Vi ser det hver dag. Men få af os ved, hvad det er.
Vi tager det som en selvfølge, at Solen skinner, og at vi kan se lys fra stjerner, der er tusindvis af lysår væk.
Men hvad ligger der bag denne enorme energi?
Fusionsprocesser kræver kolossale mængder energi
Fusionsenergi er den energi, der frigøres, når atomkerner smelter sammen. Det er denne energikilde, der driver alle stjernerne, herunder Solen, og dermed også livet på jorden.
Fusionsenergi er det modsatte af fissionsenergi, der bruges i atomreaktorer.
Ved fissionsenergi spaltes atomkerner. Denne proces kan komme ud af kontrol og skaber store katastrofer, som for eksempel i Tsjernobyl i 1986 og Fukushima i 2011.
Disse katastrofer er ikke mulige med fusionsenergi, hvor hydrogenisotoper smelter sammen til helium.
Men det kræver kolossale mængder energi at sætte en fusionsproces i gang og gøre den selvkørende.
Forskere over hele verden arbejder på at finde svaret, der kan løse mange af de globale energiudfordringer.
En af dem, der har dedikeret sin forskning til fusionsenergi er Odd Erik Garcia, som arbejder på Universitetet i Tromsø. Han giver svarene på alt det, du ikke ved om fusionsenergi.
1. Hvad er fusionsenergi?
Der findes en masse energi, der er lagret i atomkerner. Dele af den energi kan frigøres, når man enten smelter eller spalter atomkernerne.
I kraftværker og atomvåben bruges fissionsenergi, hvor atomkerner spaltes. Men når atomkernerne smelter sammen, frigøres fusionsenergi.
2. Hvorfor skaber en fusionsreaktion så meget energi?
Der er flere typer kræfter på spil imellem partikler.
Atomkerner består af neutroner og protoner, der holdes sammen af det, vi kalder stærke kernekræfter.
Energien ligger i bindingen imellem partiklerne, og den energi kan frigøres ved smeltning eller spaltning.
Man kan ikke skabe eller fjerne energi. Energi kan kun skifte form.
I atomkerner er det potentiel energi, der kan frigøres til kinetisk energi. Det er det, der sker i fissions- og fusionsenergi.
Her har man partikler med potentiel energi, og hvis man får dem til at kollidere med stor nok energi, kan dette frigøres til kinetisk energi.
Spørgsmålet er bare, om vi kan finde en måde at udnytte det på.
3. Hvor længe har man forsket i fusionsenergi?
Efter man begyndte at arbejde med fusionsenergi under Anden Verdenskrig, formåede man at lave en fusionsbombe – også kaldet en brintbombe.
Man fandt også ud af dengang, at fusionsenergi kunne bruges til mere fredelige formål som at producere elektricitet.
Det var dog en udfordrende problemstilling, så verdens stormagter blev enige om at samarbejde om forskningen.
Så imens krigen var i fuld gang, blev der holdt store konferencer mellem vestlige lande og Sovjetunionen, hvor der blev diskuteret forskningsresultater.
De samarbejdede, fordi de mente, at det ville være bedst for menneskeheden, hvis fusionsenergi blev udnyttet.
Derfor har forskningen faktisk stået på siden 1940’erne.
I dag bruger internationale forskningsinstitutioner i EU, Rusland, USA og Asien store beløb på denne forskning.
Det største igangværende eksperiment foregår i England, hvor det har været i gang på siden midten af 1980’erne.
4. Hvorfor prioriteres denne forskning stadigvæk?
Hvis man finder ud af at lave fusionsenergi, har man en næsten uudtømmelig energikilde de næste mange hundredtusinder af år.
Råstoffet, man bruger, er brintisotopen deuterium, der inddrives fra tungt vand, som findes i havet.
Isotopen tritium, der kan produceres ved hjælp af metallet litium, bruges også. Dette metal findes der rigeligt af i jordskorpen.
Det tunge vand, der findes i et badekar med vand, kunne sammen med den litium, der findes i batterierne fra to bærbare computere, give fusionsenergi til at dække energibehovet til en europæer gennem hele livet.
Det siger noget om, hvor koncentreret denne energiform er, og hvor lidt transport af råstof der vil være involveret i sådan et kraftværk.
I modsætning til fission giver fusionsprocessen ikke langvarigt radioaktivt affald.
Det skyldes, at ved fusion smelter brint sammen og danner helium, der er et meget stabilt materiale. Ved fission spaltes uran, der danner langvarigt radioaktivt affald.
5. Hvordan foregår et fusionseksperiment?
Ved et fusionseksperiment spærres partikler, primært brintisotoper, inde i en reaktor, hvor de varmes op og producerer det, man kalder plasma.
I stjerner er plasmaet indespærret, hvorimod vi i laboratoriet kan bruge stærke magnetfelter til at holde på de elektrisk ladede partikler i et baderingformet kammer.
Vi varmer partiklerne op på forskellige måder, blandt andet ved at sende elektromagnetiske bølger ind. Opvarmningen går ekstremt hurtigt.
En brintkerne kan nå rundt i en magnetfeltlinje flere hundrede millioner gange i løbet af et sekund.
