Emner

Fusion af lette atomkerne

Fusionskraftværk – princip

Tokamak – magnetisk indeslutning af plasmaet

JET – projektet

ITER -projektet

Stellaratoren

ICF – Inertial Confinement Fusion

Hybridreaktoren

Kold fusion

Sono-fusion, sonoluminisens, boblefusion

Status for fusion som fremtidens energikilde

Litteratur og referencer

Til top

Fusionsenergi af lette atomkerner

Ved fusion menes sammensmeltning af lette atomkerner, hvorved der frigøres bindingsenergi – på samme måde som der ved fission frigøres bindingsenergi ved spaltning af tunge atomkerner.Atomkernerne er positivt ladede og frastøder hinanden med uhyre store kræfter. For at sammensmelte lette atomkerner skal de have en enorm energi i form af høje temperaturer og stor tæthed.
Kun nogle få stoffer er interessante for fusionsenergien:

 

1. [H] – Hydrogen = almindelig brint. [¹H ]
2. [D] – Deuterium = tung brint. [²H].
   0.15% af brint består af denne isotop.
3. [T] – Tritium = supertung brint. [³H].
   Ikke naturligt forekommende. Skal produceres ud fra stoffet Litium.
4. He = Helium. [⁴He].
   Almindeligt forekommende, stammer fra radioaktive henfald.
5. He-3 = Helium-3. [³He].
   Findes ikke på Jorden, men man regner med der er ret store mængder på Månen, hvor det er opfanget fra Solen.
6. Litium. Anvendes til tritium-produktion.

Der stilles i mange kredse store forventninger til udnyttelsen af fusionsenergien, og der ofres store summer på fusionsforskningen.

Der er flere mulige fusionsprocesser.

De vigtigste er :

D + T —>⁴He + neutron + 17.7 MeV
Antændes ved ca. 100.000.000 °C

D + D —>³He + neutron + 3.25 MeV
Antændes ved ca. 1000.000.000 °C

D + D —>³H + proton + 4.0 MeV

D + ³He -—>⁴He + proton + 18.3 MeV.
Processen danner ikke neutroner, hvilket danner langt mindre radioaktivt materiale under driften.

H+H+H+H —>⁴He
= processen i vor Sol.

Til sammenligning udvikles tæt ved 200 MeV ved spaltning af en ²³⁵U atomkerne, hvilket pr. nukleon er langt mindre end ved fusionsprocessen.

Man arbejder udelukkende med D+T-processen, der har de mest lovende fysiske egenskaber. Det regnes for udelukket, at man kan efterligne Solens proces under jordiske forhold, ligesom D+D processen anses for utopisk.
Derimod kan D+³He – processen måske vise sig at være interessant på længere sigt, ikke blot fordi energiudviklingen er stor, men denne proces kræver ikke tritium og udvikler ikke neutroner. Problemet er blot, at man skal hente ³He-isotopen på Månen, hvor man har påvist den i overfladen.
³He udsendes fra Solen og forekommer ikke her på Jorden, men på Månen kan den fastholdes i de yderste støvlag p.g.a. støvet er af en sådan beskaffenhed, at det bliver indesluttet.
Hvorfor er der ikke ³He her på Jorden? Det skyldes at Jordens magnetfelt, der forhindrer de ladede heliumpartikler i solvinden at nå ned på overfladen.For at få processen til at forløbe, kræves der utrolig høje temperaturer og tæthed. Man skal have stoffet over i plasmatilstand, en tilstand, hvor molekylerne er slået i stykker, så atomkerner og elektroner bevæger sig frit mellem hinanden.
Plasma består altså af frie elektroner og frie ioner.
Da et plasma dannes ved ionisering af neutrale molekyler og atomer, er der lige meget positiv og negativ ladning i det, udadtil er det derfor elektrisk neutralt. Selv når et plasma påvirkes af ydre kræfter, eller når det kommer i svingninger kan det kun opstå forsvindende, men alligevel for fysikken betydelige afvigelse fra elektrisk neutralitet, kaldes plasmaet for quasineutralt.
Plasmatilstanden kaldes ofte for den 4. tilstandsform – de tre andre er gas-, væske- og den faste tilstandsform.
Da frastødningen mellem 2 ens ladninger (Coulomb-frastødningen) er uhyre stor, kræver det meget store kinetiske energier af de positivt ladede brintisotoper at smelte sammen ved sammenstød.
Med tilstrækkelig stor hastighed, vil de frastødende kræfter mellem de positivt ladede partikler kunne overvindes så der kan ske en fusion mellem brintisotoperne så der dannes helium , hvorved der frigøres enorme energimængder.
Det anses for umuligt under jordiske forhold at opnå fusion ved anvendelse af almindelig brint.
Med de tunge brintisotoper er der flere metoder til at få fusionsprocessen i gang – de vigtigste beskrives ganske kort i det følgende.

