Fusjonsenergi

Dette er en innleveringsoppgave i faget Elektrisk Energiteknikk på Høgskolen i Bergen. Den har som mål å forklare prinsippene bak fusjonsenergi, hvordan vi kan utnytte energien, veie opp fordeler og ulemper og konkludere med om fusjon er en energikilde som det bør satses på. Den er skrevet av meg og Asbjørn O. Stoveland.

Hva er fusjonsenergi?

Fusjonsenergi er utnyttelse av kjernekraft, men må ikke forveksles med tradisjonell atomkraft. De kjernekraftverkene som er vanlige i dag, benytter seg av fisjon – splitting av atomkjerner. Fusjon, derimot, er det motsatte – sammensmelting av atomkjerner. Fusjonsenergi er ikke i kommersiell drift i dag, men er under stadig forskning og utvikling.

Tradisjonell atomkraft er ikke fornybar energi. Dette er fordi man utvinner mengder av råstoff fra naturen fra eksempelvis gruvedrift. Slikt råstoff er materialer av «tunge» atomer med ustabil (radioaktiv) kjerne, hvor Uran235 og plutonium239 er mest brukt. Urans atomkjerne er ustabil og kan spaltes til to lettere atomkjerner. Massen til disse to lettere atomkjernene er tilsammen litt mindre enn den opprinnelige urankjernen. Den «manglende» resterende massen er frigjort som energi i henhold til Einsteins formel som beskriver forholdet mellom masse og energi; E = mc^2. Det er en absolutt endelig mengde uran i jorden. Derfor kan i prinsippet uran brukes opp. Naturen produserer ikke selv uran på jorden i dag (i hvertfall ikke i betydelige mengder). Derfor er ikke tradisjonell atomkraft fornybar energi.¹ Man vil selvsagt komme til et punkt der det er uøkonomisk/upraktisk å utvinne den resterende mengden uran lenge før man er i nærheten av å «gå tom».

Fusjonsenergi blir betegnet som fornybar energi. Råstoffet, eller drivstoffet, er ikke tunge atomkjerner som skal splittes, men lettere atomkjerner som skal smeltes sammen. Disse finnes det en nærmest utømmelig mengde av på jorden. Uansett, fornybar energi er et relativt begrep. Alle fornybare energikilder (med unntak av geotermisk- og tidevannskraft) er drevet av solen. I våre vante begreper er solenergi sett på som fornybar, men dette er i teorien ukorrekt. Solen, som nevnes senere, er drevet av fusjon av hydrogen til helium. Dette frigjør enorme mengder energi. Solen vil dermed til slutt gå tom for hydrogen og brenne ut. Derfor er solenergi strengt tatt en endelig ressurs. I praksis, derimot, er solens levetid så lang at vi betegner den som fornybar. Slik er det også med fusjonsenergi. For å utnytte fusjonsenergi forsøker forskerne å replisere fusjonsprosessene som naturlig foregår i solen. Hva skjer i solen? Gravitasjon presser solens enorme masse sammen i kjernen og tvinger hydrogen til å fusjonere til helium og frigjøre energi ved meget høyt trykk og temperatur. Denne prosessen kan deles opp i tre trinn:

1. To hydrogenkjerner (protoner) smelter sammen og skaper en kjerne av tungt hydrogen, deuterium, som består av et proton og et nøytron. I tillegg emitteres et nøytrino, et positron og en mengde energi.

2. Deuteriumkjernen smelter sammen med en ny hydrogenkjerne og helium3 (to protoner og et nøytron. Energi frigjøres igjen.

3. Helium3 smelter sammen med nok en helium3 kjerne og danner helium4 (to protoner og to nøytroner), samt to hydrogenkjerner som kan starte nye prosesser og en ny mengde energi.

Forskerne ønsker å ta en snarvei og gjenskape fusjonen i bare ett trinn: å smelte sammen deuterium og tritium (et proton og to nøytroner) og danne helium4 og et nøytron.² Å få hydrogen til å fusjonere krever en kombinasjon av høyt trykk og temperatur. Man kan foreløpig ikke gjenskape det enorme trykket i solens kjerne. I stedet må man kompensere med høy temperatur. I tokamaken, det vil si den smultringformede fusjonsreaktoren, i Lausanne har forskerne brukt temperaturer på 170 millioner grader.³ Ved disse tilstandene går gassene over til plasma, den fjerde fasen etter fast stoff, væske og gass. I en slik tilstand flyter elektronene fritt rundt uten å være bundet til atomene, slik som i stjernenes kjerne. Slik kan man fremtvinge fusjon i en reaktor og emittere energi.

