Den mest lovande formen av kärnkraft på lång sikt är fusionskraften, som är motsatsen till dagens fissionskraft. Om vi kan lära oss att tämja fusionskraften och utnyttja den för elproduktion skulle det ge oss tillgång till en energikälla som har gott om lättillgängligt bränsle, inte producerar något skadligt avfall och inte medför någon olycksrisk. Det pågår därför ett flertal forskningsprojekt som försöker att åstadkomma just detta.
Fusionsenergi skulle på sätt och vis kunna sägas vara direkt solenergi. Istället för vanlig, indirekt solenergi som tar till vara på den energi som solen producerar med hjälp av solpaneler framställer nämligen ett fusionskraftverk sin egen energi genom att återskapa den process som sker i solens inre. Både fission och fusion bygger på att energi frigörs genom kärnreaktioner. Medan fission åstadkoms genom klyvning av tunga ämnen med högt atomnummer går fusion emellertid ut på att lätta ämnen med lågt atomnummer slås samman. Eftersom produktens massa vid fusion är lägre än massan av de två ursprungliga partiklarna omvandlas överskottsmassan till energi enligt Einsteins berömda formel E = mc2.
Den fusionsreaktion som lämpar sig bäst för energiproduktion på jorden är fusion mellan de två väteisotoperna deuterium och tritium. Förutom att energi frigörs blir resultatet av reaktionen en heliumkärna och en neutron, som båda har väldigt hög rörelseenergi.
Bränslet i form av deuterium och tritium är i det närmaste outtömligt, helium är en ofarlig restprodukt och reaktionen är naturligt säker. Givetvis finns det en anledning till att inga fungerande fusionskraftverk existerar. För att en fusionsreaktion ska kunna ske måste atomkärnorna tvingas ihop genom att övervinna den elektrostatiska kraft som gör att de under normala omständigheter stöter bort varandra. För att besegra den elektrostatiska kraften och hålla igång en fusionsreaktion krävs det att det plasma där reaktionen äger rum har en viss temperatur, densitet och inneslutningstid. Eftersom det på jorden inte är möjligt att uppnå samma höga densitet och inneslutningstid som i solen krävs istället en extremt hög temperatur på omkring 150 miljoner grader Celsius, tio gånger högre än temperaturen i solens inre, vilket medför stora utmaningar.
Energikälla med ljus framtid
Fusionsforskningen har gjort stora framsteg under de senaste 50 åren, men det är fortfarande lång väg kvar att gå innan fusionskraft blir ett gångbart alternativ till traditionell kärnkraft. De stora fördelarna med fusionskraft gör emellertid att forskningen på lång sikt kommer att vara mödan värd.
Väteisotopen deuterium finns i överflöd och kan utan problem utvinnas ur vanligt vatten. Även om fusionskraft skulle stå för hela världens energiförsörjning skulle det deuterium som förekommer idag att räcka i flera miljoner år. Isotopen tritium förekommer till skillnad från deuterium inte i naturen, men kan framställas i reaktorn med hjälp av litium. Litium är vanligt förekommande i jordskorpan och de reserver vi idag känner till skulle, om fusionskraft skulle stå för hela världens energiförsörjning, räcka i minst ettusen år.
Förutom att tillgången på bränsle är god är en fusionsreaktor dessutom mycket effektiv när det gäller att producera energi. Det krävs endast 10 gram deuterium, vilket motsvarar 500 liter vatten, och 15 gram tritium, vilket motsvarar 30 gram litium, för att producera lika mycket energi som en genomsnittlig invånare i ett industriland gör av med under sin livstid.
Precis som vanliga fissionskraftverk är fusionskraftverk miljövänliga eftersom de inte släpper ut några växthusgaser. Till skillnad från fissionskraftverk producerar fusionskraftverk emellertid inte heller något långlivat radioaktivt avfall, då den huvudsakliga biprodukten helium är en helt vanlig och harmlös gas. Under driften blir visserligen själva reaktionskammaren radioaktiv, men materialet är säkert att handskas med igen efter bara cirka 50 år.
