"Godhet utan vishet och utan
gränser är bara en annan
form av ondska."
(John Paterson)

"Det är synd att 99% av
journalisterna skall fördärva
förtroendet för en hel yrkeskår"
(Okänd)

"Ormar äro älskliga varelser,
om man råkar tillhöra samma
giftgrupp"
(Artur Lundkvist)

"När försiktigheten finns överallt,
finns modet ingenstans."
(den belgiske kardinalen Mercier)

"Den som gifter sig med
tidsandan blir snabbt änka."
(Goethe)

"Civiliserade är de kulturer
och individer som respekterar
andra."
(Hört på Axesskanalen)

"Det tragiska med vanligt
sunt förnuft är att det
inte är så vanligt."
(Albert Einstein)

"Halv kristendom tolereras
men föraktas.
Hel kristendom respekteras
men förföljs."
(Okänd)

Senast ändrad: 2022 10 05 00:18

Kärnkraft — fissions- och fusionskraft

Bilaga till klimatserien

 

Inledning

Många lösningar som föreslagits för att rädda klimatet är bra (även om det skulle visa sig att klimathotet är starkt överdrivet), eftersom de också är bra för miljön. Dessvärre finns också föreslagna lösningar som i stort sett helt och hållet är slag i tomma luften. Meningslösa! En del av dem innebär bara godhetssignalering (virtue signalling), som Greta Thunbergs seglingar över Atlanten och hennes biltur med en Tesla genom USA, vilka båda gav mer utsläpp av växthusgaser än om hon och hennes pappa åkt vanligt trafikflyg fram och tillbaka över Atlanten och sedan åkt runt med en Volkswagen Golf TDI dieselbil (se del 6 för närmare diskussion av detta). Ett annat exempel är diskussionen om bärkassar, där seriösa undersökningar visar att den mest miljö- och klimatvänliga bärkassen är en vanlig, tunn plastpåse och att den absolut sämsta är tygpåsar av ekologisk bomull (se del 6). Men visst låter det bra med ”tygkasse av ekologisk bomull”! Det skapar de rätta vibbarna och man blir varm i hela kroppen bara av att uttala dessa magiska ord högt för sig själv, "tygkasse av ekologisk bomull, tygkasse av ekologisk bomull..."!

En del föreslagna lösningar bidrar förvisso till en bättre miljö och eventuellt ett bättre klimat men har också negativa konsekvenser (vindkraftverkens massdödande av fåglar och insekter, naturförstörelse och mänskligt lidande i samband med koboltbrytning — kobolt är en viktig komponent i litiumjonbatterier, etc). Man måste också ta hänsyn till de utsläpp och den energiförbrukning som är relaterad till tillverkningen av elbilar, solpaneler och vindkraftverk. Dvs när dessa maskiner börjar arbeta har de ett miljö- och klimatavtryck från sin tillverkningscykel som tar åratal att kompensera bort. En ärlig kalkyl av vår energiproduktion och dess utsläpp måste ta hänsyn också till dessa faktorer. Dessutom räcker det inte med att bara titta på utsläpp av växthusgaser. Ett energisystems verkningsgrad är minst lika viktig. Har vi låg verkningsgrad i ett system (t ex vätgasbilar), måste vi producera mer energi för att få ut samma nettoenergi och så länge inte all energi är grön leder detta till mer utsläpp av växthusgaser.

 

