Fusion

4 röster
17124 visningar
uppladdat: 2005-07-04
Inactive member

Inactive member

Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete
Fusion är det som händer i solen och alla andra stjärnor hela tiden, väte blir till helium och stora mängder energi frigörs. Energin når vår jord, värmer oss och skapar väder, får saker att växa och ger oss ljus. Om man kan tämja solen, skapa en liten sol här på jorden vore de flesta energiproblemen lösta. Det här arbetet handlar om hur fusion fungerar, hur reaktorn som används i nuläget ser ut och en hel del mer…

Jag tyckte att fusion var roligt att jobba om, det var intressant och kändes viktigt och konkret. Det jag läste om finns, det används och behövs för vår framtida energiförsörjning


Fusionsprocessen

Inom naturvetenskap menar man med ordet fusion att två lätta atomkärnor slås samman och bildar en tung atomkärna. I sammanslagningen frigörs energi, och det är den energin som man vill komma åt i framtida fusionskraftverk.

För att fusion ska kunna ske måste bränslet, de två tunga väteisotoperna deuterium (som innehåller en neutron och en proton) och tritium (som innehåller två neutroner och en proton) hettas upp till ett plasmatillstånd. I ett plasmatillstånd är vätet skilt från sina elektroner, så att plasman består av vätejoner (väteatomens positivt laddade kärna) och elektroner. För att plasman ska bli tillräckligt varm för att reaktionen ska kunna ske behövs på jorden en temperatur runt 100 miljoner °C.

Egentligen stöter vätejonerna bort varandra (repellerar varandra), men för att en fusionsreaktion ska kunna ske måste de tvingas samman. Atomkärnors rörelser kontrolleras av temperatur, hög temperatur ger snabba rörelser och låg temperatur ger långsamma rörelser. Om vätejonerna rör sig tillräckligt snabbt i plasman kolliderar de och i kollisioner i hög temperatur besegras de positiva laddningarnas repellerande krafter så att en fusion kan ske.

När plasman hettats upp tvingas vätejonerna samman och bildar en atomkärna som innehåller tre neutroner och två protoner. Kärnan kallas compoundkärna. En sådan kärna är väldigt instabil på grund av att den har för många neutroner i förhållandet till antalet neutroner, och därför faller den nästan genast samman. Av den gamla kärnan blir det då en heliumjon (två protoner och två elektroner) och en ensam neutron.

Deuterium och tritium har instabila kärnor, och därför behövs det mycket energi för att hålla ihop dem. I helium däremot krävs det inte alls så mycket energi, eftersom heliumatomens kärna redan är naturligt stabil.
All energi som blir över eftersom den inte behövs för att hålla ihop heliumjonen samlas i den ensamma neutronen. Det innebär att den bär med sig fyra femtedelar av den energi som tidigare delades av både tritiumet och deuteriumet.

Tack vare att rörelseenergin som finns i heliumjonen håller temperaturen uppe kan energin i neutronen få sitt utlopp som rörelseenergi. Neutronen kastas med enorm hastighet mot reaktorns väggar. Sedan kan man förvandla rörelseenergin från neutronen till värmeenergi som kan värma vatten. Energin kan även användas till att driva turbiner. Med andra ord använder man energin som frigörs i fusionsprocessen på samma sätt som i de kärnkraftverk som används idag.


Fusionsreaktorn

Det finns flera olika sorters fusionsreaktorer som skulle kunna fungera, men den typ av reaktor som är mest utvecklad i nuläget kallas tokamak. I England har världens hittills mest framgångsrika reaktorn varit i drift sedan 1983, JET-tokamaken. Där har man lyckats producera 16 MW under några sekunder i ett av de mest lyckade försöken.


Tokamaken

Tokamak är ett ryskt ord för torus-formad magnetkammare, och det säger en del om reaktorns utformning. Torus är en geometrisk form som ser ut som på bilden nedan.

I en tokamak förvaras plasman i en torus-formad kammare. Eftersom plasman är så varm att inget material kan innesluta det utan att smälta hålls plasman skild från kammarens väggar med hjälp av superstarka magnetfält. Man använder sig av två olika typer av magnetfält som skapas i reaktorn på olika sätt. Först har vi det toroidala fältet som skapas av magnetspolarna. Det fältet går runt och genom kammaren. Med hjälp av transformatorlindningen sänder man in ström i plasmat och då uppstår ett poloidalt magnetfält som går runt hela ringen. Tillsammans bildar de två magnetfälten ett spiralformat fält som håller plasman skild från kammarens väggar. Det är inte bara för att plasman inte ska smälta kammaren väggar som magnetfält behövs. Det är också viktigt att plasman inte kyls ner av väggarna, för då avstannar fusionsprocessen. Magnetfälten tvingar plasman att följa fältens linjer, så att de varken smälter väggar eller kyls ner.

