Denne teksten tar utgangspunkt i at du har lest teksten Introduksjon til kjernefysikk, eller har kunnskap om kjernefysikk likt pensum for fysikk 1. Hvis du ikke ser etter en teknisk forklaring, kan sammendraget passe deg.

Fusjonskraft er en energikilde som har vært et ønske og et ideal i mange tiår, men som aldri har klart å oppfylle disse drømmene. Forskere mener at effektiv utnyttelse av fusjonskraft vil kunne produsere tilnærmet utømmelige mengder ren og bærekraftig energi. Derfor finnes det mange forskningsreaktorer i dag, og flere land har valgt å gjøre store investeringer i prosjekter. Likevel er det slik at forskning og utvikling har pågått helt siden 60-tallet og har fortsatt ikke gitt et elektrisk utbytte. Spørsmålet er da om fusjonskraft er en teknologi vi må fortsette å jobbe med siden de potensielle fordelene er virkelig utrolige, eller om vi burde prioritere å bruke investeringsmidler på eksisterende energiteknologier.

Hva er fusjon?

Kjernefysisk fusjon er en reaksjon som oppstår når to nuklider kolliderer på en måte som lar de forenes til en nuklide. Altså er det en måte å kombinere to forskjellige grunnstoff for å danne et tyngre grunnstoff. For å finne ut hvorfor denne reaksjonen kan være gunstig å fremstille må vi se på diagrammet i figur 2. Diagrammet viser at bindingsenergi per nukleonene endrer seg basert på størrelsen til nukliden de er del av, og vi kan se at mengden bindingsenergi per nukleon øker når nuklidene blir tyngre frem til jern, før den minker igjen.

Dermed kan vi få energi ved å fusjonere lette grunnstoff for å danne et tyngre grunnstoff med totalt sett mindre masseenergi i nukliden. Dette er basert på det samme prinsippet vi så på i Introduksjon til kjernefysikk for fisjon: Siden nuklidene vi har igjen etter reaksjonen har mindre masseenergi enn nuklidene vi hadde før reaksjonen, må vi ha fått et massedefekt som ble omdannet til energi. Vi kan også se at den delen av diagrammet med lettere grunnstoffer er mye «brattere» enn siden med tyngre grunnstoffer. Dette fører til at, for samme masse med brensel, gir en fusjonsreaksjon mellom deuterium og tritium (D-T fusjon) et fire ganger så stort energiutbytte som en fisjonsreaksjon med uran, og et fire millioner (4 000 000!) ganger så stort energiutbytte som kjemisk forbrenning(som f. eks. kull eller gass)! Det er denne energien som vi har lyst til å utnytte i et fusjonskraftverk.

Kriterier for fusjon

Men hvis fusjonsreaksjoner produserer så utrolig mye energi kan vi stille oss et veldig åpenbart spørsmål: Hvorfor finnes det ikke noen kraftverk som drar nytte av reaksjonen for å lage strøm?

Svaret er at det viser seg å være et veldig stort problem med å skape en fusjonsreaksjon: Nemlig det at nuklidene må kunne overkomme den elektromagnetiske kraften (heretter kalt EM-kraften) for å kunne fusjonere. Dette problemet oppstår fordi nuklidene består kun av protoner og nøytroner, altså vil de være positivt ladde. Dermed vil to nuklider frastøte hverandre på samme måte som to magneter med samme pol frastøter hverandre. Vi sier at nukliden må bryte gjennom Coulomb-barrieren for å fusjonere, og energien den krever for å gjøre dette kaller vi Coulomb-potensialet. Det er verdt å nevne at dette problemet oppstår ikke hos fisjonsreaksjoner siden man bruker nøytroner til å kollidere med nukliden, og nøytroner påvirkes ikke av EM-kraften siden de ikke har noen ladning.