Omforming til elektrisk energi

Fusjonen i reaktoren emitterer som nevnt blant annet nøytroner. En metode for å fange opp denne energien er at det bygges en stålstruktur rundt reaktoren som absorberer de emitterte nøytronene og skaper dermed friksjonsvarme. Varmen i stålet kan produsere vanndamp og dermed drive en dampturbin for produksjon av elektrisk strøm i en generator. Ved en slik løsning kan man se på fusjonsreaktoren som et brennkammer (boiler) i en tradisjonell dampturbinkrets. Dette er også tilfelle i tradisjonelle fisjonsbaserte atomkraftverk der det er vanndamp som produserer strømmen og atomkraften som «bare» skaper varmen.

Praktiske utfordringer

Utvinning av hydrogen. De atomkjernene man ønsker å smelte sammen er versjoner av hydrogen, det vanligste grunnstoffet i universet og på jorden. Hydrogen finner man derimot aldri fritt, det er alltid bundet til andre stoffer i naturen. Derfor må både deuterium (hydrogen2) og tritium (hydrogen3) utvinnes. Tilgangen til drivstoff er derfor begrenset av metoder for utvinning, ikke av tilgang. Deuterium finnes i små mengder i naturen og kan utvinnes relativt enkelt fra sjøvann. Tritium er vanskeligere å utvinne, men dette kan gjøres eksempelvis ved hjelp av fisjon av litium7, som splittes til tritium og helium4.⁴ Utvinning av hydrogen er uansett energikrevende, noe som er en av årsakene til at det enda ikke er vanlig som kommersiell energibærer. Den vanlige metoden for å utnytte hydrogen er kjemisk, hvor det ikke foregår noen manipulering av atomkjernen. Å bruke hydrogen til fusjon utløser helt andre energimengder og skal forhåpentligvis rettferdiggjøre energikrevende utvinning av hydrogen.

Plasmatilstanden. Å holde plasma stabilt i reaktoren er komplisert. Vi har ingen materialer som tåler de nødvendige temperaturene. Plasmaet må derfor holdes inne ved hjelp av elektromagnetiske felt slik at det ikke kommer i direkte kontakt med veggene. Magnetene i tokamaken må være nedkjølt til -269 grader celsius slik at de blir superledende og holder plasmaet på plass. Derfor må de holdes i vakuum. Å holde plasmaet stabilt er også vanskelig. Dagens reaktorer klarer bare å drive fusjonsprosessen i noen tidels sekunder før plasmaet blir stabilt og prosessen stopper opp.⁵

Stålets robusthet. Det er tvil om stålet som skal absorbere nøytronpartiklene og skape friksjonsvarme, vil tåle påkjenningene som inntreffer. Dette er aldri blitt testet, men teoretiske modeller tyder på at stålet vil kunne krakelere med tiden.

Utvikling

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) holder for tiden på å bygge verdens største fusjonsreaktor utenfor Marseille i Frankrike. Prosjektet er et internasjonalt samarbeid mellom verdens stornasjoner, som bidrar med forskere og 50 milliarder kroner i investert kapital. De bygger på kunnskap fra tidligere forskningsprosjekter og har som mål å «bane veien for kommersiell utnyttelse av fusjon», i følge visedirektør Alejaldre. Etter planen skal det stå ferdig i 2018 hvor det skal fungere som en eksperimentreaktor i 20 år. Dermed burde man i løpet av den perioden kunne finne ut om fusjonsenergi virkelig egner segsom energikilde. Enkelte eksperter mener at fusjonsenergi kan være kommersielt tilgjengelig innen år 2060.⁶

