Inledning

Denna artikel behandlar ämnet fusion med avseende på teknik och användningsområde. Inledningsvis beskrivs den allmänna fusionsteorin. Vidare beskrivs hur ett fusionskraftverk av tokamak-typ skulle fungera. Avslutningsvis görs en jämförelse av ett fusionskraftverk och ett kärnkraftverk med avseende på kärnavfall, miljö och strålning samt en kort beskrivning av den planerade framtida forskningen kring fusion.
 

Vad är fusion!

Fusion är den energi som driver solen och stjärnorna. Fusion sker då lätta ämnen, till exempel vätekärnor, smälter samman till tyngre ämnen, samtidigt som enorma mängder energi frigörs. För att detta skall kunna ske krävs extremt höga temperaturer och tryck. I solen och stjärnorna gör starka gravitationskrafter det enkelt för fusion att ske naturligt. På jorden är det mycket svårare att uppnå dessa förutsättningar dock skulle det vara mycket fördelaktigt att utnyttja fusion på jorden då det krävs nämligen endast 10 gram deuterium, framställt ur 500 liter vatten, och 15 gram tritium, framställt ur 30 gram litium, för att försörja en medelsvensk med all elektricitet han behöver under sin livstid.
 

Fusionsprocessen

I solen och andra stjärnor sker det fusioner mellan många olika ämnen men på jorden är det endast ett fåtal ämnen som är intressanta ur energiproduktionssynpunkt. Dessa ämnen är väteisotoperna deuterium (D) och tritium (T). Atomkärnan i alla isotoperna innehåller en proton vilket karakteriserar dem som väteisotoper. Vidare har deuterium en neutron och tritium två neutroner i atomkärnan. Varje isotop har en elektron utanför den neutrala atomen för att balansera laddningen hos protonen i kärnan. Bränslet i en fusionsreaktor består av lika delar deuterium och tritium. Deuterium framställs ur havsvatten där det finns i små mängder medan tritium framställs genom att sönderdela litium. När deuterium och tritium hettas upp bildar de ett plasma av elektroner och vätejoner. När plasman har nått en tillräckligt hög temperatur kommer fusionsprocessen igång. Fusionsenergin uppstår då vätejoner slås samman och bildar helium (alfapartiklar). En mycket snabb neutron som innehåller stora mängder energi (14 Megaelektronvolt) blir över. Neutronerna bär med sig fyra femtedelar av den energi som frigörs i fusionsprocessen. Resten finns hos heliumjonerna. Ovanstående belyses i bild 1.

Bild 1 Visar fusion mellan deuterium och tritium samt dess produkter
 

Förutsättningar för fusion

I frånvaron av de starka gravitationskrafterna som finns i solen kan förutsättningarna för fusion skapas med hjälp av magnetiska krafter för att innesluta fusionsbränslet under tiden man hettar upp det. För att kunna frigöra tillräckligt med energi för att göra det praktiskt möjligt att använda fusion för produktion av elektricitet; måste bränslet hettas upp till cirka 100 miljoner grader Kelvin. Detta är mer än sex gånger varmare än i solens innandöme, som är cirka 15 miljoner grader Kelvin. Detta för att övervinna de naturligt repellerande krafterna i atomkärnorna. Bränslet måste också hållas inneslutet under en tillräckligt lång tid för att motstå energiförluster. Eftersom atomkärnor normalt sett är positivt laddade så repellerar de varandra. Kärnornas vibration eller rörelse styrs av temperaturen. Ju högre temperatur desto större rörelser. När atomkärnorna kolliderar vid dessa temperaturer besegras de positiva laddningarnas repellerande krafter och atomkärnorna smälter samman. Vid dessa kollisioner frigörs stora mängder energi. Det stora problemet med fusion har varit att bygga något som kan hetta upp bränslet till en tillräckligt hög temperatur och sedan innesluta det under en tillräckligt lång tid för att mer energi frigörs genom fusionsreaktioner än vad som behövs för att hetta upp bränslet.
 

