Denne teksten tar utgangspunkt i at du har lest vår innledende artikkel om kjernefysikk, eller har kunnskap om kjernefysikk likt pensum for fysikk 1.

Den sterke kjernekraften & den elektromagnetiske kraften

Hvis fusjon skal skje må temperaturen være veldig høy. Grunnen til at vi trenger slike forhold for at fusjon skal kunne skje, er ganske enkel; den sterke kjernekraften må overvinne den elektromagnetiske kraften (heretter kalt EM-kraften). EM-kraften virker frastøtende mellom like ladninger. Når to nuklider kommer svært nær hverandre, vil de altså frastøte hverandre. Denne “hindringen” kalles Coulomb-barrieren, og er et elektrisk felt rundt nukliden.

Den sterke kjernekraften er 100 ganger sterkere enn EM-kraften, og i motsetning til EM-kraften virker denne tiltrekkende. Denne kraften virker dog først på svært korte avstander, omtrent \(10^{-15}\) meter eller mindre. Får vi altså nuklidene \(10^{-15}\) meter eller nærmere hverandre, vil de fusjonere, da de er tiltrukket hverandre. Hvordan får man nuklidene så nærme hverandre? Det er her temperaturen kommer inn i bildet.

Temperatur

Temperatur er et mål på den gjennomsnittlige kinetiske energien til atomene/molekylene i et stoff. Kinetisk energi er tilknyttet bevegelse, og blir ofte omtalt som bevegelsesenergi. Når et stoff blir tilført energi, ved for eksempel varme, vil atomene/molekylene i stoffet bevege seg mer. Vi sier da at de at den indre kinetiske energien har økt.

Temperaturen til et stoff (altså den indre kinetiske energien) – sammen med trykket – avgjør hvilken aggregattilstand stoffet er i. Disse fasene kalles aggregattilstander, og vi skiller mellom fire ulike. Disse er fast, flytende, gass og plasma. Ulike stoff har ulike temperaturintervaller for når de ulike aggregattilstandene opptrer. Trykk har også en innvirkning på overganger mellom disse ulike tilstandene. Et kjent utsagn er at vann koker ved \(100^{\circ}\) celsius (C). Dette er ikke feil, men det ville vært mer korrekt å si; “vann koker ved \(100^{\circ}\text{ C}\) ved havoverflaten”. Kokepunkt i kjemiske tabeller oppgis ved forskjellige trykk, og det mest vanlige er å oppgi kokepunktene ved 1 atm. Dette tilsvarer lufttrykket ved havoverflaten i Paris. På Mount Everest, Jordas høyeste punkt, er trykket lavere enn ved havoverflaten. Dette trykkfallet fører til at vannets kokepunkt synker til omtrent \(69^{\circ} \text{ C}\). Generelt gjelder det at kokepunktet øker med trykkøkninger, og synker med trykksynkninger. Denne sammenhengen kan vises ved hjelp av et fasediagram, som du kan lese mer om her.

Når et stoff skifter aggregattilstand kaller vi det en faseovergang. De ulike aggregattilstandene har unike kjennetegn. Er et stoff i fast form vil bevegelsen i molekylene være i form av vibrasjoner. I væskeform vil molekylene dulte borti hverandre til stadighet, og bevegelsen vil være uordnet. Er stoffet i gassform vil bevegelsen til partiklene være uordnet og kaotiske, som kan ta form i både rotasjon, vibrasjon og translatorisk bevegelse. Som vi ser varierer bevegelsen mellom partiklene for hver av de ulike aggregattilstandene, som en følge av at den indre kinetiske energien i systemet øker/minker. Illustrasjonen nedenfor viser de fire ulike aggregattilstandene, hvilken “form” de har, samt navnene på de ulike faseovergangene mellom aggregattilstandene.

