Vi ser det hver dag. Men få av oss vet hva det er. Vi tar det som en selvfølge at sola skinner og at vi kan se lys fra stjerner som er tusenvis av lysår unna.

Men hva ligger bak denne enorme energien?

Det kalles fusjonsenergi og er den energien som frigjøres når atomkjerner smelter sammen. Det er denne energikilden som driver alle stjernene, inkludert sola, og dermed også livet på jorda.

Fusjonsenergi er det motsatte av fisjonsenergi, som brukes i dagens atomreaktorer. I en fisjonsprosess spaltes atomkjerner, og prosessen kan komme ut av kontroll og skape katastrofale ulykker som i Tsjernobyl i 1986 og Fukushima i 2011.

Dette er ikke mulig med en fusjon, der hydrogenisotoper smelter sammen til helium.

Men det krever kolossale mengder energi å sette i gang en fusjonsprosess og få den til å bli selvgående. Over hele verden jobber forskere på spreng for å finne svaret, som kan løse mange av de globale energiutfordringene.

En av de som har dedikert sin forskning til fusjonsenergi, er Odd Erik Garcia ved UiT – Norges arktiske universitet. Her gir han deg svarene på alt du ikke visste at du lurte på om fusjonsenergi.

1. Hva er fusjonsenergi?

– Det ligger masse energi lagret i atomkjerner, og deler av den energien kan frigjøres når man enten smelter dem sammen eller spalter dem. Det som ligger bak vanlige kjernekraftverk og atomvåpen, er fisjonsenergi, der atomkjerner spaltes. Men det går også an å frigjøre energi ved å smelte sammen atomkjerner, og dette er fusjonsenergi.

– Det er denne energikilden som driver alle stjernene, inkludert sola, og dermed også livet på jorda. Energien kommer hovedsakelig fra hydrogenisotoper som smelter sammen til helium, noe som frigjør veldig mye energi.

Her kan du laste ned forskning.nos animasjon
som viser hvordan en fusjonsreaktor fungerer:
PC exe-fil (1,5 Mb)   Mac hqx-fil (3 Mb)

2. Hvorfor skaper en fusjonsreaksjon så mye energi?

– Det er flere typer krefter som virker mellom partikler. Atomkjernen er bygd opp av enda mindre partikler enn elektroner, nøytroner og protoner, som holdes sammen av det vi kaller sterke kjernekrefter. Hvis du får partiklene til å rives fra hverandre eller smelte sammen, frigjøres masse energi som ligger i den bindinga.

– Man kan ikke skape eller fjerne energi, men energi kan ha ulike former. I atomkjernene er det potensiell energi – muligheten til å gjøre arbeid – som kan frigjøres til å gi bevegelsesenergi. Det er det som skjer i fisjons- og fusjonsreaksjoner. Man har partikler med potensiell energi, og hvis man får dem til å kollidere med stor nok energi, kan noe av det gå over til bevegelsesenergi. Det ligger inne i materien. Spørsmålet er om vi klarer å utnytte det. 

3. Hvor lenge har man forsket på fusjonsenergi?

– Etter at man begynte å jobbe med denne typen energiform under andre verdenskrig, klarte man å utvikle en fusjonsbombe, en såkalt hydrogenbombe. Man skjønte samtidig at fusjonsenergi også kunne brukes til fredelige formål, som å lage elektrisk energi.

– Dette var en så utfordrende problemstilling at stormaktene i 1958 ble enige om å samarbeide om forskningen. Til tross for den kalde krigen, ble det holdt konferanser og møter mellom vestlige land og Sovjetunionen, hvor de diskuterte forskningsresultater. De ønsket å samarbeide fordi de mente det ville være til det beste for menneskeheten om man fikk det til.

– Så du kan si at dette er et forskningsprosjekt som har pågått siden 1940-årene. I dag bruker internasjonale forskningsorganisasjoner i EU, Russland, USA og Asia store summer på slik forskning. Det største eksperimentet som kjøres i dag, befinner seg i England og har pågått siden midten av 1980-tallet.

4. Hvorfor prioriteres denne forskningen fortsatt?

– Hvis man får til å lage elektrisk energi basert på fusjon, har vi en nesten utømmelig energikilde flere 100 000 år fram i tid. Råstoffet man trenger, er hydrogenisotopen deuterium, som utvinnes fra tungtvann som finnes i havet. Og så trenger man isotopen tritium som kan utvinnes fra metallet litium. Dette metallet finnes det rikelig av i jordskorpa.

– Tungtvannet som finnes i ett badekar med vann og litium fra batteriene til to datamaskiner, vil kunne gi nok fusjonsenergi til å dekke energibehovet til en europeer gjennom et helt liv. Det sier noe om hvor konsentrert denne energiformen er og hvor lite transport av råstoff som vil være involvert i slike kraftverk.

– I motsetning til fisjon, gir ikke fusjonsprosessen langvarig radioaktivt avfall. Grunnen er at hydrogen smelter sammen og lager helium, som er et veldig stabilt materiale. Mens det som skjer i en fisjon, er at uran spaltes og lager langvarig radioaktivt avfall.

5. Hvordan foregår et fusjonseksperiment?

– Vi sperrer mange partikler, primært hydrogenisotoper, inne i en reaktor, varmer dem opp og får det vi kaller plasma. I stjerner er plasmaet innesperret av det enorme gravitasjonstrykket, mens vi i laboratorier kan bruke sterke magnetfelt til å holde på de elektrisk ladde partiklene i et smultringformet kammer.