Til top

Fusionskraftværk – princip

Man udvinder ikke energien fra fusionen ved at lade det varme plasma overføre varmeenergi til kølemediet på samme måde som det sker i andre energianlæg.
En betragtelig del af energien, ca. 80%, findes som bevægelsesenergi fra de hurtige neutroner, der dannes ved fusionsprocessen. Resten af energien leveres som bevægelsesenergi i de dannede heliumatomer

Når en fusionsreaktor er i gang, vil den udvikle store mængder induceret radioaktivitet p.g.a. de energirige neutroner. Ved passende foranstaltninger kan denne del minimeres – mængden er lille i forhold til fissionsprocessen.
En del radioaktivitet stammer fra den supertunge brint – tritium, hvor aktiviteten vil svare til i omegnen af 3-4 bio. Bq (3-4 TBq).
Her skal man dog tage i betragtning, at strålingen fra tritium er en ret blød betastråling.
Et fusionskraftværk vil under normal drift ikke belaste det omgivende miljø med radioaktivitet eller med kemiske stoffer.
I forhold til et konventionelt fissionskraftværk er der langt færre mængder radioaktivt materiale tilstede i reaktoren, hvilket giver mindre risici ved visse uheldstyper såsom flystyrt, sabotage eller jordskælv.
En fusionsreaktor kan ikke “løbe løbsk” – det er en fysisk umulighed.
Ved driftsforstyrrelser vil processerne gå i stå. Selv om plasmaet er uhyre varmt, er det så tyndt, at faren for at indeslutningen smelter ved direkte kontakt er en fysisk umulighed – tætheden er for lille. Desuden er der kun brændstof i kammeret til få sekunders forbrug.

Neutronstrålingen kan man skærme for på forskellig måde.
Man kan indfange neutronerne i Uran eller Thorium og dermed danne nyt, spalteligt materiale for konventionelle fissionskraftværker. En sådan reaktor kaldes en hybridreaktor.
En del af neutronstrålingen indfanges i kølemidlet litium, der derved omdannes til det supertunge brint. Denne udvindes fra kølemidlet og indgår som brændsel i reaktoren.
Det er vigtigt, at der ikke ved den stærke bestråling af reaktorens byggematerialer dannes højaktive produkter.
Det kan ikke helt undgås, men ved valget af materialer med særlige egenskaber kan man nedsætte risikoen betydeligt

Til top

Tokamak – Magnetisk Indeslutning Af Plasmaet

Magnetic-Confinement Fusion (MCF) Magnetisk indeslutning

I TOKAMAK-fusionsreaktoren opvarmes brændstofblandingen af deuterium og tritium til plasmatilstanden ved hjælp af elektriske strømme, der sendes gennem plasmaet.
Plasmaet ligger som en lukket ring inde i den bilringformede beholder, og det udgør den sekundære vikling i en kæmpemæssig transformer, som trækker strømmen i plasmaet.
Plasmaet består som nævnt af en blanding af elektrisk ladede atomkerner og elektroner, og det kan derfor bære en elektrisk strøm og styres af magnetfelter.
I en Tokamak er det muligt at opvarme plasmaet ti1 ca. 1 mio. °C ved hjælp af den strøm, der genereres i det (Ohmsk opvarmning).
Yderligere opvarmning til de ca. 100 mio. OC opnås enten ved at bestråle plasmaet med elektromagnetiske bølger eller ved at sende en stråle af meget hurtige og dermed energirige atomer ind i plasmaet.
Strømmen i plasmaet danner selv et magnetfelt, der sammen med hovedfeltet fra de ydre spoler danner et resulterende felt, hvor feltlinierne snor sig i skrueformede baner rundt i beholderen. Dette felt har vist sig godt egnet til at stabilisere plasmaet og dermed holde det effektivt indesluttet, så det ikke taber sin varme ved kontakt til beholderens vægge.
Resultaterne fra tokamakforskningen har givet forskerne tro på, at processen vil lykkes engang. Ved at lade tværsnittet være D-formet har man fået en endnu bedre styring og dermed mere stabilt plasma.
I en TOKAMAK-reaktor vil fusionsprocesserne ske i pulser og ikke kontinuerligt, da en transformer, som den der driver plasmastrømmen, kun kan opretholde strømmen i en begrænset tid.
En del af fusionsenergien, der dannes i plasmaet, overføres til den omliggende afskærmning med de hurtige fusionsneutroner, der nedbremses i afskærmningen og dermed afsætter energi i form af varmeenergi.
Varmeenergien fjernes fra afskærmningen ved hjælp af en kølevæske, der pumpes gennem et system af kølerør i afskærmningen. Varmen afsættes derefter i en varmeveksler, som producerer damp, der trækker en konventionel el-generator, som igen sender energien som strøm ud til forbrugerne på forsyningsnettet. I afskærmningen er der indlagt noget litium, som indfanger en del af fusionsneutronerne, hvorved det spaltes i bl. a. tritium.
Dette udvindes, renses og sendes tilbage i plasmaet sammen med deuterium som frisk brændstof.
Deuterium udvindes af almindeligt vand, hvori ca. 0.015% af alle brintatomer er deuteroner.
Til top

