Institutionen för fysik och astronomi

Fusion och fusionsdiagnostik för nyfikna

Många hoppas på fusion som en framtida energikälla som inte ger något farligt avfall och som kan ta bränsle ur vanligt havsvatten. En av grupperna inom Avdelningen för tillämpad kärnfysik sysslar med fusionsdiagnostik, som handlar om att hålla koll på processerna som pågår inuti de fusionsexperiment som görs nu och som kommer att göras i framtiden.

Nedan får du veta lite mer om hur fusion fungerar. Här finns också professor Göran Ericssons installationsföreläsning från 2012: Neutronmätningar för fusionsenergi – hur man mäter 100 miljoner grader.

Fusion, och hur vi mäter vad som händer i fusionsexperiment

En av framtidens stora frågor för mänskligheten är hur en ständigt växande befolkning som kunna försörjas med energi. Det har länge varit en dröm hos forskare och ingenjörer att kunna tygla kärnfusion som en i det närmaste outtömlig energikälla. Kärnfusion är den process där lätta atomkärnor slås ihop till tyngre och det samtidigt frigörs energi. Det här är kraftkällan i universums stjärnor som till exempel vår egen sol.

Väte är det lättaste grundämnet, och det som det finns överlägset mest av i universum. En väteatom har en enda proton i kärnan, men det finns också isotoper som dessutom innehåller neutroner. Väte med en neutron kallas deuterium (D) och väte med två neutroner kallas tritium (T).

Fusion mellan deuterium och tritium illustrerad med färgade kulor
Så funkar en fusionreaktion med deuterium och tritium. Bild: Culham Centre for Fusion Energy.

Den mest lovande kärnreaktionen för att förverkliga fusionskraft här på jorden är den mellan deuterium och tritium, eftersom sannolikheten för fusion mellan dem är jämförelsevis hög vid lägre temperatur än för andra liknande reaktioner, redan vid 100 miljoner grader. Det blir också ett större överskott av energi från varje reaktion av D+T än till exempel D+D.

Fusion ger flera miljoner gånger mer energi per gram bränsle än kemiska bränslen som kol och olja. Därför skulle det gå åt mycket små mängder bränsle i en fusionsreaktor. 10 gram deuterium och 15 gram tritium innehåller tillräckligt med energi för en livsförbrukning av energi för en genomsnittlig svensk!

Tritium finns visserligen inte naturligt på jorden, men det kan framställas ur metallen litium. I en tänkt fusionsreaktor ingår därför litium som en del av bränslet. Både litium och deuterium finns det rikligt av i havsvatten.

Reaktionen mellan deuterium och tritium ger som resultat en heliumkärna (kallas också alfa-partikel) och en neutron, och den energi som frigörs blir till rörelseenergi hos de här partiklarna. "Avfallet" från en sådan reaktion är alltså helium, som är en ädelgas och därmed inte giftig. Den är inte heller radioaktiv, och bidrar inte till växthuseffekten.

Fusion på jorden

För att två atomkärnor ska slås ihop i en fusionsprocess krävs att de kommer tillräckligt nära varandra för att de ska känna av den starka kärnkraften från varandra. Den här kraften har väldigt kort räckvidd. Samtidigt har atomkärnorna en elektrisk laddning som gör att de stöter bort varandra, så att det är svårt att få dem tillräckligt nära. Den elektromagnetiska kraften blir som en barriär, som kallas för Coulomb-barriären. För att komma över barriären måste kärnorna komma emot varandra med minst en hastighet på 1000 km/s!

Det går förstås att använda en partikelaccelerator för att smälla ihop atomkärnor med varandra, men då går det åt mycket mer energi än som går att utvinna ur reaktionen. Det är alltså inget som funkar för en energikälla. Istället är lösningen att skapa ett mycket hett tillstånd, där bränslet är ett plasma – atomernas elektroner har slitits lös från atomkärnorna – och där värmerörelsen är tillräckligt stor för att jonerna ska komma över Coulomb-barriären.

Här finns en liten film (på engelska) som demonstrerar hur Coulomb-barriären fungerar med ett enkelt försök.

Utmaningen i att konstruera en fusionsreaktor

För att reaktorn ska kunna producera mer energi än den förbrukar måste bränslet värmas av själva kärnreaktionerna, istället för att det ska behövas extra energi utifrån. Bränslet brinner då, och processen kallas termonukleär.

Den stora utmaningen med att förverkliga termonukleär fusionskraft på jorden är de extrema temperaturer som behövs för att tända en fusionsreaktor, 100 miljoner grader Celsius, eller mer. Vad skaman innesluta ett så varmt bränsle i? Det existerar inga material som tål ens i närheten av så höga temperaturer.

En lösning på problemet är att hålla fast bränslet i ett magnetfält. Det fungerar på grund av att bränslet vid de här temperaturerna är ett elektriskt ledande plasma. Ett fusionsplasma består alltså av atomkärnor och elektroner, som är fastlåsta i ett magnetfält. Det som hittills visat sig fungera bäst är ett badringsformat magnetfält (torus heter formen på matematikspråk). Reaktorer som byggs så kallas för tokamak.

