Fusion Gjord av Vedran och Pontus
Introduktion Som alla vet så befinner sig världen i en energikris. Det är många som vill ta bort fossila bränslen och avveckla kärnkraften. Man tänker använda biobränslen, sol och vindkraft som ersättning. Men det behövs också backup kraft när det inte blåser eller är mörkt och vi tror att fusion kan vara ett svar. Men tyvärr så är det ett tag till inan den kan vara användbar. I den här rapporten ska vi försöka förklara lite närmare vad det hela handlar om. Vad är Fusion? Järn är det stabilaste ämnet i universum, alltså gör fission att tyngre atomer sönderfaller mot järn. Fusionen är raka motsatsen där slås ihop två lätta kärnor till en tyngre kärna (det går också mot järn). I båda fallen avges det mycket energi och ämnet har ombildats till ett som är närmare järn än ursprungsämnet. (Alla tyngre ämnen än helium skapas vid supernova explosioner, det är bara där det finns tillräckligt med energi för det.) Energin kommer ifrån ändringarna i nukleära krafter. Dvs det behövs mindre energi att hålla ihop nukliderna ju mer atomens kärna liknar järnkärna, denna energi skilnad vissa genom att värme allstras men kan också visas som massändring enligt formeln : E=mc 2. I princip kan man använda alla ämnen som har lägre atomnummer än järn till fusion, men det krävs allt högre densitet (av plasmat) och temperatur för att uppnå fusion ju högre upp i atomnummer man kommer. Man får också allt mer energi ur processen ju lägre ner i atomnummer man kommer. Man kan tycka att det inte finns någonting som visar på en massminskning (ur två protoner + tre neutroner bildas det två protoner + tre neutroner), men saken är den att de allra flesta har felaktig uppfattning om vad massa egentligen betyder. Massa är bara ett mått på energi, alltså minskar massan när energi minskar. Även detta kommer ifrån formeln E=mc 2 som säger att energi och massa är samma sak det är bara en omvandlings konstant mellan måtten som vi använder i vanliga livet. Man kan också säga att den extra rörelseenergin ökar dess massa (efter minskningen för att få fram rörelse). Detta kommer fram u E=mc 2 I vanliga fall använder man en blandning av deuterium och tritium (väte isotoper) eftersom det behövs mindre energi och lägre tryck än att använda bara väte kärnor (protoner), men också för att det ger mycket mer energi än bara väte (protoner) (4,5MeV för bara protoner jämfört med 17,5MeVför deuterium och tritium). De två isotoper fusioneras till en heliumkärna (alpha partikel) och en neutron. Efter detta händer en av följande saker (sannolikheten inom parentes): 2 H+ 3 H + n helium4 -> neutron + helium3 4 He n + 3 He (50%) helium4 -> proton + väte3 (tritium) 4 He p + 3 H (50%) och till sist helium4 förblir intakt (0,00..%). Detta beror på att helium4 kärnan har en så otrolig mängd överskottsenergi och den måste bli av med den så fort som möjligt och sönderfall är ett väldigt snabbt sätt att minska på överskottsenergin (den används helt enkelt och då finns det inget överskott längre).
För att tända måste produkten av tid (t= sekunder) och densiteten (n=joner/cm 3 ) komma upp i 1040 (t*n=1040) vid en temperatur på 100 miljoner K. Så höga temperaturer och tryck behövs för att kärnorna ska kunna komma tillräckligt nära varandra, dvs för att övervinna elektrisk repulsion och komma tillräckligt nära kärnan för att kärnkrafterna ska börja verka. De drar in kärnan (de är ca 1000 ggr starkare än elektromagnetiska krafter) och på så sätt bildas en helium kärna. Eftersom det behövs mycket mindre energi för att hålla ihop en helium kärna än deuterium och tritium var för sig får man ett överskott (17,5MeV) på energin som vissas genom en hastighets ökning av partikeln. Vad händer egentligen vid fusion (ur kvantfysikens syn) Plasmat består av joner, alltså fria positivt laddade atomkärnor och elektroner. Detta beror på att elektronerna har så hög energi (rörelsemängd) att elektromagnetisk attraktion (i vanliga fall är det de som håller ihop kärnan och elektronerna) helt enkelt inte orkar hålla kvar elektronerna i deras