En stjerne i en boks. Det ultimate innen grønn energi?

Melkeveien sett fra Black Rock, Nevada. Bildet er tatt av Steve Jurvetson.

Melkeveien sett fra Black Rock, Nevada. Bildet er tatt av Steve Jurvetson.

Nattehimmelens vakre stjerner er et nydelig skue om man er ute i naturen en sen kveld. Stjernene du ser, kanskje sammen med din kjære, lyser opp nattehimmelen med lys dannet ved hjelp av en spennende indre prosess, den samme som får vår egen sol til å skinne. For milliarder av år siden ledet den samme prosessen også til at atomene vi og vår planet med alt dets kompleksitet og liv består av ble formet og siden spredt ut i galaksen slik at vårt solsystem kunne formes. Som astrofysikeren Carl Sagan poetisk påpekte er vi alle laget av stjernestøv.

Stjernenes lys, sollyset og våre atomers opprinnelse er alle resultater av en og samme prosess: fusjon. Prosessen kan frigi enorme mengder energi så et naturlig spørsmål er: «Er det mulig for oss å lage vår egen lille stjerne i en eske her på jorden for å hente ut energi fra den?» Kan vi klare å lage et slikt ultimat «stjernekraftverk»?

Som prosess er fusjon ren, trygg, kan generere enorme mengder energi, med i praksis uendelig med drivstoff. På mange måter er fusjonskraft det ultimate innen grønn energi, en stjernes kraft temmet i kraftverk her på jorden. Dessverre er det ikke bare-bare å bygge et fusjonskraftverk. I over 60 år har det blitt sagt at fusjon er «kun» 20 år unna, men til tross for spådommene har vi kun sett eksperimentelle reaktorer. Fusjon er en så lenge i fremtiden og kun innimellom innom nyhetsbildet.

Hva er egentlig fusjon, er det virkelig rent og trygt og hvis potensialet er så stort, hvorfor har vi ikke kommersielle fusjonskraftverk i dag?

Hva er fusjon?

Enkelt fortalt er fusjon en kjernefysisk prosess som «smelter» lettere atomer sammen til tyngre atomer og i denne prosessen frigir energi vi kan bruke. Til sammenligning er kjernekraft i dag basert på fisjon, spalting av atomer, ikke sammensmelting. Det er fundamentale forskjeller mellom disse prosessene som gjør fusjonskraft rent, trygt og potensielt mer energigivende enn dagens atomkraftverk.

Kjernefysisk bindingsenergi i atomer. Bildet er hentet fra Oregon City School Districts nettsider.

 

For alle atomer lettere enn nikkel og jern er fusjon en prosess som frigir energi. Hvor mye energi som blir frigitt kan man kvalitativt forstå ut fra grafen til høyre. Her ser vi utvalgte elementer i den periodiske tabellen fra lette (til venstre i plottet) til tunge (til høyre i plottet). Y-aksen gir oss den kjernefysiske bindingsenergien i de forskjellige atomene. Energien som blir frigitt ettersom man endrer atomvekt ved sammensmelting eller spalting kan vi lese ut av hvor stor høydeforskjellen mellom to atomer i plottet er. Altså kan vi se at energi blir frigitt når man smelter sammen lette atomer som Hydrogen (fusjon) eller man spalter tunge atomer som Uran (fisjon).

Ren atomkraft?

Fisjon er kjent for de fleste av oss. Her brukes tunge og ustabile radioaktive elementer som spaltes til litt lettere men fremdeles radioaktive stoffer som brytes ned til lettere, mer stabile og mindre radioaktive stoffer gjennom fisjon (spalting) over perioder som er betydelig lengre enn menneskeheten har hatt skriftspråk. Avfallsstoffet blir her typisk begravd i dype hull, langt ned i bakken hvor håpet er at det vil ligge uforstyrret i titusener av år, om ikke betydelig lenger. Avfallet fra fisjon kan, avhengig av hvilket brensel som brukes, forbli farlig så lenge at det kan forbli dødelig lenge etter at menneskeheten er utdødd. Det samme er heldigvis ikke tilfelle for fusjon.

Der fisjonskraftverk bruker tunge elementer med farlig radioaktivt avfall som konsekvens vil fusjonskraftverk bruke hydrogenisotoper (hydrogenatomer med forskjellige antall nøytroner i kjernen) og/eller litium som smeltes sammen til helium-4, helt ordinært helium samt noen frie nøytroner. Helium kan riktignok ha en viss effekt på oss, vi kan puste det inn for å få pipestemme en kort stund i etterkant for eksempel, men ulikt biproduktene fra fisjon er det helt ufarlig. Klimagasser og giftige stoffer er ikke noe fusjon produserer og drivstoffet, hydrogen, kan utvinnes fra for eksempel vann slik at gruvedrift eller annen tung industri ikke er nødvendig for å sanke og frakte drivstoff til reaktorene med mindre litium brukes.

Helium er helt ufarlig, selv om det har en morsom effekt på stemmen!

