Er fusjonsenergi løsningen?
En atomfysiker drøfter på en åpenhjertig måte de hindringer som må overvinnes før fusjonsenergien kan utnyttes
DET er ikke tvil om at det å kunne kontrollere fusjonsprosessen (en sammensmeltningsprosess) utgjør en fristende utfordring. Hvis vi kunne få i gang bare én av de forskjellige fusjonsreaksjonene, la oss si den hvor det dreier seg om to deuteriumatomer (nr. 4 i tabellen på side 20), ville vi ha ubegrensede mengder drivstoff til rådighet. Én av hver 3000 vannmolekyler i hele verden, innbefattet dem som finnes i de store verdenshavene, inneholder et deuteriumatom. Tenk på det — ved hjelp av en halv liter vann ville en kunne produsere 400 kilowatt-timer eller like mye elektrisitet som du bruker i hjemmet ditt i løpet av en hel måned! Dessuten kunne vi bli kvitt de radioaktive fisjonsproduktene fra de nåværende kjernekraftverkene som det hoper seg opp stadig større mengder av. Er ikke dette en lovende løsning på energiproblemet?
Cyklotronen er en maskin som er til stor nytte når en skal studere disse reaksjonene, men den kan ikke produser energi som kan utnyttes. Det skal en mengde energi til for å få millioner av partikler til å bevege seg så hurtig at det foregår en reaksjon, men det er bare noen få av dem som rammer andre atomer og produserer energi av betydning. Alle de øvrige frigjør energi i små mengder og går tapt. Den energi som kan frigjøres, er langt mindre enn den som trengs for å utføre eksperimentet.
Hemmeligheten med solens overlegenhet er at temperaturen i dens indre er så høy at partiklene bevarer sin store hastighet fra én kollisjon til en annen inntil det til slutt finner sted en reaksjon. Du kan derfor forstå hvorfor det er så vanskelig å få i stand en brukbar fusjonsprosess på jorden. Vi må på en eller annen måte forsøke å skape de samme forhold som i solens indre. Men hvordan kan en hydrogenmengde oppvarmes til den får en temperatur på mange millioner grader, og holdes sammen inntil det finner sted en reaksjon? Ikke noe kjent materiale ville kunne klare slike temperaturer. De stoffer som er mest motstandsdyktige mot høye temperaturer, smelter og fordamper ved noen tusen grader.
Vitenskapsmennene har riktignok demonstrert hvilken kraft fusjon kan frembringe, men bare ved eksplosjonen av den fryktinngytende vannstoffbomben. Når en slik bombe eksploderer, blir alt i og omkring den pulverisert og blåst bort på brøkdelen av et sekund. Men hvordan skal en klare å temme et slikt uhyre og utnytte dets kraft?
Magnetfeltfusjon
Hvor umulig det enn kan se ut, finnes det en måte å løse dette tilsynelatende uovervinnelige problemet på. Det kan gjøres ved hjelp av magnetisk varmeisolasjon. Det foregår på denne måten: Hydrogenet oppvarmes ved utladning av elektrisitet til slike høye temperaturer at det blir fullstendig omdannet til partikler som kalles ioner. Det består da bare av positivt ladede kjerner og negativt ladede elektroner. Stoff i denne tilstand kalles plasma. Hvis plasmaet er omgitt av et sterkt magnetfelt, kan de ladede partiklene eller ionene ikke bevege seg i rette linjer, men blir tvunget inn i en spiralformet bane. Hvis magnetfeltet er riktig formet, vil disse spiralformede banene gå ut fra begge ender av beholderen, som blir en magnetisk «flaske».
Det blir også gjort bruk av et sirkelformet eller smultringformet magnetfelt, som blir kalt torus. Protonene og elektronene kan da ikke komme i kontakt med veggene i metallbeholderen, og de kan opphetes til temperaturer på mange millioner grader uten at beholderen blir varm. Den beste beholderen av denne typen fikk navnet tokamak av de russiske vitenskapsmennene som konstruerte den.
Hvilken form magnetfeltet enn gir plasmaet, er det tre betingelser som må oppfylles for at fusjonsprosessen skal starte og holdes i gang. Disse betingelsene har med temperaturen, tettheten og tiden å gjøre.
