Fusjon er prosessen som skjer inne i sola. Om mennesker kan gjenskape det i en maskin får vi en nærmest utømmelig kilde til elektrisitet.
Fusjon er prosessen som skjer inne i sola. Om mennesker kan gjenskape det i en maskin får vi en nærmest utømmelig kilde til elektrisitet.

Monteringen av verdens største fusjon-eksperiment har begynt

Den avanserte maskinen kan ta oss et steg nærmere drømmen om fusjonenergi.

Publisert

For hundre år siden foreslo Arthur Eddington at stjernene gløder fordi atomer i kjernen fusjonerer.

I sola smelter hydrogen sammen og blir til helium. Slik ble stjernen tent, og slik vil den fortsette å lyse i fem milliarder år til.

Om vi hadde klart å gjenskape reaksjonene på jorden, ville vi fått en nær utømmelig kilde til energi.

Drivstoffet kan utvinnes fra vann. Et fusjonskraftverk slipper ikke ut klimagasser og lager ikke langlivet radioaktivt avfall.

Forskere har prøvd å knekke koden i mange tiår.

De har gjenskapt temperaturer som er flere ganger høyere enn inne i solen. Plasma på millioner av grader har vært sperret inne i flere minutter. Atomer har fusjonert. Men ingen har klart å lage maskin der fusjon skjer lenge og stabilt nok til at det kan skapes mer energi enn det brukes.

Internasjonalt samarbeid

Fusjon er det motsatte av fisjon, det som skjer i vanlige atomkraftverk. Ved fisjon blir store tunge atomer, som oftest uran 235, splittet i mindre deler i en kjedereaksjon. Ved fusjon skal isteden lette atomer moses sammen.

International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) er navnet på det største fusjonseksperimentet som er satt i gang. Det er et samarbeid mellom Kina, EU, India, Japan, Korea, Russland og USA.

Med reaktoren skal forskere teste ut teknologi som må fungere i et lignende, fremtidig fusjonskraftverk. De satser også på å sette rekorder.

Produksjonen av komponentene har foregått over flere år. Nå er monteringen endelig i gang.

Settes opp i Frankrike

- ITER tilhører ånden for oppdagelse og ambisjoner. I kjernen er overbevisningen om at vitenskapen virkelig kan gjøre morgendagen bedre enn i dag, sa president Emmanuel Macron i Frankrike da den nye fasen i prosjektet ble markert 28. juli.

Maskinen settes opp i Cadarache i Frankrike og bygningen som skal huse den står klar. Det vil ta litt tid å pusle sammen de rundt en million komponentene som reaktoren skal bestå av.

Den skal være ferdig i 2025, og først da skal maskinen fyres i gang.

Originalt var det planlagt at den skulle stå ferdig i 2016. Men ifølge ITERs organisasjon tok det lenger tid å få på plass samarbeidet mellom landene enn ventet.

Audun Theodorsen er førsteamanuensis og plasmafysiker ved UiT Norge Arktiske Universitet. Han tror ITER vil klare å nå sine mål.

- Nå er de i gang med å bygge. Forhåpentligvis er de ferdige med de verste utsettelsene.

Bilde fra byggeplassen tatt i 2018.
Bilde fra byggeplassen tatt i 2018.

Slik skal de gjøre det

Å etterligne solen er ingen enkel prosess. Hjertet av ITERs reaktor skal varmes opp til 150 millioner grader. Det er ti ganger så varmt som i sola.

Istedenfor vanlig hydrogen, brukes deuterium, som finnes som tungtvann, og tritium. Dette er hydrogen med ett og to ekstra nøytroner i kjernen. Disse er lettere å få til å fusjonere enn vanlig hydrogen.

Gassene skal varmes opp så mye at atomene raser rundt i voldsom fart. Elektronene rives vekk fra atomkjernene og stoffet blir til plasma.

For at fusjon skal skje må atomkjernene presses og slås inn i hverandre så ekstremt at det overvinner avstøtningen protonene har på hverandre.

Smultringformet supermagnet

Hvordan holder man spinnvill plasma på 150 millioner grader på plass?

Dette er en av utfordringene. Ingen materialer vil duge. Derfor bruker forskerne supersterke magneter for å temme atomene. Siden elektronene er revet vekk, har partiklene ladning og påvirkes av magnetfelt.

ITER skal sperre plasmaen inne ved hjelp av et 30 meter bredt smultringformet magnetkammer. Det kalles en tokamak. Kraftige magnetfelt hindrer plasmaet i å treffe veggene og holder det sammen.

– Hvordan i all verden får man det så varmt som 150 millioner grader?

- Det høres kjempemye ut. Man lager en elektrisk strøm i plasmaet, som både bidrar til den magnetiske innesperringen og som varmer opp plasmaet på samme måte som metalltråden i en lyspære varmes opp. I tillegg varmer du opp plasmaet ved hjelp av mikrobølger, forklarer Audun Theodorsen.

Det er ikke småtterier som skal på plass.

Reaktoren vil inneholde 3000 tonn superledende magneter som vil bli koblet sammen med 200 kilometer med superledende kabler. Dette skal holdes så kaldt som -269 grader av det største kryogene anlegget i verden, skriver The Guardian.

Kryostaten på 1200 tonn er allerede satt opp.

Tekninsk tegning av tokomaken. Den innerste, smultringformede delen er der hvor plasmaet skal holdes.
Tekninsk tegning av tokomaken. Den innerste, smultringformede delen er der hvor plasmaet skal holdes.

Skal ta et skritt videre

ITER vil demonstrere flere aspekter ved fusjonsprosessen som ikke er gjort før, sier Theodorsen.

