Kjarnasamruni

Kjarnasamruni er þegar léttar frumeindir sameinast og mynda stærri kjarna. Til dæmis geta tveir tvívetniskjarnar (2H) bundist og myndað þyngra efni, Helíum-4 (4He). Við samrunan losnar yfirleitt mikið magn orku. Þessi orka kallast kjarnorka. Kjarnorka er aðallega fengin við ferli sem kallast kjarnaklofnun og er notað í kjarnorkuverum í dag. Kjarnaklofnun er andstætt við kjarnasamruna og myndar orku við að skilja frumeindir í sundur. Mun meiri orka fæst við kjarnasamruna, en það þarf mikinn hita (50 – 100 milljón ˚C) og mikinn þrýsting til að framkvæma ferlið.


 Kjarnasamruni 
Hver róteind í kjarna er plús (+) hlaðin og því hrinda kjarnarnir hvor öðrum frá sér. Til þess að kjarnasamruni geti átt sér stað þarf að yfirstíga þennan 
fráhrindandi rafsegulkraft sem verkar á milli kjarnanna. Þessi kraftur heitir Coulombs-kraftur. Þessi fráhrindandi rafsegulkraftur, sem er vegna jákvæðrar hleðslu þeirra er ástæðan fyrir þessum gríðarlega hita, sem þarf til að framkvæma ferlið.

Í kjarna sólarinnar verður kjarnasamruni. Í sólinni er nægur þrýstingur og hiti til að framkvæma ferlið. Mikill hluti orkunnar sem við nýtum hér á jörðinni er þess vegna upphaflega samrunaorka sem varð til í sólinni. 

Við samruna tveggja léttra vetnisfrumeinda, verður til þyngra efni, helíum. Massi þess efnis sem myndast er ekki nákvæmlega sami massi og var í upprunalegu atómunum. Lítill hluti massans glatast en gríðarleg orka myndast. Þetta er það sem formúla Einsteins, E = mc2 lýsir. Þessi litli massi(m) sem hefur glatast margfaldaður með ljóshraðanum í öðru veldi (c2) gefur mjög stóra tölu (E) og er orkan sem varð til við samrunan. Talið er að sólin breyti um 600 milljón tonnum af vetni í helíum á hverri sekúndu.

Kjarnasamruni er ein af bestu leiðunum sem við höfum til að búa til mikið magn af kolefnislausri orku í framtíðinni. Þar sem á jörðinni eru ekki sömu skilyrði og í sólinni þarf að nálgast málið á annan hátt. Vísindamenn og verkfræðingar vinna hörðum höndum við að þróa tækni sem gerir okkur kleift að nýta þetta ferli í orkuverum framtíðarinnar.

 Hagnýting kjarnasamruna 
Til að ná orku við kjarnasamruna er gas, myndað úr vetni, tvívetni (deuterium) og þrívetni (tritium) hitað upp í allt að 100 milljón gráður, heitara en í kjarna sólarinnar. Í þessu ástandi kallast efnið rafgas eða plasmi (e. plasma, virðist líka skrifað þannig á íslensku). Þennan gríðarlega hita þarf til þess að samruni geti átt sér stað. Þegar hitastig efnis er orðið svona hátt haldast atómin ekki lengur saman og verða að stökum rafeindum og atómkjörnum á fleygiferð. Hreyfing atómanna eykst með hækkandi hita. Heita plasmað er mjög þunnt og viðkvæmt og þar með er mjög erfitt að halda vetnisrafgasinu saman í þessu ástandi. Ein leiðin til þess er að beita mjög sterku rafsegulsviði. Með því er komið í veg fyrir að efnið kólni eða mengist við snertingu við annað efni. Mest er verið að þróa og vinna með samrunaofn sem kallast tokamak og notast hann við þessa aðferð. Þá er plasma af léttum atómkjörnum hitað og lokað inn í hringlaga segulröri. Inn í segulrörinu er svo plasmanu stjórnað með sterkum segulkröftum. Þegar vetnið sameinast svo í helíum og háhraða nifteindir, losnar 17,6 MeV af orku við hvert hvarf. Þessi orka sem nifteindirnar bera er miklu meiri en myndast við venjuleg hvörf, sem er svo notuð í kjarnasamruna orkuveri til þess að framleiða rafmagn. Það er svo hægt á nifteindunum með því að láta þær skella á filmu sem umlykur vélina, hitinn sem myndast við það er svo umbreytt í gufu sem keyrir áfram hverfla, sem aftur gefur okkur afl.