Inneslutning

Trots att ovanstående temperaturer är höga, är de nåbara. Forskare har vid exceptionella förhållanden nått upp till temperaturer kring 500 miljoner grader Kelvin, vilket är fem gånger mer än vad som krävs i ett fusionskraftverk. En del av lösningen till problemet med att innesluta bränslet ligger i det faktum att vid ovanstående höga temperaturer separeras atomkärnorna och elektronerna från varandra. Detta kallas jonisering och de positivt laddade atomkärnorna uppför sig som joner. Den heta gas som innehåller fria negativt laddade elektroner och positivt laddade joner kallas plasma. På grund av de elektriska laddningarna som finns i elektronerna och jonerna kan plasman inneslutas i ett magnetfält. Vid frånvaron av ett magnetfält så rör sig de laddade partiklarna i plasmat i raka linjer och oregelbundna riktningar. Eftersom inget förhindrar de laddade partiklarnas rörelser kan dessa träffa de omslutande väggarna vilket medför att plasman kyls ned och fusionsreaktionerna hindras. Men i ett magnetfält så tvingas de laddade partiklarna att följa magnetfältets fältlinjer. Det vill säga; de laddade partiklarna i det heta plasmat är inneslutna i ett magnetfält och därigenom hindrade från att träffa de omslutande väggarna.
 

Upphettning av plasman

I en fungerande fusionsreaktor kommer en del av den energin som frigörs att användas till att bibehålla plasmans temperatur allt eftersom nytt deuterium och tritium förs in. Dock måste plasman hettas upp till 100 miljoner grader Kelvin vid uppstart, eller efter ett temporärt stopp. I nuvarande magnetiska fusionsexperiment erhålls inte tillräckligt med energi för att upprätthålla plasmatemperaturen. Följaktligen så opererar de i korta pulser och plasman måste hettas upp igen inför varje puls.
 

Resistiv uppvärmning
Plasman kan hettas upp genom att en ström leds igenom den. Detta möjliggörs av att plasman är en elektrisk ledare. Denna uppvärmning kallas resistiv uppvärmning och är detsamma som händer i en glödlampa då en ström leds genom den. Detta kan göras på två sätt. Antingen genom att inducera en ström i plasman (genom att ändra magnetfältet) eller med mikrovågor. Det senare görs genom att plasman bestrålas med kraftiga mikrovågor som skjutsar på elektronerna. Temperaturen som uppnås beror på hur stor resistansen är i plasman och hur stark strömmen är. Allt eftersom temperaturen höjs i plasman minskar resistansen. Detta gör att den maximala temperaturen som är nåbar med hjälp av resistiv uppvärmning, är 20-30 miljoner grader Kelvin. För att uppnå högre temperaturer måste andra uppvärmningsmetoder användas.

Magnetisk kompression
En gas kan värmas upp genom att komprimeras. På samma sätt kan plasman komprimeras och temperaturen i den höjas genom att snabbt öka det omkringliggande magnetfältet. I en tokamak görs detta genom att flytta plasman till ett område med högre magnetfält (radien minskas) En positiv bieffekt vid komprimering av plasman är att jonerna förs närmare varandra, vilket leder till att densiteten ökar. Hög densitet är ett av grundkraven för att fusion skall kunna genomföras.

Neutralstråleinjektion
Deuterium- och tritiumatomer skjuts in i plasmat med hög hastighet. Väl inne i plasmaringen joniseras atomerna, varefter jonerna bromsas upp och rörelseenergin övergår till plasmat.

Radiovågor
Vid uppvärmning av plasman med hjälp av radiovågor så genereras kraftiga vågor av oscillatorer utanför kammaren. Vågorna har en viss frekvens eller våglängd som är vald att stämma med jonernas spiralrörelse runt magnetfältslinjerna i plasmaringen och vågornas energi överförs till laddade partiklarna i plasman. Dessa i sin tur kolliderar med andra partiklar vilket leder till att temperaturen i plasman ökar.
 