For det første må plasmaet oppvarmes til antennelsestemperatur. Reaksjonen mellom deuterium- og tritiumatomer starter ved en temperatur på omkring 46 millioner grader, den laveste antennelsestemperaturen. Plasmaet kan oppvarmes ved at en elektrisk strøm føres inn i det, eller ved at en stråle med eksisterte atomer eller atomer med et høyt energinivå blir sendt inn. Men noe som alltid motarbeider fusjonsreaksjonen, er tap av energi på grunn av forstyrrende kollisjoner. Disse produserer røntgenstråler, som lett kan unnslippe gjennom det magnetiske felt og på den måten føre varme ut av plasmaet. Plasmaets temperatur må være tilstrekkelig til at den energi som produseres ved fusjon, overvinner dette tapet, hvis det skal bli mulig å skape grunnlag for en vedvarende reaksjon.
For det annet må plasmaet presses sammen, slik at det får en meget høy tetthet — 100 billioner (1014) eller flere partikler pr. kubikkcentimeter. Disse forhold må dessuten opprettholdes i et tidsintervall som er langt nok til at et minimum av kollisjoner kan finne sted. Produktet av tettheten multiplisert med tiden i antall sekunder må hvert fall være minst 60 billioner (60 X 1012 ) Matematisk blir dette tallet kalt confinement parameter. Det forteller oss at hvis den maksimale tetthet kan opprettholdes i for eksempel et tiendedels sekund, må denne tetthet være minst 600 X 1012 for at en vedvarende fusjon mellom deuterium og tritium skal komme i stand.
Plasmaet kan presses sammen ved en hurtig forsterkning av det magnetiske felt. Samtidig med at dette øker tettheten, fører det til at plasmaets temperatur øker. Hvis det magnetiske felt har den rette form og er i stand til å holde plasmaet sammen lenge nok, vil en fusjon bli resultatet. Det er imidlertid skuffende at dette har vist seg å være svært vanskelig å få til. Plasmaet er et irriterende flyktig stoff. Det finner et svakt punkt i det magnetiske felt og trenger inn der og lager en lomme som det hurtig skyter ut gjennom. Det virker som en bar sykkelslange som blir pumpet for sterkt opp og ikke får den støtte som et dekk gir.
Det er blitt brukt mange år og store pengesummer i et forsøk på å overvinne disse vanskelighetene. Det er først i løpet av de siste par årene at noen forsøk har gitt håp om at de store anstrengelsene for å temme det ustadige plasmaet til slutt skal lykkes. Ved Massachusetts teknologiske institutt oppnådde en tokamak en parameter på 30 billioner. Men temperaturen var altfor lav, bare omkring ti millioner grader. Under en senere prøve ved Princeton nådde deres store torus en temperatur på 75 millioner grader, en temperatur som var høy nok til at den første deuterium-tritiumreaksjonen ble satt i gang. Men her overskred parameteren ikke en billion. Fusjonsflammen blafret derfor og sloknet allerede før den var blitt virkelig tent.
Disse forsøkene, som nesten har gitt løsningen på energispørsmålet, har skapt forhåpninger om at den neste generasjon av tokamaker, som vil være større og mer kostbar, skal bringe resultater. I løpet av de neste to — tre årene vil det bli bygd én ved Princeton i USA og én ved Culham i England. Hver av dem vil koste over 1,5 milliard kroner. Hvis en ved hjelp av disse maskinene klarer å få i stand kontrollert fusjon, vil kjernefysikerne stå klar til å møte andre problemer som gjenstår på veien til fremstillingen av en kommersiell fusjonsreaktor.
Et av de problemer forskerne vil bli stilt overfor, er en opphoping av urenheter i plasmaet. Røntgenstråletapene, som ble nevnt tidligere, blir mye større etter hvert som atomnummeret øker. Selv gassen helium forårsaker et åtte ganger så stort tap som hydrogen gjør. Oksygen er 500 ganger verre. Det betyr at plasmaet må holdes ekstraordinært rent for at det skal kunne produsere fusjonsenergi som kan utnyttes.
Hvis alle disse problemene kunne løses, hvordan ville da et fusjonskraftverk komme til å se ut? Et utkast som er laget ved Wisconsin universitet, og som er basert på de mest optimistiske tilgjengelige data, kan gi oss en idé om det. Torusen eller den smultringformede sylinderen ville være 27 meter høy og 44 meter i diameter. Den ville være laget i 12 paiformede seksjoner, hver på 3500 tonn. Bygningen som ville romme den, ville være 102 meter høy og 120 meter i diameter. Disse kjempesvære seksjonene måtte være laget slik at de kunne oppfylle de aller strengeste krav til høyvakuum. De kolossale magnetene rundt dem ville måtte bli avkjølt med flytende helium, og temperaturen måtte ikke avvike mer enn fire grader fra det absolutte nullpunkt (minus 273 grader celsius).
