Fusion

Fusion i stjärnor

Fusionen i stjärnorna fortsätter så länge det blir energi över efter sammanslagningen, och det tryck utåt som den frigjorda energin åstadkommer kan hålla gravitationens tryck inåt i jämvikt. När för lite väte återstår i stjärnans centrala delar, så kommer gravitationen att komprimera stjärnan. Det högre tryck, och högre temperaturer som då uppstår, kan få igång en ny omgång reaktioner där helium reagerar till tyngre ämnen, varvid ett nytt jämviktstillstånd uppstår. Så småningom är heliumkoncentrationen även den för låg, varvid stjärnan komprimeras än mer och nya reaktioner tar fart. Kedjan kan ta slut på två sätt: antingen är stjärnan för liten för att initiera någon av de senare reaktionerna, eller också (om stjärnan är mycket tung från början) så innehåller centrum alltför mycket järn.

Grundämnena järn och nickel har de isotoper som har mest bindningsenergi per nukleon, vilket gör att den energivinnande fusionen har dem som absolut sista steg. Tryck och energi från omkringvarande fusion kan dock tvinga ihop kärnor till ännu tyngre atomslag, men större delen av de tyngre ämnen som förekommer i universum (d.v.s. ämnen tyngre än järn) anses ha bildats i supernovor.

En stjärna som är i den första fasen, där vätekärnor slås ihop, är oftast en huvudseriestjärna. När vätet tar slut går stjärnan in i en kortare fas där helium och allt tyngre element slås ihop. Stjärnans öde avgörs till största delen av hur mycket massa den har; från att vara huvudseriestjärna kan den bli en vit dvärg, brun dvärg eller annat. Se vidare på Stjärna.

Kolcykeln, den cykel som främst används för fusion i stjärnor:

¹²C; + ¹H → ¹³N; + γ
     ¹³N; → ¹³C; + e⁺ + v
¹³C; + ¹H → ¹⁴N; + γ
¹⁴N; + ¹H → ¹⁵O; + γ
     ¹⁵O; → ¹⁵N; + e⁺ + v
¹⁵N; + ¹H → ¹²C; + ⁴He;

Fusion som energikälla på jorden

Fördelar med fusion

Det finns oerhörda mängder bränsle. Havets tillgång på deuterium och litium, som tritium görs av, räcker i flera miljoner år. 25 gram bränsle räcker till en genomsnittseuropes livsförbrukning av energi, vilket innebär att bränslet har högre energidensitet än nåt annat naturligt förekommande alternativ. Det skulle kunna bli ett viktigt alternativ till dagens energikällor. Det skulle ha hög säkerhet. Fel skulle leda till att hela processen avbryts, dessutom finns bara bränsle för några minuter åt gången i reaktorn. Därmed slipper man risken för skenande reaktion som finns i fissionsreaktorer på grund av att man laddar den med bränsle för ett eller flera år. Man skulle alltså inte ha de risker som finns med den nuvarande kärnkraften. Det skapas inga luftföroreningar, i jämförelse med t.ex. kolkraft. Det är även mindre radioaktivitet i jämförelse med traditionell kärnkraft eftersom inga aktiva material bildas i själva fusionsreaktionerna. Viss radioaktivitet orsakas av neutroninfångning i materialen som omsluter fusionsplasmat.

Nackdelar med fusion

Trots allt så har man ännu inte visat att man kan utvinna mer energi genom fusion än vad som tillförs. Det är dyrt att bedriva forskning inom fusion, bara reaktorn ITER kommer att kosta $60 miljarder att bygga. En kommersiellt gångbar reaktor som drivs på Deuterium-Tritium (det troligaste alternativet) kommer producera betydligt mer högenergetiska neutroner än vad man sedan tidigare har erfarenhet av. Det kommer orsaka aktivering och slitage i omgivande strukturer. För att klara det behövs utveckling på den materialvetenskapliga sidan. Ett annat problem är bränslets inneslutning då det brinner. De partiklar som är resultatet av en fusionsreaktion har betydligt högre kinetisk energi än de omgivande bränslepartiklarna, vilket ger instabilitet.

