Är fusionskraften lösningen?
En atomforskare analyserar noggrant de hinder som måste avlägsnas innan fusionskraften kan användas för att fylla vårt energibehov
TÄMJANDET av fusionskraften (sammanslagning av atomer) är en överväldigande uppgift. Om man kunde utnyttja bara en enda av de olika fusionsreaktionerna, till exempel den som inbegriper två deuteriumatomer (nr 4 i tabellen på sidan 20), skulle man ha tillgång till ett outtömligt bränsleförråd. I hela världens vattentillgångar, de stora oceanerna inbegripna, går det 1 deuteriumatom på 3.000 vattenmolekyler. Tänk på det! En halvliter vatten skulle kunna ge 400 kilowattimmar energi, vilket är en månads elförbrukning i ett medelhushåll. Och vi skulle också slippa de växande lagren av radioaktiva klyvningsprodukter från de kärnkraftverk som nu är i drift. Är inte detta en lovande och hoppingivande lösning på energiproblemen?
Man kan använda en apparat som kallas cyklotron för att studera dessa reaktioner, men inte för att frambringa energi i användbar form. Det går åt mycket energi för att få upp milliontals partiklar i tillräckligt hög hastighet för att de skall reagera, men bara några få av dem träffar andra atomer och åstadkommer reaktioner som avger energi; alla de andra atomerna avger sin energi i små mängder och går till spillo. Det går åt mycket mera energi för att genomföra experimentet än vad som kan utvinnas av det.
Hemligheten med solens överlägsenhet när det gäller att alstra energi genom fusion är att dess inre är så hett att partiklarna behåller sin höga hastighet från en kollision till en annan, till dess de slutligen reagerar. Man inser alltså varför det är så svårt att få fram en användbar fusionsprocess här på jorden. Man måste på något sätt göra en kopia av en del av solens inre. Men hur kan man hetta upp väte till flera millioner grader och hålla samman det till dess det reagerar? Inget känt material skulle hålla för det. De material som är mest motståndskraftiga mot höga temperaturer smälter och förångas vid temperaturer på några få tusen grader.
Det är sant att vetenskapsmän har demonstrerat fusionskraften på jorden, men bara i fruktade vätebombsexplosioner. Allting i och omkring bomben förintas på bråkdelen av en sekund. Hur kan det då bli möjligt för människan att tämja ett sådant våldsamt och fruktansvärt monster och utnyttja dess energi?
Fusion i magnetisk inneslutning
Det kan låta omöjligt, men det finns faktiskt ett sätt på vilket man kan komma över det till synes oöverstigliga problemet. Det är genom användning av magnetisk isolering. Det fungerar på det sättet att väte upphettas genom en elektrisk urladdning till en så hög temperatur att det fullständigt omvandlas till partiklar som kallas joner. Vätet är då mer eller mindre splittrat i positivt laddade kärnor och negativt laddade elektroner. Detta tillstånd i materien kallas ett plasma. Om ett plasma omges av ett kraftigt magnetfält, kan de laddade partiklarna, jonerna, inte röra sig rakt fram, utan tvingas in i snäva korkskruvslika banor. Om magnetfältet är rätt utformat, kommer dessa spiralbanor att reflekteras fram och tillbaka mellan de två ändarna på behållaren, som blir en ”magnetisk flaska”.
I en annan metod böjs partikelbanorna till cirklar i ett toroid- eller ringformat magnetfält. I sådana anordningar kan inte protonerna och elektronerna komma i kontakt med väggarna på metallbehållaren, och partiklarna kan därför upphettas till flera millioner grader, medan behållaren förblir kall. Den mest framgångsrika apparaten av det här slaget benämndes tokamak av den ryske vetenskapsman som uppfann den.
På vilket sätt plasmat än innesluts av magnetfältet, måste plasmat uppfylla tre krav för att få fusionen att starta och fortsätta. Dessa krav gäller temperaturen, koncentrationen och tiden.
Först måste plasmat upphettas till antändningstemperatur. Reaktionen mellan deuterium- och tritiumatomer har den lägsta antändningstemperaturen — omkring 46.000.000 grader Celsius. Plasmat kan upphettas genom att man inducerar en elektrisk ström i det eller genom att man sprutar in en stråle av mycket energirika atomer. Men något som alltid motarbetar fusionsreaktionen är att plasmat förlorar energi när en partikel snuddar vid en annan. Vid dessa kollisioner frambringas röntgenstrålar, vilka lätt läcker ut genom magnetfältet, och på så sätt avleds värme från plasmat. Plasmat måste vara tillräckligt hett för att fusionens energiproduktion skall överstiga denna strålningsförlust, och först då uppnår man en reaktion som underhåller sig själv.