EM-kraften blir sterkere desto nærmere nuklidene er til hverandre, dermed ville vi forventet at de frastøter hverandre mest når kjernene er nærmest mulig hverandre. Likevel viser det seg at når nuklidene kommer nærme nok vil de tiltrekkes hverandre og fusjonere av seg selv. Dette kan vi se i figur 3 som viser Coulomb-potensialet. Dette skjer på grunn av en annen fundamental kraft, nemlig den sterke kjernekraften. Den sterke kjernekraften er tiltrekkende for to nuklider, men den er kun sterkere enn EM-kraften når nuklidene er veldig nær hverandre. Coulomb-potensialet er dermed egentlig bare mengden energi en partikkel trenger for å komme nær nok en annen partikkel til at den sterke kjernekraften skal overvinne EM-kraften. Spørsmålet er da: Hvordan skal vi klare å tilføre en partikkel nok energi til å overkomme Coulomb-potensialet og samtidig få et energiutbytte fra fusjonen? Det er dette problemet de jobber med på forskningsreaktorene rundt om i verden.

Temperatur og plasma

Temperatur er noe som kommer opp veldig ofte når vi snakker om fusjon. Temperatur er egentlig bare et mål på den gjennomsnittlige kinetiske energien til partikler. Kinetisk energi er veldig nært tilknyttet bevegelsen av stoff og blir derfor ofte kalt bevegelsesenergi. Dermed er temperatur egentlig bare et mål for hvor mye partiklene i et stoff beveger seg i gjennomsnitt.

Temperatur kan, sammen med trykk, bestemme hvilken aggregattilstand, eller fase, et stoff er i. Vi skiller hovedsakelig mellom 4 forskjellige tilstander: Fast stoff, væske, gass og plasma. Forhåpentligvis kan du allerede ganske mye om evnene til fast stoff, væske og gass fordi vi skal ikke dessverre gå over disse nå. Plasma er derimot noe vi skal gå litt inn på. Plasma er den mest energirike aggregattilstanden, altså vil du få plasma om du tilfører nok energi til et stoff i en av de andre tilstandene. Dette kan du gjøre f.eks. ved å varme opp et stoff.

Når et stoff er i plasma-tilsta er atomene i stoffet løsrevne fra molekylene de var del av. Mange av atomene i stoffet har også blitt ioniserte, altså har elektronene blitt løsrevne fra nuklidene. Vi kaller et plasma hvor alle atomene er ioniserte for et fullionisert plasma. Et fullionisert plasma er dermed bare elektroner og nuklider som flyr rundt med utrolig mye energi. Da gir det kanskje mening hvorfor plasma er veldig relevant for å få til fusjon.

Målet er dermed å varme opp et stoff så mye at de individuelle partiklene har nok energi til å overkomme Coulomb-potensialet. De fleste reaktorer sikter på å komme over 100 millioner grader celsius for å oppnå D-T fusjon selv om Coulomb-potensialet for to protoner egentlig er mye høyere. Grunnen til at vi likevel kun sikter på 100 millioner grader er at i et stoff vil noen partikler ha mye høyere energi enn gjennomsnittet, derfor er 100 millioner grader nok for kontinuerlig fusjon så lenge det er nok partikkeltetthet i stoffet. Dette målet burde egentlig ikke være så vanskelig å nå, vi klarer nemlig å nå denne temperaturen. Problemet ligger i at vi må gjøre dette på en kontrollert måte, over lengre tid og på en veldig stor skala, så må vi kunne hente ut mer energi enn det vi brukte på å starte reaksjonen.

Sola

Alle stjerner er glødende kuler av plasma. All varmen og alt lyset vi får fra sola kommer fra fusjonsreaksjonene som skjer i kjernen. Likevel er kjernen av sola ikke i nærheten av 100 millioner grader celsius. Den er faktisk kun rundt 14 millioner grader celsius, altså rundt en syvendedel av det vi på jorda trenger for fusjon. Siden varmen er relativt lav fusjonerer kun 0,00002% av partiklene i sola hvert år, det er kun en per 6 millioner! Grunnen til at sola fortsatt kan drive en fusjonsreaksjon er det enorme trykket, og dermed den høye partikkeltettheten, den påfører seg selv på grunn av gravitasjon.

