Trots att vakuumkammaren i den brittiska fusionsreaktorn JET har en vägg som är gjord av solid metall, kan den smälta om den träffas av en stråle av skenande elektroner. Foto: Eurofusion

Ett steg närmare fungerande fusionskraft

21 juni 2017
Artikel från Chalmers tekniska högskola
Ämne: Natur & teknik

Fusionskraft skulle kunna förse oss med ren, ofarlig och koldioxidfri energi. Men att efterlikna solens energiprocess är väldigt svårt. Nu har två unga plasmafysiker på Chalmers tagit oss ett steg närmare en fungerande fusionsreaktor. Deras modell kan leda till bättre metoder för att bromsa in skenade elektroner som utan förvarning kan förstöra en framtida reaktor.

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 är dessa skenande elementarpartiklar som doktoranderna Linnea Hesslow och Ola Embréus har lyckats kartlägga och bromsa upp. Tillsammans med sin handledare, professor Tünde Fülöp på Chalmers institution för fysik, har de kunnat 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”.

Bromsar skenande elektroner
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.

– 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, säger Linnea Hesslow.

Hon och kollegorna fick nyligen fick sin artikel publicerad i den ansedda tidskriften Physical Review Letters. Resultaten har också väckt stor uppmärksamhet inom forskningsfältet. På kort tid har 24-åriga Linnea Hesslow och 25-åriga Ola Embréus föreläst på ett flertal internationella konferenser, inte minst på den prestigefyllda och anrika Sherwood-konferensen i Annapolis i USA, där de var de enda föreläsarna från Europa.

Fusionskraft svårare än att åka till Mars
– Intresset för det här arbetet är enormt. Kunskapen behövs i framtida, storskaliga experiment och det här ger hopp om att lösa svåra problem. Vi förväntar oss att arbetet kommer att få stort genomslag framöver, säger professor Tünde Fülöp.

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 i solens centrum, om vi ska lyckas med fusion här på jorden. Därför hoppas jag att forskningen får de resurser som behövs för att hinna lösa energifrågan i tid, säger Linnea Hesslow.

Fusionsenergi och skenande elektroner

Fusionsenergi uppstår när man slår samman lätta atomer 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 forskare på Chalmers tagit fram beskriver hur mycket elektronerna bromsas in, vilket banar väg för att oskadliggöra dessa skenande elektroner.

Artikel: Eﬀect of partially-screened nuclei on fast-electron dynamics av Linnea Hesslow, Ola Embréus, Adam Stahl, Timothy DuBois, Sarah Newton och Tünde Fülöp på Institutionen för fysik på Chalmers tekniska högskola, samt av Gergely Papp på Max-Planck-Institute for Plasma Physics i Garching, Tyskland.

Kontakt:
Linnea Hesslow, doktorand, institutionen för fysik, Chalmers, 070-519 41 67, hesslow@chalmers.se
Ola Embréus, doktorand, institutionen för fysik, Chalmers, 073-052 80 70, embreus@chalmers.se
Tünde Fülöp, professor, institutionen för fysik, Chalmers, 072-986 74 40, tunde.fulop@chalmers.se