Når kraftverket er i funksjon, med sin ladning av deuterium og tritium, som sirkulerer i torusen ved fusjonstemperaturer, vil det produsere 1400 megawatt. Men hvert 90. minutt vil hele dette kjempemessige kraftverket måtte settes ut av drift, slik at urenheter kan pumpes ut og drivstoffet erstattes. Det elektriske kraftverket må forsynes med annen kraft i seks minutter under denne periodiske avstengningen 15 ganger i døgnet. Det er ikke noe rart om de som har ledende stillinger i samfunnet, ikke er så ivrige etter å ta i bruk en slik lunefull kjempe!
Laserfusjon — treghetsbegrensning
En annen mulig måte å komme fram til kontrollert fusjon på ble utviklet i hemmelighet og ble nylig offentliggjort. Denne metoden kalles treghetsbegrensning. Et apparat sørger for at en rekke laserstråler fokuseres symmetrisk fra alle kanter slik at de treffer et felles punkt. En mikroskopisk liten glasskule som inneholder en blanding av deuterium og tritium, får så falle gjennom sammenløpningspunktet. Når den er i nøyaktig posisjon, blir laserstrålene «fyrt av». De blir alle rettet mot kulen samtidig, og denne blir utsatt for en varmeutvikling på millioner av kilowatt i løpet av brøkdelen av en milliarddel av et sekund. Den plutselige, sterke varmen forvandler kulen til støv, og idet det ytre glasshylstret eksploderer, blir gassen presset sammen. Det inntreffer en implosjon. Dette fører til at brennstoffet øyeblikkelig når en temperatur på omkring ti millioner grader, og til at gassen sammenpresses slik at den oppnår en 200 ganger større tetthet enn normalt. Selv om temperaturen er betraktelig mindre enn antennelsestemperaturen, er den høy nok til å frembringe en viss fusjon. Ved enkelte prøver er hele ti millioner neutroner blitt dannet. Nesten umiddelbart blir massen spredt, ettersom det ikke er noe til å holde den sammen. Fusjonsprosessen fortsetter bare så lenge massens inerti eller treghet holder hydrogenatomene sammen. Så snart det voldsomme trykket fører til at hydrogenatomene blir spredt, stanser fusjonen.
Denne metoden er på enkelte måter mer lovende enn magnetfeltfusjon og vil sannsynligvis kunne bli tatt i bruk tidligere. Men på det nåværende tidspunkt kan en bare vise at teorien om laserfusjon er sunn vitenskapelig sett. Det skal mange tusen ganger mer energi til for å lage laserstrålen enn den energi som blir produsert ved eksperimentene. Med lasere med større effekt kan det oppnås en høyere temperatur, og fusjonen vil bli mer effektiv. Det vil være nødvendig med lasere som er mellom ti og 100 ganger sterkere enn de beste lasere vi har i dag, hvis en skal kunne nå det punkt at det blir produsert like mye energi som den som må tilføres dem.
Men å kunne produsere nok energi er én ting. Å gjøre prosessen lønnsom er noe helt annet. Selv om det kan lages lasere med den nødvendige effekt, kan det bare utvinnes lite energi av en enkelt kule. For å få energi som kan utnyttes, vil det være nødvendig å fyre av laseren flere hundre eller flere tusen ganger i minuttet, og like mange kuler vil måtte bli trykt sammen etter hverandre. Det vil kreve store anstrengelser å komme dithen at en kan forlenge lasergeneratorenes levetid og fremstille millioner av de nesten mikroskopiske glasskulene noenlunde rimelig.
Fusjonsprosessen — ren eller ikke så ren?
Et problem som er knyttet til begge fusjonsmetodene, er den radioaktive forurensning. Det er tilfelle til tross for at det av og til er blitt hevdet at fusjonsenergi ikke vil skape de problemer som er knyttet til fisjonsenergien. En del fusjonsreaksjoner (nr. 4 og 5) innbefatter tritium, hydrogenets radioaktive isotop. Disse reaksjonene produserer også neutroner, som unnslipper og trenger inn i de omsluttende materialer og gjør dem radioaktive. Når vi ser på tabellen over fusjonsreaksjoner, oppdager vi at reaksjonene i solen er «rene». De produserer ingen radioaktivitet. Dette gjelder ellers bare én av de andre reaksjonene (nr. 6), reaksjonen mellom deuterium og helium-3. Disse rene reaksjonene krever dessverre alle svært høy antennelsestemperatur.