– Vi varmer dem opp på forskjellige måter, blant annet ved å sende inn elektromagnetiske bølger. Oppvarminga går ekstremt fort. En hydrogenkjerne kan gå rundt en magnetfeltlinje flere hundre millioner ganger i løpet av et sekund. Når hydrogenkjernene kolliderer, vil de av og til smelte sammen og danne helium, og samtidig lages det ett nøytron.

– Prosessen frigjør energi, som kan brukes som varme til å drive en vanlig turbin. Siden prosessene skjer så fort, får man innsikt i veldig mye ved å kjøre et eksperiment i bare noen sekunder. Da har man allerede oppnådd det samme som om man fortsatte i det uendelige.

6. Finnes det fusjonskraftverk i dag?

– Nei, det er ingen eksperiment som leverer kraft til nettet i dag. Men det er gjort flere forsøk der man ser at det har foregått kjerneprosesser ved å måle nøytronene som kommer ut.

– Å sette i gang en fusjonsprosess krever enormt med energi og har en rekke betingelser. Temperaturen må være flere hundre millioner grader celsius, og den må opprettholdes over lang tid. I tillegg må det være mange nok partikler. Man har klart å tilfredsstille betingelsene hver for seg, men ikke alle samtidig.

– Ett av problemene er at det oppstår turbulente strømninger, som også finnes i atmosfæren og i havet, fordi temperaturen varierer fra noen tusen grader ved reaktorveggen til noen hundre millioner grader midt i reaktoren. På grunn av turbulensen kommer det partikler og varme ut, og det er det vi studerer her ved Universitetet i Tromsø. Vårt hovedfokus er å studere den turbulente transporten, hvorfor det kommer så mange partikler ut til veggene, hvilken skade de gjør, og hvordan transporten kan reduseres, så vi får holdt varmen bedre inne i reaktoren.

7. Hvordan kan prosessen gi energi når den krever så mye energi i seg selv?

– Det krever mye energi å sette i gang en fusjonsprosess. Men så snart den er i gang og isotopene smelter sammen, frigjøres det nok energi til at en del av varmen kan brukes til å lage elektrisk energi, og resten kan brukes til å varme opp plasmaet selv. Prosessen kan til og med bli selvgående, slik at ekstern oppvarming ikke trenges.

– Selv om vi kanskje ikke kommer helt dit, vil vi kunne utvinne mye mer energi enn det som må tilføres for å holde prosessene i gang. Det blir som et brennende bål, der man legger på energi i form av ved og får mye varme tilbake. I en fusjon skjer det på grunn av kjemiske reaksjoner. 

8. Er dere sikre på at prosessen vil fortsette?

– Det skjer jo i stjernene. Når man kjenner til grunnleggende fysikk, er det ganske enkelt å beregne hva som må til. Vi vet at prosessene fungerer, og har laget betydelige mengder energi i forsøkseksperimenter, men foreløpig ikke nok til å levere til strømnettet.

– Til det kreves et større eksperiment, og et steg på veien er testreaktoren ITER som er under bygging i Frankrike. Den er 11 meter høy og vil bli det suverent største eksperimentet i verden. Det viser seg at det trengs en viss størrelse på en sånn reaktor for at prosessen skal settes i gang og for å holde varmen inne lenge nok. Det har vi mange teoretiske modeller for.

– Ett av de vitenskapelige målene for eksperimentet i Frankrike, er å få ti ganger mer energi ut enn det som puttes inn. 

• Les mer om ITER her: Fusjonskraft i startgropa

9. Hva slags materiale tåler varmen som må til?

– Det forskes mye på hva man skal bygge veggene av så de ikke smelter. Materialet må også ha gode egenskaper til å sperre inne gassene. Materialteknologi under ekstreme temperaturer er en egen fagdisiplin innenfor denne forskningen. Her prøver man for eksempel beryllium, wolfram og karbon.

– Stort sett er ikke plasmaet borti veggene, siden partiklene nærmest er tvunget til å bevege seg langs magnetfeltet i sentrum av reaktoren. Vi bruker magnetfeltet til å isolere plasma fra veggene, men vi får det ikke helt til, nettopp på grunn av de turbulente bevegelsene.

– Av og til kommer det energetiske partikler ut til veggene, som kan føre til at veggene skades eller smelter. Derfor forsker vi på det, for å forstå hva som foregår og for å prøve å begrense det.

10. Kan fusjonsenergi komme til å erstatte dagens energikilder?

– Ja, hvis man får det til å fungere, så regner man med at fusjonsreaktorer kan erstatte dagens kjernekraftverk. Det finnes allerede design på demonstrasjonsreaktorer som vil kunne forsyne store byer med elektrisk energi.

– Det vil opplagt være veldig kostbart å bygge slike reaktorer. Derfor vil de nok i første omgang være mest attraktive rundt større byer og kraftkrevende industri. I områder med mindre folk vil energibehovet kunne utfylles med fornybar energi, som vann-, sol- og vindkraft. 

11. Hvor lenge er det til vi har den første fusjonsreaktoren?

– Fusjonsaktiviteten har pågått i flere tiår, og skeptikere vil ha det til at det alltid er 30 år eller mer til vi har kommersiell fusjonsenergi. Det finnes motstandere til dette forskningsprogrammet, som mener at vi aldri vil lykkes, og at vi burde bruke pengene på annen forskning.

– Men det er alltid motstridende interesser når man har store forskningsprosjekter og begrenset med midler. Hvor fort programmet tas videre er avhengig av den politiske satsingen. Noen mener vi bør få en fusjonsenergiløsning raskt, som en del av svaret på klimaproblemet, og at vi derfor må begynne å arbeide med demoreaktoren allerede nå.