Fusjon

Historie:
Den 6. august 1945 vart den fyrste kjernefysiske bomba slept over Hiroshima i Japan. Ca. 80 % av byen vart øydelagt, tala er usikre, men ca. 140 000 menneske vart drepne og meir enn 100 000 vart såra. Den andre kjernefysiske bomba vart slept over byen Nagasaki, som også ligg i Japan. Der vart ca. 30 % av byen øydelagt, omtrent 74 000 menneske døydde og over 40 000 vart såra. Me veit ikkje eksakt kor mange som tok skade eller døydde i ettertid som følgje av bombene, men det var altfor mange. Dette er triste fakta rundt introduksjonen av kjernefysiske våpen. Desse bombene var fisjonsbomber og avgjorde til slutt krigen, men med ny teknologi fekk forskarane også kunnskap om enda sterkare midler.
Våpenkapplaupet som seinare fylgde opp i den "kalde krigen" sørgde for at kjernefysiske våpen vart ikkje berre aktuelt, men ei viktig brikke i opprustningskampen. Den nye hydrogenbomba, som utnytta den nye teknologien, var eit mykje verre våpen enn plutoniumbomba, som er ei fisjonsbombe. Dei som såg galskapen i dette og gjekk imot denne utviklinga, som t.d. vestlege vitskapsmenn og sjølvsagt hippiane, vart av den vestlege verda kalla kommunistar.

I kjernefysiske våpen vert energien i atomkjerna frigjort, med denne teknologien sit vitskapsmenna med ei energikjelde til disposisjon som har heilt ufattelege energimengder. Dei har vore opptekne av å utnytta denne prosessen på ein fredeleg og konstruktiv måte heilt sidan slutten av 2. verdskrig. Me har to måtar å frigi atomenergi på, fisjon (spalting) og fusjon (samanslåing). I dagens kjernekraftverk vert atomkjernane spalta. Den andre måten er at lette atomkjernar smeltar saman, fusjonerar, og me får eit massesvinn som vert frigjort i form av kinetisk energi. Viss ein legg vekt på fredeleg og kontrollert måte er det eit svar innan kjernefysikk som er mykje betre enn dagens fisjonkraftverk, og det er fusjonskraftverk. Det at det er denne fusjonsprosessen som skapar energi på sola hadde ein tidlegare funne ut av. Viss me kunne få til dette på jorda ville det vera fantastisk, men det er lettare sagt enn gjort og utfordringane står i kø.

Vidare skal du t.d. få vita meir om denne prosessen, utfordringar me møter, fordelar og ulemper med fusjon, dagens prosjekt og framtidsvyer, berre gled deg !

Kva er Fusjon

I ein kjernefysisk fusjon slår to lette atomkjernar seg saman til ein tyngre atomkjerne. Dei lette kjernane har høg masse per nukleon og liten bindingsenergi per nukleon, medan den tunge kjernen har låg masse per nukleon og høg bindingsenergi per nukleon. Me får frigjort energi ved at nukleona fell ned i ein "energibrønn", då minkar den samla massen og me får eit massesvinn. At ein del av massen forsvinn fortel oss at det er blitt frigjord ein reaksjonsenergi. Me kan finna massesvinnet ved å ta massen før fusjonen minus massen etter fusjonen, vidare kan me finna reaksjonsenergien ved E = mc2 , der E er reaksjonsenergien, m er massesvinnet og c er lysfarten. Er "energibrønnen" djup er bindingsenergien stor og det blir sendt ut meir energi frå nukleona. Her på jorda er det veldig vanskeleg å få til ein fusjon. Skal to lette atomkjernar som er positivt ladde bli til ein tyngre atomkjerne så må farten på kjernane være så høg at kjernane ikkje klarer å fråstøte kvarandre. For å oppnå ein så høg fart må temperaturen være millionar av grader. Det er den høge temperaturen som gjer det vanskeleg å få til ein fusjonsprosess som gir overskot av energi. I sola og stjernene skjer det fusjon heila tida som skapar energi. Det er då i hovudsak to hydrogenkjernar som fusjonerer til ein heliumkjerne. Det er denne fusjonen på sola som gjer at me kan leve her på jorda.

Ei lita forklaring av figuren nedanfor. Fe-56 og Ni-62 er dei mest stabile grunnstoffa. Fram til jern og nikkel gir fusjonen overskot av energi, etter jern og nikkel gir fusjonen eit underskot av energi.

Packing_Fraction.gif

Fusjon i sola:
Sola består av heile 75 % hydrogen, 24 % helium og 1 % restar av forskjellige stoff. Den viktigaste fusjonen i sola er fusjonen av to hydrogenkjernar til ein helium kjerne, her blir varme og lys produsert. Grunnen til at sola lyser er at i fusjonen fra hydrogen til helium blir den energien som er til overs send ut som lys. Under ser du eit av dei mange fusjonstrinna i sola. Nemleg det første trinnet i ein hydrogen --> helium fusjon, her kjem ei lita forklaring på kva som skjer her. Den ekstremt høge temperaturen og den høge tettleiken inne i sola gjer at to positivt ladde hydrogen mogelegeheita til å slå seg saman å dermed danne deuterium, som er ein hydrogenisotop. I tillegg til deuterium vert det slengt ut eit antielektron, eit nøytrino og energi av reaksjonen. Du ser forklaringar under.




