klarer å hente ut av selve fusjonsprosessen, så det er ikke enda slik at forskerne kan produsere energi til verdenssamfunnet.

Den enorme tilførselen av varme skaper samtidig det andre store problemet, nemlig at reaktorene i seg selv ikke tåler så ekstreme temperaturer.

Denne illustrasjonen viser en smultringeformet fusjonsreaktor, der hydrogenisotoper drives rundt av et supersterkt magnetfelt og tilføres så mye energi at de kommer i en tilstand av plasma. (Inne i det rosa feltet) I denne tilstanden kan hydrogenkjerner smelte sammen og avgi store energimengder. Målet til forskerne er å holde plasmaet samlet i ringen uten at det krasjer i reaktorveggen, for da brenner den opp. Foto: EUROfusion

Plasma og elektroniske vinder

Inni skal det altså være varmere enn på sola, mens utenpå skal reaktoren være trygg for sine omgivelser og ha omtrent romtemperatur. Reaktoren er en smultringeformet konstruksjon der et superkraftig magnetfelt sørger for at hydrogenisotoper kjøres rundt og rundt i reaktoren, elektronene blir slitt bort fra atomkjernen og hydrogen blir til ionisert gass, kalt plasma.

– Der plasma møter reaktorens vegg skjer spennende ting, forklarer Theodorsen, her i ytterkant av smultringen møtes ulike fysiske tilstander, ionisert gass i form av plasma og elementene i reaktorveggen. Ingen andre steder på kloden møtes fysiske tilstander med så ulik størrelse. Dette skaper turbulens også kalt elektroniske vinder. Bobler av plasma slynges løs fra hovedstrømmen i reaktoren og krasjer i veggen.

Forklarer bobler med datamodell

Theodorsen har i sitt arbeid målt hvordan plasmaboblene beveger seg mot veggen og skrevet en datamodell som kan beskrive de elektroniske vindene så nøyaktig som mulig. Forsøkene hans er i hovedsak utført i en testreaktor, Alcator C-Mod, lokalisert ved MIT (Massachusetts Institute of Technology), der han oppholdt seg ett år. Det finnes omtrent 20 slike reaktorer rundt om i verden, i størrelse opp til 3 meter i radius.  Videoomvisning på Alcator C-Mod (YoyTube)

– Vi designer forsøkene, mens fasilitetene har egne ansatte som kjører forsøkene, her er det ikke hvermannsen som slipper til, smiler han.

Audun Theodorsen og Jim Terry i kontrollrommet tilknyttet fusjonsreaktoren ved Massachusetts Institute of Technology, fysikeren oppholdt seg ett år ved MIT Foto: Privat

Brøkdel av sekund

Theodorsen’s arbeid har i motsetning til tidligere modeller gått ut på å beskrive hvordan turbulensen opptrer over lang tid - nesten ett sekund. Ja, du leste riktig, tidsskalaen i et reaktoreksperiment er brøkdeler av sekunder.

Fysikeren målte blant annet hvor tett boblene kommer, form, størrelse og utstrekning på dem. Vi har sett at størrelsen varierer og at de opptrer tilfeldig, uten et forutsigbart mønster – og alt dette er data som er pakket inn i modellen vi har utviklet.

– Våre modeller må forenkles for å kunne bli håndterbar, utdyper forskeren, vi må skrelle bort noen ledd for å få overkommelige regnstykker og utfordringen er å finne ut hva som er minst viktig og kan utelates og hva som må inkluderes i beregningen for at den skal beskrive virkeligheten best mulig.

Store utfordringer igjen

Utvikling av selve kjerneprosessen er kommet langt, mens de tekniske utfordringene knyttet til skallet på smultringen, altså å «innkapslingen» av reaktoren er ifølge fysikeren ikke løst i en fart.

– Vi snakker nok enda tiår for den første fusjonsreaktoren er i drift med netto energigevinst. Det er heller ikke flust med bevilgninger til denne type forskning, jeg synes ikke det er samsvar mellom støtte og potensialet denne forskningen har for å løse et stort samfunnsbehov, avslutter Theodorsen.

Theodorsen forsvarte sin doktorgradsavhandling 14. Juni 2018, tittel på oppgaven var: “Statistical properties of intermittent fluctuations in the boundary of fusion plasmas”. Han ble veiledet av Odd Erik Garcia ved Institutt for fysikk og teknologi, UiT og prosjektet var finansiert av Forskningsrådet.

 

Statistical properties of intermittent fluctuations in the boundary of fusion plasmas ( Doktorgradsavhandling i UiT sitt vitenarkiv, MUNIN)
Plasma Science and Fusion Center
11 spørsmål om fusjonsenergi
Måler turbulens for å lage fremtidens energi