Fusionsenergi - enkelt förklarat

Vad är fusion?

Fusion handlar om att bygga ”solar” på jorden för att få ut energi på samma sätt som i solen.

Förenklat slår man ihop lätta atomkärnor och skapar nya partiklar.

Massa omvandlas och energi frigörs så att de partiklar som bildas far iväg med hög hastighet.

Denna process händer i solen och i andra stjärnor.

Så vad gör man?

Man har en reaktor och man försöker göra en mini-sol i den för att hetta upp väggarna. Då kan man värma kylvätskan i väggen. Sedan kan man koka vatten med kylvätskan, som nu har blivit varm.

För att uppnå fusion behöver man värma upp bränslet (en gas som kallas plasma) så mycket att atomkärnorna, som ju har samma laddning, kolliderar i stället för att gå åt motsatta hållet ifrån varandra. Men för att detta ska hända så måste atomkärnorna röra sig jättesnabbt så att de inte hinner bromsa in. För att kunna göra det måste det vara jättevarmt. Varmare än i solen och man behöver uppnå temperaturer över 100 miljoner grader Celsius för att de ska kollidera. Man vill åstadkomma detta för att kunna värma väggarna snabbt och också koka vatten, som driver turbiner som börjar snurra och generera energi.

För att kunna värma väggarna på ett effektivt sätt genom fusion så använder man ett bränsle som består av två olika sorters väte - tungt väte (deuterium) och supertungt väte (tritium). Tungt väte består av 1 proton och 1 neutron, och supertungt väte består av 1 proton och 2 neutroner. När plasmat som består av en massa väteatomkärnor åker runt och blir jättevarmt kolliderar de. Kollisionerna resulterar i att heliumatomkärnor, som består av 2 protoner och 2 neutroner skapas. Men en neutron blir över i varje reaktion och den neutronen åker iväg med en jättehög hastighet på grund av reaktionen. Neutronen åker in i väggen och bromsar in och väggen blir varm.

För att väggarna inte ska smälta av värmen som skapas från friktionen av neutronen har man kylvätska i väggarna. Man leder ut kylvätskan så att man kan koka vatten med den och ångan får turbinerna att snurra och driva generatorer som ger elektricitet.

Hur blir det så varmt?

Ett av de viktigaste målen, om inte det viktigaste, för att uppnå fusion är värme. Fusion sker ju när två atomkärnor kolliderar, och för att göra det behöver de åka extremt snabbt och det behöver vara extremt varmt. För att uppnå tillräckligt höga temperaturer har forskare kommit på olika sätt att värma upp plasmat. Till exempel kan man använda partikelkanoner eller mikrovågsugnar.

Det finns flera sätt att värma upp ett fusionsplasma:

