Hvordan en fusjonsreaktor fungerer

En mye omtalt alternativ energikilde for fremtiden er fusjonsenergi fra fusjonsreaktorer. Denne energikilden forurenser ikke, kan vare i millioner av år og får brenselet sitt fra vann. Prinsippet bak energikilden er en prosess kalt fusjon. Den samme prosessen som gir sola energien sin.

Fusjonsreaktorer kan virke veldig kompliserte, spesielt siden det kreves et plasma med temperatur over 100 000 000 grader, men det å gjøre fusjon er ikke like vanskelig som man skulle tro. Det finnes flere typer fusjonsreaktorer. Den enkleste typen er en såkalt Inertial Electrostatic Confinement (IEC) reaktor, som skal forklares nærmere senere. Flere av temaene og konseptene som nevnes her utdypes i Fysikk 1 og 2.

Hva er fusjon?

Så først av alt, hva er egentlig fusjon? Navnet i seg selv er et stort hint, siden fusjon går ut på å fusjonere (sette sammen) to atomkjerner til en ny kjerne. Og i flere tilfeller er det mulig å få ut ekstra energi fra å fusjonere visse atomkjerner. Fusjoneringen skjer hvis to atomkjerner kommer nærme nok til at den samme kraften som holder protonene og nøytronene i atomkjernen sammen greier å «hekte tak» i den andre atomkjernen og sette de to kjernene sammen. Problemet er at alle atomkjerner er positivt ladde og frastøter hverandre litt som to like magnetpoler. Den enkleste måten å få atomkjerner nære nok til å fusjonere er derfor enten å presse dem tett sammen eller å skyte dem med stor fart mot hverandre. Og det er nettopp dette fusjonsreaktorer gjør.

Hvordan fungerer en IEC-reaktor?

En IEC-reaktor er en slags kuleformet partikkelakselerator som akselererer atomkjerner mot midten av et kuleformet stålkammer hvor de kan treffe hverandre og fusjonere.

Måten reaktoren akselererer atomkjernene på er ved bruk av et kraftig elektrisk felt. Som nevnt tidligere er alle atomkjerner positivt ladde, så de vil frastøte andre positivt ladde elementer og tiltrekke negativt ladde elementer. Dersom man kobler den positive enden av en strømkilde, for eksempel et batteri, til ytterveggene av kammeret og den negative enden til et kuleformet hult metallnett i midten av kammeret, vil det dannes et elektrisk felt mellom metallnettet og ytterveggene. Det er bare en fancy måte å si at positivt ladde partikler, slik som atomkjerner, vil tiltrekkes/akselereres inn mot det negativt ladde metallnettet. Samtidig kommer negativt ladde partikler, slik som elektronene rundt atomkjernene, til å tiltrekkes/akselereres ut mot de positivt ladde ytterveggene.

Hvor kraftig atomkjernene akselereres inn mot metallnettet og hvor stor fart de får avhenger av spenningen til strømkilden koblet til metallnettet og ytterveggene. Jo høyere spenning, jo sterkere elektrisk felt og jo større fart har atomkjernene når de ankommer metallnettet i midten av reaktoren. Innenfor dette metallnettet er det et lite tomt område hvor atomkjerner fra ulike retninger i det større stålkammeret kan kollidere og fusjonere. For at disse atomkjernene skal ha stor nok fart til å fusjonere kreves en spenning på flere titusener volt. Av den grunn er ikke vanlige batterier med en spenning mellom 1og 12 volt nok, så det kreves en egen spesialisert høyspent strømforsyning.

Vakuum

En annen viktig faktor i de fleste partikkelakseleratorer, enten det er Large Hadron Collider ved CERN eller en IEC-reaktor, er vakuum. I vanlig luft er det partikler overalt som hele tiden kolliderer med hverandre og beveger seg i tilfeldige retninger. Slike forhold gjør det veldig upraktisk å akselerere partikler over lengre avstander fordi de ikke rekker lenger enn et par titalls nanometer før de treffer en annen partikkel og spretter en annen vei. Derfor må det meste av lufta i stålkammeret til reaktoren fjernes. Dette gjøres med en eller flere vakuumpumper som suger lufta ut.

Med et bra nok vakuum er det så få andre partikler til stede at en atomkjerne kan akselereres flere centimeter uten å treffe noe. Samtidig er det ikke ønskelig å ha et fullstendig vakuum (ingen partikler i kammeret), siden det naturligvis trengs noen atomer som kan akselereres og fusjoneres. Et vanlig vakuumnivå for en IEC-reaktor er rundt 1/100 000 av trykket i vanlig luft.