Trykket i sola gjør at massetettheten i kjernen er utrolig høy, altså er det veldig mange partikler veldig nær hverandre. Så selv om temperaturen i sola er mye lavere enn i våre reaktorer, og at sannsynligheten for en kollisjon dermed er mye lavere per partikkel, vil en gigantisk mengde partikler gi et stort antall kollisjoner, og derav mye energi, på tross av den lave sannsynligheten. Denne energien skaper mer varme, som tillater nye fusjoner. Det er dette sola har gjort i flere milliarder år nå.

I solas kjerne oppstår det en kjede av fusjonsreaksjoner som kalles proton-proton kjeden. Reaksjonslikningene ser slik ut:

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

Legg merke til at de to første reaksjonen må skje 2 ganger hver for å danne reaktantene for den tredje reaksjonen dersom du kun starter med hydrogenkjerner. Vi må også huske at dette skjer i et ionisert plasma, altså har disse atomene ikke elektroner.

Fusjonsreaksjonene

På jorda prøver vi å oppnå en annen type fusjonsreaksjon enn den som foregår på sola: I våre fusjonsreaktorer prøver vi å drive D-T fusjon. Dette er på tross av at D-T fusjon egentlig har en del ulemper som må overkommes. Først og fremst er tritium et veldig sjeldent og radioaktivt stoff. Dette betyr at den lille mengden tritium vi klarer å samle vil henfalle med en halveringstid på kun 12 år. Dette er et problem vi håper å kunne løse med å lage tritium ved fisjonskraftverk eller med bestråling av litium (Dette kommer vi tilbake til senere). I tillegg er det ugunstig at energien fra D-T fusjon emitteres med et nøytron siden de kan være vanskelige å kontrollere, derfor kan det hende at fremtidens fusjon vil skje gjennom en annen reaksjon enn den vi jobber med nå. Grunnen til at vi likevel fokuserer mest på D-T fusjon er at dette er den fusjonen som har høyest sannsynlighet for å inntreffe ved lavere temperaturer.

Det hadde egentlig vært mye mer gunstig å drive deuterium-deuterium fusjon (D-D fusjon) siden vi har veldig store mengder deuterium i havet.  Problemet er at D-D fusjon krever en mye høyere temperatur for å kunne oppstå regelmessig. Å skape og bevare slike temperaturer er så vanskelig at det er rett og slett lettere å jobbe med et brensel som vi har veldig lite av. Heldigvis er det ikke mye brensel som brukes: Det er estimert at et fusjonskraftverk med en effekt på 1000MW (nok til å dekke 3 ganger Trondheim kommunes strømforbruk gjennom 2022) vil bruke rundt 250kg brensel i året. Dette er en mengde som gjør at fusjonskraftverkene slipper den kompliserte infrastrukturen mange andre kraftverk trenger for brensel, du kan jo få plass til årsforbruket i en personbil.

Fusjonsreaktorer

I figur 7 ser du et tverrsnitt av en tokamak reaktor. Denne illustrasjonen er basert på tokamaken som bygges av ITER. ITER er et samarbeidsprosjekt mellom veldig mange land og grunnen til at vi valgte å basere illustrasjonen på den er siden dette er en reaktor som er planlagt til å være en type generaltest for fremtidige kommersielle reaktorer. Om du vil lese om andre typer fusjonsreaktorer kan du lese teksten Fra forskning til kommersielle fusjonskraftverk.

Det er veldig mange viktige deler i reaktoren, men vi skal kun gå gjennom noen av dem. Den hvite ringen i illustrasjonen er plasmaet. Det er en blanding av deuterium og tritium som er varmet opp til rundt 150 millioner grader celsius og som ledes i ring rundt midtdelen av reaktoren. Dersom plasmaet skulle kunne komme i kontakt med en av veggene i reaktoren ville veggen fordampet med en gang, så det er veldig viktig at plasmaet kontrolleres. Måten vi gjør dette på er ved at utrolig sterke magneter er plassert rundt reaktoren som kontrollerer plasmaet med de elektromagnetiske feltene deres. Grunnen til at vi kan gjøre dette er fordi at plasmaet er en masse av ladde partikler som derfor påvirkes av EM-kraften vi påfører.