1. Ohmsk uppvärmning - tänk dig tråden som glöder i en brödrost. Man låter en elström gå genom plasmat. Då får man ett magnetfält. Det är bra eftersom plasmapartiklarna följer magnetfältet. Om det riktas så att det inte går in i väggarna kommer plasmat inte att bromsa in. Plasmat fortsätter alltså vara instängt i reaktorn. Men strömmen gör också att det blir varmt, precis som när man drar en ström genom en tråd i brödrosten. Det är elektronerna i strömmen som ger friktion i tråden (eller plasmat) och då får man värme. Elströmmen i plasmat får man från ett elektriskt fält man har runt plasmat. Det kommer från en transformator.
2. Neutralstrålvärme - tänk dig en atomkanon. Man skjuter in en stråle av neutrala väteatomer i plasmat genom ett fönster. Sen åker den till plasmats mitt där det finns mest partiklar. Där kolliderar de neutrala atomerna med atomer i plasmat. När det händer lossnar elektronerna och de snabba och laddade partikelkärnorna fastnar i magnetfältet. När de sen åker runt kolliderar de och överför energi till bakgrunden som resulterar i värme så att partiklarna rör sig snabbare.
3. Radiofrekvensvärme – tänk dig en mikrovågsugn. Mikrovågor får atomer att skaka. Antenner genererar mikrovågor som träffar atomkärnorna som snurrar runt magnetfältet. När vågorna träffar atomkärnorna får det dom att snurra ännu mer. Alltså om partiklarna rör sig mer blir det varmare
4. Laservärme - tänk dig en superstark värmestråle på ett popcorn. Laserstrålar används för något som kallas tröghetsfusion. Det är ett annat sätt att få fusion utan att stänga in plasmat i ett magnetfält. Bränslet finns i en kapsel som består av ett tunt lager plast på utsidan och sen är det ett tunt lager fryst bränsle och i mitten är det ett vakuum. Kapseln ser ut så här för att om man skulle ha mer bränsle skulle det vara samma som att spränga en vätebomb. Runt kapseln är det en guldcylinder, med hål i toppen och botten. Genom de hålen skjuter man, supersnabbt, cirka 160 lasrar som studsar på väggarna så att laserstrålarna ska träffa kapseln jämnt och snyggt från alla håll. Cylindern är av guld för att den reflekterar lasrarna bra och för att den är uthållig när det kommer till värme. När lasrarna träffar kapseln förångas plastlagret och då trycks bränslet ihop. När partiklarna kommer närmare varandra genererar det så mycket värme att fusion uppnås och sen expanderar plasmat snabbt.

Varför är det svårt att åstadkomma fusionsenergi?

Det är svårt att uppnå fusionsenergi av olika anledningar. För det första måste man uppnå temperaturer över 100 miljoner grader och kunna hålla det varmt över en lång tidsperiod. Sen vill man ha så mycket plasma som möjligt inne i reaktorn utan att plasmat blir instabilt. Man behöver ha en bra reaktordesign som innesluter plasmat på ett bra sätt så det inte flyr. Sen måste man generera mer energi än energin som förloras till omgivningen (kallas Lawsonkriteriet).

Hur ser maskinen ut?

Fusion kan uppnås på flera olika sätt:

1. genom att stänga inne plasmat i magnetfält och värma det eller
2. genom att skjuta med stora lasrar på små kapslar med fusionsbränsle för att de ska explodera.

Idéen om fusionsenergi har funnits sedan 40-talet och det finns många olika designer genom tiderna. Men de mest populära är tokamaken och stellaratorn som är rätt lika men också olika. Sedan finns laserfusionsreaktorn som inte är lika populär men det finns några sådana i världen.

Det finns två större grenar av fusionsenergiforskning. Den första är magnetisk inneslutning. Magnetisk inneslutning baserar sig på att stänga in bränslepartiklarna med ett magnetiskt fält så att de stannar kvar i maskinen. Två av de vanligaste designerna med magnetisk inneslutning är tokamaken och stellaratorn. En tokamak är som en donut med magneter runt sig. Tokamaken använder sig av de yttre magneterna för att skapa ett magnetfält. Det yttre magnetfältet kallas för den toroidala komponenten. Det är den delen som gör att plasmat går i den riktningen den ska, utan att beröra väggarna. Sen leds en elektrisk ström i plasmat som gör plasmat varmt. Strömmen som går i plasman skapar också ett magnetfält runt plasmat för att hjälpa det att inte röra väggarna. Det kallas för den poloidala komponenten. Elströmmen som är i plasmat kommer från ett elektriskt fält som genereras från en stor transformator utanför plasmakärlet.

Även stellaratorn har ett magnetfält men ändå är den annorlunda. Stellaratorn har samma tanke med att använda magneter och att få plasman att gå runt i en ring men formen av maskinen är annorlunda. Formen ser konstig ut för att plasmat ska kunna inneslutas utan att man drar en stor ström i plasmat, som i tokamaken.

