Kjernefysisk fusjon

I fysikken er kjernefysisk fusjon en prosess der flere atomkjerner smelter sammen og danner en tyngre atomkjerne. Dette medfører frigjøring eller opptak av energi som avhenger av atomkjernenes masser. Jern og nikkel har den høyeste bindingsenergien per nukleon og er derfor mest stabile. Fusjon av to atomkjerner som er lettere enn jern og nikkel vil frigjøre energi, mens fusjon av tyngre atomkjerner krever energi.
Fusjon krever i motsetning til fisjon alltid en startenergi for å overvinne frastøtning mellom de positivt ladede atomkjernene og går derfor ikke av seg selv under normale forhold på jorden og i universet. Sannsynligheten for at to atomkjerner fusjonerer er en funksjon av tilstrekkelig energi, tilstrekkelig tetthet, og sannsynligheten for at disse to kjernetypene reagerer (tverrsnittet). Disse betingelsene, for eksempel temperatur og trykk, må opprettholdes en viss tid uten at blandingen avkjøles og spres. Dette skjer naturlig i universet når store mengder hydrogen og helium danner en sol (stjerne), men slik fusjon av vanlig hydrogen foregår meget langsomt og kan ikke utnyttes på jorden. Det er årsaken til at normale stjerner kan brenne i mange milliarder år, men dette varierer ut ifra størrelsen på stjernen.
For fusjonsbomber kan andre atomer, som tyngre hydrogenisotoper med raskere reaksjonsrate brukes. Men her kan betingelsene for fusjon bare opprettholdes i kort tid med hjelp av en fisjonsbombe. En fusjonsreaktor i et kjernekraftverk må opprettholde fusjon over lang tid. På grunn av vanskeligheten med å få reaksjonen til å gå, er det vesentlig lavere risiko for en ulykke enn dagens atomreaktorer; Fordi det bare produseres lettere atomer er problemer med radioaktivt avfall begrenset til selve materialet i reaktorveggene, der det kan dannes noe lavaktivt materiale av stråling fra fusjonsreaksjonen. Det er teoretisk mulig å løse menneskehetens totale energibehov permanent og med lav risiko med fusjonsreaktorer. Men en praktisk løsning har vært søkt med eksperimentreaktorer som JET og ITER i over 50 år, og ligger trolig fremdeles minst 30 år fram i tid.

Oversikt

Kjernefysisk fusjon av lette grunnstoffer gir den energien som får stjerner til å lyse og hydrogenbomber til å eksplodere. Fusjon av tyngre grunnstoffer som krever energi, foregår i naturen bare i forbindelse med de enorme energimengder som frigjøres i supernovaeksplosjoner. Etter Big Bang besto vanlig materie i universet av omtrent 24 % helium og 76 % Hydrogen (masseprosent). Nukleosyntese, det vil si fusjon og andre kjernereaksjoner i store stjerner og supernovaer, har siden produsert alle andre naturlige grunnstoffer. Det er varianter av denne prosessen man forsøker å utnytte i fusjonskraftverk.
Det krever betydelig mengder energi for å få atomkjerner til å fusjonere, selv for de letteste grunnstoffene som er isotoper av hydrogen. Men reaksjonen frigjør store mengder energi som under de rette forhold kan vedlikeholde reaksjonen og produsere netto avgitt energi. Energien som frigjøres i en kjernereaksjon er mye høyere enn for en kjemisk reaksjon, fordi bindingsenergien som holder atomkjernen sammen er mye høyere enn energien som binder elektronet til en atomkjerne. For eksempel er ioniseringsenergien for elektronet i hydrogenatomet 13.6 eV, eller 2,17•10⁻¹⁸ Joule, mindre enn en milliondel av energien på 17.6 MeV som frigjøres i Deuterium-Tritium reaksjonen på illustrasjonen over til høyre.
Ved å bygge på eksperimentene til Ernest Rutherford noen år tidligere, observerte Mark Oliphant i 1932 første gang fusjon av lette atomkjerner (hydrogenisotoper). Hans Bethe utledet videre på 1930-tallet hovedtrinnene i den fusjonsreaksjonskjede som finner sted i stjernene. Edward Teller argumenterte under Manhattanprosjektet for utvikling av en fusjonsbombe, og utformet i 1951 sammen med Stanislaw Ulam den første fusjonsbomben. 1 November 1952 ble den første bomben Ivy Mike sprengt på Enwak atoll ved Bikiniatollen. I slike bomber oppnås trykk og temperatur ved en vanlig fisjonsbombe, og hele energiutviklingen er over på rundt hundre nanosekunder. Lyset går på denne tiden bare noen titalls meter, og det mekaniske sjokket ødelegger ikke bomben før reaksjonen har gått.
Problemet med fredelig utnyttelse av kjernefysisk fusjon er å holde atomkjerner med svært høy energi og høy tetthet sammen over tid, slik at reaksjonen kan opprettholde seg selv med netto energiutbytte. Til forskjell fra bomber og stjerner der materialet er optisk opakt ved høyt trykk, er flere typer tap ved elektromagnetisk stråling et stort problem i fusjonsreaktorer som skal operere ved moderate trykk.