Kjarnasamruni er enn sem komið er ekki hagnýttur til raforkuframleiðslu nema í tilraunaskyni en miklar vonir standa til að svo geti orðið í framtíðinni eins og segir að neðan. 

Á hinn bóginn hefur kjarnasamruni verið hagnýttur í hernaði síðan rétt eftir miðja 20. öld með svokölluðum vetnissprengjum.

 Kostir kjarnasamruna 
Mikið af orku jarðarbúa fæst frá nýtingu jarðeldsneytis. Orkuþörf er stöðugt að aukast á meðan jarðeldsneytisbirgðir fara minnkandi. Orkuver sem nýta kjarnasamruna myndu hafa ýmsa kosti:
 Engin kolefnislosun. Eina aukaefnið er smávegis af helíum.
 Nóg af eldsneyti. Tvívetni er unnið úr vatni og þrívetni er búið til úr liþíum sem finnst í jarðskorpunni.
 Sparneytni. 1 kg af kjarnasamruna eldsneyti jafnast á við 10 milljón kg af jarðeldsneyti.
 Engin langlíf geislavirk efni. Geislavirku efnin verður hægt að endurvinna eftir um 100 ár.
 Öryggi. Þar sem það þarf svo lítið af efni er ekki möguleiki á stórum kjarnorkuslysum.

 Saga kjarnasamruna rannsókna 
Á seinni hluta tuttugustu aldar fóru vísindamenn virkilega að spá í að herma eftir nýtingu sólarinnar á orku. Að framkvæma kjarnasamruna, líkt og sólin, á jörðu niðri. Rannsóknir voru í upphafi, lítil og leynileg verkefni, seinna þróaðist það í alþjóðlegt samstarf eins og við sjáum í dag.

Fyrstu kjarnasamruna rannsóknirnar fóru fram á Cavendish rannsóknarstofunni í Cambridge, Englandi í kringum 1930. Þá var talið að þetta væri ómögulegt. En eftir seinni heimsstyrjöldina og gerð fyrstu kjarnorkusprengjunnar, fengu menn aftur áhuga á kjarnorkufræðum. Ekki urðu miklar framfarir í þessum málum fyrr en samstarf hófst um allan heim þegar kalda stríðið rénaði. Alþjóðleg samvinna hófst þegar lönd opinberuðu rannsóknir sínar í Geneve 1958. Þetta leiddi af sér rannsóknarstofu í Culham á Englandi sem seinna varð að höfuðstöðvum JET. Tíu árum síðar tókst Rússum að gera hið fyrsta tokamak. Það náði tíu sinnum hærri hita en, önnur lönd höfðu náð. Þessi sama tækni er enn notuð í dag og er enn verið að fullkomna hana.

 Rannsóknir 
Þó að kjarnasamruna rannsóknir séu á byrjunarstigi, er mikið fjárfest í rannsóknum. Sem dæmi má nefna að ESB lagði um 10 milljarða evra fram til 1990 og einungis nýja verkefnið ITER hefur þegar fengið fjárveitingu uppá 10 milljarða evra. Kjarnasamruna rannsóknir fá um 750 milljón evrur (fyrir utan ITER) á meðan allar aðrar rannsóknir sem ekki tengjast kjarnorku fá um 810 milljón evrur. Nú þegar er búið að sýna að hægt er að vinna orku við kjarnasamruna. Til dæmis hefur heimsins stærsta tokamak, JET (Joint European Torus) þegar framleitt 16 megavött. Aðal verkefnið sem rannsóknarmenn kljást við í dag er að gera þetta arðbært og nógu stórt svo það borgi sig. Rannsóknarmenn vonast til að verða komnir með virkt ver innan 30 ára og ef fjárveitingar halda áfram eru þeir bjartsýnir að ná því.

 Næstu skref 
Kjarnasamruna rannsóknarmenn hafa sett sér þetta 30 ára takmark með eftirfarandi markmið í huga:
  - fjölþjóðlegt verkefni í Frakklandi. ITER á að verða 500 megavatta tokamak og á að sanna gildi kjarnasamruna.
 (International Fusion Materials Irradation Facility) - tæki sem á að vinna með ITER og á að prófa efnin sem þarf í kjarnasamruna orkuver.
  - sýni aflstöð sem á að koma kjarnasamruna raforku í notkun.

 Tilvísanir 

 Tenglar 
 Heimasíða ITER

 Heimasíða CCFE
 Heimasíða EFDA European Fusion Development Agreement 
 Heimasíða JET 
 Vísindavefurinn 

Flokkur:Kjarnorka
Flokkur:Orka
Flokkur:Virkjanir