Fissionskraft

Kärnkraften (fissionskraften — se nedan!) har i princip inga utsläpp alls (bortsett från hetvatten) och är därför klimatneutral och borde vara idealisk ur klimatsynpunkt. Självklart får vi ett miljö- och klimatavtryck när ett kärnkraftverk byggs och för att ta fram det uran som skall driva reaktorerna. Men detta gäller ju i lika hög grad vindkraftverk, solpaneler, elbilar etc. För att ersätta en enda kärnreaktor krävs 3 000 vindkraftverk av standardstorlek (2019). Japan och Tyskland är på väg att så snabbt det går lägga ned sina kärnkraftverk och åtminstone kortsiktigt (30-50 år framåt) ersätta dem med stora kolkraftverk. Sverige avvecklar kärnkraften allt eftersom våra reaktorer faller för åldersstrecket (om 30 år har vi inga kvar). Problemet med vindkraft och solkraft är att dessa inte alltid är tillgängliga. Därför måste vindkraft och solkraft kompletteras av tillräckliga backupsystem (vattenkraft, kärnkraft, kolkraft eller stora energilagringssystem). På natten har vi ingen solkraft, dvs halva dygnet, och om det samtidigt inte blåser, har vi ingen vindkraft (i många delar av världen är det ofta svagare vindar eller vindstilla nattetid). Då återstår bara kärnkraft, vattenkraft och/eller kolkraft som backup. Eller lagrad energi. Och när kärnkraften är borta, har vi bara vattenkraft och kolkraft och lagrad energi kvar (eller olje- eller gaskraft, vilka också bränner fossila bränslen). Och vattenkraften kan inte byggas ut speciellt mycket mer i Sverige utan stora miljöingrepp. Alltså, om vi vill utöka vår backupkapacitet (vilket blir nödvänding ju mer vind- och solkraft vi får), så återstår på sikt bara kolkraftverk och lagrad energi som backupsystem (om vi inte tillåter kärnkraft).

I en vanlig reaktor klyvs uran-235 genom att en uran-235-kärna absorberar en neutron (n). Detta kallas fission. Kärnan (kallas moderkärnan) blir då kritiskt instabil och sönderfaller omedelbart till två lättare atomkärnor (vilka kallas dotterkärnor — i fallet ovan utgörs dessa av barium-144 och krypton-89) samt ett antal neutroner (i bilden ovan 3 st). De senare absorberas av andra urankärnor, vilka i sin tur sönderfaller och sänder ut neutroner. Dessa absorberas av ytterligare andra urankärnor, vilka då sönderfaller. Etc, etc. Detta kallas en kedjereaktion. I en reaktor begränsas neutronflödet av styrstavar (se bilden nedan), varvid antalet sönderfall per tidsenhet kan kontrolleras. I en atombomb får kedjereaktionen ske okontrollerat, vilket leder till att alla kärnor sönderfaller nästan samtidigt (ungefär som en lavin som utlöses). Sönderfallsprodukternas (dotterkärnor och neutroner) sammanlagda massenergi är något mindre än moderkärnans massenergi och energiskillnaden används för att värma upp vattnet i reaktorn (eller ger upphov till en enorm explosion i fallet atombomb).

Beträffande kärnkraften så har den förvisso en del problem. Det största är att vissa av slutprodukterna är starkt radioaktiva och måste förvaras i upp till hundra tusen år (för de mest långlivade) innan de blivit ofarliga. Problem två är risken för katastrofer med stora utsläpp av radioaktivitet, antingen orsakade av olyckor/naturkatastrofer eller avsiktligt (terrorangrepp). Dagens kärnreaktorer är dock oerhört säkra och en olycka som den i Tjernobyl kan inte inträffa i en modern reaktor. Den reaktortyp som användes i Tjernobyl var mycket gammal och användes inte i Väst, eftersom den redan då ansågs alltför farlig. Det radioaktiva avfallet medför vissa risker men om det hela görs rätt är dessa risker mycket små. Dessutom finns tekniker, där man genom att bestråla reaktoravfall kan få de långsamt sönderfallande produkterna att sönderfalla mycket snabbare. Därmed blir man av med det farliga avfallet på tusen år eller mindre, i stället för hundratusen år (även om vi inte helt kan överblicka den geologiska stabiliteten där slutförvaringen skall ske hundratusen år framåt, kan vi göra det i tusen år). Man arbetar också på tekniker för att omvandla kärnavfall till kärnbränsle. Detta har stor potential och här kan man utvinna oerhörda mängder energi plus att man blir av med avfallet (läs t ex här). Dagens reaktorteknik i kombination med att snabba upp restprodukternas sönderfall och använda vissa av dem som bränsle gör, eller har åtminstone potential att göra, kärnkraften till en både säker och klimatsmart energilösning.