Innelukking

For å oppnå kriteriene som skissert over, i en stjerne, H-bombe eller fusjonsreaktor kreves derfor at ionene har en energi som gir høy reaksjonsrate og at tilstrekkelig mange partikler kan konsentreres innenfor et lite nok volum (numerisk tetthet). Dette medfører høy sannsynlighet for at ionene vil fusjonere før de taper sin energi eller forsvinner ut av det aktive området. Systemet som opprettholder disse betingelsene kalles innelukkings-systemet (eng. Confinement).
Noen kjente metoder for innelukking:
Innelukking med gravitasjon –
Større masser komprimert av gravitasjon kan opprettholde tilstrekkelig numerisk tetthet, tid og isolering i kjernen, men krever en masse på minst 10²⁸ kg selv for Deuterium-Deuterium reaksjoner. Innelukking med gravitasjon er mekanismen som opprettholder fusjon i stjerner, men er ikke praktisk mulig på jorden.
Mekanisk/Eksplosiv innelukking -
Brukes hovedsakelig i atomvåpen der brenselsioner er mekanisk innelukket i et rom som imploderes ved hjelp av eksplosiver i kombinasjon med gammastråling fra en fisjonsbombe. Ikke egnet for vedvarende reaksjon fordi for mye energi vil absorberes i veggene selv i små kontrollerbare kamre.
Treghetsinnelukking -
Er en variant av mekanisk innelukking der små kuler/bobler for eksempel av glass, inneholdende fusjonerbare ioner (typisk D-T), tennes av at antall kryssende stråler for eksempel laser, ioner eller elektroner. Dette får kulen til å fordampe raskt, og medfører at gassen i sentrum imploderer. Den varmes opp til et plasma som har tilstrekkelig temperatur og numerisk densitet til å fusjonere. Gir en pulset reaksjon ettersom nye kuler slippes/skytes inn. På grunn av kort innelukkingstid kreves både høy temperatur og høy densitet for å oppnå reaksjon.
Magnetisk innelukking -
Brukes typisk i torus (smultringformede) reaktorer (også kalt tokamak), og magnetiske speil. Plasma er en meget god leder av elektrisk strøm. Et sterkt magnetfelt kombineres med strøm i plasmaet og setter opp spiralformede feltlinjer rundt plasmaet slik at dette innelukkes langs en senterlinje i torusen. Dette systemet brukes i eksperimentreaktorene Joint Europan Torus JET og International Thermonuclear Experimental Reactor ITER.
Elektrostatisk Treghetsinnelukking -
Benevnes IEC (eng. Inertial Electrostatic Confinement) og ble opprinnelig utviklet som den såkalte Farnsworth fusor, senere Farnsworth-Higgs, Higgs-Meeks og Bussard. Typisk et lavtrykkskammer med brenselsioner og to konsentriske sfæriske gitterelektroder. Høy elektrisk spenning mellom elektrodene ioniserer ionene på den ytre elektroden og akselererer dem inn i rommet innenfor den innerste elektroden. Her vil de svinge inn og ut til de enten fusjonerer, taper sin energi eller treffer gitteret. Kan ses på som en variant av kryssende stråler. Fremkaller lett fusjon i små enheter, men kan ikke opprettholde reaksjon med netto energiutbytte på grunn av tap via bremsstrahlung Brukes først og fremst som nøytronkilde og kan produseres små nok til å være bærbare.
Metallgitter-innelukking –
Kalles også «kald fusjon». Fusjonerbare isotoper som Deuterium absorberes i et porøst metall, som titan, palladium eller jernhydrider, eller metallet brukes som elektroder i tungtvann (D₂O). Lavenergireaksjoner i TiDₓ og PaDₓ har vært rapportert, og p-D reaksjoner kan muligens opptre i jernet i jordens kjerne. Ingen fusjonsløsninger med netto energiutbytte er kjent, til tross for kontroversielle påstander om energiutbytte på wattnivå i eksperimenter. Et hovedproblem i mange eksperimenter er at observert energiavgang så lav at det er uklart hvorvidt denne skyldes fusjon, kjemiske reaksjoner, elektrisk påvirkning eller lagret energi som frigis.
Katalytisk innelukking –
Katalytisk assistert fusjon med antistoff eller muoner. Muon katalysert fusjon opptrer når tunge muoner binder atomkjernene tett slik at de kan fusjonere før de frastøtes eller nedbrytes. Foregår også ved romtemperatur, men kan trolig ikke gi netto energiutbytte på grunn av energiforbruk for å skape muoner, kort halveringstid (2.2 µs) og sidereaksjoner med muonet og ⁴He.
Kryssede stråler –
Her brukes ioner som akselereres til nødvendig energi i en partikkelakselerator. Dette kan framkalle fusjon mellom mange lette ioner og brukes i stor grad eksperimentelt. I miniatyrisert form brukes dette i «tett rør» kilder. Disse er små (ned til 10 x 30 cm) partikkelakseleratorer der en D-T blanding akselereres mot et hydridmål (en forbindelse med Hydrogen og et elektropositivt grunnstoff) som også inneholder en absorbert D-T blanding og gir fusjon. Disse brukes som nøytronkilder for eksempel til petroleumsletevirksomhet. I likhet med IEC og kald fusjon er dette et område der det opptrer en rekke uverifiserte og ikke repeterbare påstander om netto energiutbytte og mulighet for å lage små fusjonsenheter (såkalt «bordplate-fusjon»)
Mange av disse innelukkingssystemene er ikke i likevekt; svært høy partikkelenergi (temperatur) og trykk opptrer i et relativt lite område nær partikler med mye lavere energi. Slike systemer vil tappes for energi på grunn av bremsstrahlung, ved at raske (varme) ioner og elektroner interagerer og taper energi i form av gammastråling. Det kreves samtidig stor energitilførsel for å opprettholde høy partikkelenergi i brenselet, og disse effektene gir etter gjeldende teorier (ref. doktorgradsavhandling, Todd Rider, MIT 1995) ikke mulighet for netto energiutbytte i slike innelukkingsystemer. Dette er ikke tilfelle i samme grad i plasma i tilnærmet likevekt, som forholdet for eksempel er i en tokamak. Her er relativ hastighet mellom ionene lavere, og det kreves mindre tilført energi for å opprettholde partikkelenergi for reaksjon, og dette er derfor innelukkingsmetoden som brukes både for JET og ITER (se eksterne lenker). Men innelukkingssystemer for brensel i tilnærmet likevekt krever i sin natur svært stor plass. Eventuelle nye løsninger for å overkomme dette og skape bordplate-fusjon krever en mer detaljert forståelse av de underliggende mekanismene og nye innelukkingsprinsipper.

