Er fusionskraft løsningen?
En atomfysiker giver en ærlig bedømmelse af de vanskeligheder der må ryddes bort før verdens energibehov eventuelt kan dækkes af fusionskraft
FUSION er den proces hvorved to atomkerner sendes mod hinanden og forener sig til en tungere kerne, samtidig med at der frigøres store mængder energi. Det kan ikke nægtes at denne „sammensmeltning“ åbner spændende perspektiver. Hvis vi i praksis kunne anvende blot én af de teoretiske muligheder der er for fusion, eksempelvis foreningen af to deuterium-atomer (nr. 4 på skemaet på side 20), ville vi have fundet en uudtømmelig kilde vi kunne øse energi af. For hver 3000 vandmolekyler der er i hele verden, de store verdenshave medregnet, er der et deuterium-atom. Tænk hvad det vil sige! En enkelt liter vand ville kunne levere 800 kilowatttimer, mere end nok til to måneders elforbrug for en almindelig familie. Vi ville desuden være fri for de voksende lagre af radioaktive biprodukter fra fissionen i de nuværende atomkraftværker. Lyder det ikke forjættende?
I den såkaldte cyklotron (en accelerator, hvori atompartikler bringes op til meget høje hastigheder) kan disse reaktioner studeres, men cyklotronen kan ikke bruges til at frembringe energi i en form der kan udnyttes. Der skal megen energi til for at bringe millioner af partikler op på så høje hastigheder at de vil reagere, og kun nogle få af dem rammer andre atomer på en sådan måde at der frigøres energi; alle de andre afgiver deres energi i ganske små portioner som går til spilde. Med andre ord: Eksperimentet forbruger langt mere energi end det afgiver.
Ikke desto mindre har vi et eksempel på praktisk anvendelse af fusionsenergi. Det er solen. Hemmeligheden ved at solen fungerer så godt, er at dens indre har en så høj temperatur at partiklerne bevarer deres høje hastighed fra det ene sammenstød til det andet, indtil de endelig reagerer. Det der sker i solen, er i virkeligheden en fusionsproces. Man forstår hvorfor det er så vanskeligt at gennemføre en brugbar fusionsproces på jorden. Det kræver at man på en eller anden måde frembringer noget der ligner solens indre. Men hvordan får man en samling brintatomer opvarmet til millioner af grader, mens man holder sammen på dem indtil de reagerer? Man kender intet stof der kunne indeslutte en sådan proces. Selv de allermest varmebestandige stoffer smelter og fordamper ved nogle få tusind grader.
Man har ganske vist kunnet demonstrere fusionskraften på jorden, men kun i form af brintbombeeksplosioner. Når en brintbombe eksploderer, bliver alt hvad der er omkring den fordampet og „blæst til atomer“ i en brøkdel af et sekund. Hvordan kan man dog tæmme dette frygtindgydende uhyre og udnytte dets kræfter?
Fusion i et magnetfelt
Hvor utroligt det end kan lyde, synes der at eksistere nogle metoder der kan gøre denne nærmest umulige opgave mulig. Den ene metode der benyttes, er at indeslutte hele processen i et kraftigt magnetfelt. Brintatomerne opvarmes ved elektriske udladninger til så høj en temperatur at de bliver til ioner, hvilket vil sige at de nu er omdannet til frie brintkerner (med positiv ladning) og frie elektroner (med negativ ladning). I denne tilstand kalder man stoffet for plasma. Hvis et plasma er omgivet af et stærkt magnetfelt, kan de ladede partikler, ionerne, ikke bevæge sig i lige linjer, men tvinges ind i en skrueformet bane. Hvis magnetfeltet er arrangeret rigtigt, vil disse skrueformede baner blive reflekteret fra begge ender af beholderen, som altså bliver en slags „magnetisk flaske“.
Der findes også en anden udformning, hvori banerne er formet som en cirkel, i et ringformet felt kaldet en torus (kuglering). I denne maskine kommer protonerne og elektronerne ikke i berøring med de omgivende metalvægge, og de kan opvarmes til millioner af grader uden at beholderen opvarmes. Den bedste model af denne type har fået navnet Tokamak af de russiske videnskabsmænd der har udviklet den.
Uanset med hvilken metode man indeslutter plasmaet i magnetfeltet, skal tre betingelser opfyldes før fusionen kan komme i gang og fortsætte. Det drejer sig om bestemte krav til temperatur, massetæthed og tid.