 

Principskiss för en s k kokvattenreaktor. I Sverige har vi lättvattenreaktorer, vilka har vanligt vatten som cirkulerar (vissa kokvattenreaktorer har tungt vatten i stället). 1 är själva reaktorn. Vid 2 ser vi bränslestavarna (röda). 3 är styrstavarna/kontrollstavarna (grå), vars lägen kontrolleras av elektriska motorer vid 5. Fissionen ökar i intensitet när styrstavarna dras ut (dvs rör sig nedåt i figuren). Blått betyder kallt vatten. Hettan från bränslestavarna får det omgivande vattnet (lila) att koka. 4 är cirkulationspumpar (jag gissar att vi längst ned har en elmotor och att man högst upp har en propeller eller liknande som gör att vattnet inne i reaktorn cirkulerar). Rött representrerar högtrycksånga. 15 är cirkulationspumpen för vattnet. Vid 6 kommer het ånga under stort tryck ut från reaktorn och driver högtrycksturbinen 8 och lågtrycksturbinen 9 (den senare tar tillvara energin som finns kvar i ångan från högtrycksturbinen). Ångturbinerna driver en generator betecknad med 10. 11 är en s k electrical generator exciter, vilken används för att kontrollera och stabilisera generatorns utspänning. Strömmen från generatorn (trefas växelström) tas ut vid 18. 12 är en ångkylare som kyler ned ångan så att den kondenseras tillbaka till vatten som går in i reaktorn igen. Ångkylaren tar kylvatten från havet (om reaktorn ligger nära havet, vilket normalt är fallet). 16 är cirkulationspumpen för kylvattnet. 14 är en förvärmare, som värmer upp vattnet från ångkylaren innan det går tillbaka in i reaktorn. Detta gör reaktorn mer effektiv och man tjänar in den energi som går åt till förvärmningen. En enda sådan här reaktor kan försörja en hel storstad med elektrisk energi!
Anläggningen släpper således ut varmt kylvatten (ca 10°C varmare än det kylvatten som tas in). I princip skulle man kunna använda detta vatten för fjärrvärme i ett närliggande samhälle. Frågan har utretts flera gånger i Sverige, man jag känner inte till att man fattat något beslut — i Schweiz finns ett kärnkraftverk som har ett sådant system. Man kan i och för sig förstå om folk skulle vara tveksamma till att ha "reaktorvatten" cirkulerande i sina värmeelerment, men i själva verket har ju vattnet i elementen aldrig varit i närheten av reaktorn, utan har värmts upp via flera steg av värmeväxlare. (Bildkälla: Robert Steffens/alias RobbyBer 8 november 2004)

Det finns en tendens hos de som oroar sig för klimatet att undervärdera och underskatta människans förmåga att lösa problem. Människan är oerhört duktig på att lösa problem när hon väl måste. Ibland väntar hon till sista minuten, men kommer då ofta fram till något som fungerar. I decennier har det forskats på vätekraft, också kallad fusion (se avsnittet om fusion nedan). Den hittillsvarande kärnkraften bygger på fission (sönderfall), där man, som förklarats ovan, får tunga atomkärnor (t ex urankärnor) att sönderfalla i mindre kärnor under utsändande av neutroner. Dessa neutroner fångas upp av andra urankärnor som då sönderfaller och sänder ut nya neutroner etc (se tidigare bild). I en atombomb sker detta okontrollerat och vi får en blixtsnabb kedjereaktion (lavineffekt) där alla atomer sönderfaller nästan samtidigt i en enorm explosion. Sönderfallsprodukterna (de utsända neutronerna och dotterkärnorna) väger sammanlagt lite mindre än moderkärnan (den ursprungliga urankärnan) och skillnaden i massa (Δm), dvs den massa som försvinner, blir energi (E), enligt sambandet E=Δmc2 (E kallas här massenergin). Symbolen Δ är den grekiska bokstaven "delta" och används ofta för att beteckna skillnad. I formeln representerar c ljusets hastighet i vakuum (ca 300 miljoner m/s) och eftersom c är ett enormt stor tal, som dessutom står i kvadrat, får man stora mängder energi av en liten kvantitet materia. I en reaktor (se bild ovan) bromsar man in neutronerna med hjälp av en moderator, t ex vanligt vatten, och har neutronabsorberande styrstavar (av kadmium, borkarbid etc) mellan bränslestavarna. Styrstavarna kan flyttas in och ut mellan bränslestavarna med hjälp av elmotorer och absorberar då mer eller mindre neutroner och kan därmed reglera klyvningshastigheten. På så sätt kan man få en långsam fission, som inte skenar iväg och som pågår i åratal, ja i decennier, och som ger ett konstant och reglerbart flöde av värme vilken kan användas för att driva turbiner, som driver generatorer, vilka i sin tur genererar elektricitet (enligt figuren ovan).