Viktige fusjonsreaksjoner

Her betraktes bare fusjon mellom to og to atomkjerner. Reaksjoner mellom tre og flere kjerner er kjent, men vil bare opptre i stjerner og supernovaer, og i svært lav grad under forhold som kan gjenskapes på jorden.
I datatabeller beskrives ofte reaksjoner ved X₁(X₂,X₄)X₃ der to kjerner («brensel» X₁ og X₂) fusjonerer og skaper en eller flere atomkjerner («slagg» X₃ og en lettere partikkel X₄). Ofte vil det være flere mulige reaksjoner, både mellom brenselsionene og mellom disse og slaggionene. Hvilke reaksjoner som går er avhengig av reaktiviteten ved de aktuelle energibetingelsene.

Fusjonsbomber (H-Bomber)

Fusjon for atomvåpen stiller krav til leverbarhet (størrelse, vekt, form og kontroll), men kan også operere med betydelig høyere trykk og temperatur enn fredelig utnyttelse. Spesielt betyr dette at fusjonsområdet kan gjøres relativt optisk opakt slik at gammastråling fra bremsstrahlung ikke tapes og reduserer energien for raskt. Det er grunnen til at man allerede i 1952 kunne detonere den første fusjonsbomben (Ivy Mike). Detaljerte beskrivelser av slike våpen er generelt ikke tilgjengelig gjennom primærkilder og man baserer seg på sekundær informasjon fra forskjellige kilder som for eksempel en klassisk artikkel i «The Progressive» som er beheftet med feil.
Den enkleste varianten er såkalt forsterket fisjon (Boosted fission) der en vanlig fisjonsbombe har hulrom med Deuterium-Tritium blanding (som for primærtrinnet i figuren). Denne blandingen komprimeres ved fisjonsreaksjonen, fusjonerer og avgir nøytroner som igjen forsterker fisjonsreaksjonen. Fordi bare rundt 1 % av energien kommer fra D-T fusjon regnes dette ikke som en egentlig fusjonsbombe.
For egentlige fusjonsbomber er Teller-Ulam prinsipp to- eller tretrinns kompresjon med stråling enerådende. Her brukes typisk en forsterket implosjonstype fisjonsbombe som første trinn. Det er først og fremst gammastråling fra denne som innelukkes i kappen (såkalt «hohlraum») og varmer en «forladning» (i figuren Uran 238) slik at ablasjon komprimerer forladning og dermed fusjonsbrenselet innenfor. Forladningen og kappen er av materiale som er optisk opakt for gammastråling, som bly eller uran eventuelt med beryllium.
Det er ønskelig med brensel i fast form mens D-D og D-T er i gassform og flytende ved svært lav temperatur. Oppbevaring av Tritium et problem fordi det har kort halveringstid (12,3 år) og reagerer kjemisk med uran og plutonium. Derfor bruker man generelt LiD (Litium-Deuterid) og noe LiT som raskt går over til plasma. ⁶Li nedbrytes til Tritium ved nøytronbestråling. Det kan også ⁷Li gjøre ved nøytroner med høyere energi (endoterm reaksjon), og en blanding kan derfor brukes. For å sette i gang reaksjonene raskt og presist når tilstrekkelig densitet er oppnådd må både primær og sekundær enhet ha en trigger. For primærladningen brukes gjerne en presist trigget «tett rør» type kilde (se over), mens for sekundærladningen brukes en «tennplugg», typisk av plutonium eller høyanriket uran, som komprimeres til kritikalitet og gir svært hurtig oppvarming til å starte fusjon. Når sekundærladningen tenner er primæreksplosjonen allerede over, men det er fremdeles en mindre mengde nøytroner igjen samt nøytroner fra tidlig D-D fusjon som kan antenne tennpluggen. Først får man ren D-D forbrenning som følges av D-T ettersom tritium produseres og noe D-³He (som beskrevet i forrige avsnitt) samt en rekke andre sidereaksjoner.