Framtidsplaner

Den största nu fungerande fusionsmaskinen är experimentreaktorn JET (Joint European Torus) i England. Nästa steg är ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), som ska byggas i Cadarache i Frankrike. ITER är precis som JET en reaktor av Tokamak typ, men är ca 20 gånger större. ITER är tänkt att fungera som försöksanläggning på vägen mot en riktig fusionskraftanläggning. Den ska kunna ”tända” och brinna i mer än tusen sekunder och den skall testa moduler för tillverkning av eget tritiumbränsle. Steget efter ITER är att år 2020 bygga en demonstrationsreaktor (DEMO) som skall kunna producera elektricitet. Först därefter, om kanske 50 år, kanske den första kommersiella fusionsanläggningen startas.

Magnetisk fusion

Den mest lovande metoden att få kontrollerad fusion är genom magnetisk inneslutning. Det är metoden som används i de största testreaktorerna som JET och den planerade ITER. Fusionsbränslet som är väldigt hett är i aggregationstillståndet plasma. Dvs bränslet är i formen av en joniserad gas. Positiva joner och negativa elektroner har lämnat varandra och far fritt. Elektriskt laddade partiklar i ett magnetfält följer fältlinjerna. Om magnetfältet är arrangerat som en toroid (en ring) så kan det innesluta ett plasma. Upphettningen sker i flera steg; ohmsk upphettning, radiofrekvensupphettning och neutral partikel-strålning. Ohmsk upphettning sker genom att man lägger på spänning med hjälp av induktion, radiofrekvensupphettning liknar det som används i en vanlig mikrovågsugn. Neutral partikel-strålning är bränsleatomer som skjuts in i plasmat med hög fart. Eftersom neutrala partiklar inte känner av magnetfält kan de passera inneslutningen, väl inne kommer en del partiklar kollidera med bränslet och överföra sin energi och joniseras.

Magnetisk inneslutning har många fördelar som metod att framställa fusionsenergi. Den är än så länge närmast målet och den har bara fredliga tillämpningar.

Kall fusion

Fusion kan eventuellt genomföras genom kall fusion, då kärnorna smälter ihop utan att de hettas upp.

Drömmen för de flesta fusionsforskare har alltid varit att genomföra den kalla fusionen, d.v.s. utan att de fuserande partiklarna har höga kinetiska energier. Detta skulle göra fusionens fördel ännu större mot andra energikällor. Ett av de största problemen är som sagt att det går åt större energi att ”antända” materialet än vad som ”utvinns” vid fusionsprocessen.

1989 hävdade två amerikanska forskare vid namn Martin Fleischmann och Stanley Pons att de lyckats med kall fusion. Historien blev enormt uppmärksammad eftersom det var en historisk upptäckt. Men när de skulle offentliggöra sin upptäckt så vågade de inte av rädsla för att någon skulle försöka stjäla deras uppfinning och ta patent på den. Forskarna fick enormt stor kritik och glömdes snart bort. Forskare över hela världen fortsatte sina försök och många har hävdat att den kalla fusionen helt enkelt är omöjlig.

År 1998 kom japanen Kanetada Nagamine med resultat av myon-katalyserad fusion. Man använder deuterium och tritium precis som förut men byter ut elektronen i tritiumatomen mot en myon som är en elementpartikel omkring 200 gånger tyngre än elektronen. Därför tvingas myonen ta en betydligt snävare väg runt kärnorna och på det sättet kommer de närmare varandra och smälter samman. Därefter delas de nästan omedelbart igen. Restpartiklarna blir en alfapartikel, en elektron och en myon. Myonen återanvänds sedan i nästa process. Problemet är att myonen är instabil, och överlever bara tillräckligt länge för att katalysera i genomsnitt 200 reaktioner, medan en kontinuerlig reaktion kräver ett genomsnitt på 900 reaktioner per myon.

Se även

Källor och externa länkar

Mer om fusion på miljöportalen.se