Moderatorn (vattnet i en kokvattenreaktor) bromsar in neutronerna mellan bränslestavarna så att de har precis rätt fart för att absorberas av urankärnorna. Blir farten för hög går neutronerna rakt igenom bränslestavarna utan att absorberas och kedjereaktionen avstannar. En kokvattenreaktor har därför ett inbyggt skydd mot att skena iväg mot t ex en härdsmälta. Förklaringen är att varje bränslestav under drift är omgiven av ett tunt skikt av vattenånga, dvs ett tunt lager av gas (på grund av hettan från stavarna). Skulle temperaturen i reaktorn av någon anledning öka, kommer detta gasskikt att växa i tjocklek. Neutronerna får då högre fart när de går in i bränslestavarna och denna högre fart gör att färre neutroner absorberas, dvs kedjereaktionen bromsas in och temperaturen sjunker. En kokvattenreaktor har således en inbyggd stabilitet. En sådan olycka som den i Tjernobyl (där man använde grafit som moderator) kan omöjligen inträffa i en kokvattenreaktor.

Vid kärnklyvning används, som nämnts ovan, uran 235. Naturligt uran består av ca 99,3% uran 238 och 0,7% uran 235. Det naturliga uranet anrikas så att halten uran 235 blir 3-5% och det anrikade uranet pressas till ett slags pellets, av vilka man sedan tillverkar bränslestavarna. I atombomber kan endast rent uran 235 (100%) användas (man kan också använda plutonium, vilket framställs i kärnreaktorer). Att renframställa uran 235 är en synneligen mödosam och tidskrävande och kostsam process och kräver ett helt lands ekonomiska och tekniska resurser.

 

Fissionskraft och framtiden

När det gäller kärnkraft kan man tänka sig en utveckling mot mindre och mindre reaktorer. En normal reaktor (som i Forsmark) ger ungefär 1000 MW uteffekt. Redan idag finns s k small modular reactors (SMR) på max 300 MW (i amerikanska hangarfartyg och atomubåtar) och man håller nu på och projekterar very small modular reactors (VSMR) med effekter mindre än 15 MW. Tanken är att sådana reaktorer skall kunna ge elektricitet i glesbefolkade områden (som Sibirien, delar av Afrika etc). I förlängningen kanske man kommer att få se reaktorer som är så små att de kan utgöra energikällan i en industri eller t o m en bil (där kärnbränslet räcker bilens livslängd ut). Det kan mycket väl tänkas (ja det är snarare nästan helt säkert) att vi så småningom kommer att få se reaktorer av helt andra typer än de vi ser idag. De reaktorer som byggs idag är oerhört mycket säkrare och effektivare än gårdagens reaktorer. Och denna trend kommer att fortsätta. Fjärde generationens kärnreaktorer, som projekteras idag, och som återanvänder kärnbränslet gång på gång, kommer att utnyttja kärnbränslet 100 gånger effektivare än dagens reaktorer. Och där kommer det att räcka med 1000 års slutförvar av de långlivade restprodukterna (jämfört med 100 000 år idag).

