Eg sit på felleskjøkkenet blant tomme flasker, halvfulle glas og sigarettstumpar. Naboen min, som studerer ved Noregs idrettshøgskule, stuper ut i kulda på altanen mens han skrik fortvila: Ølet!

Han smiler når han kjem inn att med kassa. Ølet har tolt minusgradene utan å frysa. I lykkerus opnar han ei flaske, og ho eksploderer. Glas og frose øl fyk veggimellom. Han trur ikkje det han ser, og opnar ein ny flaske, med same resultat.

Me fekk ein slåande, men dyrkjøpt lærdom om spontan faseendring av underkjølt væske. For at ei væske skal frysa, trengst det frysekjernar i væska. Då flaskene vart opna, fall trykket, kolsyra vart til frysekjernar, og ølet fraus momentant. Då ølet gjekk frå flytande til fast form, vart molekyla meir ordna og samanbunde. Då gav ølet frå seg energi som sprengde flaska.

Eit stoff kan vera i fire ulike fasar, nemleg fast, væske, gass og plasma. Kva for ein fase eit stoff er i, kjem an på bindingsenergien. I figur 1 ser du dei fire fasane med tilhøyrande bindingsenergi.

Meir enn 99,9 prosent av alt stoff i universet er plasma. Grunnen til at me ikkje bryr oss så mykje om denne tilstanden, er at plasma omtrent er fråverande på jorda. Av naturlege fenomen er det berre i lyn det er varmt nok til å produsera plasma. Sola, derimot, er ei diger plasmakule. Ho sender ut ein kontinuerleg straum av plasma, solvinden, som vert fanga opp i magnetfeltet til jorda og gjev oss vakkert nord- og sørljos.

I eit plasma er energien så høg at stoffet er vorte meir eller mindre ionisert. Elektrona vert skilde frå atomkjernane. Skal me laga ein fusjonsreaktor som etterapar sola, treng me hydrogenatomkjernar.

Figur 1. Entalpien, bindingsenergien, i eit stoff avgjer kva for ein tilstand eit stoff er i.

Illustrasjon: Flanker / Wikimedia Commons

Då både deuterium og tritium er positivt ladde, vil dei støyte kvarandre frå seg. For at dei skal koma nær nok kvarandre til å fusjonera (figur 2), må plasmaet vera tett og ha ein temperatur på om lag 3 milliardar grader. Inga gryte toler ein slik temperatur. Ein måte å løysa problemet på er å fanga inn plasmaet i eit smoltringforma ekstremt kraftig magnetfelt på titals tesla. Til samanlikning er magnetfeltet til jorda nokre mikrotesla og ein MR-maskin eit par tesla.

Figur 2. Fusjon av deuterium med tritium til helium-4 frigjer 17,6 MeV (1 MeV=4,45*E-20 kWh) rørsleenergi, medan masse forsvinn (E=mc^2). Vert 1,3 tonn helium danna, er Noregs årlege straumforbruk (156 TWh) dekt.

Illustrasjon: Wykis / Wikimedi Commons

Problemet er at ein ikkje klarar å få varma plasmaet opp til meir enn om lag 200 millionar grader. Likevel er det von. Kvantemekanisk tunneleffekt sørgjer for at atomkjernar kan slå seg saman ved lågare energi, og i eit tett varmt plasma vil farten til atomkjernane variera, slik at dei snøggaste startar kjernefysisk fusjon.

Kriteriet for å få til ein kontrollert fusjon med energivinst vert kalla Lawson-kriteriet etter den britiske fysikaren John David Lawson, som publiserte det i 1957. Det seier at tettleiken av ladde partiklar n, innesperringstida t og temperaturen T i plasmaet må vera gjeve ved: n*t*T>3,5*E20 sK/m^3. Ingen reaktor klarar dette enno.

For å varma opp plasmaet brukar ein elektromagnetiske bylgjer. Når sjølve fusjonsenergien er komen i gang, kan energien frå denne prosessen også medverka til å halda på varmen. For å henta energien ut av reaktoren kan ein varma væske som gjev damp til ein generator (figur 3), på same måte som for eit konvensjonelt fisjonsenergiverk.

Det er mange ulike initiativ rundt i verda for å laga fusjonsenergiverk. I Europa har me ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) i Frankrike. Det er en testreaktor som skal vera i full drift i 2035. I USA har dei eit spanande prosjekt, SPARC (Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact), som byggjer på den siste utviklinga av superleiande magnetar.

Dei magnetane gjev mykje sterkare magnetfelt enn dei som er brukte i ITER, og dimed kan SPARC byggjast mykje mindre og billegare. SPARC vil frigjera ein effekt på 140 MW i 10 sekundars pulsar og gjeva to til ti gonger meir energi ut enn tilført. Vert SPARC vellukka, vil ein gå i gang med å byggja eit fusjonsenergiverk som kan starta opp i 2035.

Å bruka kjerneenergi basert på fusjon er mykje betre enn fisjon. Sidan hydrogen vert brukt, er det ingen fare for å gå tom for brensle. Fusjonsprosessen brukar tritium, som er radioaktivt, men halveringstida er berre 12,3 år. Verre er det med dei frie nøytrona, men dei vert absorberte i sjølve reaktoren. Framtida er ljos, og snart har me ei utømmeleg energikjelde.

Per Thorvaldsen

per.eilif.thorvaldsen@hvl.no