Fusionskraft

Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete

Frågeställning och hypotes
Jag har valt att forska om fusionskraft och så här i början så vet jag nästan ingenting om fusionskraft, dethär är några frågor som jag hoppas på att få svar på under arbetets gång: Kan fusionskraften vara framtidens bränsle? Jag tror mycket väl att det är just det som fusionskraften kan vara, den är ju väldigt ny och även om man inte har några kraftverk just nu så tror jag att de kommer att komma i framtiden. Kommer det att kunna ersätta kärnkraften? Det tror jag nog att fusionskraft kan göra när man väl börjar att bygga kraftverk. Hur pass miljövänlig är fusionskraften egentligen? Jag vet inte riktigt om fusionskraft är så bra för miljön för det ger radioaktivt avfall och låter ju inte så bra för det finns ju miljövänligare kraftkällor som inte gör det.

Metod
Jag hat tänkt att främst använda mig av internet och böcker för att söka efter fakta. Jag tänker också göra en intervju med en professor i fysik.

Fusionskraft
Fusionskraft är en relativt ny kraftkälla som man har forskat om sedan 50-talet. Fusion innebär att man slår ihop lätta atomkärnor med varandra så att det blir tyngre atomkärnor. Det finns två typer av fusion, varm och kall. Den varma har man kommit längst på medans man nästan inte gjort några framsteg med den kalla alls och många anser att kall (rumstempererad) fusion är omöjlig. Fusion sker ständig i solen och stjärnorna.. Den stora mängden energin som frigörs från stjärnorna och solen är resultatet av materia som omvandlats till energi. Detta inträffar när den lättaste atomen väte hettas upp till väldigt höga temperaturer (10-15 miljoner grader i solen) och bildar en speciell gas kallad ”plasma”. I plasman slås väte atomer samman och bildar en tyngre atom, helium. I fusionsprocessen omvandlas en viss mängd av vätet direkt till stora mängder energi.

Fusionsreaktorn
På 50-talet började ryssarna att experimentera med fusionskraft. Andrej Sakharov var en rysk forskare som utvecklade reaktortypen tokmak som fortfarande används vid försöken idag. I tokmaken så frigörs energin genom att två väte atomer slås ihop till en helium atom. Detta kan man göra på många olika sätt ,men den metod som de som utvecklar fusionskraften vill använda är den så kallade D-T-reaktionen, där deuterium (D)och tritium (T) (två väteisotoper) används. Man räknar med att så småningom kunna enbart använda deuterium eller deuterium och helium (3He) i reaktionen. Vid temperaturerna som krävs för D-T fusion, över 100 grader C, har bränslet ändrat sin form från gas till plasma, detta innebär att elektronerna avskiljs från atomkärnorna och börjar röra sig fritt. För att hålla den heta gasen –plasmat- samman har man gjort försök med s k magnetiska flaskor. I en sådan reflekteras plasmat fram och tillbaka mellan två strömspolar. Tokmaken bygger på magneter som är superledande och nedkylda till den absoluta nollpunkten, magneterna håller plasmat av väteatomerna i schack. Plasmat är upphettat till över 200 miljoner grader och kan smälta alla material som finns och måste därför hållas flytande med hjälp av magnetfältet.

Magnetisk flaska
Man arbetar därför med väldigt små mängder bränsle, bara ett milligram åt gången . En härdsmälta i en fusionsrektor kommer aldrig att kunna inträffa eftersom att man i framtida reaktorer bara kommer att använda ett gram bränsle åt gången. Trots att en fusionsreaktor är helt miljövänlig bildas en del radioaktivt avfall , men det avfallet blir ofarligt efter bara 100 år och vissa forskare hävdar att man kan minska tiden till 10 år genom att välja rätt material i reaktorväggarna. Problemet för fusionsforskarna hittills har varit att det krävs så extremt höga temperaturer för att sätta igång reaktionerna och väldigt mycket energi för att åstadkomma dessa temperaturer. Därmed har försöken med fusion som gjorts slukat mer energi än vad de frigjort.