Så fungerar ett fusionskraftverk av tokamak-typ

Ett troligt förfarande i ett fusionskraftverk av tokamak-typ är att en deuterium-tritium blandning förs in i reaktorkammaren. Bränslet är skilt från kammarens väggar med hjälp av ett mycket starkt magnetfält. Magnetspolarna ger upphov till ett ”torodialt” magnetfält. Med transformatorn induceras en stark ström i plasmat. Strömmen ger upphov till ett ”polodialt” magnetfält inuti maskinen. Tillsammans bildar de två magnetfälten ett spiralformat magnetfält som håller det heta plasmat på plats. Ovanstående belyses bild 2.

Bild 2 Visar de olika magnetfälten i en tokamak

 När plasmat nått en tillräckligt hög temperatur kommer fusionsprocessen igång. Det kallas att reaktorn ”tänder”. Fusionsenergin frigörs och neutronernas rörelseenergi fångas upp i ett kylmedium (vatten, heliumgas eller flytande natrium) som finns i en mantel i reaktorns vägg. Kylmediet för ut energin ur reaktorn via värmeväxlare och turbiner, på samma sätt som i dagens kärnkraftverk. I manteln finns också en mantel av litium som bestrålas med neutroner och på så sätt framställs reaktorn eget tritiumbränsle. Det som håller fusionsprocessen vid fyr i en framtida fusionsreaktor är det energin hos de så kallade alfapartiklarna (heliumjonerna). Så fort de överlämnat sin energi till plasmat måste de föras bort för att inte späda ut bränslet och störa fusionsprocessen. Detta kan göras genom en så kallad ”divertor” som styr magnetfältet på plasmaringens yta. Heliumjonerna förs sedan ut ur reaktorn kammaren via ett rör i botten. Ovanstående belyses i bild 3.

Bild 3 Visar hur en tokamak är konstruerad
 

Fusion ur miljösynpunkt

De första fusionsreaktorerna kommer inte att vara helt fria från radioaktivitet. Den starka neutronströmmen i reaktorns kärna kontaminerar väggarna vilket betyder att det krävs lång tids förvaring av detta material. I framtida reaktorer kan man dock använda sig av material som har en annan struktur vilket minskar radioaktiviteten till nivåer långt under dagens kärnreaktorer. Även en fusionsreaktor kommer att producera kärnavfall liksom dagens kärnkraftverk. Dock är det en viss skillnad på detta radioaktiva avfall. Dagens kärnavfall avklingar på tiotusen år medan kärnavfallet från en fusionsreaktor avklingar på 100 år. En annan väsentlighet är allt radioaktivt bränsle kan skapas i reaktorn av icke-radioaktivt material. Transport av radioaktivt uran behövs ej. Dessutom kan en fusionsreaktor inte råka ut för en härdsmälta, utan stänger av sig själv om något fel skulle uppstå.
 

Framtidsplaner

Den största nu fungerande fusionsmaskinen är experimentreaktorn JET (Joint European Torus) i England. Den är dock utkörd och kommer att läggas ned i december 1999. Nästa steg i forskningen är att bygga ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Den skulle enligt planerna börja byggas 1999 men är tills vidare skrinlagd då prislappen på 60 miljarder avskräcker. ITER är liksom JET en ”tokamak” men den är 20 gånger större. ITER är tänkt som en försöksanläggning på vägen mot en riktig fusionskraftanläggning. Den ska kunna ”tända” och ”brinna” i mer än tusen sekunder och den skall testa moduler för tillverkning av eget tritiumbränsle. Steget efter ITER är att år 2020 bygga en demonstrationsreaktor som skall kunna producera elektricitet. Först därefter, om femtio år, kanske den första kommersiella fusionskraftanläggningen ser dagens ljus.

 
Källförteckning

Böcker
Hagler, Marion O. An introduction to controlled thermonuclear fusion, 1977

Tidskrifter
Ny Teknik 1998:17
Illustrerad Vetenskap 1995:2
 
 Tillbaka