I reaktorn måste plasman hettas upp till mycket höga temperaturer. Det kan man göra på olika sätt. Ett sätt är att komprimera plasman (då plasma i gasform hettas upp om den komprimeras). För att komprimera plasman flyttar man den till ett område med högre magnetfält så att radien blir mindre. Då ökar densiteten eftersom vätejonerna kommer närmre varandra, och det är bra då man behöver hög densitet för att få en fusion mellan jonerna. Man kan också värma plasman genom att leda ström genom den. Strömmen får man genom att göra ändringar i magnetfältet. Temperaturen höjs då i takt med att strömmen ökar. Det finns ännu fler sätt att värma plasman, och man behöver antagligen använda sig av fler än ett sätt för att uppnå de höga temperaturer som behövs (runt 100 miljoner °C).


Bränslet

Bränslet i en fusionsreaktor består av de två väteisotoperna deuterium och tritium. Deuterium utvinns ur vatten och finns obegränsat i haven. Tritium kan man tillverka ur litium, en lätt metall som förekommer i stora mängder i jordskorpan. Man utvinner tritiumet genom att beskjuta litiumet med neutroner, vilket skulle kunna göras i en mantel i anslutning till reaktorn.


Världens energiproblem

Om cirka 50 år kommer världens energiförbrukning att vara fördubblad. Det beror till dels på att i utvecklingsländerna, där en stor del av jordens befolkning bor ökar levnads-standarden hela tiden, och med den energiförbrukningen. Samtidigt är befolkningstillväxtenhög, om femtio år kommer det att bo 8 miljarder människor på jorden istället för nuvarande 4 miljarder. Alla kommer de att använda mer energi än den nuvarande befolkningen gör.

De rena energikällor som finns, geotermisk energi, tidvattenkraft, sol, vind, och vågkraft kan inte producera tillräckligt mycket energi för att fylla världens energibehov. Därför används fossila bränslen i allt högre grad. Men alla fossila bränslen (kol, olja, bensin och naturgas) påverkar miljön negativt på grund av stora utsläpp av koldioxid. De fossila bränslena räcker heller inte i all evighet. Forskare beräknar att världens fossila bränslen kommer att ta slut om några hundra år, och då behöver vi nya, miljövänliga energikällor.

Ett av alternativen är fission, men fissionskraftverk är inte helt utan risker. De för inte med sig några utsläpp, men de producerar radioaktivt bränsle som måste grävas ner. Eftersom det tar så lång tid innan bränslet blir ofarligt, 10 000år innebär det en belastning för kommande generationer. Dessutom finns alltid risken att en härdsmälta inträffar, vilket kan få katastrofala följder för miljön och människorna som bor där. Riskerna gör också att det är svårt att övertyga allmänheten om fördelarna med fission, och i de flesta industriländerna är en avveckling av fission på gång.

Solenergi är en av de energikällor som man hoppas mest på. Solen är miljövänlig, billig och tar aldrig slut. Men material och skötsel av solkraftverk är dyrt, så innan det kan bli kostnadseffektivt måste priserna ner. Men solenergi kan bara utnyttjas i soliga regioner, och det tar precis som energiskog en hel del plats. Ett annat problem är att det är svårt att ta tillvara energin, de metoder som redan finns kan bara ta tillvara cirka 15 % av den. Alltså, för att solkraft ska gå att använda i större skala måste tekniken utvecklas.

En annan energikälla som också den befinner sig på utvecklingsstadiet är fusion. Fusion har fördelen av att vara nästan lika miljövänlig som solenergin, bränslet är billigt och finns i nästan obegränsad mängd. Tack vare att riskerna är så små är det socialt acceptabelt, ett fusionskraftverk utgör inget hot mot vare sig miljö eller människor. Problemet är här att ingen har lyckats tillverka en reaktor som producerar mer energi än vad som behövs för att värma bränslet. Det är nämligen väldigt svårt att hålla reaktorn varm så att bränslet inte kyls ner. Om inte fusionen kan hållas igång en stund får man inte mer energi än vad som behövdes för att värma bränslet från början. Den positiva effekten på miljön är påtaglig eftersom fusion skulle kunna ersätta de fossila bränslena helt och minska utsläppen på koldioxid. Fusion påverkas inte av omvärlden på samma sätt som solen, reaktorn kan gå även när solen inte skiner, både natt och dag. Om det satsas pengar på forskning runt fusion tror man att det skulle finnas fullt fungerande fusionskraftverk om ca.50 år.