Selve prosessen gir altså i seg selv ikke noe farlig avfall, og infrastrukturen rundt et fusjonskraftverk er også ren, noe som er et kraftig steg opp fra både fossile drivstoff, biogass og atomkraft. Men i både fusjon og fisjonskraftverk vil deler av prosessen føre til at noe av reaktorens konstruksjonsmateriale blir «aktivert» og dermed radioaktivt. For konvensjonelle fisjonsreaktorer er dette neglisjerbar andel av avfallet, nesten alt avfallet fra dem er brukt brensel. Når reaktoren skal gjennomgå vedlikehold, repareres eller stenges er den altså radioaktiv og man må ta sine forholdsregler som med annet radioaktivt materiale. Hvor radioaktivt det er, og dermed hvilke sikkerhetstiltak som må gjøres er det vanskeligere å si noe veldig konkret om, ettersom vi ikke har ferdigstilt en kommersiell design enda. Likevel er foreløpige estimater positive også her. For det første er det mulig fremtidige reaktordesigns kan bruke materialer som ikke blir lett aktivert, noe som kan redusere avfallets farlighet. Videre er ikke halvveringstiden til aktivert konstruksjonsmateriale noe man anser som spesielt høy. Foreløpige estimater gjort av Hamacher og Bradshaw for fusjonskraftverk sier at vi kan forvente avfallet fra stengte fusjonskraftverk vil kunne anses som farlig i omtrent 50 år. Langt bedre enn mange tusener av år som kan være tilfelle for avfall fra konvensjonelle fisjonskraftverk.

Lage stjerne her på jorda?

I naturen foregår fusjon i stjerner. Prosessen startes kun når trykket er stort nok til å overvinne frastøtingen mellom stjernens individuelle atomer slik at de kan komme i kontakt med hverandre. Å opprettholde en fusjonsreaksjon krever altså at vi på en eller annen måte får en prosess som i naturen kun skjer i en stjerne til å gå der vi er. Dette er ikke en enkel oppgave og en av de største utfordringene er å holde reaksjonen gående, noe som krever at man klarer å holde på en plasma som ikke «vil» bli holdt på.

Å skape små, kontrollerte stjerner på jorden er utfordrende, og en rekke forskjellige design er foreslått og i bruk i eksperimentelle reaktorer. Mange av dem virker ved å lage en plasma av hydrogen som holdes inne i reaktoren ved hjelp av sterke magnetiske felter. En populær design er en såkalt tokamak-design, illustrert under. Her brukes kraftige elektromagnetiske felter til å holde plasmaen på plass og sørge for at fusjon kan skje.

n tokamak er en mulig reaktordesign for fusjonskraftverk. Kraftige elektromagneter holder hydrogenplasmaen på plass mens fusjonsreaksjonen skjer. Skissen over er laget av Matthias W Hirsch fra Max-Planck Instituttet.

En tokamak er en mulig reaktordesign for fusjonskraftverk. Kraftige elektromagneter holder hydrogenplasmaen på plass mens fusjonsreaksjonen skjer. Skissen over er laget av Matthias W Hirsch fra Max-Planck Instituttet.

Tokamak-designet er brukt i blant annet ITER, som er en forkortelse for International Thermonuclear Experimental Reactor. Denne eksperimentelle reaktoren, som er under bygging i Sør-Frankrike skal etter planen stå ferdig i 2019 (Tre år etter opprinnelig mål) med full operasjon i 2027. Kostnaden er på omtrent 14 milliarder dollar, tre ganger over opprinnelig budsjett. En stiv prislapp for ren og billig strøm, men vel verdt prisen og mer til om prosjektet leder til kommersielt tilgjengelig fusjonskraft. Etter planen skal nettopp det skje. ITER vil følges av en reaktor ved navn DEMO. DEMO vil om alt går som ønsket bli den første kommersielle fusjonsreaktoren.

Selv om vi kanskje kan ane at fusjonskraft ikke er veldig langt unna ser det dessverre ut til at dette internasjonale samarbeidsforumet ikke vil resultere i billig, trygg og ren energi før noen tiår har gått.

Trygg reaktor!

Hva skjer hvis en reaktor feiler? Er det trygt? I en fusjonsreaktor kreves det at vi på en eller annen måte tilnærmer oss tilstandene som vi finner inne i stjerner. Dette gjøres på ulike måter, men i en tokamak med et volum på flere tusen liter er det typisk kun noen få gram hydrogen til enhver tid. Dette forbrennes fort, så om drivstoff-tilførselen opphører stopper reaksjonen raskt. Å opprettholde plasma, som er nødvendig for å opprettholde en reaksjon krever også at det ikke er for mye gass i reaktoren til enhver tid. Skulle en feil føre til at for mye drivstoff pumpes inn vil også reaksjonen stoppe av seg selv da plasmaen ikke lenger blir opprettholdt. Det verste som da kan skje er altså at strømproduksjonen stanser, ikke en stor katastrofe.

Energiens Soria Moria?

Fusjon er appellerende. Det er rent, trygt og har enormt potensiale men gjennomføringen er ikke enkel. Vi er på vei og en gang vil vi nå målet, men i dag kan fusjonskraft nesten virke litt som Soria Moria, et vakkert skue rett over horisonten. Nær nok til å bli sett og beundret, men fremdeles et godt stykke unna. Store utfordringer må løses, spesielt med tanke på å effektivt holde plasmaen på plass. Nobelprisvinneren Pierre-Gilles de Gennes sa det bra:

«We say that we will put the sun into a box. The idea is pretty. The problem is, we don’t know how to make the box.»

Theodor Kittelsens Soria Moria.

Facebooktwittergoogle_plusredditpinterestlinkedinmailby feather
 

Vegar Ottesen

Om

Jeg er veldig glad i både det veldig store og det veldig lille! Jeg følger nøye med på nyheter innen alt fra astronomi til nanoteknologi. Samtidig er jeg opptatt av bærekraft og samspillet mellom mennesker og natur. I doktorgraden min forsker jeg på nanocellulose: Et trygt, miljøvennlig og bærekraftig materiale med veldig spennende egenskaper! På smallprint.no skriver jeg om nanoteknologi som døråpner for bærekraft, helse og miljøvennlighet.


'En stjerne i en boks. Det ultimate innen grønn energi?' har ingen kommentarer

Vær den første til å kommentere dette innlegget

Del dine tanker

Your email address will not be published.

© smallPrint A.S. All right reserved. Page based on Old Paper by ThunderThemes.net