En annan variant är tröghetsfusion. Den är inte lika populär och det finns egentligen inget namn för designen på reaktorn. Det finns två större anläggningar i Frankrike och en i USA som heter NIF. Tröghetsfusion går ut på att skjuta jättestarka lasrar på en liten kapsel (stor som en ärta) där vätebränslet finns innanför en tunn hinna av plast. När lasrarna träffar kapseln förångas plasten och ånga åker åt alla håll och då trycks vätet ihop. Ju närmare partiklarna är varandra, ju varmare blir det och då sker fusion.

Hur dyrt är det?

Priset är lite över genomsnittet för energikostnad. Om man kollar på påverkan på miljön jämfört med andra elproducerande metoder så sparar fusion mycket pengar.

Fusionsenergi är inte dyr om man jämför i världen. Direkta priset för fusion skulle vara 0,08-0,1 euro/kWh och det är lite över genomsnittet. Men om man kollar på elens påverkan på naturen är fusion mycket billigare. Fossila bränslen släpper ut stora mängder växthusgaser som höjer jordtemperaturen vilket skadar naturen och kostar världen enormt med pengar.

Vanlig kärnkraft kan döda många människor om en olycka händer. En olycka kan kosta jättemycket för det gör flera mil av mark radioaktivt. Avfallet är också mycket radioaktivt länge och man behöver begrava det djupt. Fusion kanske verkar dyrt men det sparar världen enormt mycket pengar om man använder det i framtiden. Om man använder fusionsenergi i framtiden så släpper det inte ut växthusgaser och det skulle kunna rädda världen om man använde fusion i stället för fossila bränslen. Men det krävs 1 miljon gånger mer bränsle för fossila bränslen att göra lika mycket el som ett fusionskraftverk bränsle. Man behöver också havsvatten som det finns jättemycket av och som är billigt. Man behöver också tritium som det finns väldigt lite av men man kan skapa tritium.

Hur farligt är det?

Fusion är en säker metod. Den skapar lika mycket radioaktivt avfall som ett kärnkraftverk men avfallet är bara radioaktivt hundra år eller mindre. Jämfört med ett kärnkraftverks avfall som är mycket radioaktivt jättelänge så är fusions avfall mindre radioaktivt. Om en olycka sker är det ingen fara för det är så lite plasma och inget farligt händer. En tritiumläcka vore inte bra men man är säker om man är 1 kilometer från olyckan.

Fusion är inte farligt. Fusion släpper inte ut några farliga gaser som koldioxid eller andra växthusgaser till atmosfären. Den största restprodukten är helium men helium är inte en giftig gas. Det enda som ger problem är reaktorns väggar för att de blir radioaktiva av neutronerna som bromsar mot dem. Men väggarna är inte jätteradioaktiva länge. Radioaktiviteten är kortlivad och väggarna är radioaktiva runt 100 år som är ingenting jämfört med ett kärnkraftverks avfall som är radioaktivt i 100 000 år. Om det sker en olycka så är det inte så allvarligt.

Plasman ska man inte oroa sig över för att även om plasman täcker flera kubikmeter så är det egentligen inte ens 1 gram bränsle. Det värsta som skulle kunna hända skulle vara att tritium (supertungt väte) läckte. Om en tritiumläcka skulle ske skulle man behöva evakuera de som finns närmast. Tritium är en radioaktiv gas. Men om fusionskraftverket skulle vara i mitten av en 1 kilometer gånger 1 kilometer kvadrat skulle alla utanför det området vara säkra. Men om en kärnkraftverksolycka skulle hända, som till exempel Tjernobyl, skulle flera mil vara radioaktivt på grund av askan som åker i luften. Fusion är inte farligt för naturen och avfallet är inte jätteradioaktivt och behöver inte begravas djupt ner i jorden.

Skillnad mot kärnkraftverk?

Ett kärnkraftverk är som en atombomb i en reaktor medan fusion är som solen i en reaktor.

Kärnreaktionen är annorlunda, annorlunda bränsle, restprodukterna är annorlunda och hur radioaktivt och hur länge det är radioaktivt är annorlunda. Vid olyckor är fusionsolyckor mycket mer lindriga än kärnkraftsolyckor. En stor skillnad är också att fusion fortfarande är under utveckling.