Något ytterligare man arbetar på är s k toriumreaktorer. Torium är ett radioaktivt grundämne som tillhör aktiniderna och är tre gånger vanligare förekommande än uran. Tekniken testades efter Andra Världskriget men man gick inte vidare, eftersom man inte lyckades lösa alla problem man stötte på. Toriumet används inte som bränsle utan under processn i reaktorn så omvandlas torium till U-233 (en uranisotop), vilken fungerar som bränsle. Utrymmet tillåter inte att jag går in på några detaljer. En stor fördel med toriumreaktorer är att de radioaktiva restprodukterna bara behöver slutförvaras i 500 år i stället för 10 000 år eller mer. Det finns ännu ingen kommersiell toriumreaktor, eftersom alla problem ännu inte är lösta. Men om denna teknik håller vad den lovar, kan vi förvänta oss att toriumreaktorer blir allt vanligare. I Indien och Kina satsas just nu mycket på forskning på toriumreaktorer. Man räknar med att det kommer att dröja till 2030 innan vi får se sådana reaktorer i kommersiell drift. Det finns f ö mängder av lovande reaktortekniker under utveckling, vilka kommer att vara både säkrare och mer ekonomiska och ha mer kortlivade restprodukter än dagens reaktorer. Läs gärna denna översikt av fjärde generationens reaktortekniker (Wikipedia).

 

Fusionskraft

Fusionsprocessen innebär motsatsen till fission. Här slås elementarpartiklar eller lätta atomkärnor ihop. Det är sådana processer som driver stjärnor (som vår Sol). En enkel fusionsprocess, som lämpar sig för fusionsreaktorer, är när två kärnor av tungt väte — en deuteriumkärna (som består av en proton och en neutron) och en tritiumkärna (bestående av en proton och två neutroner) — kolliderar med varandra och blir till en heliumkärna (som består av 2 protoner och 2 neutroner) plus att vi också får en fri neutron (bilden nedan). De två vätekärnorna väger mer än heliumkärnan och den fria neutronen och den massa som försvinner vid fusionen blir till energi (enligt diskussionen ovan).

En vanlig fusionsprocess, där två tunga vätekärnor (deuterium och tritium) slås ihop till en heliumkärna (vilken också kallas alfapartikel). Dessutom får vi som biprodukt en fri neutron. Denna process är vanlig i stjärnor (som solen). När en stjärna gjort slut på sitt väte kan heliumkärnor slås ihop till ännu tyngre grundämnen. Från början fanns bara vätekärnor (protoner) i universum. I stjärnors inre bildades helium genom fusion av dessa vätekärnor. Detta helium användes sedan för att på samma sätt (dvs genom fusion) bilda ännu tyngre grundämnen. De tyngsta grundämnena kan dock inte bildas på detta sätt, utan de skapas när en stjärna exploderar som supernova. Vissa romantiskt lagda astronomer brukar säga att människan är "barn av stjärnstoft", eftersom alla atomer i en människa (utom väte) är skapade i det inre av stjärnor.

Vid fusion är det en betydligt större del av massan som blir energi jämför med vid fusion, och processen är därför oerhört mycket mer effektiv. Vätebomber bygger på fusion. Det har visat sig betydligt svårare att tämja fusionen än fissionen. Man har forskat på detta i minst 50 år och många, många hundratals miljarder har lagts ned på att bygga försöksanläggningar. Man har lyckats hålla fusionsreaktorer igång bråkdelar av sekunder och fått dem att producera energi, men att få dem att fungera stabilt någon längre tid har visat sig oerhört svårt. Ett problem är att få igång fusionsprocessen. Detta kräver oerhört hög temperatur. I en vätebomb använder man en atombomb som ”tändhatt” (vilket ger tillräcklig temperatur för att starta fusionen), något som inte skulle fungera så bra i en fusionsreaktor. Det finns ju i detta fall inte så mycket reaktor kvar efter att man startat den. Man har kommit fram till att det krävs temperaturer på minst 100 miljoner grader för att starta en fusionsreaktor (vissa försöksreaktorer arbetar med 150 miljoner grader).

