Visjon om fusjon

Tenk deg en kraftkilde som dekker verdens energibehov for all framtid, uten å skade miljøet. – Det er ikke lenger science fiction. Vi er på vei inn i fusjonsalderen, lover lederen for verdens største fusjonsprosjekt.

Publisert
"En tekniker utfører vedlikehold inne i fusjonsreaktoren ved den Polytekniske høyskolen i Lausanne, Sveits. (Foto: Alain Herzog)"
"En tekniker utfører vedlikehold inne i fusjonsreaktoren ved den Polytekniske høyskolen i Lausanne, Sveits. (Foto: Alain Herzog)"

Test fusjonsreaktoren!

Multimedia som forklarer deg enkelt og grunnleggende hvordan en fusjonsreaktor virker.

Kjør multimedia!

For en verden med skrikende behov for ren kraft, høres det for godt ut til å være sant.

Med hjelp av atomfusjon kan menneskeheten i prinsippet høste fra en ubegrenset energikilde, som aldri vil ta slutt.

Det er ingen fare for ukontrollerte kjernereaksjoner, og utslippene av skadelige klimagasser er lik null. Samtidig er den radioaktive strålingen ubetydelig i forhold til tradisjonelle atomkraftverk.

- Atomfusjon er framtidens energikilde. Innen tretti år vil vi demonstrere at det faktisk lar seg gjøre, sier Carlos Alejaldre til Forskning.no

Han er visedirektør for International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), verdens kraftigste fusjonsreaktor som er under bygging i Frankrike.

Fusjon på solen

Selv om det kan være vanskelig å la seg overbevise, er det i hvert fall ingen grunn til å tvile på at selve prinsippet med atomfusjon faktisk virker. Når man myser mot solen, ser man nemlig opp mot en enorm fusjonsreaktor.

Hvert sekund smelter solen sammen atomkjernene i 700 millioner tonn hydrogen. En stor del av biproduktet av denne prosessen er helium. Men i tillegg frigjør fusjonen energi, i form av solens livgivende stråling.

Hvis man klarer å gjenta denne prosessen også her på jorden, kan menneskehetens energibehov kanskje være løst – en gang for alle.

"Forskning.no møtte professor i plasmafysikk Minh Quang Tran (t.v.) og Carlos Alejaldre, visedirektør for ITER. Begge er overbeviste om at atomfusjon er framtidens energikilde på jorden. (Foto: Espen Eggen)"
"Forskning.no møtte professor i plasmafysikk Minh Quang Tran (t.v.) og Carlos Alejaldre, visedirektør for ITER. Begge er overbeviste om at atomfusjon er framtidens energikilde på jorden. (Foto: Espen Eggen)"

- Vi forsøker rett og slett å kopiere det som skjer på solen. Du kan godt si at jobben min er å tenne en stjerne her nede på jorden, sier Carlos Alejaldre i ITER.

Evigvarende drivstoff

På solen fusjonerer altså hydrogenatomer. I reaktorer her på jorden, brukes i stedet de to hydrogenvariantene (isotopene) deuterium og tritium. De lar seg lettere fusjonere enn hydrogenatomer.

Det svært interessante med deuterium er at det enkelt kan utvinnes fra vannet i havet, og dermed er forholdsvis jevnt fordelt mellom verdens nasjoner.

For å utvinne tritium kreves det en litt mer omstendelig prosess, men det er nok av begge stoffene til å forsyne menneskeheten med kraft ut jordens levetid. 

Trykk og varme

Men å få atomkjerner til å smelte sammen er lettere sagt enn gjort.

Kjernene har nemlig lik elektrisk ladning, og vil naturlig frastøte hverandre.
Derfor kreves det en kombinasjon av tilstrekkelig varme og tetthet for at fusjonsprosessen skal komme i gang.

I solens indre er det rundt 15 millioner grader. På grunn av den svært store tettheten (det atmosfæriske trykket er omlag 100 000 ganger større enn på jorden) er dette tilstrekkelig for å holde fusjonen gående.

Varmere enn solen

Her på jorden må forskerne kompensere for det lavere trykket med desto høyere temperatur.

- I reaktoren her i Lausanne er vi oppe i 170 millioner grader, forklarer Minh Quang Tran.

Han er leder for plasmafysiske forskningen ved den Polytekniske høyskolen i Lausanne, som har en av verdens få forskningsreaktorer for atomfusjon.

Svever fritt

Ved en slik temperatur vil alle gasser gå over i plasmaform, og atomstrukturen er i oppløsning. Dermed frigjøres elektronene fra atomene, og svever fritt rundt.

"ITER blir verdens største fusjonskraftverk, og skal vise verden at det er mulig å lage en kopi av solen på jorden. (Illustrasjon: ITER)"
"ITER blir verdens største fusjonskraftverk, og skal vise verden at det er mulig å lage en kopi av solen på jorden. (Illustrasjon: ITER)"

Først i en slik tilstand kan fusjoneringen av hydrogenkjernene skje, ved at de kolliderer og smelter sammen.

Smultringformet

Selve hjertet i en fusjonsreaktor er derfor selve beholderen med det ufattelig varme gassplasmaet. Det har vist seg at det mest effektive er å utforme beholderen omtrent som en smultring, og reaktoren kalles da en tokamak (avledet fra en russisk forkortelse).

Ved ITER-reaktoren skal tokamaken få en diameter på omlag 30 meter.

Fordi ingen faste materialer tåler temperaturer på opp mot to hundre millioner grader, må plasmaet holdes svevende inne i tokamaken ved hjelp av et kraftig magnetfelt.