Fusionskraftverk är dessutom säkra i sig själva. Mängden deuterium och tritium i reaktorn är mycket liten och de villkor som krävs för att reaktionen ska fortsätta måste hela tiden upprätthållas på konstgjord väg. Om någon form av fel uppstår leder det därför oundvikligen till att plasmat i reaktorn svalnar och att reaktionen avbryts. Det är således omöjligt för reaktionen att skena iväg och någonting i likhet med en härdsmälta i en fissionsreaktor kan aldrig inträffa.
Magnetisk fusion
Ett av de stora problem som måste lösas innan fusionsenergi kan bli verklighet är hur ett plasma med den höga temperatur som krävs ska kunna inneslutas. Den lösning det forskats mest kring är magnetisk inneslutning i en så kallad tokamakreaktor, som uppfanns i Ryssland på 1950-talet. En tokamak består av en ringformad vakuumkammare där plasmat hålls borta från kammarens väggar med hjälp av kraftiga magnetfält. Plasmat måste isoleras från väggarna eftersom inget material skulle klara av att motstå den extrema temperaturen och eftersom plasmat om det kommer i kontakt med kammarens relativt svala väggar skulle kylas ner. Konstruktionen bygger på att ett plasma består av laddade partiklar, i form av fria joner och elektroner, och därför följer magnetfältets fältlinjer.
Tokamakanläggningar finns i ett flertal länder världen över, men den största är än så länge JET (Joint European Torus) i Storbritannien. JET togs i bruk 1983 och är ett samarbete mellan fler än 20 europeiska länder. 1991 åstadkom JET världens första kontrollerade produktion av fusionsenergi. Tack vare en mycket flexibel design är JET fortfarande världens främsta anläggning i sitt slag. En annan utmaning består i att hetta upp plasmat till tillräckligt hög temperatur.
Upphettning av plasmat
I en tokamakreaktor hjälper de magnetfält som används för att innesluta plasmat till med detta. Magnetfälten inducerar en stark elektrisk ström genom plasmat, som ökar dess temperatur. Denna så kallade ohmiska uppvärmning räcker emellertid inte till för att på egen hand göra plasmat tillräckligt varmt. Därför används ytterligare två uppvärmningsmetoder i form av neutral partikelstrålning och radiofrekvensupphettning.
Vid upphettning med hjälp av neutral partikelstrålning skjuts högenergetiska partiklar in i plasmat. Det börjar med att deuteriumjoner accelereras och sedan görs neutrala för att kunna penetrera magnetfälten. Väl inne överför de neutrala partiklarna sin energi till plasmat genom att kollidera med plasmats partiklar.
Radiofrekvensupphettning går ut på att högfrekventa radiovågor sätter fart på partiklarna i plasmat och därigenom värmer upp det på ungefär samma sätt som mikrovågor används för att värma mat i en mikrovågsugn. Tillsammans värmer dessa tre metoder upp plasmat till en temperatur där fusion kan ske.
För att göra det möjligt att producera mer energi än vad som går åt för att hålla reaktionen igång måste emellertid ett så kallat brinnande plasma skapas. Ett brinnande plasma innebär att energin hos de heliumatomer som skapas i och med fusionen är tillräckligt hög för att de när reaktionen väl kommit igång ska hålla plasmats temperatur uppe, även utan omfattande yttre upphettning.
Ett brinnande plasma ställer emellertid ännu högre krav än villkoren för fusion och har ännu inte uppnåtts. JET, som är en ren forskningsanläggning, har som mest lyckats ge tillbaka 70 procent av den energi som förbrukas. I dagsläget kostar det alltså mer energi att hålla igång en fusionsreaktion än vad man får ut.
DEL 2 AV ARTIKEL KAN LÄSAS HÄR
