Fusion er på en måde det stik modsatte af det, vi normalt forbinder med kernekraft. I et almindeligt kernekraftværk spalter man atomkerner i en proces, der hedder fission. Det frigiver enorme mængder energi.

I et fusionskraftværk får man atomerne til at smelte sammen. Det giver energi, når lette atomkerner smelter sammen til tungere. For eksempel kan man få to særlige former af brint til at smelte sammen til en heliumatomkerne. Man kalder processen en fusion, og det frigiver store mængder energi. Stjernernes og Solens energi dannes ved fusion.

De to former for brint, som man bruger i fusion, hedder deuterium og tritium. En almindelig brintatomkerne består kun af én proton. Men deuterium består af én proton plus én neutron. Derfor hedder det også tungt brint eller ²H. Og tritium består af én proton og to neutroner. Derfor hedder det også ekstra tungt brint eller ³H. Deuterium findes naturligt på jorden og kan blandt andet udvindes af vand. Tritium findes til gengæld kun i ganske små mængder i naturen. Men tritium kan fremstilles ud fra grundstoffet litium ved at beskyde litium med neutroner.

Når deuterium og tritium fusionerer dannes Helium-4 (⁴He). Det sker sådan:

²H + ³H → ⁴He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)

Fusionskraftværker

Fusionsenergi er stadig fremtidsmusik og noget, der især foregår på tegnebordet i blandt andet EU. Men det er allerede lykkedes at producere 16 MW fusionsenergi i nogle få sekunder. Der er dog stadig lang tid til, at der står et stort fusionskraftværk. Det ligger sikkert mindst 50 år ude frem i tiden. Der er mange tekniske vanskeligheder, der skal løses først. Og det vil koste milliarder af kroner.

Hvis det lykkes at udvikle fusionsanlæg, så er der til gengæld udsigt til at skabe en energiform med mange fordele. En dansker vil for eksempel kunne få dækket et helt livs elforbrug med omkring 25 gram af stoffet litium og 215 liter vand. Affaldsproduktet er 2 kg helium, og det kan man bruge i både balloner og i industrien.

Fusionsenergi kan typisk bruges til at producere elektricitet. Men man kan også bruge spildvarmen til fjernvarmeanlæg, ligesom kraftværker i dag også både producerer elektricitet og varme.

Fusionskraft er ikke farligt

Fusionsenergi opstår ved kerneprocesser. Derfor dannes der også radioaktivitet. Men problemerne er alligevel helt anderledes end ved almindelig kernekraft. Der produceres for eksempel ikke højradioaktivt affald som på et almindeligt kernekraftværk: radioaktiviteten af en udtjent fusionskraftværk er nede på et uskadeligt niveau efter omkring 50 år, fordi tritinums halveringstid er på kun 12,3 år. Til gengæld bliver selve anlægget radioaktivt, når det er i drift.

Sammensmeltning

Under fusionen smelter de to brintformer deuterium og tritium sammen. Det nye stof er helium. Det består af to protoner og to neutroner. For hver af disse fusioner bliver der en neutron til overs. Den frigives og banker ind i reaktorvæggen. Disse frie neutroner er med til gøre reaktorvæggen radioaktiv. Når kraftværket en dag skal lukkes ned, er der altså radioaktivt affald fra reaktoren. Her går der typisk omkring 50 år, før dette materiale er blevet ikke-radioaktivt.

Radioaktivt tritium

Stoffet tritium, som bruges til fusionen med deuterium, er også radioaktivt. Men man behøver kun få kilo radioaktivt tritium på et fusionsanlæg. Hvis man vil lukke et fusionskraftværk ned, vil man typisk først bruge den tritium, der er på kraftværket.

Hvis der skulle ske en ulykke på et fusionskraftværk, er tritium desuden ikke nær så radioaktivt som for eksempel plutonium og uran fra nutidens kernekraftværker. Tritium har for eksempel en halveringstid på 12,3 år, mens plutonium-239 har en halveringstid på omkring 24.000 år.

Færre problemer

Hvis der skulle ske et alvorligt uheld på et fusionsanlæg, ville man ikke behøve at evakuere befolkningen uden for kraftværket, mener eksperter. Et fusionsanlæg har heller ikke problemer med transport af farligt stof til og fra anlægget, for brændstoffet tritium laves ud fra lithium på selve anlægget.

Kun lidt farligt stof

Mængden af radioaktivt stof i en fusionsreaktor vil altid være lille, og der er kun nok brændstof til få minutters forbrænding. Processen går ganske enkelt i stå, hvis man ikke fylder mere brændstof på. På et traditionelt kernekraftværk kan der ske en nedsmeltning i reaktorerne. Men det kan ikke lade sig gøre i et fusionsanlæg.

