Fusjon Problemstilling: «Hvor er vi i dag og er det reelt å se for seg en fremtid hvor fusjonsreaktorer står for en betydelig del av vår energiproduksjon?» Grunnleggende Teori Som i all kjent atom kraft, handler dette om Einsteins mest berømte ligning; E = mc². Hvordan masse kan omformes til energi og energi til masse. Det virkelig utrolige med forholdet er selvfølgelig omregningsfaktoren «c²», lysets hastighet opphøyd i andre. Et ubegripelig stort tall. Det er reduksjonen i masse per subatomære partikkel, i en reaksjon, som gir oss energi. Som grafen viser vil bunnen være Fe-56. I alle isotoper som består av flere kjernepartikler kan man teoretisk sett spalte kjernen til to mindre og ta ut energi. Dette er fisjon, og er grunnlaget for alle kjernekraftverk som driftes i dag. Grafen viser også at potensialet for å redusere massen per kjernepartikkel også finnes under Fe-56, men her er det snakk om å smelte sammen to atomkjerner for å danne ett større. Dette er fusjon, og har tydelig større potensial for energiutbytte. Fusjon er den samme prosessen som foregår i kjernen av stjerner. All energi vi mottar som stråling fra sola er fusjonsenergi. Det også verdt å nevne at det er fusjonsprosessen som gjør det mulig å ha større atomer enn H-1 i universet. Dessverre er det et par hinder i løypa før vi kan drifte en fusjonsreaktor. I utgangspunktet må vi presse to atomkjerner nært nok sammen til å smelte de sammen. Her er det to krefter som er essensielle. Atomkjerner er positivt ladet og den elektromagnetiske kraften motvirker fusjonen, men dette gjelder inntil den sterke kjernekraften, den kraften som holder en atomkjerne sammen i utgangspunktet, tar overhånd og driver fusjonen. Denne terskelen kalles Coulombs barriere.
Løsningen fysikerne har kommet frem til for å overvinne Coulombs barriere er å varme opp materialene vi ønsker å fusjonere til 100 millioner kelvin, for å få prosessen i gang. En vanvittig temperatur. Allikevel har de klart det ved flere metoder. Enten man kolliderer atomene sammen med nær lysets hastighet, som ved LHC eller «Large Hydron Collider» i Cern, man roterer materialet hurtig i en magnetfelt sentrifuge, eller man bombarderer materialet med kraftige lasere. Så dukker hinder nummer to opp, når man endelig har kommet opp i temperatur og fusjonsprosessen, som i en reaktor ønskelig er en kontinuerlig prosess, utvikles en enorm strålingsenergi og et enormt trykk. Dette må begrenses og energien må transporteres vekk. Slik at reaktoren ikke sprenger, ikke smelter og energien faktisk utnyttes. For å begrense plasmaet både fysisk og isolere det fra ytterveggene i kammeret, siden alle materialer åpenbart smelter i kontakt med 100 millioner kelvin, benyttes ekstreme magnetfelt. Disse er i de fleste tilfeller bygget opp ved bruk av superleder koiler. Magnetfeltene som trengs er i størrelsesorden 10 20 Tesla. Verdt å notere at verdens kraftigste magnetfelt «REBCO strip coil» ble registrert til 26.8 Tesla, utviklet nettopp for en eksperimentell fusjonsreaktor ved MIT. For å transportere strålingsenergien ut av reaktoren har vi heldigvis allerede flere løsninger på dette fra fisjonsindustrien. Eksempelvis lettvannskjøling eller fluidsaltkjøling. Når man snakker om en fusjonsreaktors effektive utnyttelse benyttes Q-verdien. Q er egentlig bare et forholdstall hvor Q = Effekt ut / Effekt inn. Forskermiljøet er uavhengig enige om at det ikke er realistisk å kommersialisere fusjonsreaktorer før de når en Q mellom 4 og 5. Dette på grunn av de enorme oppstartskostnadene og de løpende vedlikeholdsutgiften. Med tanke på miljøbesparelsen ved fusjon kontra fisjon, ingen radioaktive avfall og deuterium + litium som drivstoff i motsetning til uran, antar man at det initialt vil kommersialiseres nede ved Q-verdier mellom 4 og 5. Metoder og pågående prosjekt Første suksessfulle fusjons eksperiment foregikk i en akselerator. Å akselerere to enkelt atomer i motgående retninger til nær lysets hastighet og sørge for at de treffer hverandre. Eksperimentelt var
