Jakten på fusjonsenergien og ubegrenset, billig energi har pågått svært lenge. Faktisk helt siden 30-tallet. Nå kan noe så «gammeldags» som en stempelmaskin gjøre at kanadiske forskere nærmer seg en løsning.
Men først litt historie.
På midten av 50-tallet hadde både USA, USSR, Storbritannia, Frankrike og Japan prototyper av fusjonsmaskiner. Russerne lå lenge i front, og i 1968 klarte de av komme svært høyt både på å holde et plasma magnetisk innesluttet over litt tid, samtidig som temperaturen var rekordhøy.
Ideen deres var en innretning som så ut som en smultring av magneter, som holdt plasmaet borte fra veggene. De kalte den en Tokamak, og det har blitt betegnelsen på slike systemer siden.
Fra bombe til strøm
Den kjernefysiske fusjonsprosessen, hvor to hydrogenatomer smelter sammen til et heliumatom, og som er enkelt å få til i en bombe, er særdeles vanskelig å gjenskape kontrollert.
I en fusjonsbombe bruker man ganske enkelt en fisjonsbombe som «detonator». Når den går av, skaper den all den varmen og trykket man trenger for å initiere fusjon i hydrogenisotopene. Vi klarte jo relativt greit å kontrollere fisjon og utnytte kjernekraft til å produsere strøm. Hvor vanskelig kunne det være å få det til med fusjon? Tross alt kom jo fusjonsbomben bare syv år etter fisjonsbomben. Veldig vanskelig!
Men klarer vi det kan vi få billig energi, med svært lite stråling og helt uten CO2. Og vi slipper aldri opp for brennstoff.
Erstatte fisjonsbomben
Det sier seg selv at man ikke kan fyre av en masse atombomber for å skape strøm. Dessuten viste det seg jo relativt enkelt å kontrollere fisjon, og verden er full av kjernekraftreaktorer. Men det har vist seg svært mye vanskeligere å kontrollere kjernekraft i form av fusjon av hydrogen enn fisjon av uran. Utfordringen har derfor vært å gjenskape «bombebetingelser» kontrollert.
Det har ikke hindret forskerne fra å prøve. Løser de nøtten har vi billig, CO2-fri energi for milliarder av år fremover, om intelligente vesener på jorda skulle ha så langsiktige behov. Dessuten vil fusjonskraft være helt trygg. Det vil være svært lite brennstoff i reaktorene og de vil slukke av seg selv om de ikke får mer, eller om systemene som opprettholder fusjonsbetingelsene stopper opp.
Det skapes radioaktive stoffer i en fusjonsreaktor også, men med en helt annen halveringstid enn i en fisjonsreaktor. Mens avfallet fra en slik er radioaktivt i tusener av år er avfallet fra en fusjonsreaktor farlig i noen tiår.
To hovedretninger
Til nå har man først og fremst jobbet langs to hovedakser innen fusjonsteknologien. Begge prøver å skape de rette betingelser for å starte fusjonsprosessen gjennom å øke trykk og temperatur tilstrekkelig.
Den ene metoden er å fyre av enormt kraftige laserstråler mot en liten kapsel som inneholder deuterium og tritium inn i et kammer hvor den resulterende fusjonsvarmen kan hentes ut og drive en dampturbin. Den andre metoden er magnetisk inklusjon hvor man fanger et plasma i et ekstremt magnetfelt hvor man kan øke trykk og temperatur uten av kammerveggene smelter.
- Les også: To uker etter at de leverte avgangsoppgaven i kjemi, startet de eget firma basert på oppgaven
Laser
Men det koster. Amerikanernes satsing på National Ignition Facility ved Lawrence Livermore National Laboratory, ikke langt fra San Fransisco i California, kostet 5 milliarder dollar og tok syv år lenger enn planlagt.
Planen, som ligger en del år frem i tiden, er at anlegget skal produsere mellom 10 og 100 ganger mer energi enn selve tenningen av kapslene med brensel krever. Det kan nok ta tid, for i dag er forholdet motsatt.
Det kreves hundre ganger mer energi til å drive laserne enn det man klarer å få ut av selve fusjonen når kapslene tenner. Likevel har forskerne klart å forbedre utbyttet kraftig over årene, så laser er definitivt en av veiene man satser på for å skape kontrollert fusjon.
Det endelige spørsmålet, når man kommer i mål, vil være om en laserindusert fusjon kan blir billig nok i konkurranse med andre kraftformer.
Tokamak
Europeerne har samarbeidet om fusjon lenge og i 1983 startet de opp Joint European Torus i Storbritannia. I 1991 klarte de for første gang å oppnå kontrollert fusjon. Men det kostet mer enn det smakte.
Derfor er håpet nå at multinasjonale ITER i Frankrike, som tester ut magnetisk inklusjon i en såkalt Tokamak, skulle koste 5 milliarder euro og komme i full operasjon i år. I stedet vil anlegget koste fire ganger så mye. Full drift er utsatt til 2027. Går det som beregningen viser, skal de kunne produsere 500 MW med et strømforbruk på 50 MW. Klarer de det er det et gjennombrudd, men da gjenstår den tidkrevende prosessen med å gjøre fusjonskraft billig. Det vil ta lang tid før Tokamakbasert fusjon kan gi oss den uendelige mengden miljøvennlig energi vi ønsker oss.