Fordi deuterium-tritium-reaksjonen (nr. 5) har den laveste antennelsestemperaturen, er det bare den som blir brukt i den forskning som pågår for tiden, og det er den som vil bli brukt i de første fusjonskraftverkene. Denne reaksjonen produserer store mengder neutroner, langt flere pr. energienhet enn fisjon eller spaltning av uran. De vil gjøre alt i og omkring reaktoren sterkt radioaktivt. Det vil derfor være en farlig oppgave å håndtere og fjerne deler av reaktoren når de må repareres eller erstattes.
I tillegg til radioaktiviteten kommer den skade som blir tilføyd metallkonstruksjonen rundt reaktoren, for neutronene bringer selve atomene ut av posisjon. Dette svekker materialene, slik at for eksempel de smultringformede seksjonene i magnetreaktoren sannsynligvis ikke vil holde mer enn mellom to og fem år. Å fjerne disse kolossale, radioaktive konstruksjonene, som veier 3500 tonn og er ni etasjer høye, fra kraftverket og kvitte seg med dem utgjør en skremmende utfordring. Mengden av radioaktivt avfall fra et fusjonskraftverk kan vise seg å bli større enn fra de nåværende kjernekraftverkene.
Noe annet som ofte blir oversett, er at tritium i seg selv er radioaktivt. Tritium forekommer i små mengder i atmosfæren og produseres ved reaksjoner mellom grunnstoffer i atmosfæren og kosmisk stråling. Regnet pr. enhet (curie) er tritium ikke på langt nær så farlig som slike fisjonsprodukter som jod og strontium, men i et fusjonskraftverk ville det være nødvendig med en mengde på mange hundre millioner curie. En del utslipp er uunngåelig. Til daglig vil en kanskje kunne holde det nede på ti curie. Men ved en ulykke — hydrogen blandet med luft er jo når alt kommer til alt, eksplosivt — vil det ikke være til å unngå at tritium i form av vann blir spredt jorden over. Tritiumutslipp fra bare ett kraftverk ville kunne øke konsentrasjonen av tritium i atmosfæren jorden rundt med hele 1000 prosent.
I USA kommer det med jevne mellomrom optimistiske nyhetsmeldinger om et nytt gjennombrudd på fusjonskraftens område. Vanligvis dukker disse meldingene opp omtrent på den tid da den årlige anmodning om flere penger til forskningsarbeid blir sendt til Kongressen. Men de nakne fakta er at en økonomisk utnyttelse av fusjonsenergien hører en fjern framtid til, selv om alle de hindringer en nå er klar over, kunne fjernes. En autoritet på området, Edward Teller, har sagt at en teknisk utnyttelse av laserfusjonen meget vel kan ligge to generasjoner framover i tiden.
Fusjonsenergi fra en uuttømmelig kilde
Hvis vi skulle danne oss et bilde av det ideelle fusjonskraftverk, ville det se omtrent slik ut: Først måtte vi ha tilstrekkelig med hydrogen til at det ble holdt sammen av seg selv på grunn av tyngdekraften; det løser alle problemer i forbindelse med en beholder. Kompresjonen på grunn av tyngdekraften i denne hydrogenkulen ville føre til at dens temperatur og tetthet økte tilstrekkelig til at fusjonsreaksjonen ble satt i gang. Likevekten mellom tyngdekraften og det indre trykket ville automatisk regulere reaksjonshastigheten, slik at den verken ville være for lav eller for høy.
I stedet for å bygge innviklede konstruksjoner for å hindre strålingen i å slippe ut ville vi sørge for at strålingen ble holdt på et sikkert nivå ved ganske enkelt å plassere denne kjernekraftreaktoren på betryggende avstand, la oss si 150 millioner kilometer unna. I stedet for å bygge kraftledninger som skulle føre energien til oss, kunne vi bare få den levert i form av strålingsenergi — varme og lys. Og — endelig — for å beskytte oss mot eventuelle protoner og neutroner som måtte ha sloppet ut av reaktoren, kunne vi bare omgi oss med et svakt, magnetisk felt som ledet disse partiklene i en annen retning, og med et luftlag som absorberte dem.
Leseren vil naturligvis være klar over at det er nettopp en slik fusjonsreaktor Skaperen har gitt oss i solen. Hvor takknemlige bør vi ikke være for at alle jordens innbyggere har fått en slik uuttømmelig energikilde av den vise Skaper, han som er Kilden til all energi! Og denne energien får vi helt gratis. Vi behøver ikke å betale noen strømregning en gang i kvartalet.