For det første må plasmaet opvarmes til antændelsestemperaturen. Deuterium-atomernes og tritium-atomernes reaktion begynder ved den laveste temperatur, omkring 46.000.000 grader celsius. Plasmaet kan ophedes ved hjælp af elektriske udladninger, eller ved en form for elektronbeskydning (indskydning af partikler med høj energi). Men fusionsreaktionen modarbejdes altid af det energitab der forekommer ved strejfsammenstød mellem partiklerne. Ved disse strejf opstår der røntgenstråling, som let undslipper gennem magnetfeltet, med resulterende energitab fra plasmaet. Plasmaet må være så varmt at fusionen frembringer energi nok til at overvinde dette tab, hvis det skal komme over den tærskel der betyder at reaktionen kan holde sig selv i gang.
For det andet skal plasmaet sammenpresses så meget at partiklernes tæthed er helt oppe på 100 billioner (1014) pr. kubikcentimeter. Og endelig, for det tredje, skal disse betingelser opfyldes længe nok til at et vist minimumantal af sammenstød kan forekomme. Tætheden multipliceret med tiden angivet i sekunder skal nå en talværdi på mindst 60 billioner (60 × 1012). Dette tal fortæller os at hvis den maksimale tæthed for eksempel skal opretholdes i en tiendedel sekund, skal tætheden være på mindst 600 × 1012 for at der med stofferne deuterium og tritium kan ske en fusion som holder sig selv i gang.
Plasmaet kan sammenpresses ved pludselig forstærkning af magnetfeltet. Samtidig med at dette øger plasmaets tæthed, resulterer det i ophedning. Hvis magnetfeltet nu er lagt rigtigt og kan holde plasmaet sammenpresset længe nok, vil der ske en fusion. Forskernes store skuffelse har været at dette er så svært at gennemføre. Plasmaet er svært at få hold på. Det finder med lethed den svageste plet i magnetfeltet og presser sig ud som i en lomme, nogenlunde som en hårdt pumpet cykelslange presser sig ud gennem et hul i cykeldækket.
Videnskabsfolk har brugt mange år og millioner af kroner på at overvinde disse uregelmæssigheder — en næsten umulig opgave. Først i de to sidste år har visse forsøg givet håb om at den gigantiske indsats for at tæmme det lunefulde plasma endelig er ved at blive kronet med held. Ved Massachusetts Institute of Technology har man en Tokamak-reaktor kaldet „Alcator“, hvormed man er nået op på en talværdi (tæthed gange tid; se ovenfor) på 30 billioner. Men temperaturen blev alt for lav, kun omkring 10 millioner grader. På Princeton-universitetet findes et apparat kaldet „Large Torus“; med dette apparat er man nået op på en temperatur på 75 millioner grader — for første gang nok til at deuterium/tritium-reaktionen kunne gå i gang. Men her kom talværdien ikke over en billion. „Fusionsflammen“ gik ud før den faktisk var blevet tændt.
Således har man efterhånden nærmet sig det ønskede mål: at få lige så megen energi ud af en fusionsreaktor som man bruger på dens drift. Skønt målet endnu ikke er nået, håber man at næste generation af Tokamak-reaktorer, som bliver større og dyrere, vil kunne klare opgaven. I de kommende 2-3 år skal der bygges en sådan ved Princeton-universitetet i USA, og en ved Culham i England (i EF-regi). De vil hver koste over 1500 millioner kroner. Hvis disse anlæg vil kunne gennemføre en kontrolleret fusionsproces, vil kernefysikerne kunne begynde at tage sig af de øvrige hindringer der er på vejen til kommerciel udnyttelse af fusionsreaktoren.
Et af de problemer der stiller sig i vejen, er den ophobning af urenheder der „forgifter“ plasmaet. Energitabet på grund af røntgenudstråling (nævnt ovenfor) forøges jo højere atomtal det pågældende stof har. Grundstoffet helium (en luftart) giver otte gange så stort tab som brint. Ilt giver 500 gange større tab. Det betyder at man må bevare plasmaet pinligt rent for at kunne udnytte det til fusionskraft.
Men hvis alle disse problemer nu kunne løses, hvordan ville et fusionskraftværk da kunne se ud? Ved Wisconsins universitet har man tegnet en model, baseret på de mest optimistiske data man har til rådighed. Den ringformede beholder, eller torus, er foreslået til at være 27 meter høj og 44 meter i diameter. Den består af 12 lagkagesnit-formede stykker, som hver vejer 3500 tons. Den omgivende bygning skulle være 102 meter høj — næsten lige så høj som Rådhustårnet i København — og 120 meter i diameter. De enorme stykker af beholderen skulle fabrikeres sådan at de kunne modstå et uhyre kraftigt undertryk. De kæmpestore magneter der omsluttede dem, skulle afkøles med flydende helium til en temperatur der kun ligger 4 grader over det absolutte nulpunkt (÷ 273 grader celsius).