banor. Resultatet blir att man har en massa positivt laddade atomkärnor och en massa negativt laddade elektroner. Fusionen uppstår mellan kärnorna så att elektronerna är bara i vägen där. Att man inte gör något åt elektronerna beror på att de har bara 5/10000 dels så stor massa som en neutron eller proton. Genom att värma plasmat ökar man kärnornas hastighet och där med tröghet också. När kärnernas rörelsemängd blir så stor att de kan Bild 1. Fusion mellan deuterium och tritium övervinna elektromagnetisk repulsion som uppstår pga. lika laddningar kan fusion börja. Fusion börjar med att kärnorna närmar sig varandra tillräckligt mycket för att den starka kraften ska börja verka på de. Eftersom den starka kraften är ca en miljon gånger starkare än elektromagnetiska krafter är det inget problem för den att dra in kärnorna mot varandra och hålla ihop de. Men den kärnan har två protoner och tre neutroner, vilket är inte specielt stabilt och då måste kärnan göra sig av med den extra neutronen, vilket den också gör. Dessa neutroner har väldigt hög energi och i en fusions reaktor skulle dessa neutroner användas för att skapa ny tritium (genom att bombardera litium) och att bortföra det mesta av energin. Genom att skapa tritium skulle också neutronen avge det mesta av sin energi vilket visas genom en värmeökning (genom att kyla litium skölden med vatten kan man sedan driva ångturbiner). Fast det är inte bara neutronen som tar all energi ur processen uten det är också α partikeln (helium kärnan) som får en del energi som den sedan avger till resten av plasmat och på så sätt håller dess temperatur. Först efter att den avget det mesta av sin energi tas den ut ur plasmat för att inte störa fusions processen Att man måste värma till så stora temperaturer och rätt så stora mängder beror på att man vill öka sannolikheten för att fusion ska uppstå (ju snabbare kärnorna rör sig desto större chans att de stöter ihop och bildar en helium kärna). Genom att öka mängden och därmed volymen minskar energi utsrålningen per ytenhet plasma (detta är ett av skälen till att tokamk är den mest utbredda formen av fusions reaktor) och detta ger en mindre avkylning vilket i sin tur gör att plasmat själv har lättare att hålla värmen och då fortskrider processen.
Tokamak Eftersom plasman har så höga temperaturer får den ej vidröra några som helst väggar eftersom den genast skulle kylas ner (i fall att plasman har förhållandevis stor massa skulle också kärlet kunna smältas eller förångas). Eftersom plasma (blandning av positivt laddade kärnor och negativt laddade elektroner som rör sig Bild 2. Magneter och magnetfält i en tokamak fritt dvs. de har så stor rörelseenergi att elektriska krafter inte orkar hålla samman atomerna) består av joniserade partiklar kan man styra den med hjälp av elektromagnetiska fält och det är just vad man gör i en tokamak. Tokamak har formen av en torus (munk) där plasmat får sväva i elektromagnetiskt fält. EMF uppnås mha supraledande elektromagneter som finns placerade runt torusen. Hela torusen tillsamans med de supraledande elektromegneter finns inneslutet i ett kärl och kyls av flytande helium. Supraledande elektromagneter gör att man sparar en hel del elenergi. Magneterna används också för att värma plasmat genom inducering (i JET får man strömmar på upp till 7MA). Man värmer plasmat också med: att spruta in deutrium och tritiumjoner in i plasmat efter att de har accelererats med hjälp av 140 000 V spänning. För att komma igenom elektromagnet fältet neutraliseras jonerna, men när de kommer in i plasman joniseras de igen och dess energi fördelas till hela plasmat vilket gör att temperaturen stiger. Max effekten man kan uppnå (JET) är 21MW. att man fokuserar radio vågor på så sätt att de kommer i fas med plasmat precis inannför elektromagnetiska inslutnings fältet. Man skickar ut elektromagnetiska vågor med en frekvens av 25 55MHz i plasmats kärna. På detta sätt kan man tillsätta 20MW (JET) energi. Bild 3. visar plasmat i TFTR (plasman finns i princip bara ute vid (elektromagnetiskafältet).