Brensel

Dessverre er det ikke like lett å fusjonere alle typer atomer. De som er lettest å fusjonere er hydrogenisotopene deuterium og tritium, som egentlig bare er hydrogenatomer med henholdsvis et og to ekstra nøytroner i kjernen. Ca. 0,0156% av alt hydrogenet i vann (H2O) er deuterium. Det kan virke lite, men i og med at 70% av jordas overflate er dekket med vann, er det ikke så veldig vanskelig å få tak i deuterium. Tritium er til forskjell fra deuterium mye sjeldnere og i tillegg mye farligere, så deuterium er mest brukt som brensel i IEC-reaktorer.

Rekkefølgen av hendelser inni en IEC-reaktor

En partikkelakselerator som oppfyller alle kravene ovenfor er i stand til å gjøre fusjon. I et kuleformet stålkammer med et bra vakuum, et indre hult metallnett og et kraftig elektrisk felt mellom metallnettet og ytterveggene skjer følgende når deuterium tilsettes:

• Deuteriumatomene blir ionisert, altså trekkes deuteriumkjernene og de tilhørende elektronene hver sin vei av det elektriske feltet. Elektronene mot ytterveggene og deuteriumkjernene mot det indre metallnettet.
• Deuteriumkjernene akselereres inn mot metallnettet og oppnår hastigheter på opptil flere millioner kilometer i timen.
• Innenfor metallnettet ankommer deuteriumkjerner med høye hastigheter fra ulike retninger i kammeret. Her dannes det et område med plasma grunnet alle ionene/deuteriumkjernene som kommer flyvende inn. Noen få av disse treffer hverandre og fusjonerer, noen treffer selve metallnettet, og andre flyr rett gjennom.
• Dersom en deuteriumkjerne flyr rett gjennom området innenfor metallnettet og fortsetter ut den andre siden, vil den etter hvert sakkes ned av det elektriske feltet og trekkes inn mot metallnettet igjen. Den kan fortsette å passere slik fram og tilbake gjennom kammeret helt til den treffer noe.
• Hvis to deuteriumkjerner treffer hverandre og fusjonerer, blir de til en heliumkjerne med to protoner og to nøytroner. Umiddelbart etter fusjoneringen er denne heliumkjernen veldig ustabil, så den sender ut enten et nøytron eller et proton som flyr vekk med stor hastighet. Det er like stor sjanse får at den mister et proton som at den mister et nøytron.
• Protonet og den resterende kjernen kan treffe veggene i kammeret og varme dem opp, mens nøytronet flyr rett gjennom veggene.

Hva er IEC-reaktorer nyttige til?

Den største nedsiden ved en IEC-reaktor er at den ikke kan lage nok varme til å produsere brukbar energi. Faktisk er det vanskelig å i det hele tatt observere at den har produsert noe. I mer avanserte og større fusjonsreaktorer, slik som en tokamak, kan varmen fra fusjonsreaksjonene i hvert fall relativt enkelt observeres og kanskje i fremtiden brukes til å skape mer energi enn det som kreves for å drive dem.

Det som kan utnyttes fra en IEC-reaktor er nøytronene som skapes av fusjonsreaksjonene. Disse er som navnet impliserer elektrisk nøytrale. En egenskap som gjør at de kan fly rett gjennom de fleste ting om de har nok fart, inkludert veggene i reaktoren. Når de har kommet ut, kan de deretter saktnes ned og brukes til å transmutere grunnstoffer. Transmutasjon er et helt eget tema og brukes ofte til å lage radioaktive medisinske stoffer. Kort forklart innebærer det å bombardere et stoff med nøytroner slik at atomkjernene i stoffet kan absorbere dem og bli radioaktive. Litt som i fusjon. Disse radioaktive atomkjernene vil så henfalle (sende ut stråling) og bli til nye annerledes atomkjerner. For eksempel kan man bruke transmutasjon til å lage technetium-99m, som er et veldig viktig stoff for flere medisinske undersøkelser. Den viktigste ingrediensen for å lage technetium-99m er en kraftig og enkel kilde til nøytroner. Noe IEC-reaktorer passer bra til, selv om de ikke kommer til å løse verdens energiproblemer.