Framför í orkumálum: Kjarnasamruni færist nær

Kjarnorka úr kjarnasamruna mun vonandi veita okkur nær ótakmarkað magn af ódýrri og hreinni orku í komandi framtíð. Sjáðu hvernig vísindamenn endurgera efnaferla innan sólarinnar okkar, og annarra stjarna, hér á Jörð.

JET (e. Joint European Torus) kjarnasamrunavélin í Oxford, Englandi.
JET (e. Joint European Torus) kjarnasamrunavélin í Oxfordshire, Englandi.

Hvað er kjarnasamruni og hver er ávinningur hans?

Kjarnasamruni (e. nuclear fusion) er þegar léttar frumeindir sameinast og mynda stærri kjarna, t.d. geta tveir tvívetniskjarnar bundist og myndað hið þyngra efni Helíum-4. Þetta er sama ferli og gerist innan sólarinnar okkar og annarra stjarna en við samrunan losnar mikið magn af kjarnorku vegna þess að tengiorka Helíumkjarnans er meiri en samanlögð tengiorka tvívetniskjarnanna.

Til að framleiða kjarnorku með kjarnasamruna þarf að viðhalda rafgasi (e. plasma) í um 100 milljón gráðum á celsíus en til samanburðar er kjarni sólarinnar okkar um 15 milljónir gráður á celsíus. Vegna þess að kjarnar atóma eru jákvætt hlaðnir hrindast þeir frá hvorum öðrum og þarf til þess gífurlegan hita til að yfirstíga fráhrindikraftinn.

Rafgasið þarf að haldast á sama stað í þessum geisimikla hita svo að kjarnasamruni geti átt sér stað en til þess eru notaðir vafningar af ofurleiðandi málmum sem framleiða ógnarsterkt segulsvið eða um 100 þúsund sinnum sterkara en segulsvið Jarðar.

Kjarnorka hefur hingað til verið framleidd í kjarnorkuverum í ferli sem kallast kjarnaklofnun (e. nuclear fission) þar sem stór atóm, yfirleitt Úran, eru klofin í tvö minni atóm en því fylgir mikið af geislavirkum úrgangsefnum. Þó að orka sem losnar úr kjarnaklofnun sé um milljón falt meiri en úr venjulegu efnahvarfi jarðefnaeldsneytis veitir kjarnasamruni allt að fjórfalt meiri orku en það.

Við erum að tala um nær ótæmandi orku og skemmtilegt er að velta fyrir sér hvernig áhrif það mun hafa á Jörðina og íbúa hennar.

Fréttaskýring um kjarnasamrunavélina í Þýskalandi frá Al Jazeera

Umhverfislegur ávinningur

Þegar og ef við náum stjórn á kjarnasamruna munum við bókstaflega breyta heiminum en það myndi koma í stað jarðefnaeldsneytis og kjarnaklofnunarvera sem bæði eru skaðleg umhverfi okkar. Kjarnasamruni myndi veita okkur nær ótæmandi orku á ódýrari, skilvirkari og sjálfbærari hátt.

„Þetta er mjög hrein uppspretta af orku, sú hreinasta sem þú getur mögulega óskað þér. Við erum ekki að þessu fyrir okkur, heldur fyrir börnin okkar og barnabörn,“

sagði eðlisfræðingurinn John Jelonnek, við Tækniháskólann í Karlsruhe, sem vinnur að kjarnasamrunavélinni W7X stellarator í Þýskalandi.

Kjanaklofnun framleiðir því miður mikið af hættulegum geislavirkum efnum með líftíma uppá þúsundir ára sem kostar mikla vinnu og peninga að vinna úr. Kjarnasamruni til samanburðar framleiðir nær ótæmandi orku við samruna tveggja atóma á ótrúlega háu hitastigi en framleiðir engan geislavirkan úrgang eða aðrar óæskilegar afurðir.

Veritasium fræðir okkur um geislavirkni og geislavirkustu staði á Jörðinni

Hver er staðan á kjarnasamruna í dag?

Í síðustu viku náði Wendelstein 7-X kjarnasamrunavélin í Þýskalandi að hita vetnisgas upp í 80 milljón gráður á celsíus, ásamt því að viðhalda rafgasinu stöðugu í um fjórðung af sekúndu. Það virðist ekki mikið í fyrstu en maðurinn hefur verið að vinna í hugmyndinni um kjarnasamruna í meira en 60 ár og er þetta risastórt skref í áttina að nær endalausri, hreinni og ódýrari orku.

Nýverið bárust svo fréttir frá Kína að þeirra kjarnasamrunavél EAST (e. Experimental Advanced Superconducting Tokamak) náði að framleiða rafgas úr vetni við tæpar 50 milljónir gráður á celsíus og viðhalda því stöðugu í heilar 102 sekúndur.

Þrátt fyrir að þetta sé rúmlega þrefalt hærra hitastig en í kjarna sólarinnar okkar þá er þetta langt frá því að vera hæsta hitastig sem framleitt hefur verið í tilraun hér á Jörð. Það var sterkeindahraðallinn í CERN sem hraðaði blý jónum til að rekast á hvor aðra eins nálægt ljóshraða og mögulegt var. Heimsmetinu var náð fyrir heitasta manngerða efni en það náði 5,5 billjónum gráðum á celsíus sem er um 366 þúsundum sinnum heitara en kjarni sólarinnar okkar.

Kínverjum hefur því tekist að endurgera efnaferla innsta kjarna sólarinnar okkar og viðhalda því í tæpar tvær mínútur en mikilvægt er að ná að viðhalda hitastiginu nógu lengi til að virkja orkuna sem fæst úr kjarnasamruna. Næst stefna Kínverjar á að hækka hitastigið upp í 100 milljón gráður á celsíus og vilja viðhalda því ástandi í 17 mínútur. Á sama tíma vinna Þjóðverjar að næsta markmiði sínu sem verður að viðhalda 100 milljón gráðu heitu rafgasi í 30 mínútur, nú þegar þeir hafa sýnt fram á að þetta er mögulegt.

Við þurfum líklega að bíða í nokkra áratugi eftir að geta beislað orku úr kjarnasamruna og þannig leyst úr öllum orkuvandamálum heimsins en vísindamenn eru að ná ótrúlegum framförum í dag sem ber að fagna.

Kurzgesagt – In a Nutshell útskýrir kjarnasamruna

Heimildir
ScienceAlert
Here’s the science behind why it’ll take us decades to master nuclear fusion
Physicists achieve record high efficiency in key nuclear fusion process
Germany’s massive nuclear fusion machine just produced it’s first hydrogen plasma
China’s nuclear fusion machine just smashed Germany’s hydrogen plasma record
Vísindavefurinn
Afhverju haldast hlutir eins og atóm og sameindir saman í heilu lagi?
Hvað er kjarnorka og hvernig virkar hún?
Diffen.com: Nuclear Fission vs Nuclear Fusion
Discovery: Heimsmet í heitasta manngerða efni