Det finns ett antal forskningsreaktorer som bygger på denna princip. Den idag största fusionsreaktorn är Joint European Torus, JET, som ligger strax utanför Oxford i England.

Vid JET har fusion med deuterium och tritium studerats, men oftare används ett plasma med enbart deuterium. Tritium måste finnas med som en del av bränslemixen i en framtida energiproducerande reaktor, men det finns vissa komplikationer med att använda det. För det första tillverkas tritium idag i tungvattenreaktorer och är extremt dyrt. För det andra är tritium radioaktivt och speciella försiktighetsåtgärder grävs vid hanteringen.

I framtida fusionsreaktorer är tanken att tritium till bränslet ska produceras i reaktioner med neutronerna som bildas vid fusionen. En fusionsreaktor skulle alltså delvis producera sitt eget bränsle.

Nästa steg mot kommersiell fusion är en ny forskningsanläggning, ITER, som ska stå klar i södra Frankrike 2018. Målet med ITER är att visa att det går att producera mer energi än som krävs för att värma upp plasmat. Däremot finns det ingen plan att producera el med ITER, det blir nästföljande steg i utvecklingen. Kanske når vi dit på 2030-talet.

Neutronernas roll

I reaktionen mellan deuterium och tritium delas den energi som frigörs mellan en heliumkärna och en neutron.

I ett framtida fusionskraftverk är det tänkt att neutronerna ska fångas upp i vatten i reaktorväggen, som värms upp och kan driva en ångturbin som genererar elektricitet. Heliumkärnorna stannar inne i reaktorn och håller bränslet varmt.

Eftersom neutronerna är elektriskt neutrala lämnar de plasmat och kan passera genom reaktorväggen, och bära med sig information direkt från reaktionerna. Mängdeen neutroner är ett direkt mått på antalet fusionsreaktioner, och neutronernas energi kan säga oss något om energin hos bränslejonerna innan reaktionen. Det här kan mätas med instrument som placeras utanför reaktorn, och som alltså inte behöver störas av den extremt höga temperaturen och de starka magnetfälten.

Särskilt tittar vi efter det vi kallar snabba joner, joner som rör sig mycket fortare än största delen av partiklarna i plasmat.

Uppvärmningen av ett fusionsplasma sker genom att snabba joner bromsas ner i plasmat genom att kollidera med andra partiklar och avge en del av rörelseenergin till dem. I ett brinnande plasma är de snabba jonerna de heliumkärnor som bildas i DT-reaktionerna, men i dagens forskningsreaktioner skapas snabba joner främst med hjälp av externa uppvärmningssystem.

Det är väldigt viktigt att de snabba jonerna kan hållas kvar instängda i magnetfältet, för annars kallnar plasmat och fusionsreaktionerna avstannar. Forskningen handlar för närvarande mycket om hur snabba joner påverkas av olika fenomen i plasmat, och neutronmätningarna ger viktig information om det.

Våra instrument

Fusionsdiagnostikgruppen vid Avdelningen för tillämpad kärnfysik på Uppsala universitet sysslar med utveckling av instrument som används vid fusionsexperimenten JET och MAST. Vi deltar också i förstudier för instrument för ITER.

I instrumentet MPR (Magnetic Proton Recoil spectrometer) får neutronerna som kommer ut ur reaktorn passera genom ett skikt av plast, som innehåller mycket väte. När en neutron kolliderar med en väteatomkärna, alltså en proton, kan den protonen knuffas iväg. De protoner som knuffas ut i samma riktning som neutronen rörde sig får hela neutronens rörelseenergi, och den energin kan mätas genom att låta protonen gå genom ett magnetfält. Eftersom protonen är elektriskt laddad kommer dess rörelse att böjas av i magnetfältet, olika mycket beroende på hur snabbt den rör sig. Vi mäter var protonerna hamnar efter avböjningen, och på så sätt kan vi se vilka olika energier neutronerna hade.

Instrumentet TOFOR är något som kallas flygtidsspektrometer, som mäter flygtiden för neutroner mellan två detektorer. Detektorerna känner av när en neutron studsar mot en atomkärna. Tiden från att neutronen kolliderar mot en atomkärna i den första detektorn till att den ger en sådan signal i den andra ger oss dess hastighet, och därmed energin.

Gruppen har också utvecklat en prototyp för en neutronkamera som finns installerad vid MAST. Principen för den här neutronkameran är att den kan fånga upp neutroner från plasmat längs flera siktlinjer, och på så vis skapa en bild av fördelningen av snabba joner i experimentet.

(Texten är en bearbetning av sammanfattningen på svenska i avhandlingen Diagnosing Fuel Ions in Fusion Plasmas using Neutron Emission Spectroscopy av Carl Hellesen.)