Bildet er tatt inni verdens største fusjonsreaktor, Joint European Torus (JET), i Culham like utenfor Oxford i England. (Foto: EFDA/JET)
Bildet er tatt inni verdens største fusjonsreaktor, Joint European Torus (JET), i Culham like utenfor Oxford i England. (Foto: EFDA/JET)

Måler turbulens for å lage fremtidens energi

Fusjonsenergi kan løse verdens energibehov, men foreløpig må du putte inn mer energi i fusjonsreaktoren enn du klarer å få ut av den. Analyser av turbulensen inne i kjernekraftreaktorer bringer forskningen et lite skritt nærmere målet.

Published

I årtier har forskere forsøkt å knekke koden for bruk av fusjonsenergi. Potensialet for evigvarende og miljøvennlig energi er enormt.

Ralph Kube har jobbet på et stort internasjonalt prosjekt for å finne ut mer om hva som foregår inne i en fusjonsreaktor. Det har vært en del av doktorgradsarbeidet hans.

Fisjon i dag – ikke fusjon

Fusjonsreaksjon der to hydrogenatomer (deuterium  og tritium) kolliderer og skaper helium og energi. (Foto: (Illustrasjon: Wikimedia Commons))
Fusjonsreaksjon der to hydrogenatomer (deuterium og tritium) kolliderer og skaper helium og energi. (Foto: (Illustrasjon: Wikimedia Commons))

Kjernekraftverk verden over baserer seg på fisjonsprosessen. Det er det spalting av stoffer som for eksempel uran som starter en kaskade av kjernedelinger. Det skaper enorme mengder energi, og også radioaktiv stråling.

Dette er effektiv energiproduksjon, men fører som kjent til risiko for farlig radioaktivt utslipp og problemer med radioaktivt avfall.

Den motsatte prosessen, hvor lette atomkjerner smelter sammen når de kolliderer, kjent som kjernefusjon, fører også til at det frigjøres store energimengder.

Bærekraftig

– Fusjonsenergi er den ideelle løsningen på verdens energibehov: miljøvennlig, bærekraftig energi basert på hydrogen. Den store utfordringen er at man må tilføre mer energi for å sette i gang en fusjonsprosess enn man foreløpig klarer å høste, i tillegg til at de enorme energimengdene rett og slett kan ødelegge reaktoren, forklarer Kube.

Doktorgradsarbeidet hans har gått ut på å utlede og studere matematiske modeller som kan forklare noe av det som pågår i reaktoren.

– Noe av det vi kom frem til, var en bedre forståelse av turbulensen, såkalte «elektroniske vinder», nær reaktorveggene. I tillegg har vi utviklet en statistisk beskrivelse av prosessen, noe som gjør det mulig å forutsi hvor store variasjoner i temperatur og hastighet disse elektroniske vindene kan ha.

100 millioner grader

Denne fremstillingen er basert på en datamodell Ralph Kube utviklet i doktorgradsarbeidet sitt og viser en plasmaboble idet den nærmer seg reaktorveggen i høyre side av illustrasjonen. (Foto: (Illustrasjon: Ralph Kube))
Denne fremstillingen er basert på en datamodell Ralph Kube utviklet i doktorgradsarbeidet sitt og viser en plasmaboble idet den nærmer seg reaktorveggen i høyre side av illustrasjonen. (Foto: (Illustrasjon: Ralph Kube))

For å sette i gang en fusjonsprosess må det tilføres utrolige mengder energi.

– Vi må varme opp hydrogengassen til mer enn 100 millioner grader, forteller Kube.

To hydrogenkjerner vil normalt frastøte hverandre, men med tilførsel av ekstrem varme får man en tilstand med plasma i reaktoren. Da vil elektroner og protoner fra hydrogenkjernen rives løs fra hverandre og bevege seg rundt i voldsom hastighet.

– I dette virvaret av partikler vil noen hydrogenkjerner kollidere med hverandre og danne et heliummolekyl, og i denne prosessen frigis det masse energi. Denne energien er det vi på sikt ønsker å kunne høste med nettogevinst, sier Kube.

Brukte testreaktor i USA

Kubes veileder, Odd Erik Garcia, kan fortelle at forsøkene foregår i en testreaktor, Alcator C-Mod device, lokalisert ved MIT (Massachusetts Institute of Technology).

Inne i reaktoren introduseres det et magnetisk avgrenset plasma der man forsøker å kontrollere prosessen på en slik måte at det ikke skader reaktoren, det vil si at partiklene ikke krasjer i reaktorveggen. I reaktoren introduseres magnetiske felt som genererer energi til eksperimentet, men også gjør at partiklene tvinges til å bevege seg innenfor et avgrenset område.

Eksperimentene gjøres i støt på noen få sekunder, fordi det å opprettholde en tilstand med plasma er så ekstremt ressurskrevende.

Garcia sier at forskningsgruppen fra Tromsø prøver å forstå oppførselen til partiklene i plasmaet og forsøker å kartlegge hvorfor såkalte bobler med plasma plutselig kan bryte ut og krasje i reaktorveggen. De studerer også hvordan denne turbulensen oppstår, hvor mange partikler som treffer reaktorveggen og hvor mye skade de kan gjøre.

Referanse:

Ralph Kube: Dynamics and statistical properties of blob structures in scrape-off layer plasmas, doktorgradsavhandling, Institutt for fysikk og teknologi, UiT – Norges arktiske universitet, 2014.