Fusionsfysik - en kort introduktion

Vad är fusion?

I energisammanhang betyder fusion att lätta atomkärnor slås samman för att producera kärnreaktioner med positivt energiutbyte. I vår omvärld är det fusionsreaktioner som ligger bakom solens energiproduktion; fusion är universums mest grundläggande energikälla.

Målet med fusionsforskningen är helt enkelt att designa och bygga konstgjorda solar på jorden. Fossila bränslen och kärnkraft kan på så vis ersättas med en miljömässigt överlägsen energiform, tillgänglig i miljontals år.

Teknisk utveckling av fusion är dock en extremt komplex och svår uppgift. Solen håller ihop sin 10 miljoner grader heta gas, som kallas plasma, av gravitationskrafter. Denna kraft skulle vara alldeles för svag för de relativt små kraftverk vi vill bygga på jorden. Istället har fusionsforskningen huvudsakligen utvecklats längs två olika inneslutningsprinciper; de för magnetisk inneslutning av plasma och tröghetsinneslutning.

Laboratorieexperiment startade redan på 1940-talet men fusionsreaktorer förväntas för närvarande inte vara kommersiellt tillgängliga förrän tidigast på 2040-talet. Förutom fysikaliska och tekniska svårigheter försvåras utvecklingen av en relativt blygsam insats över hela världen. De nuvarande globala investeringarna i fusion uppgår till 1-2 miljarder dollar årligen och det svenska bidraget är cirka 7 miljoner dollar. På senare år har emellertid ett antal intressanta privata forskningsinstitut etablerats, med en total finansiering omfattande cirka 100 miljoner dollar årligen. I Europa finns cirka 2000 aktiva forskare.

Varför är det då så svårt att åstadkomma fusionsenergi?

Ett fusionsreaktorplasma måste uppfylla följande två grundläggande villkor:

1. Produkten av plasmatätheten och inneslutningstiden för plasmats värmeenergi måste vara minst av storleksordningen 10²⁰ m^-3s
2.  Plasmatemperaturen måste vara minst 100 miljoner K.

Det senare villkoret är enkelt att förstå: hög temperatur betyder hög genomsnittlig atomkärnehastighet. De snabbaste kärnorna kan då tränga igenom coulombbarriären (den motriktade kraften mellan två lika laddade partiklar) vid frontalkollisioner för att producera de sammansmälta ("fusionerade") kärnorna, som snabbt sönderfaller till nya partiklar. Sannolikheten för dessa fusionsreaktioner ökar starkt med temperaturen och ett minimivärde måste överskridas för varje plasma. Det första villkoret uttrycker kravet på att ett tillräckligt antal partiklar "fusionerar" för att kompensera för den yttre energi som tillförs för uppvärmning och underhåll av plasma.

Hur får man elektricitet från fusionsreaktioner?

Fusion kan åstadkommas med olika, lätta atomkärnor. Den reaktion som kräver den lägsta temperaturen och inneslutningsprodukten är den mellan deuterium och tritium. Dessa fusionsreaktioner genererar heliumjoner och neutroner med hög energi. Genom att omge plasmat med en "mantel", omvandlas neutronens rörelseenergi till värme då den bromsas upp i denna. Värmen avleds från manteln med en kylvätska, vars uppvärmning i sin tur används för att driva en elektrisk generator.

Hur kan plasmat värmas till så höga temperaturer?

Det mest intuitiva sättet att uppnå fusion är förmodligen den så kallade Bennet-pinchen, där en stor elektrisk ström leds mellan två elektroder i en lämplig gas. Plasma bildas mellan dessa och upphettas då precis som tråden i en brödrost (ohmsk upphettning). De slutna magnetfältlinjerna som omger strömmen i plasmat ger den nödvändiga inneslutningen. Naturen tillåter emellertid inte en så pass enkel konfiguration. Precis som ett korthus blir denna lätt instabil varvid plasmat deformeras och urladdningstiden begränsas till en liten bråkdel av den erforderliga tiden.

Den ohmska uppvärmningsmekanismen används därför till mer stabila konfigurationer. Tyvärr blir mekanismen ofta ineffektiv vid höga temperaturer och ytterligare uppvärmningsmetoder behöver användas. De mest framgångsrika är uppvärmning med hjälp av neutralstrålar (neutrala partiklar med höga energier avfyras in i plasmat för att bli joniserade nära mitten av plasmat) och radiofrekvensuppvärmning (liknande uppvärmning som i de mikrovågsugnar vi har i våra kök).

Vilken typ av fusionsreaktorer kommer man att använda?

Ett antal system för magnetisk inneslutning har utvecklats under åren. De mest lovande i dag när det gäller stabilitet och inneslutning är tokamaken, stellaratorn och den reverserade fält-pinchen.

Både tokamaken och laserdriven tröghetsfusion har gjort imponerande framsteg under de senaste två decennierna. Experiment, byggda på dessa principer, har genererat betydande mängder fusionsreaktioner vid reaktorrelevanta förhållanden. De tekniska problemen som återstår att lösa (exempelvis stora supraledande spolar, höga neutronväggbelastningar) är dock inte försumbara.

Om teknikproblemen för dessa stora linjer skulle lösas idag skulle ändå vissa svårigheter kvarstå. Av nödvändighet blir tokamak- och laserfusionsreaktorer så komplexa och så stora att kapitalinvesteringen är jämförbar med den för dagens kärnkraftverk. Det finns därför ett naturligt intresse att även ta fram alternativa, mer kompakta och billigare utvecklingslinjer. På avdelningen för fusionsplasmafysik på KTH i Stockholm bedriver vi experimentell och teoretisk forskning rörande ett sådant alternativ; den reverserade fält-pinchen.

Varför är fusionsenergi attraktiv ur miljösynpunkt?

De första fusionsreaktorerna kommer inte att vara fria från strålning. Det starka neutronflödet från plasmats centrum kommer att aktivera reaktorns väggar och mantel, och förvaring på plats kommer att krävas för den första generationens stålväggar tills radioaktiviteten avklingat, efter cirka hundra år. Genom att i stället använda avancerade konstruktionsmaterial (som Ti, Al eller SiC) kommer emellertid dessa problem att begränsas i framtiden. En av bränslekomponenterna, tritium, är en radioaktiv gas som kräver särskilda försiktighetsåtgärder. Skulle emellertid allt tritium läcka ut skulle dock ingen evakuering utanför reaktorinhägnaden behöva göras.

Radioaktiviteten i en fusionsreaktor avklingar alltså mycket snabbare än i en fissionsreaktor. Den kan inte leda till okontrollerade reaktioner. Uran förekommer inte och inga transporter av radioaktivt material behöver göras. Slutligen finns det potential att använda mer avancerade bränslen, vilket skulle ge färre eller till och med inga neutroner som reaktionsprodukter.