Processen som sker i ett kärnkraftverk kallas för fission medan det som händer i en fusionsreaktor kallas fusion. Fission sker genom att en neutron åker emot en atomkärna som uran väldigt snabbt och splittrar atomkärnan som utlöser väldigt mycket energi.

Medan fusion sker eftersom två lätta atomkärnor åker väldigt snabbt emot varandra. Så snabbt att även om de har samma laddning så kolliderar de och formar en ny atomkärna. Krocken utlöser väldigt mycket energi. I ett kärnkraftverk brukar man använda antingen uran eller plutonium.

I en fusionsreaktor kan bränslet variera. Bränslet man kommer att använda först är deuterium (tungt väte) och tritium (supertungt väte). Men tritium är svårt att få tag på och det finns bara runt 25 kilo i hela världen. Tritium är också en biprodukt från kärnkraft så man kan få det därifrån men i framtida fusionskraftverk kommer man framställa tritium från att skjuta en neutron in i litium som skapar tritium. Men teoretiker hoppas på att bara använda deuterium som bränsle i framtiden. Men då skulle man behöva ännu högre temperaturer för att deuteriumkärnorna inte kolliderar lika lätt som det andra bränslet.

Fission resulterar i radioaktivt avfall medan fusions restprodukt beror på vilket bränsle man använder. Om man använder deuterium och tritium eller deuterium och deuterium som bränsle så resulterar det i helium. Fissions avfall är radioaktivt i cirka 100 000 år medans väggarna i en fusionsreaktor är radioaktiva runt 100 år. Fission är 1 miljon gånger bättre än andra energikällor energimässigt. Fusion är 3-4 gånger bättre än fission. Men den största skillnaden mellan dessa två är att fusion fortfarande är under utveckling.

Är fusion bra för miljön?

Det är bra för miljön för att fusion inte släpper ut växthusgaser.

Fusion bildar inte några växthusgaser eller andra föroreningar som kan skada och/eller påverka miljön. Mängden radioaktivt avfall ett fusionsverk skulle producera skulle vara lika mycket som ett kärnkraftverk. Men hur länge avfallet skulle vara radioaktivt skiljer sig jättemycket. Avfallet från fusion skulle vara högaktivt (väldigt radioaktiv) runt 100 år. Fusions radioaktiva avfall är väggarna för att neutroner bromsar in mot den. Sen så behöver man inte begrava avfallet djupt ner i marken. Och man kan göra det på plats så att man inte behöver transportera avfallet.

Hur långt har man kommit med fusion?

Man har en bit kvar. Det är svårt att få jättemånga att investera i något som inte är helt utvecklat. Det finns energislag som redan är utvecklade och där det är bevisat att det fungerar. Till exempel sol- eller vattenenergi . Stora framsteg har gjorts men det är en bit kvar innan man kan använda fusionsenergi i stor skala. Man har uppnått en av de viktigaste sakerna för fusion i en anläggning som heter JET och där kan man uppnå temperaturer över 100 miljoner grader. Men man behöver fortfarande jobba på att hålla de temperaturerna över en lång period. Det finns det många olika fusionsanläggningar och flera länder jobbar på en stor reaktor i Frankrike (ITER) som ska ge 500 MW.

Nu byggs det också nya fusionsanläggningar och en av dem heter ITER som ligger i södra Frankrike. Det är ett samarbete mellan 35 olika länder som forskar tillsammans och bygger anläggningen. ITER kommer bli världens största tokamak som har byggts. Sen så finns det också andra anläggningar med fusionsreaktorer med annan design och metod än ITER. Till exempel så finns det ett antal nya spännande idéer som ger mindre och billigare fusionskraftverk. De kan byggas på mycket kortare tid. Och så finns en tröghetsfusionsreaktor i USA som heter NIF. Men ingen i världen har lyckats att hålla igång maskinerna länge. Ingen har kommit så långt att man behöver kyla ner väggarna.