Den enklaste fusionen kan ske mellan två protoner (detta fungerar inte praktiskt i en fusionsreaktor men är en av de fusionsprocesser som sker i stjärnor, varav solen är en). Protoner är positivt laddade och repellerar varandra. Men, om de kommer väldigt nära varandra (ca en protondiameter) kommer den starka kraften (som då är ca 100 gånger starkare än den elektriska repulsionen) att övervinna den elektriska repulsionen och de de två protonerna "sugs" ihop (klicka här för att läsa om de fyra naturkrafterna, varav den starka kraften är en — scrolla till sista halvan av artikeln). Massan hos fusionsprodukten är mindre än summan av de två protonernas massor, och denna masskillnad kommer att omvandlas till energi.
Fusion proton-proton är inte någon effektiv process. Resulatet av en sådan fusion blir oftast att fusionsprodukten sönderfaller till två protoner (dvs vi är tillbaka till ruta 1). Men då och då ombildas den ena protonen till en neutron, genom utsändande av en neutrino och en positron (antielektron), och vi får en deuteriumkärna (som består av en proton och en neutron och är en av de tre väteisotoperna — deuterium kallas också tungt väte, eftersom det rent kemiskt är väte men har dubbla atomvikten). Även om den senare processen är ovanlig så bygger den sakta, under årmiljarder, upp stora mängder deuterium (och så småningom också den tyngsta väteisotopen, tritium, som består av en proton och två neutroner) i en stjärnas inre, vilka sedan kan ingå i mer effektiva fusionsprocesser.
Temperatur i en gas eller ett plasma är ett mått på de ingående partiklarnas rörelseenergier, eller hastigheter om vi så vill. Ju högre temperatur desto snabbare rör sig atomerna. Om två protoner närmar sig varandra med tillräcklig hastighet kommer de att övervinna den elektriska repulsionen och komma varandra så nära att de känner av den starka kraften och därmed fusioneras (vilket sker på ca en protondiameters avstånd). För att partiklarna skall komma tillräckligt nära varandra behövs temperaturer på 100 miljoner grader och över. I exemplet har jag tagit det enklaste fallet med protoner som fusionerar. Principen är densamma när det gäller fusion av deuterium och tritium.
Då kanske någon läsare undrar hur solen kan vara en fusionsreaktor. Temperaturen i solens inre är ju bara ca 15 miljoner grader. För att förstå detta måste man gå till kvantmekaniken. Där finns en effekt kallad tunneleffekten, vilken innebär att två elektriskt repellerande partiklar (t ex två protoner eller två elektroner) kan "tunnla" genom varandras elektriska repulsion och komma tillräckligt nära varandra (en protondiamter) för att fusionera, trots att de egentligen inte har tillräcklig rörelseenergi (fart och därmed temperatur) för detta. Sådana processer händer hela tiden i mikrokosmos. Visserligen är sannolikheten för detta väldigt, väldigt liten, men eftersom det handlar om ett oerhört stort antal partiklar i en stjärna (som Solen), sker dessa fusioner genom tunneleffekten tillräckligt ofta för hålla fusionsprocessen igång. Även små sannolikheter inträffar tillräckligt ofta om vi har en enormt stor ensemble (många partiklar i detta fall). Solen är helt enkelt så stor att det hela tiden sker fusioner genom tunneleffekten tillräckligt ofta för att hålla den brinnande (tack vare tunneleffekten kan vi således få fusion trots att temperaturen bara är 15 miljoner grader i stället för de 100 miljoner grader eller mer som normalt behövs). En av människan tillverkad fusionsreaktor kan inte göras tillräckligt stor för att praktiskt utnyttja tunneleffekten. Även om vi gjorde den lika stor som hela jordklotet, skulle antalet tunnelhändelser per sekund vara för litet för att få igång och underhålla fusionen (eftersom sannolikheten för tunnling är så oerhört liten). Därför finns en undre gräns för hur liten en stjärna kan vara. Om jag inte minns fel så ligger Jupiter på gränsen, dvs hade Jupiter varit något större hade en funktionsreaktor kunnat tändas i dess inre och vårt solsystem hade haft två solar.
Kuriosa: Tunneleffekten gör att man i princip skulle kunna passera genom en dörr utan att öppna den. Genom att tunnla genom dörren. Problemet är att detta är så osannolikt att det aldrig kommer att inträffa, eftersom samtliga atomer i personens kropp då måste tunnla genom motsvarande atomer i dörren samtidigt. Däremot händer det hela tiden att enskilda atomer tunnlar genom varandra. Tunneleffekten må låta exotisk, men har faktiskt tekniska tillämpningar. Det finns en typ av diod (en elektronisk komponent släkt med transistorn) som kallas tunneldiod, vilken har stor användning, speciellt inom högfrekvenselektronik. Den utnyttjar tunneleffekten för sin funktion, vilket ger den speciella egenskaper, bl a negativ resistans. Tunneldioden kan därför upprätthålla svängningar i en krets, vilka annars skulle dött ut på grund av resistansen i kretsen (den positiva, dvs vanliga resistansen i ledningarna plus tunneldiodens negativa resistans kan således ta ut varandra om tunneldioden är rätt dimensionerad).

