Fusionsenergi
Artikel af Civilingeniør John Genart
Jeg skulle i sommerferien 1982 på et kursus: Commercial English Language Programme, Wadham College, Oxford University, England. Det var mens, at jeg var studerende på DTU. Jeg var meget interesseret i atomkraft og specielt fusionskraft.
JET-projektet (Joint European Torus)
Jeg havde i Berlingeren læst en artikel om etableringen af et nyt fælleseuropæisk forskningsanlæg JET, som var blevet etableret i Oxfordshire, England. Det var et fusionsanlæg. Det lå meget tæt på Oxford-universitetet. Jeg planlagde at besøge anlægget, mens jeg var på sprogkurset i Oxford.
Da jeg kom til universitetet i Oxford, viste det sig, at undervisningen foregik under stram disciplin og effektivitet og jeg havde ingen mulighed for at forlade universitetet i hverdagene (kostskole). Den eneste mulighed for at forlade stedet var i weekenden. Så snart det blev weekend, så begav jeg mig afsted til fods ad landevejene. Det var dog ikke så langt væk, og snart nåede jeg frem. Midt ude på landet i ødeheden lå anlægget.
Adgangen til området var spærret af bilbomme, og der var advarselsskilte, som på engelsk sagde, at al adgang for uvedkommende var forbudt. Men, jeg var jo gående, så jeg kunne let passere forbi bommene og komme hen til indgangen.
Men, ville der være nogen på stedet i weekenden? Da jeg nåede frem til bygningen, så tog jeg i døren til hovedindgangen. Ja, den var åben. Der var ingen i receptionen og alt virkede forladt. Det var mærkeligt. Jeg gik indenfor. Hvor er folk henne, og hvor er vagterne? Jeg gik rundt ned ad kontorgange og kom pludselig ind i et stort computerrum. Det var dengang, at harddiske lignede vaskemaskiner og båndstationerne lignede store køleskabe.
Nu var der en person, som sagde noget inde fra et kontor. Det viste sig at være direktøren for anlægget. Det var den eneste person, som var på jobbet. Han spurgte mig, hvem jeg er og hvad jeg dog laver her. Han virkede meget afvisende. Jeg forklarede ham situationen, og han spurgte mig, hviken slags ingeniør, som jeg studerede til. Jeg sagde, at jeg stilede efter en master-degree - altså universitetsingeniør (svarende til Civilingeniør i Danmark). Nu ændrede han helt holdning over for mig og forklarede, at han selv var en Master.
Han insisterede på at vise mig hele anlægget og gav mig en rundtur, hvor jeg fik set det hele, og hvor han forklarede mig alt. Direktøren førte mig ind i en elevator, som bragte os ned under jorden til reaktoren. Det var så heldigt, at reaktoren var næsten klar, men stadigvæk stod åben. Det var således muligt at komme ind i det aller helligste - nemlig plasma-rummet. Sikken en oplevelse. Det var stort.
Direktøren virkede meget entusiastisk. Han forklarede mig, at det i fremtiden ville blive muligt at bygge fusionsanlæg, som ville producere mere energi end hvad, at disse anlæg kræver fra omgivelserne. Fx. ville forsøgsanlægget Jet kun kunne levere 10 % af den energi, som anlægget skal tilføres. Direktøren var overbevist om, at det senere ville være muligt at få 100 % energi ud af et fusionsanlæg, og at anlægget kun skulle tilføres 10 % af denne energi for at køre. Det ville jo være en god forretning.
Men, det, som imponerede mig mest, var direktørens forklaring om, at ethvert materiale på Jorden ville kunne bruges som brændsel i en fusionsmaskine. Pga. temperaturen, så ville alt kunne bruges som brændsel - selv giftigt affaldsmateriale. Alt ville kunne opløses i reaktoren, og kun rent vand ville blive affaldsproduktet. Fantastiskt!
Direktøren nævnte, at ideen om fusion stammede fra Tyskland, hvor nazistiske ingeniører under Den Anden Verdenskrig febrilsk arbejdede på at udvikle en plasmakanon.
JET, Joint European Torus, er et eksperiment med magnetisk indeslutning af plasma. Anlægget er placeret i Oxfordshire, England. Det er i øjeblikket - år 2013 - det største forskningsanlæg af sin art i drift i verden. Dets vigtigste formål er at bane vejen for fremtidige nukleare fusionsanlæg som fx. ITER og DEMO.
JET-anlægget ligger på en tidligere Navy flyveplads nær Culham, Oxfordshire - RNAS Culham (HMS Hornbill) i England. De første plasma-eksperimenter blev påbegyndt i dette anlæg i 1983.
På grund af de ekstremt høje strømkrav for anlægget, så blev der bygget to gigantiske strømgeneratorer i tilknytning til anlægget.
Fusionsenergi - generelt
Ved fusion menes sammensmeltning af lette atomkerner, hvorved der frigøres bindingsenergi - på samme made, som der ved fission (atomreaktorer og atombomber) frigøres bindingsenergi ved spaltning af tunge atomkerner. Fusion er således den modsatte reaktion af fission - om jeg så må sige.
Atomkernerne er positivt ladede og frastøder hinanden med uhyre store kræfter. For at sammensmelte lette atomkerner skal de have tilført en enorm energi i form af høje temperaturer og stor tæthed.
Fusionsbrændstofferne
Kun nogle få stoffer (brændstoffer) er interessante for fusionsenergien:
1. [H] - Hydrogen = almindelig brint. [1H]
2. [D] - Deuterium = tung brint. [2H]. Kun 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, at der er ret store mængder på Månen, hvor det er opfanget fra Solen.