- De skal holde prosessen i gang og plasmaet stabilt over lang tid, også med høy nok temperatur til at man faktisk skaper netto energi. De skal få ti ganger mer fusjonsenergi enn den eksterne oppvarmingen som kommer inn.

ITER skal bli de første til å oppnå «brennende plasma». Det er når fusjonsreaksjonene produserer minst halvparten av energien som holder plasmaet varmt. Plasmaet blir delvis selvoppvarmet.

Når effekten fra fusjon er like mye som effekten fra ekstern oppvarming, og det går i balanse, kalles dette Q=1.

ITER skal få ti ganger mer effekt ut enn inn, altså Q=10, og opprettholde dette i noen minutter. De skal få 500 MW fusjonsenergi fra en ekstern oppvarming på 50 MW. De skal også oppnå Q=5 i opp mot en time.

ITER er ikke laget for å hente ut elektrisitet fra prosessen.

Fusjonen skaper heliumkjerner, mens de ekstra nøytronene som blir frigjort slynges ut.

Disse nøytronene vil kunne brukes til å lage elektrisitet i et anlegg som er laget for det. De slår mot veggene i maskinen og kan lage varme til å drive en dampturbin, ifølge ITER.

Viktig test av teknologi

ITER vil altså ikke kunne forsyne oss med strøm. Men forskerne vil lære mer om hva som skal til for å lage et fusjonskraftverk.

- Når fusjonsprosessen går, så dannes det raske nøytroner som går ut av maskinen. For det første så må utstyret og alle komponentene tåle disse nøytronene, og det er ikke testet før, sier Theodorsen.

For det andre, sier han, skal disse nøytronene også brukes til å produsere tritium fra en kappe av litium i maskinen.

Deuterium får vi fra sjøvann, mens tritium finnes nesten ikke naturlig. Det må lages inne i maskinen.

- Det skal da pumpes tilbake for å holde prosessen i gang, det er det heller ingen som har gjort før. Det er også en veldig viktig bit av ITER-prosjektet.

Kryostaten på 1200 tonn ble senket ned i bygningen 26. mai.
Kryostaten på 1200 tonn ble senket ned i bygningen 26. mai.

Prototype i 2050

ITER vil begynne begynne med plasma-tester i 2025. Fusjons-eksperimenter med deuterium og tritium skal først skje i 2035.

Fra 2030 begynner også den neste fasen av prosjektet kalt DEMO. Da starter arbeidet for fullt med å lage en ny maskin som tar med lærdom fra ITER. Denne skal rigges for å produsere elektrisitet for forskingsformål.

Det siste steget vil være å lage en prototype-reaktor. En slik reaktor skal etter prognosene være ferdig rundt 2050.

En fusjonsreaktor er beregnet å kunne gi strøm til to millioner hjem, med samme operasjonelle kostnader som vanlige atomkraftverk, ifølge ScienceAlert.

Noen utfordringer gjenstår

Audun Theodorsen er førsteamanuensis ved UiT og forsker blant annet på hvordan plasma oppfører seg i en fusjonsreaktor.
Audun Theodorsen er førsteamanuensis ved UiT og forsker blant annet på hvordan plasma oppfører seg i en fusjonsreaktor.

For å kunne lage elektrisitet fra fusjon er det likevel noen utfordringer som gjenstår.

Plasmaet må holdes varmt nok over tid, og være tett nok. Plasma er vanskelig å holde stabilt og oppfører seg på måter som er vanskelig å forutse. For eksempel oppstår det turbulens nær kantene som gjør at varme går tapt og det kan gjøre skade på veggene. Dette er noe av det Theodorsen og andre forskere studerer ved UiT.

- Ved plasmaturbulens nær veggene er det mye mer som foregår enn det beregningene brukt for ITER skulle tilsi, det kan potensielt være noe som gjør at veggene ødelegges fortere enn det man har regnet med, sier Theodorsen.

- Så må alt av teknologien rundt fungere. Både dette med produksjon av tritium fra litium, og det at alt holdes stabilt. Å koble en vanlig dampgenerator til systemet for å hente ut varme og lage strøm, det er ikke spesielt problematisk.

Vil en fusjonsreaktor produsere radioaktivt avfall?

- Ja, men ingenting sammenlignet med en fisjonsreaktor. Det er mye kortere halveringstid og langt mindre problemer med å lagre det, sier Theodorsen.

Det er hovedsakelig veggene i reaktoren som vil bli svakt radioaktive på grunn av nøytronene.

Halveringstiden til radioaktivt avfall fra en fusjonsreaktor vil være på 50 år. Det er mer sammenlignbart med radioaktivitet fra aske fra kullkraftverk enn fisjonskraftverk, sier Theodorsen.

Det er heller ikke fare for kjernekraftulykker. Hvis det oppstår forstyrrelser, avkjøles plasmaet i løpet av sekunder og reaksjonen stopper, Ifølge ITER.

- Spørsmålet er når

– Er det realistisk at man vil kunne produsere strøm med fusjonsreaktorer?

- Ja, at vi får det, det vil jeg absolutt tro, sier Theodorsen.

- Spørsmålet er når vi får det. Om vi får det så fort at det kan hjelpe til med klimakrisa og erstatte fossile brennstoffer, der er jeg litt mindre sikker på. Hvorvidt vi oppnår fusjon raskt nok kommer an på hvor villige vi er til å satse på fusjon som energikilde, sier han.

Theodorsen minner om at det ved siden av ITER, er det flere andre som forsøker å oppnå det samme ved hjelp av andre tilnærminger. For eksempel SPARC ved MIT. Der er de i gang med å utvikle en reaktor som er mindre enn ITERs, men med et mye sterkere magnetfelt.

-I tillegg til å selvfølgelig teste teknologier som du er nødt til å ha på plass for å produsere energi, så er det nyttig å fortsatt innovere på litt annerledes konsepter også.