Så langt har man ikke oppnådd break even i anlegg med magnetisk inklusjon, men de nærmer seg. Til nå er det oppnådd å få tilbake 70 prosent av energien av den som brukes for å tenne plasmaet.
Mange håper at et helt nytt og prinsipp, uten støtte i etablert fysikk, kan gjøre fusjonskraft billig. Såkalt kald fusjon er prinsippet som få fysikere vil vedkjenne seg. Nemlig at det er mulig å skape fusjon ved normale trykk og temperaturer, såkalt kaldfusjon. Ryktene har gått siden de første resultatene ble rapportert i 1989, men spesielt de siste årene har det begynt å summe for alvor i den «kalde» fusjonsleiren.
Kanadisk stempelmaskin
Prinsippet kanadiske General Fusion jobber med, er på langt nær kaldt. Dette er like varmt som de tradisjonelle konkurrentene som jobber med laser og Tokamak. Den svært spesielle kanadiske fusjonsmaskinen trenger også å ha 150 millioner grader for å oppnå fusjonsbetingelser, men de mener selve grunnprinsippet er praktisk nok for å hente ut fusjonsenergi.
tu.no møtte Geoff Catherwood på et seminar arrangert av den kanadiske ambassade i Oslo, hvor han representerte en av de største investorene i teknologien, Business Development Bank of Canada:
– Ideen er ikke ny. Den amerikanske marinens forskningssenter jobbet med tykke vegger av flytende metall på 70-tallet i et prosjekt kalt Linus. Men den gangen hadde man hverken plasmateknologi, elektronikk eller IT som kunne støtte prosessene. Det har vi i dag, og nå tror General Fusion dette er veien for å temme kreftene, sier Catherwood.
Verdens største plasmainjektorer
Grunnlaget for å skape fusjon er et hydrogenplasma. Det vil si hydrogen med en ekstrem temperatur. Når det er så varmt er det ikke lenger vanlig hydrogen, hvor et elektron spinner rundt et proton. Her har de skilt lag så det er bare kjernen igjen.
For å skape plasmaet og øke temperaturen ytterligere, slik at man får fusjon, har selskapet bygget verdens største plasmainjektor. To slike skyter plasma i form av deuterium og tritium, det vil si tunge hydrogenisotoper med en eller to nøytroner i kjernen, mot hverandre. De ladede isotopene gjør at de kan akselereres til to plasmastråler som møtes på et område rundt 4 cm i diameter midt i tanken.
Det store problemet har da vært å hente ut energien uten at alt rundt smelter. Løsningen til General Fusion er å bygge en svær, rund tank med en diameter på rundt to meter - hvor en virvel av flytende bly og litium fanger opp energien og kan ta den med til en varmeveksler, som henter den ut i form av damp.
- Les også om den nye verdensrekorden: Så effektive har solcellepanel til hustak aldri vært før
Stempelmaskin
Plasmastrålene alene kan ikke skape fusjon. Det må mye høyere temperatur og trykk til. Og her kommer mekanikken til hjelp.
Den viktigste rollen til blyet, er å skape selve fusjonen og det gjøres utrolig nok mekanisk. Rundt den blyholdige reaktoren sitter omkring 200 stempler som kan bevege seg med en hastighet på 65 meter i sekundet. Hvert stempel treffer en ambolt som konverterer bevegelsesenergien til en sjokkbølge inn i det smeltede blyet. Stemplene og amboltene opererer i sylindre som er plasser slik at sjokkbølgene beveger seg innover i det flytende metallet i en kuleform. Etter hvert som sjokk-kulen reduseres fra en diameter på 40 cm ned til 4 cm øker, energien og til slutt møter den hydrogenplasmaet og skaper det nødvendig trykk og temperatur for at fusjon oppstår.
Resultatet er ikke at alt går i lufta, men at blyet i nærheten absorberer energien og varmes opp et par hundre grader. Blyet virvler rundt og det gjør at den termiske energien fordeles veldig raskt. Hvert sekund vil det skje en ny fusjonsprosess.
Ikke der ennå
Selv om det hele høres ut som en slags stempelmotor, er det mye utvikling igjen før det blir levert strøm fra den spesielle fusjonsprosessen. I dag jobber de med å bevege stempler en gang per dag og de skal opp til et par ganger.
Når de om noen år skal teste prinsippet i pilotskala, er det snakk om vesentlig høyere frekvens på stemplene, men de må opp i noen sekunder mellom hver bevegelse før en reaktor kan levere et energioverskudd. Målet om en bevegelse i sekundet er langt unna, men kommer de dit er dette en skikkelig energigenerator.
– Dette er en ganske radikal ide ulik de man jobber med. På en måte er General Fusion en slags Space X i forhold til Nasa. Vi håper at det kan demonstrere at prinsippet fungerer i løpet av mellom tre og fem år, sier Catherwood.
Selskapet tror ikke selve stempelbevegelsene er vanskelig. I forhold til i en stempelmotor er dette saktegående. Spørsmålet er om varmen sjokkbølgen skaper holder lenge nok til å skape fusjonsbetingelser.