Lösningen på problemet verkar alltså vara satsningar på fortsatt forskning, eftersom det just nu inte finns någon redan färdigutvecklad energikälla som kan ersätta de fossila bränslena och fissionskraften.
Jämförelse mellan fission och fusion

Fusion och fission är två sätt att ta tillvara den energi som finns i atomkärnor, kärnenergin. I fission klyver man tunga atomkärnor till mindre och lättare kärnor och inom fusion slår man ihop lätta atomkärnor till tunga kärnor. Fusion och fission är alltså varandras motsatser, men båda två metoderna kan användas i kärnkraftverk.


Miljöpåverkan

• Fusion påverkar miljön minimalt, det har inga utsläpp överhuvudtaget. Bränslet, deuterium och tritium finns i mängder helt naturligt i havet.
• Fission har heller inga utsläpp, men bränslet uran bryts ur gruvor som oftast finns på dittills orörda naturområden. Dessutom medför gruvorna en risk för att radioaktivitet ska läcka ut i marker och vatten runt om gruvan och orsaka stora miljöproblem. Arbetarna i gruvorna löper även risk att drabbas av sjukdomar kopplade till uranets radioaktivitet.

Eftersom både fusion och fission ger mycket energi på ett effektivt sätt kan de ersätta fossila bränslen som energikälla. Effekten på miljön blir att utsläpp av växthusgaser minskar dramatiskt.


Risk för härdsmälta

• En härdsmälta kan inte inträffa i en fusionsreaktor, eftersom fusionsprocessen avstannar så fort temperaturen sänks eller bränsletillförseln försvinner.
• Om en härdsmälta inträffar i ett fissionskraftverk blir skadorna stora, eftersom bränslet är radioaktivt och orsakar cancersjukdomar. Marken runt omkring kraftverket blir obrukbar, och radioaktivt material riskerar att spridas med vind och regn till områden långt bort från olycksplatsen. Riskerna är trots det inte så stora eftersom säkerheten runt reaktorerna är väl utvecklad.


Bränslekostnader och bränsletillgång

• Kostnaderna för deuterium och tritium skulle vara låga i ett framtida fusionskraftverk, eftersom de finns i så stora mängder nästan överallt.
• Jag hittade inga bra svar på om uran är billigt eller dyrt, bara att man får ut mycket energi av lite uran. Jag antar ändå att fusionsbränslet måste bli billigare eftersom det inte behöver transporteras och prepareras lika mycket som uranet, samtidigt som det finns på fler ställen och inte är lika krångligt att utvinna. Uran finns i mer begränsad mängd och på färre platser.


Framtiden

• Om fusion utvecklas kan den stå för en stor del av världens energiförsörjning. Bränsleresurserna är nästintill oändliga, eftersom de finns överallt i världshaven. Det krävs även väldigt lite bränsle till energitillverkningen, ett litet exempel är att 25 gram fusionsbränsle (en blandning mellan tritium och deuterium) räcker för att producera all den energi en medelsvensk använder under en livstid.
• Världens urantillgångar räcker inte hur länge som helst, som det ser ut nu beräknas uranet räcka i 90 år till.


Radioaktivitet

• Fusionsreaktorns väggar blir radioaktiva efter en tid, och måste därefter förvaras så att radioaktiviteten läcker ut i miljön. Men väggarna blir ofarliga redan efter 100 år i nuläget, och man tror att den tiden går att reducera kraftigt med rätt val av material. Någon riskfylld transport av radioaktivt material är inte aktuell.
• Avfall från fissionsreaktorer utgör en stor belastning för kommande generationer eftersom det måste förvaras supersäkert så att inget läcker ut och så att terrorister inte kommer åt det för tillverkning av atombomber. Avfallet slutar inte att vara radioaktivt förrän efter 10 000 år. Dessutom måste bränslet transporteras långa sträckor innan det kommer till kraftverken. Avfallet kräver också en riskfylld transport innan det kan grävas ner å säkra ställen i urberget.


Nackdelar med fusion

Forskningen är inte färdig ännu, man vet inte hur man ska isolera reaktorn tillräckligt länge för att processen ska bli effektiv (så att man får mer energi än man använder till att starta och hålla igång fusionen). Det är också problem med att lyckas utvinna den energi som finns i den ensamma neutronen, energin vill inte riktigt frigöra sig.

Litiumet i reaktorns mantel skulle kunna orsaka bränder.

Det var svårt att hitta nackdelar med fusion, och det beror nog dels på att de flesta sidor där det finns information om fusion är gjorda av dem som forskar om det. Självklart vill de att pengar ska satsas på deras forskning, och kanske glömmer de lätt vissa negativa aspekter i försöken att övertyga omvärlden om att fusion är framtiden. Jag tror ändå att det finns ganska få nackdelar med fusion, eftersom det är så miljövänligt och har så pass lite radioaktivt avfall. Dessutom är det fortfarande på forskningsstadiet, så förbättringar görs hela tiden.