att skicka in 10MW mikrovågor med en frekvens 3,7GHz genererar en ström på 3MA. Denna metod heter Lower Hybrid Current Drive (LHCD). När väte kärnor fusioneras till helium kärnan stannar kärnan inuti magnetfältet och avger energi till plasmat och därmed ökar dess temperatur ännu mer. Det är denna process som håller igång fusionsreaktionen. När denna värme räcker kallas det IGNITION (målet för nuvarande forskning tillsammans med att få ut lika mycket som man stoppat i). Alltså kan man totalt stoppa i 70 80 MW i reaktorn för att värma plasman vars partikeltäthet är ca 2-3 10 20 partiklar/m 3 (ca 1/1000 gram/m 3 ). Tröghetsinneslutning Tröghetsinneslutning är en annan form av fusionsreaktor där inneslutningstiden är kort men trycket är mycket högre än i en tokamak. Tröghetsinneslutningen fungerar genom att man har en liten kapsel, ~3 mm stor, innehållande deuterium och tritium, cirka 5 mg. Runt om kapseln sitter ett skal, ablatorn. Kapseln beskjuts med en kraftig laser eller med partiklar som har accelererats till mycket höga energier, och ablatorn övergår då till plasma. Då ablatorn expanderar kraftig när den övergår till plasma trycks DT bränslet ihop. Under en tidsperiod på 10 nanosekunder pressas DT-bränslet ihop till en radie på 0,2 millimeter och densiteten blir 20 gånger större än den på bly. Temperaturen på bränslet uppgår i mitten till ca 100 miljoner Kelvin. Då densiteten är så otroligt stor hinner det mesta av bränslet att fusioneras Fusion Projekt Det finns ett antal olika projekt i världen som forskar om fusion, bland de största är Joint European Torus, som har den största anläggningen. Tankarna på att producera energi med hjälp av fusion började ta fart i början på seklet, men experimenten med fusion startade först på 50-talet. De olika ländernas forskningsprojekt var i början hemligstämplade för att de trodde att de var nära att lyckas, men det slutade i och med FNs konvention i Geneve 1958 och har sedan dess mest varit ett samarbete mellan de olika projekten. TAERF Ett av de första projekten var Texas Atomic Energy Research Foundation (TAERF) som bildades 1957. Dess mål var att utveckla metoder och processer som eventuellt kan leda till ekonomisk generation av elektrisk ström från kontrollerad fusion. TAERF bildades av tio elproducenter i Texas. Forskningen skedde i samarbete med General Atomic vid dess nya anläggning i San Diego. TAERF trodde som de flesta i världen att fusion var enkelt att uppnå, vilket visades att det inte var. De arbetade först med flerpolsfält för att hålla kvar plasmat, men det visade sig inte vara särskilt bra att användas till fusions reaktorer. De började då rikta in sig mot en reaktortyp som liknade ryssarnas tokamak. TAERF är en av de ledande projektgrupperna inom fusionsforskningen och har gjort många framsteg.
TFTR Princeton Plasma Physics Labaratory är det enda av US Department of Energys lab som sysslar med fusionsforskning. Tokamak Fusion Test Reaktor är deras fusionsreaktor som de använder. Den startades första gången 1982 kl 3 på julaftonsmorgonen efter mycket slit för att få anläggningen igång före årsskiftet som planerat. De har flera gånger slagit världsrekord, bla uppnådde de 100 miljoner Kelvin i plasmat, vilket anses som den lägsta temperaturen i en kommersiell reaktor, 1985, de presenterade 1993 hur man skulle kunna använda tritium i en reaktor och 1995 fick de upp temperaturen i plasmat till 510 miljoner Kelvin, 30 gånger varmare än i solens mitt JET Det forskningsprojekt som håller det nuvarande rekordet i energiproduktion är Joint European Torus, som ligger i England, knappt tio mil från London, och är som namnet antyder ett samarbete mellan de Europeiska länderna, bla Sverige. JET har funnits i femton år, och ska läggas ner nästa år, men eventuellt ska den drivas vidare i ytterligare tre år, bla för att testa några delar som ska sitta i ITER. JET skulle igentligen läggas ner för två år sedan men har drivits vidare för att ITER projektet har försenats. JET började planerades i början av 70-talet, började byggas 1978 och stod färdigt 1984. De använder en Bild 4. JET fusions reaktor tokamak, som är vanligast idag, med en minsta radie i tokamaken på 1,25 meter och en största radie på 2,96 m. Storleken är två till tre gånger mindre än den som är förväntad i en kommersiell reaktor. Just nu studerar de hur en divertor ska se ut. Divertorn har till uppgift att föra bort orent material från fusionskammaren. Det tog forskarna drygt två år att få fram en protoyp till divertorn som de nu håller på att optimeras. I dagens tokamak har temperaturer upp till 300 miljoner Kelvin uppnåtts, och en faktor mellan insatt energi och utvunnen energi av 65% (Q=0,65), vilket är världsrekord. Forskarna på JET försöker att komma upp till 100%, men det anses inte gå med dagens teknik och den storlek som tokamaken har. ITER International Thermonuclear Experiment Reactor är nästa stora projekt som är på gång. ITER är ett samarbete mellan Europa, Japan, Ryssland och USA. De olika länderna är överens om utformning och tekniska specifikation, men ej riktigt överens om kostnaderna. Platsen för reaktorn är inte heller bestämd, men bla Forsmark har anmält intresse för att ha den på sin mark, men det troligaste är att den hamnar i Japan. Planering började 1985 då Ryssland la fram ett förslag om en reaktor byggd gemensamt mellan de ledande fusionländerna, och USA tillsammans med Europa och Japan svarade på det 1986 genom ett förslag om hur ett sådant samarbete skulle kunna utföras. Arbetet på designen började 1988 och avslutades 1990. 1992 började arbetet med de tekniska specifikationerna och det är i denna fas som arbetet står i idag. 1994 gjordes en första rapport på hur anläggningen ska komma att se ut.
