Fusjonskraftverk under bygging i Frankrike

Tokamak_(scheme)Frankrike, med sine 58 reaktorer i drift for elektrisitetsproduksjon, er vert for bygging av verdens første operative fusjonskraftverk. Fram til nå har kjernekraftverkene vært fisjonskraftverk der tunge atomer som for eksempel uran har blitt splittet til mindre atomer. Dette  frigjør store energimengder som er blitt brukt til strømproduksjon. Ulempen med disse kraftverkene er at det også frigjøres store mengder av radioaktiv stråling som gir miljøproblemer.

I en fusjonsreaktor vil to lette hydrogenatomer danne et tyngre heliumatom. Men massen av heliumatomet er mindre enn de to hydrogenatomene. Differensen blir frigjort som energi etter Einsteins formel  E=mc².  Denne energien blir gitt til nøytroner som fanges opp av omgivelsene i reaktoren der de reagerer med litium. Energien blir videre fanget opp av et kjølesystem som produserer vanndamp som igjen driver turbiner og generatorer.

Men kravet for at to hydrogenatomer skal bli et heliumatom er høy temperatur. I sola omdannes hydrogen til helium med en temperatur på 15 millioner grader Celsius. Der forbrenner 600 tonn hydrogen til helium hvert sekund. Det har det gjort i 4,5 milliarder år, og det er fortsatt nok hydrogen i sola til at dette kan fortsette i enda 4,5 milliarder år.

050618I et fusjonsanlegg har man beregnet at  hydrogenisotopene deuterium (D) og tritium (T) gir den mest effektive fusjonsreaksjonen. Men for å bruke disse isotopene, kreves en reaksjonstemperatur på hele 150 millioner grader Celsius!  Det har vært et problem å oppnå dette. Men et gjennombrudd i forskningen i 1968 i Moskva og St.Petersburg der blant annet Andrej Sakharov har vært pådriver, har ført til at man lykkes å oppnå dette med en kombinasjon av ulike opphetingsteknikker i en konstruksjon kalt Tokamak. Det er en maskin der drivstoffet er en blanding av deuterium og tritium, varmet opp ved hjelp av ulike teknikker. En av teknikkene er å indusere strømmer i plasmaen. På grunn av en ohmsk motstand i plasmaen stiger temperaturen. Men denne ohmske motstander avtar med temperaturen. Derfor fortsetter oppvarmingen med å skyte inn nøytrale partikler ved hjelp av avansert laserteknikk og høyfrekvente elektromagnetiske bølger.

I så høye temperaturer er drivstoffet i sin fjerde agregattilstand – plasma. Dette er en ionisert gass som kan kontrolleres med elektromagnetiske krefter. Siden det ikke finnes stoffer som kan holde på dette, blir plasmadrivstoffet holdt flyvende på plass i vakuum i tokamaken hvor det roterer rundt i en ring i høy hastighet, uten å berøre veggene i reaktoren.

Når temperaturen når 150 millioner grader, forventes det at fusjonsprosessen starter. Da kan man gradvis koble ned oppvarmingssystemene og prosessene vil drive seg selv med et energioverskudd. Det er kalkulert at man må bruke 50 megawatt til oppvarmingen. Når fusjonen starter, forventes et utbytte på 500 megawatt.

Anlegget i Saint Paul-lez-Durance i sør-Frankrike er et felles forskningsprosjekt, kalt ITER, som finansieres av Kina, Russland, Japan, EU, Korea, India og USA. Avtalen om prosjektet ble signert 21. november 2006. Prosjektet varer helt fram til 2027 da man regner med å startet selve fusjonsprosessen med deuterium og tritium. Da vil anlegge koste over 14 milliarder dollar.

Deuterium er lett å destillere fra vanlig vann. Dette råstoffet er derfor svært godt tilgjengelig og er fullstendig harmløst. Tritium finnes bare som korte sporingselement fra hydrogen i naturen. Men dette stoffet kan produseres i selve reaktoren. I fusjonsprosessen blir nøytroner med høy energi frigjort. Siden disse ikke har ladning, vil de forlate plasmaet og fanges opp i veggene i reaktoren. Der reagerer de med litium. Et litiumatom  reagerer med et nøytron og danner et atom tritium og et atom helium. Tritiumet føres tilbake til plasmaen som drivstoff. Helium blir et biprodukt, men det er en ufarlig edelgass som ikke gjør noen skade. Samtidig blir det utviklet store mengder varmeenergi som fanges opp av et vannbasert kjølesystem. Vanndamp fra dette driver turbiner og generatorer som gir elektrisk energi.

Man regner med at det trengs små mengder drivstoff for å holde fusjonsprosessen vedlike. Deuterium og litium vil være drivstoffene for prosessen når den først er kommet igang, Begge disse stoffene finnes i store mengder på jorda. Bare noen få gram av deuterium og tritium – som produseres fra litium – vil være i plasmaen til enhver tid. Man regner med at bare 250 kilo drivstoff forbrukes per år, halvparten hver av deuterium og tritium. Dette tilsvarer 2.7 millioner tonn kull for en tilsvarende produksjon i kullbaserte kraftverk. Man regner også med at et slikt anlegg er sikkert. Dersom noe skulle feile, vil temperaturen fort falle siden mengden brennstoff er så små. Fusjonsprosessen vil stoppe opp uten at noe skade har skjedd.

Kilder:

  1. https://www.iter.org/
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/ITER
  3. https://www.youtube.com/watch?v=4RDMxKdylJw

 

 

Dette innlegget ble publisert i Energi, Vitenskap og merket med , , . Bokmerk permalenken.