JET-projektet (Joint European Torus)

er et fælles EF/EU-projekt. JET-projektet består af en Tokamak-maskine, der blev bygget i Culham i Storbritannien. Hensigten er ikke at få fusionsenergi udviklet, men det er et rent forskningsprojekt med det formål at kunne designe en kommende fusionsreaktor.

I 1997 målte man i et eksperiment med D-T brændstof et fusionsudbytte (16 MW) og fusion energi (21 MJ), hvilket på den tid var verdensrekord.
JET benyttes stadig til eksperimenter.

Til top

---

 

Til top

På tegningerne ses, hvorledes brændselspillen komprimeres ved beskydning af laserkanoner eller med partikler som protoner. Ved [4] ses fusion.

 

På billedet ses i midten fusionskammeret omgivet af flere strålekanoner.
Nova

Der er mange og store tekniske problemer med denne teknik. Der skal bl.a. placeres ca. 100 piller pr. sekund i laserstrålernes fokuseringspunkt for at få energi nok svarende til et stort reaktoranlæg.
Billederne er fra National Ignition Facility (Lawrence Livermore National laboratory), hvor der er 192 laser-kilder med en energi på 1.8 MJ rettet mod en frosset brændselspille.

 

Til top

Hybridreaktoren

Ved at lægge en kappe af enten uran-238 eller thorium-232 kan man omdanne ikke spalteligt materiale til spalteligt materiale, der kan anvendes til energiproduktion i en fissionsreaktor.
Denne formering foregår betydeligt hurtigere end i de egentlige formeringsreaktorer, hvor det varer årtier inden der er sket en fordobling af det spaltelige materiale.
Man har beregnet, at man får 50 gange så meget energi ved spaltningsprocessen, end der skal tilføre fusionsreaktoren for at danne de nødvendige neutroner til formeringen.
En fusionsreaktor der ikke primært producerer energi på denne måde kaldes en hybridreaktor.

Til top

Kold fusion

I marts 1989 gik to forskere, Martin Fleischmann og B Stanley Pons, mod alle sædvaner til pressen med et forskningsresultat, der vakte utrolig stor opstandelse. De havde i en forsøgsopstilling med Palladium og tungt vand opnået en varmeudvikling, neutroner og gammastråling, der blev tolket som der var frembragt fusion i blandingen – en såkaldt kold fusion.
Resultatet blev, at der blev bevilget store pengebeløb i denne forskning. Men ingen har siden – heller ikke Pond/Fleischmann – kunnet rekonstruere resultaterne fra 1989.

En mulig forklaring på målingerne kunne være, at Solen i marts 1989 havde nogle meget voldsomme udbrud, der bl.a. ødelagde nogle satellitter og afbrød strømforsyninger flere steder på jordkloden, men det er uklart, hvad der skete ved forsøget. Kun få mener, der skete en fusionsproces i opstillingen.

Til top

Sono-fusion, Sonoluminicens, Boblefusion

Boblefusion er noget andet end kold fusion. Betingelsen for fusion er, at der dannes plasma.
I 1990 producerede Felipe Gaitan fra Mississippi Universitet at danne en enkelt boble i en væske. Siden er der sket en række gennemnrud i teknikken.
En forskergruppe på Oak Ridge National Laboratory under ledelse af Rusi Taleyarkhan, hævdede at have lavet fusion i en simpel opstilling med en speciel Acetone, hvor de normale brintatomer var udskiftet med deuterium – tung brint. Ved at beskyde med neutroner med høj energi dannedes små bobler acetonegas. Ved hjælp af akustiske signaler kollapsede boblerne under udsendelse af et lysglimt – sonoluminicens, boblefusion .
Et par forskere ved et andet universitet har studeret, hvad der sker i boblerne og har fundet, at en stor del af energien bliver brugt til at rive molekylerne fra hinanden således at temperaturen i boblerne af af acetonegas næppe kommer over 20.000 °C, hvilket gør det meget usandsynligt, at der skulle kunne frembringes fusion i opstillingen.

Taleyarkhan har nu lavet en forbedret udgave af opstillingen, der har overbevist forskerne om, at der er sket en fusionsproces.
Hvis der skal fremkaldes fusion skal temperaturen i boblerne være adskilligere mio. grader, og der skal udvikles mere energi ved fusioinsprocessen, end der tilføres for at holde processen i gang.