Tokamaken på ITER ska vara cirka 20 gånger större än tokamaken i JET, och det är tänkt att den ska ge betydligt bättre fusionsprestanda än de anläggningar som finns idag och den ska kunna tända, dvs att den ger lika mycket energi som tillförs genom uppvärmningen av plasmat. Den minsta radien i plasmat är 2,8 m och största radien 8,14 m. Den utvecklade energi beräknas till 1500 MW och reaktorn tros ha en brinntid på 1300 s. NOVA Nova är världens kraftfullaste laser med en effekt på 10 20 Watt, dock under en miljardelssekund. Under den korta tid som den är igång producerar lasern 200 gånger den totala effekt som alla kraftverk i hela USA alstrar. Nova-lasern används till olika tröghetsinneslutnings experiment och har gjort många framsteg inom det området. 1987 pressade lasern ihop en DT-kapsel till en trettiondel av dess ursprungliga storlek, men man måste få ner den till en fyrtiondel av dess storlek för att ge riktigt höga energier. Men nova-lasern är på god väg och nu planeras en utbyggnad av lasern: the Nova Upgrade, denna ska ska ha tolv till sexton lasrar och ska vara tjugo till fyrtio gånger kraftfullare än sin föregångare. Kall fusion Det finns två varianter på kall fusion. Den ena är en sorts elektrolys som det har tvistas om ifall det verkligen fungerar, och om det fungerar, ifall det är fusion eller inte. Forskningen har pågått sedan 1950-talet men var inte förrän 1989 som det första beviset för kall fusion genom elektrolys lades fram av de två forskarna Stanley Pons och Martin Fleischman. De var dock rädda för att en konkurrerande forskare, som var nära att lyckas, skulle ta deras forskningsprojekt och ta äran för det. De hade heller inte riktigt räknat med vissa faktorer som gjorde att de som försökte med det i sina egna lab inte lyckades och det skapades en stor misstro mot kall fusion. Så nu finns det två läger, ett som verkligen tror på det och ett som inte alls tror på idén. Pga detta är de troende väldigt tystlåtna för att inte låta motsidan få något som späder på misstankarna att kall fusion inte existerar. Dessutom vill inte de som håller på med kall fusion kritisera varandra, vilket späder på misstron. Dock finns det en del stora intressenter som lagt sig i och tror på denna idé. En av dem är Toyota som har byggt en forskningsanläggning i Frankrike där Pons och Fleischman jobbar nu. Denna kalla fusion fungerar genom att man gör en elektrolys på tungt vatten med palladium och platina som elektroder. De största labben rapporterar att de har fått en överproducerad energi på mellan 30 och 130 watt {http://www.privat.katedral.se/~nv97gulj/tl_fus.html}. De potentialer som finns i kall fusion är dock mycket högre. Om man skulle få kall fusion att fungera skulle det bli en mycket användbar energikälla då den inte tar så stor plats och ger förhållandevis mycket energi. Den andra varianten är kall fusion genom att en myon hjälper till att fusionera vätekärnorna. Denna variant fungerar, men det krävs att varje myon fusionerar upp till ca 900 st kärnor. Som det är nu så är det en bra bit kvar dit, men en japansk forskare har kommit en bit på vägen.
Källförteckning: ITERs hemsida, http://www.iter.org JETs hemsida, http://www.jet.uk Jensen, Torkil, http://fusion.gat.com/dnt/dnt29.htm Office of Fusion Energy, http://wwwofe.doe.gov Goodstein, David, http://www.caltech.edu/~goodstein/fusion.html http://www.privat.katedral.se/~nv97gulj/tl_fus.html Hans-Uno Bengtsson, Gösta Gustafson, Lena Gustafson, Kvarken och universum, Corona 1994 Mala kvantna fizika