Fordeler

• Miljøvennlig energi: fusjon innebærer ingen utslipp av klimagasser etc (med unntak av det som slippes ut på grunn av produksjon av anleggets deler). Det er ingen farlig radioaktiv stråling fra anlegget. Det er i tillegg minimalt radioaktivt avfall, som har en halveringstid på 12 år.⁷ Annet avfall er ufarlig helium, et grunnstoff som mange hevder det er mangel på, og som dermed kan lagres og utnyttes.
• Nærmest ubegrenset tilgang til drivstoff over hele verden.
• Stort potensial for nærmest ubegrensede mengder energi.
• Tritium produsert fra Litium alene er en ressurs som kan vare i flere tusen år.⁸

Ulemper

• Komplisert konstruksjon.
• Høye startkostnader.
• Tvil om materialer vil tåle drift.
• Tritium er radioaktivt og produseres fra eksempelvis kjernekraft.
• Radioaktiv reaktor må lagres vekk etter endt levetid, selv om dette er lite.
• Høyt fokus og investeringer kan ta oppmerksomhet vekk fra andre fornybare energikilder med større realistisk potensial – strøm for de rike?

Konklusjon

Verden trenger nye energikilder for å opprettholde sin levestandard og kontinuerlige økonomiske vekst. Fusjonsenergi har et enormt potensial som kan fore oss med nye og store mengder med energi i lange tider. Spørsmålet er om vi kan ha en kontinuerlig vekst, spesielt med tanke på at de ressurser vi hovedsaklig har vært avhengig av siden den industrielle revolusjon, er endelige. I tillegg viser det seg generelt i naturen, når det gjelder populasjon og ressurser, at kontinuerlig vekst ikke eksisterer. Det hele foregår i sykluser, ikke i lineær og eksponentiell vekst.

Det har eksistert tvil med mange andre energikilder tidligere. Flere av disse, derimot, har blitt forsket på jevnlig hvor de til slutt har nådd et gjennombrudd – slik kan det også bli med fusjon. Er det likevel etisk grunnlag for å investere så store ressurser og tid på en energikilde som muligens kan bli tatt i bruk? Det eksisterer i dag mange problemstillinger knyttet til fusjonsenergiens reelle bruk. Det er en flott idè og vi vet at det forekommer utallige steder i universet. Spørsmålet er bare om vi klarer å gjenskape på jorden de ekstreme forhold hvor fusjon forekommer, uten at det koster mer enn det smaker. Fusjonsenergi ser foreløpig ut til å bli veldig dyrt. Et aktuelt spørsmål er om dette vil bli energi for de rike.

Som vi har sett, er det mange argumenter både for og mot bruk av fusjonsenergi. ITERs testanlegg i Frankrike er allerede under konstruksjon, store summer er allerede investert, og dermed anbefaler vi at prosjektet fullføres med så mye ressurser som nødvendig for å få et bilde om fusjon er fremtidens energikilde.

1. Toni Johnson. (14. Jan 2010). Council of foreign Relation. Global Uranium supply and demand. Hentet 30. aug 2010, fra: http://www.cfr.org/publication/14705/global_uranium_supply_and_demand.html [↩]
2. Illustrert Vitenskap. (Nr. 1, 2009). Eksplosiv ny forskning i fusjonsenergi. Hentet 30. aug 2010, fra: http://illvit.no/teknologi/grunnforskning/eksplosiv-ny-forskning-i-fusjonsenergi [↩]
3. Espen Eggen. (15. oktober 2008). Visjon om fusjon. Hentet 31. aug 2010, fra: http://www.forskning.no/artikler/2008/oktober/197750 [↩]
4. Argonne National Laboratory. (august 2005). Tritium. Hentet 30. aug 2010, fra: Http://www.ead.anl.gov/pub/doc/tritium.pdf [↩]
5. Espen Eggen. (15. oktober 2008). Visjon om fusjon. Hentet 31. aug 2010, fra: http://www.forskning.no/artikler/2008/oktober/197750 [↩]
6. Kjerstin Gjengedal. (2007). Fusjon for framtida. Hentet fra hubro, magasin fra Universitetet i Bergen, 4. utgave, fra: http://www.uib.no/filearchive/hubro_4_2007_web.pdf [↩]
7. SEAS- NVE. Fusionsenergi. Hentet 30. aug 2010, fra Http://www.climateminds.dk/index.php?id=63 [↩]
8. Fusion and plasma physics and education community. The promise of fusion energy. Hentet 30. aug 2010, fra Http://fusioned.gat.com/images/pdf/promise_of_fusion.pdf [↩]