Vurderingen er, at radioaktiviteten på et fusionsanlæg er langt mindre end på et kernekraftværk.

Fusion på Jorden kræver enorme temperaturer

I solen foregår der fusion af brintatomer hele tiden og helt af sig selv. Det er dels fordi, der er masser af brintatomer og dels på grund af et enormt tryk og en ekstrem høj temperatur. Nemlig 15 mio. ˚C.

Det er noget sværere at skabe fusion her på Jorden. Brintkernerne er nemlig positivt ladede. Det betyder, at de vil frastøde hinanden, lidt ligesom når man forsøger at holde de positive poler fra to magneter tæt på hinanden.

Her på Jorden kan vi ikke skabe et tryk, der er lige stort som i solen. Men man kan øge temperaturen fra Solens 15 mio. ˚C til over 100 mio. ˚C. Man mener, at den optimale temperatur ligger helt oppe på omkring 200 mio. ˚C – altså mere end 10 gange så varmt som inde i Solens centrum. Ved en så høj temperatur bliver brint til plasma. Den høje temperatur giver brintatomerne nok energi til at overkomme de elektriske modstødende kræfter mellem protonerne.

Derudover er det stadig nødvendigt at skabe et stort tryk, som kan presse brint-atomerne sammen. De er nødt til at være 1 femtometer fra hinanden (1 x 10-15 meter – dvs. en million milliardtedel meter) for at kunne fusionere. Solen bruger sin enorme masse og tyngdekraft til at presse brintatomer sammen i kernen. Her på Jorden må vi istedet bruge intense magnetiske felter, kraftfulde lasere eller ionstråler.

Det giver en kraftig fusion, som kan bruges som energikilde.

Hvad sker der?

Når man varmer deuterium og tritium op til over 100 mio. ˚C, river elektronerne sig løs. Men kernerne holder stadig sammen. Denne substans kalder man for plasma. I plasmaet begynder deuterium og tritium at fusionere. Der dannes en heliumkerne og en løs neutron samtidig med, at der skabes en masse energi.

Der er masser af deuterium i verden, da det findes i havvand. I en liter havvand er der 33 mg deuterium. Tritium kan dannes ud fra stoffet lithium. Det er der også rigeligt af – nok til mia. af år.

Det siger næsten sig selv, at et plasma på omkring 200 mio. ˚C ikke er så nemt at håndtere. Men fordi det er elektrisk ledende, så kan det blive holdt ’spærret inde’ af nogle meget kraftige magnetfelter.

Andre fusionsmuligheder

Med den teknologi vi har på nuværende tidspunkt, kan vi kun opnå temperature og tryk, der er høje nok til at gøre fusionen af tritium og deuterium mulig. Men der er også andre muligheder til at skabe fusion. Hvis vi kan finde en måde til at skabe endnu højere temperaturer, kan vi ligeledes lave fusion af to deuterium atomer. Da de begge består af en proton og en neutron, skaber fusionen af dem en helium-3 kerne, der består af to protoner og en neutron, mens den sidste neutron frigives.

Deuterium-deuterium fusion vil være bedre end den nuværende deuterium-tritium fusion, fordi det er nemmere at udvinde fra vand end det er at lave tritium fra lithium. Derudover er deuterium ikke radioaktivt og fusionen af to deuterium atomer vil give mere energi.

Kold fusion

I 1989 tog amerikanske og britiske forskere verden med storm. De havde nemlig formået at lave kold fusion. Som allerede nævnt kræver fusion ekstremt høje temperaturer og højt tryk, men kold fusion kan derimod laves ved stuetemperatur.

De havde lavet en paladium-elektrode, som de placerede i tungt vand (rigt på deuterium-oxid) og sendte strøm igennem vandet. De mente, at paladium katalyserede fusion af deuterium-molekylerne.

Ideen om kold fusion så ud til at kunne løse energiproblemer verden over.

Uheldigvis kunne ingen andre forskere gentage den kolde fusion, så mange såede tvivl om resultatet. Men idéen er aldrig døet hen. I disse år sidder forskere og eksperimenterer med forskellige metoder til at skabe kold fusion. Selvom der endnu ikke har været det store gennembrud, så arbejdes der på det. Måske kold fusion bliver mulig engang ude i fremtiden.

Læs mere om energiproduktion

Energiproduktion
– Elektricitetsbegreber
– Fossile brændsler
– Kraftvarme
– Vindenergi
– Energi fra havet
– Geotermisk energi
– Biobrændsler – en oversigt
– Brændselsceller
– Solenergi
– Kernekraft
– Fusionsenergi (denne side)

 

Kilder

SEAS-NVE
HowStuffWorks.com
Ingeniøren
Politiken

Denne artikel stammer oprindeligt fra Climate Minds, som er udviklet af Experimentarium i samarbejde med Dansk Energi og Energyminds.