För att åstadkomma de höga temperaturer som är nödvändiga för att få igång fusionen, används bl a kraftfulla lasrar. Ett problem är att innesluta den heta plasman (en slags gas av laddade partiklar) i vilken fusionsprocessen sker. Det finns ju inga material som håller för 100 miljoner grader och uppåt. Man använder i stället starka magnetfält för att stänga in plasman. En del forskare är pessimistiska och tvivlar på att man någonsin kommer att kunna tämja fusionen medan andra är mer optimistiska.

 

Skiss av en fusionsreaktor av tokamaktyp (tokamak är en rysk akronym för "toroidal kammare i magnetiska spolar"). Den toroidformade (donoughtformade), starkt lysande, horisontella ringen är plasmat som hålls på plats av starka magnetfält genererade av supramagneter. Genom olika tekniker (laserstrålar, magnetisk kompression, radiovågor etc) får plasmat en temperatur av ca 150 miljoner grader (Celsius), vilket gör att reaktorn "tänder". De bildade neutronernas rörelseenergier fångas upp i ett kylmedium (vatten, heliumgas eller flytande natrium), som finns i en mantel i reaktorns väggar. Kylmediet för ut energin ur reaktorn via värmeväxlare och turbiner.
En vanlig fissionsreaktor arbetar kontinuerligt, dvs kärnsönderfallen pågår hela tiden. En tokomakreaktor är mer att likna vid en dieselmotor, eftersom den har en arbetscykel som består av fyra "takter". I takt ett injiceras bränsle (deuterium och tritium). Vid takt två hettas bränslet upp till ett 150 miljoner grader hett plasma (genom magnetisk kompression, laser etc). Takt tre innebär att fusionsprocessen startar varvid energi avges och tas upp av kylmediet, vilket genererar ånga som driver en turbin (eller används på annat sätt). Vid den fjärde och sista takten kollapsar plasmat och plasmakammaren töms på resterna (det helium som bildats vid fusionen). Själva fusionsprocessen varar i ca 8 minuter (hittills har man bara lyckats få fusionen att pågå i en knapp sekund) och hela arbetscykeln tar ca 30 minuter. Sedan tar det 20 minuter innan man kan köra nästa arbetscykel. I framtiden kan man tänka sig andra typer av fusionsreaktorer som arbetar kontinuerligt.
De elektromagneter som används för inneslutning och kompression av plasmat måste vara extremt starka. Spolarna i magneterna är supraledande (för att klara de enorma strömmar som krävs för att generera ett tillräckligt starkt magnetfält) och måste kylas ned till några grader över absoluta nollpunkten (som är ca -273° C) för att fungera.

Det krävs endast 10 g deuterium (vilket kan framställas ut 500 l vatten) och 15 g tritium (framställt ur 30 g litium) för att ge en normal svensk all elektricitet denne behöver under hela sin livstid. Den dag vätekraften är tämjd har människan med andra ord all energi hon behöver för en nästan oöverskådlig framtid. En energi som dessutom är både miljö- och klimatneutral.

En stor fördel med fusion, till skillnad från fission, är att man inte får några farliga, långlivade restprodukter (det handlar om slutförvaring på 100 år i stället för hundratusen år). Dessutom kan inga allvarliga olyckor (typ Tjernobyl) inträffa i en fusionsreaktor på grund av att man har väldigt små mängder bränsle i själva reaktorn. Skulle man så småningom lyckas tämja vätekraften blir detta ett kvantsprång när det gäller världens energiproduktion. Deuterium (en av komponenterna i bränslet) får man ur vanligt vatten, vilket det som bekant finns gott om. Den andra komponenten, tritium, kan man framställa ur metallen litium. Litium är emellertid en mycket sällsynt metall, som också används i batterier till elbilar. Dvs tillgången är begränsad. Här finns således ett problem som ännu inte är tillfredsställande löst. I framtiden tänker man sig att framställningen av tritium skall äga rum inuti i själva reaktorn.