JET och ITER
Idag så finns det endast en enda experimentreaktor i världen den heter Joint Erouperian Torus ligger i södra England tio mil ifrån London. JET projektet har funnits i femton år och ska läggas ner nästa år. JET började planeras i början av 70-talet , började byggas 1978 och stod färdigt 1984. JET använder en tokmak, med 1,25 meter och en största radie på 2,96 meter. Storleken är tre gånger mindre än vad som är förväntat i en kommersiell reaktor. I dagens tokamak har temperaturer upp till 300 miljoner Kelvin uppnåtts, och en faktor mellan insatt energi och utvunnen energi av 65% (Q=0,65), vilket är världsrekord. Forskarna på JET försöker att komma upp till 100%, men det anses inte gå med dagens teknik och den storlek som tokamaken har. ITER Eftersom att det går åt mer energi att driva reaktionen i JET än vad man får ut så måste man lägga ner JET och bygga en större reaktor för att kunna få ut mer energi av experimentet. International Thermonuclear Experiment Reactor är nästa stora projekt som är på gång. ITER är planerad att bli en teknisk försöksanläggning på väg mot en riktig fusionsanläggning. Ritningarna för konstruktionen till den nya fusionsanläggningen är redan klara och ITERs tokmak ska vara cirka 20 gånger större än tokmaken i JET. ITER är ett samarbete mellan Europa, Japan och USA. Priset beräknas till ungefär 60 miljoner kronor. Platsen där ITER ska ligga är inte bestämd än men det troligaste är att den hamnar i Japan.

Reaktionen
Rektionen i ett fusionsverk är i stort sett samma som sker i solen.
Deuterium + Tritium  Helium + neutron + energi

I fusionsreaktorn pumpas väteatomer in i kammaren och värms upp av mikrovågor, högspänning och beskjutning med neutroner till extremt hög temperatur. Ett starkt magnetfält håller plasmat borta från reaktorkammarens väggar för att undvika nedkylning.

D-T-reaktionen

När temperaturen blivit tillräckligt hög bildar deuteriumkärnan och tritiumkärnan en sk compoundkärna som är otroligt instabil p.g.a. att den har för många neutroner i förhållande till antalet protoner. Compoundkärnan faller därför sönder direkt och bildar en heliumkärna och en neutron. Rörelseenergin i heliumkärnan håller temperaturen uppe medan neutronen kastas mot reaktorväggen med enorm hastighet. Det är här som rörelse energin omvandlas till värme. En värmeväxel alstrar sen elektricitet som i ett vanligt kraftverk.

Bränslet

Litium är den lättaste metallen , förekommer i mängder i jordskorpan. Om hela världens elektricitet skulle förses av fusions kraft så skulle alla nu kända reserver räcka i åtminstone 1000 år framåt.
Tritium förekommer inte naturligt utan tillverkas av litium maskinellt. 15 gram tritium utvinns ut 30 gram litium.
Deuterium finns det rikligt av eftersom att det kan utvinnas ur alla former av vatten. Om hela världens elektricitet skulle drivas av fusions reaktorer skulle deuterniumförråden räcka i ca 30 miljoner år. Det beräknas att 25 gram bränsle bestående av 10 gram deuterium och 15 gram tritium räcker för en människas elförbrukning under hela livet. 10 gram deuterium utvinns ur 500 liter vatten. Ur en liter vatten får man ut lika mycket energi som ur 300 liter olja.

Miljöaspekter
Fusionskraft är en mycket mer miljövänligare kraftkälla än t.ex. kärnkraft. Fusion bidrar inte till global uppvärmning och släpper inte heller ut några luftföroreningar. En fusionsreaktor släpper nästan inte ut nått avfall alls. Fusionsrektorns väggar blir dock radioaktiva efter ett tag och måste därför hanteras med samma försiktighet som motsvarande material i fissionsreaktorer men avfallet från fusionsreaktorn blir ofarligt efter bara 100 år och inte efter några sekel som avfallet från kärnkraften. Man tror också att man ska kunna lagra avfallet på platsen och återvända det. Bränslet tritium som används i reaktorn är lite radioaktivt och måste ständigt hållas under uppsikt. Tritiumet är dock bara farligt om det kommer in i kroppen vilket bara kan ske genom mun och näsa.