Den fjerde aggregattilstanden er plasma. Som vi ser av illustrasjonen over skiller plasma seg ut. Når et stoff er i fast form, flytende form eller gassform er atomer/molekyler i bevegelse. Når et stoff befinner seg i plasmatilstanden, er det blitt tilført så mye energi til systemet at elektronene kan slå seg fri fra atomkjernen sin. Da er altså atomkjernen uavhengig av elektronene. Alle stjerner på himmelen er glødende plasmakuler.

Vi har tidligere sett på sammenhengen mellom den indre energien i et system og den gjennomsnittlige farten til partiklene i stoffet. I en stjernes kjerne er temperaturen utrolig høy, og følgelig vil den kinetiske energien til partiklene i stjernekjernen være høy. Når den kinetiske energien til nuklidene er høy, er følgelig farten høy. Akkurat dette lar nuklidene overvinne den frastøtende EM-kraften, slik at fusjon kan skje.

Sola vår – et fusjonskraftverk

For solas del hadde temperaturen alene ikke vært nok for fusjon. Det er også et utrolig høyt trykk i solas indre som bidrar til at fusjonen kan skje. I sola vår foregår den såkalte proton-proton reaksjonen. Dette er fusjonsprosessen som vanligvis foregår på stjerner med en kjernetemperatur som er lavere enn 15 millioner K. Tidligere i teksten har vi snakket om plasma, og hva som kjennetegner akkurat denne aggregattilstanden. Når vi nå skal introdusere proton-proton-reaksjonen må vi huske på at det er grunnstoffenes atomkjerner som fusjoneres. Eksempelvis når to Hydrogen-1-kjerner fusjoneres, betyr det i praksis at to protoner fusjoneres, da dette er atomkjernen til Hydrogen-1.

Proton-proton-reaksjonen er vist under. Vi starter med to protoner og ender opp med en alfapartikkel i tillegg til to protoner. Vi ser at både steg 1 og steg 2 må repeteres to ganger for at vi skal ha rette reaktanter til steg 3. Det kan være greit å vite at \({^0_1\text{e}}\) er et positron, \(\nu_e\) er et elektronnøytrino og \( \gamma \) er en gamma-partikkel, men dette er ikke av betydning for teksten videre.

\( {^{1}_{1}\text{H}} + {^{1}_{1}\text{H}} \enspace \to \enspace {^{2}_{1}\text{H}} + {^0_1\text{e}}  + \nu_e \)
\( {^2_1\text{H}} + {^1_1\text{H}} \enspace \to \enspace {^3_2\text{He}} + \gamma \)
\( {^3_2\text{He}} + {^3_2\text{He}} \enspace \to \enspace {^4_2\text{He}} + {^{1}_{1}\text{H}} + {^{1}_{1}\text{H}} \)

I introduksjonsteksten til kjernekraft ble det forklart hvorfor fusjonsprosesser (med reaktanter ned til jern), vil resultere i massesvinn som blir konvertert til reaksjonsenergi. Reaksjonsenergien for akkurat denne prosessen er 19,3 MeV. Når vi snakker om spesifikke fusjonsprosesser oppgir vi som regel reaksjonsenergien i MeV (mega-elektron-volt), da det å bruke enheten joule (J), fører til så ekstremt små tall.

Fusjonsreaktor

Vi skal nå se litt på hvordan forskere prøver å gjenskape disse fusjonsprosessene på jorden. Forskere har allerede lyktes med å fusjonere sammen nuklider, men klarer ikke å holde i gang fusjonsprosessene så lenge at det blir et netto energiutbytte. Det finnes ingen kommersielle fusjonsreaktorer på jorden i dag, men en god del forskningsreaktorer. Der forskes det blant annet på den beste utformingen på en reaktor, samt de beste metodene for å varme opp plasmaet.

