Potensialet for utnyttelse av det som kalles fusjonsenergi er enormt. Dette er energikilden for sola og de andre stjernene, som frigjør energi ved å smelte sammen hydrogenisotoper.

Isotoper er varianter av et grunnstoff der antall protoner i kjernen alltid vil være det samme, mens antallet nøytroner kan variere.

Om vi lærer oss å mestre fusjon, kan vi løse klodens energibehov til evig tid.

– For å sette i gang en fusjonsprosess, må temperaturen opp til 100 millioner grader celsius. Det er faktisk mye varmere enn det er på sola, sier Audun Theodorsen.

Theodorsen er plasmafysiker ved UiT og jobber med prosessene som foregår inne i en fusjonsreaktor.

Han sammenlikner energinivået i reaktoren med sola og forteller at ingen reaktor tåler så høy temperatur over tid – den vil rett og slett brenne opp.

Derfor jobber forskere over hele verden med å finne en løsning på dette problemet.

Fusjon versus fisjon

Den motsatte prosessen av fusjon er fisjon, der atomkjerner spaltes. Fisjon brukes i kjernereaktorer mange steder i verden, men kan forårsake skadelige utslipp av radioaktivitet hvis prosessen kommer ut av kontroll. En fusjonsprosess vil derimot bare stoppe opp hvis noe går galt.

Foreløpig krever kjernefysisk fusjon at det tilføres mer energi i form av varme enn forskerne klarer å hente ut av selve prosessen. Det er med andre ord et godt stykke arbeid igjen før forskerne kan produsere energi til verdenssamfunnet.

Den enorme tilførselen av varme skaper også et annet stort problem, fordi reaktorene i seg selv ikke tåler så ekstreme temperaturer.

Plasma og elektroniske vinder

Inne i en fusjonsreaktor skal det altså være varmere enn på sola, samtidig som utsiden må være trygg for omgivelsene og omtrent ha romtemperatur.

Les også:

Dette kraftverket er basert på «kald fusjon»

Reaktoren er en smultringformet konstruksjon der et superkraftig magnetfelt spinner hydrogenisotopene rundt og rundt, slik at elektronene blir slitt bort fra atomkjernene. Hydrogen blir ionisert gass – det vi kaller plasma.

I ytterkanten av «smultringen», der plasma møter reaktorveggen skapes det turbulens – også kalt elektroniske vinder – og bobler av plasma slynges løs fra hovedstrømmen i reaktoren og krasjer i veggen, forklarer Theodorsen.

Dette kan ødelegge reaktoren. Derfor kan det være en fordel å forsøke å forutsi hvordan disse boblene vil oppføre seg inne i reaktoren.

Forklarer bobler med datamodell

Theodorsen har både målt hvordan plasmaboblene beveger seg mot reaktorveggen og laget en datamodell som beskriver de elektroniske vindene så nøyaktig som mulig.

Forsøkene er i hovedsak utført i en reaktor på Massachusetts Institute of Technology (MIT); en av rundt 20 slike reaktorer som finnes i verden i dag.

– Vi designet forsøkene, men det var egne ansatte ved testreaktoren som gjennomførte dem. Her slipper ikke hvermannsen til, smiler Theodorsen.

Brøkdel av et sekund

I motsetning til tidligere modeller, har Theodorsens arbeid gått ut på å beskrive hvordan turbulensen opptrer over lang tid – nesten opp mot et sekund. Ja, du leste riktig, tidsskalaen i et reaktoreksperiment er brøkdeler av sekunder.

Theodorsen målte blant annet hvor tett boblene kommer og hvilken form, størrelse og utstrekning de har.

– Vi har sett at størrelsen varierer og at de opptrer tilfeldig – uten et forutsigbart mønster. Alt dette er data som er pakket inn i modellen vi har utviklet, sier han.

– Våre modeller må forenkles for å kunne bli håndterbare. Vi må skrelle bort noen ledd for å få overkommelige regnestykker, og utfordringen er å finne ut hva som er minst viktig og kan utelates og hva som må med for at virkeligheten skal beskrives best mulig, utdyper forskeren.

Store utfordringer igjen

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

– Vi snakker nok enda om tiår før den første fusjonsreaktoren er i drift med netto energigevinst, sier Theodorsen. Det vil altså si at prosessen frigjør mer energi enn den tilføres.

Les også:

Fusjonskraft i startgropa

– Det er heller ikke flust med bevilgninger til denne typen forskning. Jeg synes ikke det er samsvar mellom støtten og det potensialet forskningen har for å dekke et stort samfunnsbehov, avslutter Theodorsen.

Referanse:

Theodorsen, A.: Statistical properties of intermittent fluctuations in the boundary of fusion plasmas. Doktoravhandling ved UiT (2018)