Fördelar med fusion

Fusion är miljövänligt. Bränslet finns naturligt på de flesta ställen så man stör inte naturens balans. Ett framtida kraftverk släpper inte heller ut några avgaser eller avfall. Radioaktiviteten i väggarna försvinner efter inte allt för lång tid, så vi belastar inte kommande generationer på något sätt

Riskerna är små, vilket gör att det är möjligt att övertyga allmänheten om att fusionskraftverk är en bra energikälla som mycket väl kan ersätta de gamla beprövade energikällorna.

Det finns gott om bränsle, så om fusion utvecklas har vi en energikälla som kan användas i många miljoner år utan att bli oanvändbar på grund av bränslebrist. Det behövs heller inte särskilt mycket bränsle för att utvinna stora mängder energi.

Ett eventuellt fusionskraftverk kan användas i alla delar av världen, i alla klimat eftersom det till skillnad från till ex. solkraft är helt oberoende av klimat och väderlek.

Kostnaderna är låga. Själva bränslekostnaderna är små, och eftersom fusion inte har någon negativ effekt på miljön behöver man inte betala för de skador som det annars blir på miljö. Det krävs inga dyra reningsfilter eftersom det är en naturligt ren energikälla. Därför kan man inte heller förvänta sig några höga energiskatter kopplade till miljöföroreningar. Eftersom det inte finns risk för härdsmälta eller stöld av radioaktivt material (som i ett fissionskraftverk) behöver inte säkerheten vara lika hög på de områdena, vilket också drar ner på kostnader.

Fusion är ett hållbart alternativ till både fission och fossila bränslen. Det är så billigt att det skulle kunna användas även i de fattigare länderna, som annars är de som använder osäkra och miljöfarliga typer av kraftverk.


Fusion nu

Just nu så forskas det mycket om fusion. I England har JET-projektet stått för en stor del av världens forskning, men reaktorn är utsliten och man planerar att bygga en ny reaktor någon annanstans i världen. En sådan reaktor skulle ingå i det nya globala fusionsprojektet vid namn Iter. Problemet med Iter har varit att projektet har varit för dyrt och därför inte genomförts. Men nu har planerna tagit fart. Att projektet blev för dyrt berodde främst på att U.S.A. hoppade av det, men de ändrade sig och tack vare det sköts det till mer pengar som gjorde projektet möjligt igen. De som är med i projektet, U.S.A., Korea, Kina, Japan, Kanada, Ryssland och EU har svårt att komma överens om var reaktorn ska byggas, och vem som ska leda arbetet. Troligtvis kommer reaktorn att byggas i Frankrike eller Japan.

Det finns flera andra reaktorer runt om i världen, de flesta på universitet. Den reaktor som har utvecklats mest är tokamaken, och på ett universitet i England som heter Culham har man gjort en egen typ av tokamak. Den kallas Spherical Tokamak och har en mycket mindre radie än nuvarande reaktorer, bland annat för att höja densiteten. Där har man gjort många lyckade experiment, och tack vare att den är liten blir materialkostnaderna små. Många forskare har varit där för att studera den och liknande reaktorer har gjorts i många andra länder som en del i den nationella forskningen.


Fusion i framtiden

Forskare vet att man måste utveckla en ny typ av reaktor, tokamaken är inte...

...läs fortsättningen genom att logga in dig.

Medlemskap krävs

För att komma åt allt innehåll på Mimers Brunn måste du vara medlem och inloggad.
Kontot skapar du endast via facebook.

Källor för arbetet

Saknas

Kommentera arbetet: Fusion

 
Tack för din kommentar! Ladda om sidan för att se den. ×
Det verkar som att du glömde skriva något ×
Du måste vara inloggad för att kunna kommentera. ×
Något verkar ha gått fel med din kommentar, försök igen! ×

Kommentarer på arbetet

  • Inactive member 2006-12-19

    Bra uppsats. Har hjälpt mig sk

Källhänvisning

Inactive member [2005-07-04]   Fusion
Mimers Brunn [Online]. http://mimersbrunn.se/article?id=4567 [2018-10-22]

Rapportera det här arbetet

Är det något du ogillar med arbetet? Rapportera
Vad är problemet?



Mimers Brunns personal granskar flaggade arbeten kontinuerligt för att upptäcka om något strider mot riktlinjerna för webbplatsen. Arbeten som inte följer riktlinjerna tas bort och upprepade överträdelser kan leda till att användarens konto avslutas.
Din rapportering har mottagits, tack så mycket. ×
Du måste vara inloggad för att kunna rapportera arbeten. ×
Något verkar ha gått fel med din rapportering, försök igen. ×
Det verkar som om du har glömt något att specificera ×
Du har redan rapporterat det här arbetet. Vi gör vårt bästa för att så snabbt som möjligt granska arbetet. ×

Logga in med Facebook