Når det kommer til hvilke nuklider som skal fusjoneres, står forskerne hovedsakelig mellom to alternativ. Disse er deuterium med deuterium, eller deuterium med tritium. På jorda er det praktisk talt uuttømmelige mengder deuterium i sjøvann (23mg/m³), og derfor ville en deuterium-deuterium-fusjonsprosess (heretter D-D-fusjon) være mest hensiktsmessig. Sammenlignet med forekomsten av deuterium, er tritium et svært sjeldent isotop. Allikevel er mye av forskningen i dag rettet mot deuterium-tritium-fusjon (heretter D-T-fusjon). Grunnen til dette er at D-T-plasma må varmes opp til omtrent 100 millioner kelvin for antennelsestemperatur, imens D-D-plasma må varmes opp til 10 ganger så høy temperatur; 1 milliard kelvin! En reaktor som skal operere på så høyere temperaturer vil være vanskelig å bygge, og derfor har man gått for en blanding av deuterium og tritium som brensel.

En utfordring forskerne står overfor er å varme opp brenselet. En annen utfordring er hvordan man skal holde plasmaet innesperret i reaktoren. Plasmaet er hele 100 millioner kelvin ved antennelsestemperatur ved D-T-fusjon, og da vil man ikke at plasmaet skal berøre noen vegger inne i reaktoren. Hvis en slik berøring hadde inntruffet ville veggen fordampet øyeblikkelig. I dag ser forskere for seg to ulike metoder for å holde plasmaet innesperret. Den første metoden kalles treghetsinnesperring, imens den andre kalles magnetisk innesperring. Sistnevnte er den metoden forskere tror vil fungere best, og der utviklingen har kommet lengst. Testreaktorer som bruker magnetisk innesperring er utformet som en smultring – en såkalt torus. Denne utformingen gjør at plasmaet beveger seg rundt i en uendelig sløyfe. Illustrasjonen nedenfor er et forenklet eksempel på en utforming av en tokamak.

Hvordan kan vi høste energien i fusjonsreaktorer

Ved D-T-fusjon vil produktene bli Helium-4 samt et energirikt nøytron. Dette nøytronet har nøytral ladning, og slipper dermed ut av plasmaet uten problem. I veggene på fusjonsreaktoren er det installert såkalte “tepper”. Gjennom disse skal det gå vann. Når nøytroner kræsjer i teppet vil nøytronene overføre sin indre kinetiske energi til molekylene i vannet – vi vil få en overføring av indre energi, altså varme. Dette vil gi vannet høyere temperatur og dette kan brukes videre til å drive en dampturbin som vil generere elektrisk strøm. Et problem med nøytronene er at de kan forårsake radioaktivitet i de materialene de treffer, da de kan gjøre atomkjernen i det stoffet ustabilt. I fremtiden ser forskere for seg å integrere Lithium-6 i teppene i reaktorveggene. Dette er fordi vi kan da framstille tritium i teppet, som kan brukes videre i reaksjonen. Når nøytronene kræsjer inn i Lithium-teppene vil følgende reaksjon oppstå;

\({^6_3\text{Li}} + {^1_0\text{n}} \enspace \to \enspace {^3_1\text{H}} + {^4_2\text{He}}\)

Fordeler og ulemper med fusjonskraftverk

Det finnes mange gode grunner til å legge mye tid og innsats, samt midler i fusjonforskningen. Hvis vi klarer å holde reaktorene i gang lenge nok ved høy nok temperatur, vil vi ha en ren og uuttømmelig energikilde. Det kan også være med å bidra til å fase ut fossile brensler, og dermed minske klimagassutslipp. Samtidig er brenselet i fusjon mye mer effektivt enn fossile brensler. Et 1000-MW kullkraftverk krever 2.7 millioner tonn kull per år, mens et fusjonskraftverk med samme effekt krever kun 250 kg per år, der den ene halvparten er tritium og den andre halvparten er deuterium. Lykkes man med å lage fusjonskraftverk trenger man i praksis ingen annen energikilde.

Det er noen tekniske utfordringer med fusjonskraftverk, blant annet det at nøytroner kan forårsake radioaktivitet i materien de treffer. Forskere har fortsatt ikke lyktes med å gå i overskudd av energi totalt sett, som jo er hovedpoenget med et eventuelt kommersielt fusjonskraftverk. Det er viktig å merke seg at fusjon som energikilde fortsatt er i forskningsstadiet.