För det andra måste plasmat komprimeras för att partiklarna skall pressas samman till en mycket hög koncentration eller partikeltäthet — 100 billioner (1014) partiklar eller mer per kubikcentimeter. Och slutligen måste dessa betingelser bevaras under ett tidsintervall, som är tillräckligt långt för att ett nog stort antal kollisioner skall inträffa. Produkten av koncentrationen och tiden i sekunder måste överstiga åtminstone 60 billioner (60 x 1012). Det här talet kallas matematiskt sammanhållningsparameter. Det säger oss att om den maximala koncentrationen kan bevaras under till exempel en tiondels sekund, måste den här koncentrationen vara åtminstone 600 x 1012 för att fusionen mellan deuterium och tritium skall underhålla sig själv.
Plasmat kan komprimeras genom snabb förstärkning av magnetfältet. Samtidigt som detta ökar koncentrationen, upphettar det också plasmat ytterligare. Om magnetfältet är rätt utformat och kan hålla samman plasmat tillräckligt länge, blir resultatet fusion. Till stor besvikelse har det visat sig vara mycket svårt att åstadkomma detta. Plasmat är ett retfullt flyktigt material. Plasmat finner en svag punkt i magnetfältet, pressar sig in i den och bildar en utbuktning genom vilken det snabbt försvinner ut. Det påminner om en oskyddad innerslang till ett cykeldäck, vilken pumpas för hårt utan att ha stöd av ett ytterdäck.
Forskare har under många år och till kostnader på milliontals kronor gjort stora ansträngningar för att komma till rätta med dessa instabiliteter utan någon större framgång. Det är först under de två senaste åren som en del experiment har gett förhoppningar om att de herkuliska ansträngningarna att tämja det nyckfulla och ostadiga plasmat slutligen kan få framgång. Vid Massachusetts Institute of Technology i USA uppnådde en tokamak, kallad ”Alcator”, en sammanhållningsparameter på 30 billioner. Men temperaturen var alldeles för låg — bara omkring 10 millioner grader. I ett senare försök i Princeton i New Jersey i USA nådde fusionsreaktorn Large Torus en temperatur på 75 millioner grader — för första gången en tillräckligt hög temperatur för att starta deuterium-tritiumreaktionen. Men i det här fallet steg inte sammanhållningsparametern över värdet 1 billion. Fusionslågan fladdrade återigen och slocknade innan den egentligen var tänd.
Dessa första försök, som har fört oss närmare tröskeln till att uppnå jämvikt i fusionsreaktionen, har väckt förhoppningar om att den nästkommande generationen av fusionsreaktorer, som är större och dyrare, kommer att ge framgång. Inom de kommande två eller tre åren skall en fusionsreaktor byggas i Princeton i USA och en i Europa — i Culham i England. Dessa fusionsreaktorer kommer att kosta omkring 1,3 milliarder kronor vardera. Om dessa reaktorer med framgång kan uppvisa kontrollerad fusion, då kommer kärnfysikerna att vara redo att ta itu med andra hinder, som ännu finns kvar på vägen till en fusionsreaktor för kommersiellt bruk.
Ett problem, som dyker upp framför oss, är anhopningen av föroreningar i plasmat, vilka ”förgiftar” det. Förlusterna genom röntgenstrålar ökar starkt med stigande atomnummer på de inblandade atomkärnorna. Redan det gasformiga grundämnet helium orsakar åtta gånger större strålningsförlust än väte. När det gäller syre är förlusten 500 gånger större. Detta innebär att man måste hålla plasmat utomordentligt rent för att kunna utvinna användbar fusionskraft.
Om alla dessa problem kan lösas, hur skulle då en fusionskraftstation kunna se ut? En modell, som har satts upp vid University of Wisconsin i USA och som är grundad på de mest optimistiska fakta som än så länge finns tillgängliga, ger oss en uppfattning om hur ett fusionskraftverk skulle kunna se ut. Det ringformade kärlet skulle vara 27 meter högt och 44 meter i diameter. Kärlet skulle bestå av 12 sektioner på 3.500 ton vardera. Ytterbyggnaden skulle vara 102 meter hög och 120 meter i diameter. Dessa väldiga sektioner måste tillverkas så att de uppfyller de mest rigorösa normerna för högvakuum. De gigantiska magneterna som omger sektionerna skulle kylas med flytande helium till en temperatur inom fyra grader från den absoluta nollpunkten (—273° Celsius).