Det finns en annan typ av fusionsreaktor som kallas stellarator. Den påminner om en tokamakreaktor men plasmat är vridet i ett komplicerat mönster, vilket åstadkommes av mycket intrikata magnetfält. Tidigare har det inte varit möjligt att konstruera stellaratorer på grund av de komplicerade beräkningarna, men tack vare mycket kraftfulla superdatorer har man nu lyckats bygga några försöksanläggningar. Dessa har mycket mer stabila plasman och har också potential att arbeta kontinuerligt i stället för i cykler (som tokamakreaktorn). Kanske kommer stellaratorn att visa sig vara en mer framkomlig väg när det gäller fusionskraft.

Förmodligen kommer det att dröja 30 år eller mer innan vi har fungerande fusionsreaktorer. Det kan också visa sig att problemet är olösligt eller tar hundratals eller tusentals år att lösa. I och för sig kan man säga att vi redan har fusionskraft — solpaneler. Solljuset produceras ju genom fusion, dvs solpaneler får sin energi från en fusionsreaktor, solen. Egentligen är också vindkraft och vattenkraft en form av fusionskraft, eftersom det är solen som driver våra vädersystem (vindar som driver vindkraftverk och regn som fyller på vattenkraftverkens dammar). Även kolkraft och andra fossila bränslen är också fusionskraft i botten. Här handlar det om lagrad solkraft (fossila bränslen är ju växter och djur som omvandlats till kol och olja under hundratusentals eller miljontals år).

 

I en avlägsen framtid

Vill vi blicka väldigt långt framåt i tiden så utgör antimateria ett effektivt sätt att skapa energi. Varje atomär partikel (elektron, proton etc) har en slags "antitvilling" med samma massa men motsatt elektrisk laddning (och ytterligare en del andra egenskaper motsatta). Elektronens antitvilling kallas antielektron eller positron (det senare eftersom den är positiv). Etc. Man kan ganska lätt skapa antipartiklar och har också lyckats tillverka antiväte (dvs en antielektron som snurar runt en antiproton). Man tror att det i universum finns hela galaxer som består av antimateria men det verkar som att merparten av universums materiainnehåll är vanlig materia (vilket är en av kosmologins stora gåtor, eftersom det enligt de teorier vi har borde vara 50/50). Om en partikel kolliderar med sin antipartikel, annihilleras partiklarna och omvandlas till energi (i form av gammastrålning). Här får man en hundraprocentig omvandling av materia till energi (i en kärnreaktor omvandlas bara 0,5-1% av kärnbränslets massa till energi). Dessutom får man inga långlivade radioaktiva restprodukter. Antimateria är svår att förvara och det är inte heller riskfritt. Men kunde man lösa detta problem skulle man kunna ha en behållare med antimateria från vilken man vid behov tar ut lämplig mängd som annihileras med hjälp av vanlig materia. Eftersom 100% av bränslet omvandlas, får man oerhörda energimängder per kilogram bränsle (1 kg bränsle — dvs 0,5 kg materia och 0,5 kg antimateria — ger, enligt sambandet E=mc2, 25 miljarder kWh, jämfört med 12,7 kWh/kg för bensin). I del 6 diskuterade jag handelsfartyget Albany (där jag arbetade under mer än ett år) och en resa från Tasmanien (söder om Melbourne) till Köpenhamn. Fartyget förbrukade ca 900 ton dieselolja under resan. En batteridriven version av samma fartyg skulle behöva 7100 ton litium-jon-batterier (av nästa generation). Vid materia/antimateriadrift skulle bränsleförbrukningen för samma resa bli ca 0,2 gram (0,1 gram materia och 0,1 gram antimateria)!!!

 

Tillbaka till "Äntligen hemma med halmen — Sammanfattning och avslutning
Tillbaka till "Klimatet — en alltför viktig fråga för att låta känslor styra"
Tillbaka till sidan med aktuella kommentarer.
© Krister Renard