Forladningen vil først komprimere fusjonsbrenselet, senere også reflektere nøytroner slik at Litium produserer mer Tritium og innelukke gammastråling slik at energien ikke tapes fra fusjonsområdet. Den må derfor være mekanisk intakt til fusjonen er ferdig. Ved rene totrinns bomber kan forladningen for eksempel være bly. Ved tretrinns bomber kan forladningen bestå av fisjonsbrensel, for eksempel noe anriket uran, som antennes av nøytronstrålingen fra fusjonsreaksjonen. Dette kan typisk doble eller tredoble den totale energien, men medfører også vesentlig høyere radioaktivt nedfall. Dette kan utnyttes spesifikt ved at forladningen «salter» bomben slik at det dannes isotoper til radioaktivt nedfall som nedbrytes med intens gammastråling.
Primærladningen forbrenner i løpet av 5-15 nanosekunder mens sekundærladningen antennes og forbrenner i løpet av noen hundre nanosekunder. Svært presis beregning av de forskjellige trinn, materialvalg og presis dimensjonering er nødvendig for at stråling, trykksjokk, forsinkelser, temperaturøkning og antenning skal følge rett sekvens.

Fremtidens fusjonsreaktorer

Etter de ovenstående kriterier er det kun D-T som gir mulighet for opprettholdbar fusjon i plasma i tilnærmet likevekt etter den teori og de innelukkingssystemer man i dag arbeider med. Deuterium er tilgjengelig i tilnærmet ubegrensede mengder ettersom 1/588 del av alt hydrogen (for eksempel i vann) er deuterium. Tritium dannes naturlig ved kosmisk stråling, men har en halveringstid på 12,3 år og finnes derfor bare i små mengder. Den kan imidlertid dannes ved «formering» ved nøytronstråling mot litium i reaktorveggen. Litium utgjør 30 ppm av jordskorpen og er derfor tilgjengelig i tilstrekkelige mengder. Disse stoffene er da også utgangspunkt for dagens hydrogenbomber og de eksperimentelle reaktorer som er under drift eller utbygging som JET og ITER. Man venter allikevel at en fredelig utnyttelse av fusjon ligger mer enn 25 år fram i tid.
Det legges også arbeid i å finne fram til mulige måter å benytte avansert fusjonsbrensel på. Fremst blant disse er ¹¹B-p reaksjonen som vist over. Ideelt sett ville en fremtidig reaktor basert på denne reaksjonen være liten, aneutronisk, og produsere elektrisitet direkte ved å bremse ned ⁴He ionene i asken i et elektrisk felt. Det har vært foreslått en rekke systemer som ikke baserer seg på plasma i tilnærmet likevekt, for eksempel IEC og beam-target, foreløpig uten praktisk og teoretisk mulighet for å opprettholde fusjon med netto energiutbytte. Tap ved bremsstrahlung og resirkulasjon av brenselsioner gir for stort energitap. Dette krever derfor grunnleggende nye innelukkingsprinsipper eller oppdagelse av nye underliggende teorier om hvordan disse reaksjonene kan påvirkes.
Endel måter å komme utenom disse problemene på er gjennomgått og forkastet i