Til top

Status for fusion som fremtidens energikilde

Da man for alvor begyndte at forske i fusionsenergi i slutningen af 1950erne, troede man, at vi ville kunne have fusionsreaktorer i løbet af ca. 25 år, og at menneskehedens energiforsyningsproblem dermed var endegyldigt løst.
Problemerne har imidlertid vist sig at være meget større end dengang antaget.
I den forløbne tid er der brugt mange midler på forskningen, og budgetterne har hele tiden været voksende.
I de sidste 10 – 15 år har resultaterne været meget lovende, specielt har resultaterne fra JET vist, at man nu er meget nær ved at have løst de fysiske og tekniske problemer med at styre fusionsprocessen.
Man føler sig nu sikker på, at man kan bygge et eksperiment, ITER, som vil kunne indeholde at brændende plasma, som producerer store mængder fusionsenergi.
ITER er en forsøgsreaktor; dvs. den energi, den producerer, vil ikke blive udnyttet. ITER skal bruges til både at studere de plasmafysiske problemer, der opstår i et brændende fusionsplasma, og til en række teknologiske problemer, som fx hvilke materialer, der egner sig til fusionsbeholderens vægge, og hvordan man får dannet tritium i afskærmningen ved at bestråle litium med fusionsneutronerne.

• Efter ITER skal der bygges et demonstrationskraftværk, som skal give yderligere erfaringer, og som skal producere fusionsenergi, som vil blive udnyttet til el-produktion. Det vil tage op til 10 år at bygge demonstrationsværket, og måske andre 10 år at få de nødvendige erfaringer fra det.
• Derefter kan man begynde opførslen af de første kommercielle fusionskraftværker, som også vil tage op mod 10 år
• Man regner med, at om små 50 år vil fusionsenergien begynde at kunne yde væsentlige bidrag til menneskehedens energiforsyning. Derefter vil den efterhånden kunne tage over og erstatte de fossile brændstoffer som vor dominerende energikilde.
• Fusionskraftværker vil kun kunne blive rentable, hvis de bygges i store enheder. De bliver af samme størrelse som de største nuværende kraftværker, både fissionsværker og værker, der fyres med fossile brændstoffer, altså omkring 1000- 2000 MW.
• Ligesom fissionskraftværker producerer fusionsenergi radioaktivt affald, men i mindre mængder end fissionsværker gør.
  En stor fordel ved fusionsenergien i forhold til fissionsenergi er, at de radioaktive affaldsstoffer gennemgående har kortere henfaldstider, hvilket betyder større intensitet og kortere tidsrum inden det omdannes til uskadelige stoffer.

 

Til top

Litteratur og referencer

1. DR 2023 Explainer: Hvad er fusionsenergi?

2. Vagn O. Jensen. Fusionsenergi. Fremtidens dominerende energikilde?
   Bogen kan downloades her:

   Fusionsenergi – af Vagn O. Jensen, Forsøgscenter Risø

   – bog i pdf-format (2.8 MB)

3. Vagn O. Jensen. Fusionsenergi- fremtidens energikilde? Aktuel Naturvidenskab, 1, 2002, side 11-14.
4. Vagn O. Jensen. Fusionsenergi, Hvor langt er vi nået? Naturens Verden 1999, side 14 – 25

5. ITERs hjemmeside

6. Fusion. Fremtidens uudtømmelige energikilde. Vagn Jensen, Jens Peter Lynov, Risø.
7. Kernefusion. JET. Kontoret for de Europæiske Fællesskabers offentlige publikationer.
   ISBN 92-826-5412-5
8. Fusion EXPO. Brochure fra Fusion EXPO Konsortium
9. Miljø. Brøns, P.; Hansen, H.; Andersen, E., Vor radioaktive klode 2. Fusion og fission. Nat. Verden (1990) (no.6/7) p. 233-240.
10. Fusionsforskningen og JET-eksperimentet. Vagn O. Jensen. Naturens Verden 1992.
11. Plasmafysik og fusionsforskning. Risø-rapport. Vagn O. Jensen, J. P. Lynov, Poul Michelsen, Hans Pécseli, J. J. Rasmussen, Verner Andersen, Per Nielsen, Hans Sørensen

12. Stellaratoren

    – Princeton Universitet

13. Stellaratoren

    – Max Planck Instituttet

14. Fusionsenergi

    – Lawrence Livermore Universitet

15. Fusion Power with Particle Beam. Gerold Yonas. Scientific American nov. 1978.
16. Fusion Power by Laser Implosion. Emmet m.fl. Scientific American juni 1974.
17. Fusion in The United States. Nuclear News. juni, -juli, august og september 1980.

18. Sonofusion