Fördelar
¤ En kraftfull ny energi källa

¤ Bränslet som används i fusionsrektionen är billiga, släpper inte ut några avgaser, tillgången är stor och de finns tillgängliga i nästan alla nationer

¤ Det radioaktiva avfallet som blir av reaktorväggarna blir ofarligt efter en relativt kort tid och man räknar med att kunna återvända det så småningom.

¤ Det finns ingen risk för härdsmälta som vid kärnkraftverk eftersom att man kommer att använda väldigt små mängder bränsle år gången i framtida rektorer

Nackdelar
¤ Ensålänge så tar det mer energi att driva testrektorerna än vad man får ut av dem

¤ Bränslet tritium som används vid processen är ett speciellt obehagligt radioaktivt ämne eftersom att det är en väteisotop och sprids därför lätt till alla levande organismer när det sprids ut i naturen
¤ Fusionsrektorn är fortfarande väldigt instabil och man tror att man tidigast år 2050 kan bygga det första fusionskraftverket

¤ Framtida fusionskraftverk kommer bara att löna sig om man bygger dem i högindustrialiserade områden eftersom att de måste byggas i mycket stora enheter för att bli konkurrenskraftiga

Intervju
Jag har gjort en intervju med Bertil Sundkvist, professor i fysik vid Umeå universitet.

Vad är svårigheterna med fusionskraft?

Den största svårigheten är att det krävs så väldigt höga temperaturer för att fusions- reaktionen ska inträffa, ungefär lika varmt som i solen, och eftersom att plasman är så pass het så smälter den igenom alla material som finns och måste därför hållas på plats med hjälp av väldiga magneter och därför måste fusionsreaktorn byggas väldigt stor och det leder till stora kostnader.

Varför kommer det att ta så lång tid innan man kan använda fusionskraft?

Man har ju lyckats att utvinna lite energi ur JET och har därmed visat att det går att använda fusionskraft som kraftkälla .Men det har bara bevisat EN sak och som det alltid blir med forskning, får man svar på en fråga så kommer det tio nya man vill ha svar på. Fusionskraft är en ny kraftkälla och man måste forska mer innan några fusionskraftverk kan byggas och nya frågor dyker som sagt ständigt upp

Tror du att fusionskraft är framtidens kraftkälla?

Njaa. Jag tror mer att det är solkraft som är det. Det är ju också som en slags fusion bara att själva reaktorn inte finns på jorden.


Diskussion
Man har gjort stora framsteg inom fusionsforskningen den senaste tiden och man har lyckats med att bevisa att fusionskraft går att använda och man har fått ut lite energi ur försöken, men det dyker ständigt upp nya frågor. Trots att man inte har utvunnit så mycket energi vid försöken, eftersom att man har varit tvungen att arbeta med så små mängder bränsle åt gången, så får man ändå ut lika mycket energi ur 1 liter vatten som man får ur 300 liter olja och bränslena tritium, deuterium och litium ser mera framtidsenliga ut än vad dagens fossila bränslen gör och när de fossila bränslena tar slut så erbjuder fusionskraften en kraftkälla som kan vara i minst 1000 år framåt och som kommer kunna ge mer kraft än t.ex. vindkraftverk.. Fusionskraft är ganska miljövänligt eftersom att det enda avfall som bildas vid fusionsprocessen är materialet i väggarna i rektorn som blir radioaktivt efter att tag. Det tar dock bara 100 år innan radioaktiviteten går bort och man tror sig kunna sänka tiden till 10 år och då man sen dessutom ska kunna lagra avfallet på plats för att återanvända det sen så blir ju det radioaktiva avfallet nästan inget problem alls. Fusionskraft släpper inte ut några föroreningar i luften och bidrar inte heller till den globala uppvärmningen. Fusionskraften kan mycket väl vara framtidens bränsle och ersätta kärnk...