Friksjonsvarme og vanndamp

Det som skjer når kjernene i hydrogenisotopene smelter sammen, er at ørsmå nøytronpartikler frigjøres. Disse farer da i høy hastighet ut fra tokamaken i alle retninger, i form av stråling.

I et fusjonskraftverk vil energien i nøytronene så fanges opp av store stålstrukturer, som bygges opp rundt tokamaken.

"Tverrsnitt av selve plasmabeholderen, eller tokamaken, i ITER. Den vil måle omlag 30 meter i diameter, og hele anlegget skal stå klart i 2018. (Illustrasjon: ITER)"
"Tverrsnitt av selve plasmabeholderen, eller tokamaken, i ITER. Den vil måle omlag 30 meter i diameter, og hele anlegget skal stå klart i 2018. (Illustrasjon: ITER)"

- Stålets oppgave er rett og slett å bremse ned nøytronene som kommer farende i full fart. Nedbremsingen skaper friksjonsvarme, og gjør at stålet varmes opp, forklarer Minh Quang Tran.

Denne varmeenergien kan så brukes til å lage vanndamp, som igjen kan drive tradisjonelle turbiner for produksjon av elektrisitet.

Gammel idé

Tanken om å hente energi fra å fusjonere atomkjerner, i stedet for å skille dem fra hverandre (fisjonere) som i tradisjonelle atomkraftverk, er langt fra ny.

Allerede i 1958 ble det holdt en stor, internasjonal konferanse der verdens nasjoner drøftet hvordan de kunne utnytte atomfusjon på fredelig vis.

Byggingen av ITER kan vise seg å bli et avgjørende skritt mot en slik visjon.

Skal knekke koder

Det dreier seg om et av verdens dyreste forskningsprosjekter noensinne, med samlet budsjett på rundt 50 milliarder kroner. De fleste av verdens ledende industrinasjoner deltar og er med på spleiselaget.

Reaktoren bygges i Cadarache like ved Marseille i Frankrike, og skal etter planen stå klar i 2018.

- ITER skal hjelpe oss til å knekke de siste kodene rundt atomfusjon. Hvis vi lykkes, vil reaktoren bane veien for kommersiell utnyttelse av denne energikilden, sier visedirektør Alejaldre.

Ustabilt plasma

Likevel er det alt for tidlig å trekke et lettelsens sukk, og avlyse verdens mulige energi- og klimakrise. Det er fortsatt svært mange tekniske hindre som må overvinnes, før hjemmene våre kan varmes opp av strøm produsert fra atomfusjon.

- En av de største utfordringene er å få plasma som er stabilt nok over tid, sier Minn Quang Tran.

Dagens reaktorer klarer bare å holde fusjonsprosessen gående i noen tiendedels sekunder, før plasmaet blir ustabilt og prosessen stopper opp.

Femti minutter

Målsettingen for ITER-reaktoren er at fusjonen skal kunne skje i inntil femti minutter av gangen.

- Men skal atomfusjon bli aktuelt for kraftproduksjon, vil det kreves plasma som er stabilt dag ut og dag inn i årevis. Så vi har ennå langt fram, innrømmer professor i plasmafysikk, Minh Quang Tran.

Stål som knekker

Forskeren er også særlig spent på hvordan stålet som skal oppta og magasinere energien fra fusjonsreaktoren vil klare seg.

Dette har aldri blitt testet ut i full skala, og enkelte teoretiske modeller tyder på at stålet ikke vil tåle den vedvarende nøytronstrålingen.

"Illustrasjon av hvordan ITER-anlegget vil se ut når det står ferdig på byggetomten i Sør-Frankrike. ITER er et av verdens dyreste forskningsprosjekter, med et samlet budsjett på rundt ti milliarder dollar. (Foto/illustrasjon: ITER)"
"Illustrasjon av hvordan ITER-anlegget vil se ut når det står ferdig på byggetomten i Sør-Frankrike. ITER er et av verdens dyreste forskningsprosjekter, med et samlet budsjett på rundt ti milliarder dollar. (Foto/illustrasjon: ITER)"

- Vi risikerer at stålet blir sprøtt og begynner å krakelere. I så fall har vi et problem med å håndtere energien som reaktoren produserer, sier Minh Quang Tran til Forskning.no

Mange skeptikere

Idéen om å høste energi fra atomfusjon har lenge virket som en fjern drøm. Mange plasmaforskere mener også at det aldri vil la seg gjennomføre, fordi de tekniske utfordringene er for store.

Enkelte miljøvernorganisasjoner har også advart mot å bruke fusjonsenergi som en slags sovepute, som kan forsinke utviklingen av andre mer realistiske alternative energikilder.

- Om et par tiår vil vi vite mye mer om hvor vi står. Men selv om jeg vel er programforpliktet til å være optimist, mener jeg av hele mitt hjerte at vi kommer til å lykkes, sier visedirektør Carlos Alejaldre i ITER.

Star Trek

Han avslutter med å referere fra en episode av science-fiction serien Star Trek han så da han var liten.

I episoden reiste Mr. Spock og vennene hans tilbake i tid, og besøkte jorden en gang mot slutten av det forrige århundret.

- Alle kommenterte hvor fattigslig menneskene levde. “De har ennå ikke nådd fusjonsalderen”, svarte Mr. Spock megetsigende. Vel, jeg tror vi er på vei dit nå, sier Carlos Alejaldre til Forskning.no.

Lenker:

Se vår animasjon av hvordan en fusjonsreaktor virker

Besøk hjemmesiden til ITER