När anläggningen är i gång och dess laddning av deuterium och tritium, vilken uppnått fusionstemperatur, cirkulerar i det ringformade kärlet, kommer anläggningen att alstra 1.400 megawatt. Men var nittionde minut måste man stoppa hela denna jätteanläggning för att pumpa ut föroreningar och ersätta bränslet. Under detta periodiska avbrott på 6 minuter — 15 gånger per dag — måste man tillföra elnätet annan energi. Det är inte underligt att chefer för energiverk inte är entusiastiska över och ivriga för att ta över en sådan nyckfull jätte!
Laserfusion — en tröghetsmetod
En annan möjlighet att få fusionen under kontroll utvecklades i tysthet och avslöjades för någon tid sedan. Sättet kallas tröghetsinneslutning. En fusionsreaktor för den här metoden har ett antal laserstrålar symmetriskt fokuserade från alla sidor, så att de skär varandra i en gemensam punkt. En mikroskopiskt liten glasblåsa, som innehåller en blandning av deuterium och tritium, får falla genom konvergenspunkten. När glasblåsan befinner sig i det exakt rätta läget avfyras laserstrålarna. Alla strålarna träffar den runda blåsan samtidigt och upphettar kulan, som innehåller bränslet, med en effekt på flera millioner kilowatt under bråkdelen av en milliarddels sekund. Den plötsliga hettan upplöser glaskulan, och då det yttre glashöljet exploderar, trycker det in gasen och orsakar en s. k. implosion. Detta upphettar ögonblickligen bränslet till en temperatur på ungefär 10 millioner grader och komprimerar gasen till en partikeltäthet som är 200 gånger högre än den normala. Även om temperaturen är avsevärt lägre än antändningstemperaturen, är den tillräckligt hög för att ge upphov åt fusion i viss omfattning. I en del försök har så många som 10 millioner neutroner bildats. Bränslet sprängs nästan omedelbart isär, eftersom det inte finns något som håller det samman. Fusionen fortsätter bara så länge som bränslets tröghet håller samman väteatomerna; så snart som det intensiva trycket spränger isär dem, avstannar fusionen.
Den här metoden är i vissa avseenden mera lovande för tidig utveckling än metoden med magnetisk inneslutning. Men de lyckade experiment, som man hittills har gjort, är inte mer än en antydan om att tanken är vetenskapligt riktig. Det går åt tusentals gånger mer energi till att alstra laserstrålen än vad experimenten frambringar. Med hjälp av kraftigare lasrar kan man uppnå högre temperaturer, och fusionen kommer då att bli mera verkningsfull. Det kommer att behövas lasrar som är 10 till 100 gånger starkare än de starkaste lasrar som finns i dag för att nå den punkt där lika mycket energi kan produceras som behövs för att driva dem.
Men att få energiproduktionen att gå jämnt upp med energiåtgången är långt ifrån att få intäkterna att gå jämnt upp med investeringarna. Även om man skulle kunna tillverka lasrar med den nödvändiga styrkan, kan man få ut bara en liten mängd energi från varje enskild kula. För att få användbar energi skulle det krävas att lasern sände ut strålar hundratals eller tusentals gånger i minuten, samtidigt som ett lika stort antal kulor passerade genom målpunkten. Det kommer att krävas stora ansträngningar för att utsträcka lasergeneratorernas användbara livstid och till en rimlig kostnad tillverka de mikroskopiskt små kulorna i milliontals exemplar.
Är fusionskraften verkligen en så ren energikälla?
Ett problem som är till nackdel för båda metoderna är den radioaktiva föroreningen. Det förhåller sig verkligen så trots de påståenden som ibland görs om att fusionskraften kommer att vara fri från detta gissel som fissionskraften för med sig. En del fusionsreaktioner (nr 4 och 5) inbegriper tritium, som är vätets radioaktiva isotop. Dessa reaktioner frambringar också neutroner, som smiter ut i omkringliggande material och gör dem radioaktiva. I tabellen över fusionsreaktioner kan vi lägga märke till att reaktionerna i solen är ”rena”. Dessa reaktioner avger inte någon radioaktiv strålning. Av de övriga reaktionerna är det bara den mellan deuterium och helium-3 (nr 6) som inte avger radioaktiv strålning. Det är tyvärr så att alla dessa rena reaktioner kräver en mycket hög antändningstemperatur.