Fusjonsenergi i dag?

Dagens prosjekt:

Under finn du eit bilete av ein fusjonsreaktor. I ein slik reaktor skjer nesten det same som inne i ei stjerne. Det som er så bra med ein slik fusjonsreaktor er det at den vil gi tre gongar så mykje energi som ein vanleg kjernekraftverk. Radioativiteten er også mykje mindre, noko som gjer det mykje mindre farleg. Rundt reaktoren er det store magnetar som dannar eit magnetfelt. Dette feltet held på plass elektrisk ladde partiklar som bevegar seg i banar og temperaturen vert ekstremt høg, heilt opp mot 100 millionar grader. Ein har endo ikkje klart å danne ein fusjonsreaktor med energiutbytte, men ca 30-50 år fram i tid satsar ein på at ein skal ha klart det. Det eksisterer ei rekke reaktorar som er til for å drive forskning, døme på det er "tokamak" og "ITER".



reaktor.bmp

Prototypar:

JET
Jet-prosjektet er eit prosjekt som tok til å byrja tidleg på 80-talet. JET står for Joint European Torus og er eit stort eksperiment som på den tida då det vart bygd var meir enn 100 gongar så stort som noko anna eksperiment ein hadde bygd før. Den vart bygd ved Culham-laboratoriet utanfor Oxford og stod ferdig i 1983. Det var eit fellestiltak mellom landa i EU og også med deltakelse frå Sveits og Sverige. I dag vert maskina brukt til å teste ut metodar og komponentar fro framtidige maskinar. Det vert konsentrert rundt prinsippa fro oppvarming av plasma basert på ohms motstand, radiofrekvensbølgjer og injeksjon av energetiske hydrogenatom.

ITER
ITER står fro International Thermonuclear Experimental Reactor. Det er ein tokamakreaktor som vert brukt til forskning og vart bygd av nokre EU-land, Russland, Kina, USA, Sør-Korea og Japan. Den tok i bruk deuterium og tritium i reaksjonen. Forskinga rundt ITER er prosjektert til 35 år. Målet er å teste systemer og materialer for kjernefysisk fusjon, men den vil ikkje kunna holde ein reaksjon i gong. Det er allereie planlagt nye forsøk for fram
File:HiPER baseline design.jpg
File:HiPER baseline design.jpg
tida basert på framtidige resultat ITER vil gi. ITER skal byggjast i Europa, nermare bestemt i Cadarache i Sør-Frankrike. Viss alt går som det skal vil det bli danna plasma i slutten av 2016

HiPER
HiPER står for High Power laser Energy facility og er ein fusjonsreaktor som skal startast å byggjast rundt 2010. HiPER er det første eksperimentet som er spesialisert i å studera rask anntenninga for fusjon. Budsjettet er skyhøgt og reaktoren vart plassert innad i EU. Med HiPER har dei har enda større visjonar enn med NIF. Målet er å få HiPER til å produsera eit overskot av staum etter kvart, men det viktigaste er å samle kunnskap og erfaring, for det er ikkje ein ferdig fusjonsreaktor, det er me ikkje i stand til å lage i dag, men eit forskningsprosjekt.

NIF
NIF står for National Ignition Facility og det er ein laser-basert fusjonsreaktor. Den ligg i Lawrence Livermore National Laboratory i USA og fusjonsprossessen der er driven av ein laser som komprimerer ei liten mengd hydrogen til fusjonsprossessen startar. NIF er den første fusjonsreaktoren som er forventa at skal produsera eit overskot av straum. Byggjinga vart starta i 1997, men fleire problem har dukka opp under vegs. Den skikkelege starten på reaktoren er forventa før 2010.
File:NIF building layout.jpg
File:NIF building layout.jpg

Fordelar med fusjon:
I dagens samfunne stilles det stadig høgare krav til miljøvennligheit. Derfor er fusjon eit godt alternativ. I ein fusjonsprossess dannest det store mengder energi og der er nesten utan å skade miljøet. Det er krevjande å byggje ein reaktor, men store delar av drivstoffet kan utvinnast av vatn. Dette er også ei anna positiv side, Drivstoffet i reaktoren er deuterium og tritium, og det skapar ikkje utfordringar i form av mangel på drivstoff, ikkje før om veldig lenge iallefall.
Dimensjonane i fusjonskraftverka er også enorme i forhold til dagens standard. Viss me klarar å laga reaktorar som produserer meir stram enn det det går med i prosessen, kan me komme opp på uante produksjonsnivå.
I dag står me også ovanfor eit stort energibehov og det er berre aukande. Store land som Kina og India vert plutseleg store konsumentar og den vestlege verda vil ikkje gi opp på komfort. Ved å lage skikkelege fusjonskraftverk kan me sikra framtida.
I ein fusjonsprossess sit me heller ikkje igjen med høgradioaktivt avfall. I ein fisjonsreaktor får me radioaktive stoff i prossessen og dei må lagrast for lang tid. På vegen til fusjonsenergi er det også litt radioaktivitet inne i biletet, men ikkje på same nivå som i ein fisjonsprossess og dei har dessutan mykje kortare halveringstid.