Når plasmaet har blitt varmet opp er det der fusjonsreaksjonene oppstår. Hvis du husker reaksjonslikningen til D-T fusjon er det slik at et fritt nøytron emitteres. Dette nøytronet inneholder 80% av energien som kommer ut av reaksjonen i form av sin bevegelsesenergi. Nøytronene som kommer ut av D-T fusjonsreaksjonen beveger seg faktisk på en sjettedel av lysets hastighet! Siden nøytronene ikke er elektrisk ladet vil de unnslippe magnetfeltet vårt og treffe reaktorveggen.

Her vil nøytronet kollidere med vann og veldig mye kinetisk energi vil gå fra nøytronet til vannet. Dette fører til at vannet varmes opp, og som vi vet har varmere vann lavere massetetthet enn kaldt vann. Da vil det varme vannet stige. Denne bevegelsen utnytter vi for å spinne en turbin som driver en generator. Fusjonsreaktoren er derfor ikke veldig forskjellig fra en fisjonsreaktor, et fossilt kraftverk eller andre varmekraftverk siden hovedmålet er fortsatt bare å lage varme som vi kan drive en turbin med. ITER-reaktoren vil bare slippe vanndampen fri siden den ikke er laget for å produsere strøm.

Senere i ITER-reaktorens levetid skal deler av reaktorveggene byttes ut med litiumplater. Formålet med dette er at når et nøytron kolliderer med litium kan litiumet fisjonere og danne tritium og helium:

\( {^{6}_{3}\text{Li}} + {^{1}_{0}\text{n}} \enspace \to \enspace {^{4}_{2}\text{He}} + {^{3}_{1}\text{H}}\)

Tidligere i teksten nevnte vi at tritium er veldig sjeldent, derfor er det håp om at en reaktor skal kunne produsere like mye eller mer tritium enn det den bruker. Da blir forbruket til reaktoren deuterium og litium, i stedet for deuterium og tritium, noe som er mye lettere å få tak i.

Andre deler som ikke er en direkte del av energiproduksjonen, men som likevel er veldig viktige er blant annet stråleskjoldet og kjølesystemet. Stråleskjoldet skal hindre stråling fra å unnslippe reaktoren. Kjølesystemet er veldig viktig siden varme vil fortsatt unnslippe plasmaet selv om det ikke er i kontakt med reaktorveggene. Kjølesystemet skal motvirke varmen reaktorveggene mottar slik at de ikke er under fare for å smelte. I tillegg er det et ekstra kjølesystem som skal kjøle ned magnetene i reaktoren til under -260 grader celsius. Dette er fordi magnetene er mer effektive når de er ved en lavere temperatur. Disse avkjølte magnetene kalles superledende magneter. Dermed vil det være en forskjell i temperatur fra -260 til 150 millioner grader celsius over noen få meter, dette kan kanskje være en av de bråeste temperaturendringene i universet!

Fordeler:

• Effektiv fusjon skal i teorien kunne produsere utømmelige mengder ren og bærekraftig energi.
• Dersom tritiumavling fungerer i praksis, vil brenselet kun være små mengder litium og deuterium.
• Produksjonen av strøm skal i teorien ikke være avhengig av noe annet enn hvor mye vi vil produsere, dermed skal man kunne balansere strømnettverket med en fusjonsreaktor.

• Alt tyder på at fusjonskraft vil være utrolig arealeffektivt.
• Forskningen som har blitt gjort rundt fusjon har ledet til mange vitenskapelige nyvinninger i andre felt, spesielt medisin.

Ulemper:

• Nesten alle fordelene med fusjonskraft er fullt basert på teori siden det aldri har blitt laget et kraftverk.
• Det eneste prosjektet som faktisk er på skala med et kraftverk, sliter konstant med utsettelser og prisøkninger.
• Det er en sjanse for at fusjon ikke er praktisk for strømproduksjon i det hele tatt. Da kunne pengene som ble brukt på feltet ha gjort mer godt om de var brukt på rene og bærekraftige energikilder som allerede har bevist sin effektivitet.