Eftersom deuterium-tritiumreaktionen (nr 5) har den lägsta antändningstemperaturen, är det den enda reaktionen som används inom forskningen för närvarande, och det är förmodligen den som kommer att användas i de första fusionskraftanläggningarna. Den här reaktionen frambringar rikligt med neutroner — ett långt större antal per energienhet än vad uranklyvning frambringar. Dessa neutroner kommer att göra nästan allting i och omkring reaktorn radioaktivt. Det kommer alltså att bli en farlig uppgift att handskas med reaktordelar, då de behöver repareras eller bytas ut.
Till denna aktivering kommer att metallhöljet runt reaktorn skadas genom att neutronerna stöter bort atomerna i metallhöljet. Detta försvagar materialet, så att till exempel de ringformade sektionerna till den magnetiska reaktorn troligen inte kommer att hålla längre än två till fem år. Att flytta dessa kolossala radioaktiva konstruktioner, som väger 3.500 ton och är höga som niovåningshus, ut ur anläggningen och göra sig av med dem utgör en skrämmande uppfordran. Mängden radioaktivt avfall från ett fusionskraftverk kan befinnas vara större än från de nuvarande kärnkraftverken.
En annan sak, som ofta förbises, är att tritium självt är radioaktivt. Tritium finns i små mängder i atmosfären och bildas genom inverkan av kosmisk strålning på syre och kväve i atmosfären. Mätt i enheten för radioaktivt sönderfall (curie) är tritium inte tillnärmelsevis så farligt som sådana klyvningsprodukter som jod och strontium, men den mängd tritium som behövs för att driva ett fusionskraftverk skulle ge hundratals millioner curie. Det går inte helt att undvika läckage; i vanliga fall kan det hållas så lågt som 10 curie per dag. Men vid ett oväntat utsläpp — väte blandat med luft är när allt kommer omkring explosivt — skulle detta väte snabbt förena sig med syre och bilda vatten och oåterkalleligt spridas över hela jorden. Tritiumläckaget från en enda anläggning skulle kunna öka tritiumkoncentrationen i atmosfären runt hela jorden med 1.000 procent.
Med jämna mellanrum får man i Förenta staterna höra optimistiska nyhetsrapporter om nya framsteg på vägen till fusionskraft. Dessa rapporter tycks vanligen komma just då det är dags att lämna in den årliga begäran till kongressen om att få mer pengar till att utvidga forskningen. Men kalla fakta visar att ekonomiskt lönsam fusionskraft ligger långt fram i tiden, även om alla de nu kända problemen kunde lösas. Edward Teller har sagt att användbar energi från laserfusion kan fortfarande ligga två generationer fram i tiden.
Obegränsad energi från fusionskraft
Om man i sitt sinne skulle bygga ett idealiskt fusionskraftverk, skulle det vara något i den här stilen: Först skulle man skaffa tillräckligt mycket väte, så att det kunde hålla samman sig självt genom gravitationskraften; detta skulle lösa alla problem med inneslutning. Gravitationens inverkan på denna väteboll skulle öka dess temperatur och partikeltäthet tillräckligt mycket för att starta fusionsreaktionen. Balansen mellan gravitation och inre tryck skulle automatiskt reglera reaktionens hastighet, så att den varken skulle bli för långsam eller bli okontrollerad.
I stället för att bygga minutiösa skyddsanordningar för att stänga inne radioaktiv strålning skulle vi minska strålningen till en ofarlig omfattning genom att helt enkelt placera denna kärnreaktor på ett acceptabelt avstånd — låt säga 150 millioner kilometer bort. I stället för att bygga kraftledningar för att transportera energin till oss skulle den helt enkelt kunna förmedlas till oss genom strålningsenergi: värme och ljus. För att skydda oss själva mot vilsekomna och hemlösa protoner eller neutroner från reaktorn skulle vi slutligen bara svepa in oss i ett svagt magnetfält för att avskärma dessa partiklar och ett luftlager för att absorbera dem.
Du inser säkert att detta slag av fusionsreaktor är just det som vår skapare har försett oss med — nämligen solen. Hur tacksamma bör vi inte vara för att den vise danaren av och källan till all energi har försett jordens alla invånare med en aldrig sinande, obegränsad energikälla! Och vi kan bara ta för oss av denna energi, utan att det vid månadens slut kommer en värmeräkning.
[Infälld text på sidan 19]
Om ett fusionskraftverk vore i gång, skulle det vara nödvändigt att var nittonde minut stoppa denna jätteanläggning för att pumpa ut föroreningar och ersatta bränslet.
[Infälld text på sidan 21]
”Kalla fakta visar att ekonomiskt lönsam fusionskraft ligger långt fram i tiden, även om alla de nu kända problemen kunde lösas.”