Broms av skenande elektroner banar väg för framtida fusionskraft
Foto: Eurofusion
Fusionskraft skulle kunna förse oss med ren, ofarlig och koldioxidfri energi. Men att efterlikna solens energiprocess är en mycket svår uppgift. För att få atomer att slå sig ihop krävs högt tryck och temperaturer på sådär 150 miljoner grader. Som om det inte skulle vara nog finns skenande elektroner, elementarpartiklar med negativ laddning, som ställer till det i de fusionsreaktorer som utvecklas just nu. I den lovande reaktortypen tokamak kan oönskade elektriska fält äventyra hela processen. Plötsligt kan elektroner med mycket hög energi accelerera till så höga hastigheter att de slår sönder reaktorns vägg.
Det har nu varit möjligt att visa hur det går att bromsa skenande elektroner effektivt genom att tillföra så kallade tunga joner i form av gas eller pellets. Till exempel kan neon eller argon användas som ”bromsklossar”. När elektronerna möts av den kraftiga laddningen i jonernas kärnor får de motstånd och tappar fart. De många kollisionerna gör att hastigheten blir kontrollerbar och fusionsprocessen kan fortsätta. Med hjälp av matematiska beskrivningar och plasmasimulationer går det att förutse elektronernas energi- och hur den förändras vid olika förutsättningar.
Ett steg närmare en fungerande fusionsreaktor
När vi kan bromsa in skenande elektroner på ett effektivt sätt, är vi ett steg närmare en fungerande fusionsreaktor. Med tanke på att det finns få alternativ för att lösa världens växande energibehov på ett hållbart sätt, är det verkligen fantastisk spännande med fusionsenergin, som tar sitt bränsle från vanligt havsvatten.
Även om forskningen inom fusionsenergi har tagit många steg framåt under de senaste femtio åren, finns det ännu inte något kommersiellt fusionskraftverk. Just nu riktas blickarna mot det internationella forskningssamarbetet kring reaktorn ITER i södra Frankrike.
Många tror att det kommer att fungera, men det är mycket svårare att göra fusion än att åka till Mars. Man kan säga att vi försöker skörda stjärnor här på jorden och det kan ta sin tid. Det krävs så oerhört höga temperaturer, varmare än i solens centrum, om fusion ska lyckas här på jorden.
Fakta: Fusionsenergi och skenande elektroner
Fusionsenergi uppstår när man slår samman lätta atomkärnor med hjälp av högt tryck och extremt höga temperaturer, cirka 150 miljoner grader Celsius. Energin skapas på samma sätt som i solen och processen kan även kallas för vätekraft. Till skillnad från kärnkraft, som bygger på att tunga atomer klyvs (fission), är fusionskraft ett betydligt säkrare alternativ. Om något går fel i en reaktor avstannar helt enkelt processen och det blir kallt. Det finns ingen risk för att omgivningen drabbas, som vid en kärnkraftsolycka.
Bränslet i en fusionsreaktor väger inte mer än ett frimärke och råvaran kommer från vanligt havsvatten.
Än så länge har fusionsreaktorerna inte lyckas producera mer energi än de tillförs. Det finns också problem med så kallade skenande elektroner, som med sin höga energi hotar att förstöra framtida reaktorers vägg. Den vanligaste metoden för att förhindra dessa skador är att tillföra tunga joner, till exempel argon eller neon, som tack vare sin stora laddning fungerar som bromsklossar. En ny modell som vi på Chalmers tagit fram beskriver hur mycket elektronerna bromsas in, vilket banar väg för att oskadliggöra dessa skenande elektroner.
Referens: Effect of Partially Screened Nuclei on Fast-Electron Dynamics