Når et sådant kraftværk er i funktion, med en „ladning“ af deuterium og tritium kredsende i den hule ring ved den høje fusionstemperatur, vil det afgive en kraft på 1400 megawatt. Men for hvert 90. minut skal hele herligheden lukkes for at urenhederne kan blive pumpet ud og brændstoffet fornyet. En alternativ kraftkilde må kobles til el-nettet i 6 minutter under denne tilbagevendende lukning, som indtræffer 15 gange om dagen. Intet under at de ansvarlige for kraftforsyningerne er noget betænkelige ved at overtage den vanskelige kæmpe!
Laser-metoden — „inertifeltet“
Endnu en måde hvorpå fusion eventuelt kunne styres, blev udviklet i hemmelighed og er for nylig blevet kendt. Den har at gøre med laserstråler og inerti. Fra indersiden af en kugle rettes et antal laserstråler symmetrisk fra alle sider mod samme punkt i midten. En ganske lille glaskugle indeholdende en blanding af deuterium og tritium indsættes i midtpunktet. Når den er anbragt ganske præcist, rettes strålerne imod den. De rammer kuglen samtidig, og i en brøkdel af en milliontedel af et sekund opheder de kuglen med en kraft på millioner af kilowatt. Denne pludselige hede får kuglen til at fordampe, og idet glaskapslen eksploderer presses dampen ind. Derved opvarmes brændselet til cirka 10 millioner grader, og dampen sammenpresses til en tæthed der er 200 gange højere end normalt. Temperaturen er ganske vist betydelig lavere end antændelsestemperaturen, men den er høj nok til at en vis fusion kan komme i gang. I visse forsøg har man kunnet danne op til 10 millioner neutroner. Massen spredes næsten øjeblikkelig, da der ikke er noget der holder sammen på den. Fusionen finder kun sted så længe brintatomerne holdes sammen på grund af inerti; så snart massen spredes på grund af det stærke tryk, ophører den.
Denne metode er på visse punkter mere lovende end den metode hvor plasmaet fastholdes ved magnetisme. Men forsøgene har foreløbig kun vist at selve ideen er videnskabeligt holdbar. Laserstrålerne kræver tusinder af gange mere energi end man får ud af forsøgene. Hvis laserstrålerne gøres endnu kraftigere, kan man opnå en højere temperatur, og fusionen vil da komme bedre i gang. Man skal bruge stråler der er 10 til 100 gange så kraftige som de bedste af dem der benyttes nu, hvis man skal nå det punkt hvor man får lige så megen energi ud af maskinen som man skal bruge til dens drift.
Men fra dette punkt hvor energiregnestykket går lige op, er der lang vej til det punkt hvor det økonomiske regnestykke går lige op. Selv om man kunne affyre laserstråler med den fornødne kraft, ville man kun få en lille mængde energi ud af en enkelt kapsel. Hvis anlægget skulle have en rimelig produktion, skulle der affyres laserstråler hundreder eller tusinder af gange i minuttet, mens der lige så mange gange skulle placeres en „brændstofkapsel“ i brændpunktet. Det vil kræve en stor indsats at få lasergeneratorernes levetid forlænget og at fremstille mikrokapslerne i millionvis til en rimelig pris.
Fusionskraft — ren eller mindre ren?
Begge fusionsmetoderne er imidlertid behæftet med et problem: den radioaktive forurening. Forureningen gør sig gældende uanset de påstande man hører om at fusionskraft er helt fri for denne forbandelse man kender fra fissionskraften. I visse af fusionsreaktionerne (nr. 4 og 5 på oversigten) indgår der tritium, den radioaktive brintisotop. Disse reaktioner frembringer også neutroner, som slipper ud til de omgivende materialer og gør dem radioaktive. De reaktioner der foregår på solen (se oversigten) er „rene“. De udsender ingen radioaktivitet. Men den eneste anden reaktion dette gælder, er nr. 6, den der indbefatter deuterium og helium-3. Disse rene reaktioner vil desværre kræve en meget høj antændelsestemperatur.