Når brintkernerne kolliderer, vil de af og til smelte sammen og danne helium, samtidig med at der produceres en neutron.
Processen frigør energi, der bruges som varme til at drive en almindelig turbine.
Fordi processen foregår så hurtigt, får man stor indsigt i at køre et eksperiment i bare nogle sekunder.
6. Findes det fusionskraftværk i dag?
Nej, der findes intet eksperiment, der leverer energi til os i dag. Men der er gjort flere forsøg, hvor der er foregået kerneprocesser, som man har kunnet måle i de neutroner, der er kommet ud.
At skulle starte en fusionsproces kræver enormt meget energi og har en række betingelser, som skal opfyldes.
Temperaturen skal være flere hundrede millioner grader celsius, og den skal opretholdes over lang tid.
Derudover skal der være nok partikler.
Et af de problemer, der hyppigst sker, er turbulente strømninger, der også ses i atmosfæren og i havet. Det er netop disse turbulente strømninger, vi forsker i på Universitetet i Tromsø.
En turbulent strømning sker, fordi temperaturen varierer fra omkring tusind grader ved reaktorvæggen til flere hundrede millioner grader i reaktorens centrum.
Grundet denne turbulens kommer partikler og varme ud. Vi forsker i den turbulente transport, hvorfor så mange partikler kommer ud til væggen, hvilken skade de gør, og hvordan transporten kan reduceres, så varmen bliver mere stabil i reaktoren.
7. Hvordan kan processen give energi, når den selv kræver så meget energi?
Det kræver meget energi at starte en fusionsproces.
Men så snart processen er i gang, og isotoperne smelter sammen, frigøres der nok energi til, at en del af varmen kan bruges til at lave elektrisk energi, og resten kan bruges til at opvarme plasmaet selv.
Processen kan til og med blive selvkørende, hvor der ikke er behov for ekstern opvarmning.
Selv hvis vi ikke når helt dertil, vil vi stadig kunne udvinde mere energi end det, der skal tilføres for at holde processen i gang.
Det kan sammenlignes med et brændende bål, som man lægger brænde på og får varme tilbage.
8. Er du sikker på, at processen vil fortsætte?
Det gør den jo i stjernerne.
Når man kender til grundlæggende fysik, er det ganske enkelt at beregne, hvad der skal til.
Vi ved, at processerne fungerer og har produceret betydelige mængder energi i forsøgseksperimenter, men foreløbig ikke nok til at kunne levere strøm.
Dertil kræves et større eksperiment. Et skridt på vejen er testreaktoren ITER, der er ved at blive bygget i Frankrig. Her kommer det suverænt største fusionseksperiment i verden til at foregå.
Testreaktoren er 11 meter høj. Det viste sig nemlig, at reaktoren skal have en vis størrelse for at kunne holde en fusionsproces i gang og for at kunne holde på varmen længe nok. Det har vi mange teoretiske modeller for.
Et af de videnskabelige mål for eksperimentet i Frankrig er at få 10 gange så meget energi ud, som der puttes ind.
9. Hvilket materiale tåler den varme, der skal til?
Der forskes meget i, hvad man skal bygge væggene af, så de ikke smelter.
Materialet skal også have egenskaber, som kan spærre gasserne inde.
Materialeteknologi er en hel fagdisciplin for sig selv inden for denne forskning. Man prøver for eksempel beryllium, wolfram og kulstof.
Plasmaet holder sig stort set væk fra væggene, da partiklerne nærmest er tvunget til at bevæge sig langs magnetfeltet i centrum af reaktoren.
Vi bruger magnetfeltet til at isolere plasma fra væggene, men det er svært på grund af de turbulente bevægelser.
En gang imellem kommer partiklerne ud til væggene, som kan medføre, at væggene bliver skadet eller smelter.
Derfor forsker vi for at finde ud af, hvordan vi kan begrænse det.
10. Kan fusionsenergi komme til at erstatte nutidens energikilder?
Ja, hvis man får det til at fungere, så regner man med, at fusionsreaktorer kan erstatte nutidens kraftværker.
Der findes allerede design på demonstrationsreaktorer, der vil kunne forsyne storbyer med elektrisk energi.
Det vil selvfølgelig være dyrt at bygge disse reaktorer. Derfor vil det nok i første omgang være mest attraktivt i store byer med en energikrævende industri.
I mindre områder vil energibehovet kunne opfyldes med vand-, sol- og vindkraft.
11. Hvor længe er der til, at vi har den første fusionsreaktor?
Fusionsaktiviteten har stået på i flere årtier. Skeptikere mener, at der er 30 eller flere år til, at vi har kommerciel fusionsenergi.
Der findes også modstandere, der tror, at det aldrig vil lykkes og mener, at forskningspengene skulle bruges på noget andet.
Men der er altid modstridende interesser, når man har store forskningsprojekter med begrænsede midler.
Det politiske initiativ spiller en stor rolle i, hvor hurtigt forskningen kan rykke sig.
Nogle mener, at vi burde få en fusionsenergiløsning med det samme, som en del af at forebygge den globale opvarmning, og at vi derfor skal i gang med at arbejde med demonstrationsreaktorerne med det samme.
Oversat af: Ida Kløvgaard