dette revolusjonerende, men det er ingen løsning om en ønsker å drive kraftproduksjon. Enkelt partikler som fusjonerer var i 1947 det første konseptbeviset, men benytter enorme mengder energi i forhold til et eventuelt utbytte. I stjerner begrenses reaksjonen av gravitasjonen rundt om senter. Trykket som oppstår er tilstrekkelig til å antenne reaksjonen og derifra vil den være eksoterm, avgi energi. Det er imidlertid når en stjerne begynner å danne jern, Fe-56, at astrofysikere betegner den som «døende». Derifra til en eventuell supernova, lever stjernen på stadig mindre fasjonabelt materiale. Dessverre har vi ennå ikke klart å konstruere kunstige gravitasjonsfelt, men heldigvis er partiklene elektrisk ladet. Slik at elektriske og magnetiske felt kan gjøre gravitasjonens jobb. I senere tid, 1990 -, har laserteknologien kommet så langt at man kan tilføre et lite punkt enorme mengder energi. Derav kommer en metode for fusjon som baserer seg på å lukke en mikroskopisk «pellet», av hhv deuterium og tritium, i en magnetisk sfære og belyse det, i vakuum, med tilstrekkelig energi for å antenne fusjonen. Eksempelvis i TriAlpha prosjektet. Dessverre har de ennå igjen å møte: Q > 1. Speilingsfusjon er en russisk modell hvor fusjonsmaterialet antennes ved hjelp av vekslende magnetfelt i en skjermet vakuumsylinder. Ideen er å akselerer negativt ladede partikler den ene veien og positivt ladede partikler motsatt vei, frem og tilbake i en enorm hastighet. Friksjonen mellom materialene danner temperaturen som igjen antenner fusjonen. Et russisk prosjekt med denne modellen pågår i test stadiet. De har rapportert resultater som gir Q = 1,2. Tokamak er en originalt russisk modell som vender et magnetfelt i gjennom koiler om på seg selv. Produktet er en slags magnetisk sentrifuge som akselererer og begrenser materialet. Etter tilstrekkelig akselerasjon og friksjon mot magnetfeltet antenner fusjonen. Problemet som oppstår er når de forsøker å holde reaksjonen gående. JET, et prosjekt i Storbritannia, er de som per nå, har holdt reaksjonen gående lengst og ved høyst energinivå. De genererte 16 MW i 6 sekunders pulser, men på samme måte som man kan observere solstormer, vil plasmaet avgi energirike filamenter. Disse er de magnetiske feltkoilene ennå ikke sterke nok til å begrense. De plasmafilamentene som slipper forbi feltet gjør stor slitasje på reaktoren. Dessverre er JET på Q = 0,6. Tokamakreaktoren JET.
JET reaktoren har en plasmabaneradius på 3,2 m. For å øke utnyttelsen har et enormt internasjonalt samarbeid startet et prosjekt i Frankrike som i praksis skal ha en plasmabaneradius på 8,6 m og i teorien en ut effekt på 500MW med en Q = 10. Dette prosjektet skal stå ferdig i 2030 og heter ITER. De har også gjort utbedringer av feltkoilene ved bruk av en nyoppdaget superleder, REBCO, som ikke mister ledeevne på samme måte som de gamle, ved enorme strømmer. I tillegg har de utviklet slitasjedeler som skal gi intensjonelle svake punkter i det begrensende feltet. På den måten ønsker de å kontrollere slitasjen til enkelt utbyttbare deler i reaktoren. ITER reaktoren som er prosjektert i Provence, Frankrike. Stellaratorer er en modifisert tokamak modell hvor de roterer plasmafeltet om retningsaksen til plasmaet. Dette i et forsøk på å bedre begrensningen av plasmaet og minske filamentdannelsene. Per i dag er den største av disse testreaktorene Wendelstein 7-X prosjektet i Tyskland. Foreløpig har de kun rapportert suksessfulle testantennelser. I prosjektet skulle de oppnå er Q = 5. Wendelstein 7-X, stellaratoren i Tyskland.
Konklusjon