Ulemper med fusjon:
I dag er det ikkje lønsamt å drive med fusjon, teknologien er ikkje utvikla godt nok til at me får ut meir energi enn me bruker i prosessen. Reaktorane er plasskrevjande fordi dei må vera store av økonomiske grunnar. Dei av reaktorane som brukar tritium har ei ulempe. For å framstilla tritium treng ein litium og på lang sikt finnast dette berre i ei avgrensa mengd på jorda. Strukturane som fangar opp nøytronstrålinga må aktiverast og ha lang haldbarhet, det er eit problem i dag.
Akkurat dette problemet kan avgrensast ved å finna dei rette materiala, og om me ikkje får til fusjonsreaktorar i fyrste gong, vert det iallefall danna eit godt grunnlag for framtida og me kan jo aldri vita kva den framtidige teknologien vil utretta.
I tillegg er det ikkje forventa at ein fusjonsreaktor vil produsera eit overskot av straum før i 2050.

Kald fusjon:
Våren 1989 gjekk Pons og Fleischmann, ved universiteten i Utah, ut på ein pressekonferanse med oppsiktsvekkjande resultat. Under elektrolyse ved romtemperatur av tungtvatn med palladium-elektroder fekk dei ei energiutvikling og danning av produkt som berre kunne forklarast ved kjernefusjon ved romtemperatur, som vert kalla "kald fusjon". Nyhenden om "kald fusjon" førte til stor oppsikt og viss forskarane hadde rett, ville verdas energibehov vera dekka for framtida. Var dette for godt til å vera sant? Det vart sett i gang intens forsking over heile verda, men resultata var magre. I dag er fenomenet "kald fusjon" kontroversielt i mange forskarkretsar. Resultata som kom fram i dei følgjande eksperimenta førte til kritiske og negative haldningar blant kjemikarar og fysikarar til Pons' og Fleischmanns gjennombrot. Denne gangen var det nok for godt til å vera sant, for i dag ca. 20 år etter, er enno ikkje verdas energiproblem løyste.

Viktige personar:
Hans Albrecht Bethe vart fødd 2. juli 1906 i Strassbourg og døydde 6. mars 2005 i Ithaca i USA. Han var ein tysk-amerikansk fysikar som har hatt stor betyding for det me veit om kjenefysikk, og spesiellt fusjonsprosessar, i dag. Han gjekk på gymnas og studerte i Frankfurt, og tok doktorgrad i teoretisk fysikk ved Ludwig-Maximilians-Universität München i juli 1928 under professor Arnold Sommerfeld. Allerei før han fylte 25 år, underviste han ved universiteta i München, Frankfurt og Stuttgart. I 1933 reiste han frå Tyskland og hadde eit midlertidig opphald i England, delvis fordi mora hans var jøde, før han to år seinare kom til New York i USA.

Han var med under utviklinga av atombombene som avgjorde 2. verdskrig i 1945, men tok seinare avstand frå denne typen forsking og verksemd. Saman med Albert Einstein vart han aktiv i anti-atomvåpenarbeid. I 1967 fekk han Nobelprisen i fysikk, bakgrunnen for dette var forskinga hans på energiskapingsprosessane i stjerner, der han kom fram til to svar og kunne avkrefte andre mogelegheitar. Han kom fram til karbon-nitrogen-syklusen og proton-proton-fusjonering, og hans arbeid kjernefysiske reaktorar talte også for at han var ien verdig mann for prisen. I 2001 vart han også verdsatt med Bruce-medaljen.

Albert Einstein -
Det er jo også på sin plass å nemne Albert Einstein, det var han som utleia E=mc2
Det er massesvinnet i fusjonsprossessen som skapar dei store mengdene energi.




Fil:D-t-fusion.png
Fil:D-t-fusion.png

Kjelder:
http://folk.uib.no/nmagb/fusjoncom.pdf
http://www.kjemi.uio.no/periodesystemet/vis.php?e=Pd&id=714
http://no.wikipedia.org/wiki/Positron
http://images.google.no/imgres?imgurl=http://3bytafa.wikispaces.com/file/view/Packing_Fraction.gif&imgrefurl=http://3bytafa.wikispaces.com/Fusjon%2Bog%2Bfisjon&usg=__ZQBx4A3cCxCG8rYffuFU1YHrcZA=&h=360&w=540&sz=11&hl=no&start=34&tbnid=14KnhKSDKqH_JM:&tbnh=88&tbnw=132&prev=/images%3Fq%3Dkjernefysisk%2Bfusjon%26gbv%3D2%26ndsp%3D18%26hl%3Dno%26sa%3DN%26start%3D18
http://no.wikipedia.org/wiki/Kjernefysisk_fusjon
http://en.wikipedia.org/wiki/Fusion_power
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1967/bethe-bio.html