Deuterium/tritium-reaktionen (nr. 5) har den laveste antændelsestemperatur, og er derfor den eneste der anvendes i den igangværende forskning; det er den man stiler mod at udnytte i de første fusionskraftanlæg. Denne reaktion afgiver et rigeligt antal neutroner, langt flere pr. energienhed end tilfældet er ved uranfission. De vil gøre alt i og omkring reaktoren stærkt radioaktivt. Det bliver derfor en besværlig og farlig opgave at håndtere reaktordele når de skal repareres eller erstattes.
Foruden radioaktiveringen er der også den skade der sker på metalkapslen omkring reaktoren, idet neutronerne så at sige banker atomerne ud af stilling. Ved dette bliver materialet svækket, så for eksempel de ringformede sektioner af den magnetiske reaktor sikkert ikke kan holde længere end to til fem år. At flytte disse kolossale, radioaktive dele, der vejer 3500 tons og rager op i en højde af ni etager, og uskadeliggøre dem, er så uhyre stor en opgave at det får det til at svimle for én. Mængden af radioaktive affaldsstoffer fra et fusionsanlæg kan vise sig at blive større end mængden fra de nuværende a-kraftværker.
Endnu et punkt der ofte overses, er at stoffet tritium i sig selv er radioaktivt. Tritium findes i ganske små mængder i atmosfæren, idet det kan opstå som følge af kosmisk stråling. Med hensyn til strålingsmængde (curie) pr. mængdeenhed er tritium ikke nær så farligt som fissionsprodukterne jod og strontium, men til anlæggene i et fusionskraftværk kræves der så store mængder af det, at det vil svare til hundreder af millioner af curie. En vis mængde udslip kan ikke undgås; måske kan den til daglig holdes nede på omkring 10 curie i døgnet. Men hvis der sker udslip ved et uheld — brint og luft er trods alt en eksplosiv blanding — vil det hurtigt forbinde sig med vand og spredes uhjælpeligt over hele jorden. Et udslip af tritium fra et enkelt kraftværk kunne forøge indholdet i den atmosfæriske luft over hele jorden med omkring 1000 procent.
Fra tid til anden bringer nyhedsmedierne i USA optimistiske meldinger om at der nu er sket et gennembrud på vejen frem mod fusionskraft. Det har en tendens til at ske netop på det tidspunkt hvor den amerikanske Kongres skal tage stilling til en ansøgning om større bevillinger til næste års forskningsprogram. Men de nøgne kendsgerninger fortæller at en økonomisk udnyttelse af fusionskraften ligger langt ude i fremtiden, også selv om alle de vanskeligheder man kender i dag, kunne ryddes af vejen. Den berømte amerikanske atomfysiker Edward Teller har sagt at en brugbar kraftproduktion ved hjælp af laser-fusion måske ligger to generationer ude i fremtiden.
Fusionskraften en uudtømmelig energikilde
Hvis vi i tankerne skulle forestille os hvordan det ideelle fusionskraftværk skulle se ud, måtte det blive noget i denne retning: Først skulle man tage en mængde brint der var stor nok til at den kunne holde sammen på sig selv ved hjælp af massetiltrækning; det løser alle problemerne med indkapsling. Ved sin egen massetiltrækningskraft (gravitation) ville denne brintkugle blive tilstrækkeligt sammenpresset til at dens temperatur og tæthed ville stige, og fusionen ville gå i gang. Balancen mellem gravitationen og det indre tryk ville automatisk styre reaktionen, så „blusset“ ikke ville blive for lavt og heller ikke løbe ud af kontrol.
I stedet for at stable nogle uhåndterlige skjolde op af hensyn til strålingsfaren, ville vi reducere strålingen til et passende minimum simpelt hen ved at anbringe hele reaktoren i en forsvarlig afstand fra os selv, lad os sige godt og vel 150 millioner kilometer borte. Og i stedet for at sætte højspændingskabler op for at få kraften ført hjem til os, ville vi ganske enkelt få den overført i form af stråleenergi, varme og lys. Og endelig ville vi beskytte os selv mod omstrejfende protoner og neutroner fra reaktoren ved blot at omgive os med et svagt magnetfelt til at afbøje partiklerne og et luftlag til at absorbere dem.
Læseren har selvfølgelig opdaget at vi allerede har en sådan reaktor — Skaberen har givet os den i form af solen. Hvor kan vi være taknemmelige for at Han, der er kilden til al energi, har givet alle jordens indbyggere en ufejlbarlig og uudtømmelig energikilde. Og den koster ikke det mindste. Vi får ingen kvartalsregninger fra solens store kraftværk.