6. Litium. Dette stof anvendes til fremstilling af tritium (alias supertungt brint 3H)
Fusionsprocessen
Der stilles i forskerkredse store forventninger til udnyttelsen af fusionsenergien, og der ofres store summer på fusionsforskningen.
Der er flere mulige fusionsprocesser. De vigtigste er:
1. D + T —> 4He + neutron + 17.7 MeV. Processen starter ved ca. 100.000.000 °C. Det er fysisk muligt at skabe denne temperatur i reaktorer på Jorden.
2. D + D —> 3He + neutron + 3.25 MeV. Processen starter først ved ca. 1.000.000.000 °C. Det anses for utopisk at opnå så høj en temperatur i reaktorer på Jorden, så der forskes ikke i denne proces.
3. D + D —> 3H + proton + 4.0 MeV. Processen starter først ved ca. 1.000.000.000 °C. Det anses for utopisk at opnå så høj en temperatur i reaktorer på Jorden, så der forskes ikke i denne proces.
4. D + 3He —> 4He + proton + 18.3 MeV. Processen danner ikke neutroner, hvilket danner langt mindre radioaktivt materiale under driften. Processen er yderst realistisk men kræver, at brændstoffet 3He (Helium-3) hentes hjem fra Månens overflade, hvilket først vil blive rentabelt engang i fremtiden.
5. H+H+H+H —> 4He. Dette er processen, som foregår i vor Sol. Solen er en gigantisk fussionsreaktor, som konstant omdanner brændstoffet brint til Helium. Ca. 75 % af solens masse består af Brint og resten ca. 25 % består af Helium. Der er således nok med brændstof tilbage i solen til mange år endnu. Hvad angår affaldsproduktet Helium, så er der både tale om isotoperne Helium-1, Helium-2 og Helium-3. Store mængder af disse Helium-isotoper slynges ud i rummet. Det anses for helt urealistisk at skabe en tilsvarende fussionsproces på Jorden, da en sådan proces ville kræve flere millioner °C.
Til sammenligning udvikles tæt ved 200 MeV ved spaltning af en 235U atomkerne, som jo er en meget stor og tung atomkerne. Dvs. Den energi, som udvindes i atomkraftværker eller i atombomber er mindre end den energi, som udvindes i fussionsprocessen, hvis man ser på, hvor mange nukleoner, der indgår i processen.
Man arbejder således udelukkende med D+T-processen, der har de mest lovende fysiske egenskaber på kort sigt. Derimod kan D+3He - processen måske vise sig at være interessant på længere sigt, ikke blot fordi energiudviklingen er større, 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 Helium-3 fastholdes i de yderste støvlag pga. at støvet er af en sådan beskaffenhed, at det indeslutter og fastholder Helium-3.
Grunden til, at der ikke findes Helium-3 på Jorden skyldes, at Jordens magnetfelt forhindrer de ladede heliumpartikler fra solvinden i at nå ned på Jordens overflade.
Det er således processen D+T, som der forskes i. For at få processen til at forløbe, kræves der utrolig høje temperaturer og tæthed. Man skal have stoffet over i plasmatilstand, som er 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 der kun opstå forsvindende små, men alligevel for fysikken betydelige afvigelser fra elektrisk neutralitet.
Plasmatilstanden kaldes ofte for den 4. tilstandsform - de tre andre er de velkendte gas-, væske- og den faste tilstandsform.
Da frastødningen mellem 2 ens ladninger (Coulomb-frastødningen) er uhyre stor, så kræver det meget store kinetiske energier af de positivt ladede brintisotoper at smelte dem sammen ved sammenstød. Men, ved tilstrækkelig stor hastighed, så vil de frastødende kræfter mellem de positivt ladede partikler kunne overvindes, så der sker en fusion mellem brintisotoperne, så der dannes helium, hvorved der frigøres enorme energimængder.
Miljøfarer
Et fusionskraftværk vil under normal drift ikke belaste det omgivende miljø med radioaktivitet eller med kemiske stoffer.
I forhold til et konventionelt fissionskraftværk (atomkraftværk) 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 selv gå i stå. Selv om plasmaet er uhyre varmt (100.000.000 °C), 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 derefter som brændsel i reaktoren.
JET-projektet (Joint European Torus)
Det er et fælles 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 fremtidig fusionsreaktor.
I 1997 målte man i et eksperiment med D-T brændstof på JET et fusionsudbytte på 16 MW og en fusion energi på 21 MJ, hvilket på den tid var verdensrekord. JET benyttes stadig til eksperimenter.
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 bildækformede 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 denne reaktor er det muligt at opvarme plasmaet til ca. 1 million °C ved hjælp af den strøm, der genereres i det (Ohmsk opvarmning).
Yderligere opvarmning til de ca. 100 millioner °C 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. Der forskes stadigvæk år 2013 i disse processer, og resultaterne ser lovende ud.
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.
Hvis det varme plasma ikke kunne styres ved hjælp af magnetisme, så ville det komme i berøring med beholderens vægge, som øjeblikkelig ville tage skade.
Resultaterne fra Tokamak-forskningen har givet forskerne tro på, at processen vil lykkes engang. Ved at lade tværsnittet være D-formet, som i JET-projektet, har man fået en endnu bedre styring og dermed et mere stabilt plasma.
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.
Det bliver spændende at se, hvad fremtiden bringer.
Med kærlig hilsen,
John Genart