Fusion i stjärnor
Fusion är motsatsen till fission. I stället för att en tung kärna klyvs i två, slås två lätta kärnor ihop till en tyngre. Det är precis det som händer inne i solen och i de allra flesta andra stjärnor, och det är den processen som gör att de lyser. Att både fusion och fission kan frigöra energi beror på att kärnpartiklarna sitter hårdast bundna i kärnor kring järn. När lätta kärnor slås ihop, eller tunga klyvs, blir kärnorna hårdare bundna än före, och skillnaden i bindningsenergi frigörs.
Fusion är svårare att få igång än fission. Två kärnor är båda positivt laddade och stöter bort varandra elektriskt, en barriär som måste övervinnas innan den starka kraften, som bara verkar på extremt kort avstånd, kan ta över och binda dem samman. För att nå tillräckligt nära måste kärnorna röra sig oerhört snabbt, vilket kräver en temperatur på många miljoner grader och ett högt tryck som håller dem tätt packade.
I solens kärna är temperaturen omkring femton miljoner kelvin. Under den kombinationen av temperatur och det tryck som solens egen tyngd skapar fusionerar väte till helium i flera steg. Varje sekund omvandlas ungefär sexhundra miljoner ton väte, och heliumet som bildas väger omkring fyra miljoner ton mindre. Den massminskningen motsvarar energin som frigörs. Den energin är det som värmer jorden och gör allt liv här möjligt.
På jorden försöker forskare återskapa fusion i kontrollerad form. En metod, tokamaken, använder kraftiga magnetfält för att hålla ett glödhett plasma inneslutet utan att det rör reaktorväggarna. En annan metod skjuter kraftfulla lasrar mot en liten bränslekapsel för att pressa ihop den så snabbt att fusion hinner ske. I december 2022 fick forskare vid National Ignition Facility i USA för första gången ut mer energi från fusionsreaktionen än den laserenergi som riktades mot bränslekapseln, ett vetenskapligt genombrott. Hela anläggningens totala elförbrukning är dock ännu mycket större än energin som kommer ut, så vägen till praktisk fusionskraft är fortfarande lång.
Fördelen med fusion som energikälla är att bränslet i en reaktor, väteisotoperna deuterium och tritium, kan utvinnas ur vatten respektive framställas ur litium, och att produkten helium inte är radioaktiv. Neutronerna från reaktionen gör visserligen reaktorns väggar radioaktiva, men det avfallet är betydligt mer kortlivat än fissionens klyvningsprodukter.
Det här lär du dig
- Förklara vad kärnfusion är och hur det skiljer sig från fission
- Beskriva varför fusion kräver extremt hög temperatur och tryck
- Redogöra för hur väte fusionerar till helium i solens kärna
- Beskriva hur forskare försöker uppnå kontrollerad fusion på jorden
- Jämföra fördelar mellan fusion och fission som energikällor
Begrepp att kunna
- Kärnfusion
- Processen där två lätta atomkärnor slås samman till en tyngre kärna, vilket frigör energi. Motsatsen till fission.
- Coulombbarriären
- Den elektriska repulsion mellan två positivt laddade kärnor som måste övervinnas innan den starka kraften kan binda dem samman.
- Plasma
- Ett tillstånd av het, joniserad gas där elektronerna är lösryckta från kärnorna, nödvändigt för att fusion ska kunna ske.
- Tokamak
- En typ av fusionsreaktor som använder kraftiga magnetfält för att hålla hett plasma inneslutet utan att det rör reaktorväggarna.
- Tröghetsinneslutning
- En metod för fusion där kraftfulla lasrar komprimerar en liten bränslekapsel så snabbt att fusion hinner inträffa innan den hinner expandera.
Vanliga svårigheter
Tror att en fusionsreaktor kan skena okontrollerat
Fusion är mycket svårare att starta, eftersom den kräver extrem temperatur och tryck, men den är också självbegränsande: om plasman kyls ner eller läcker ut upphör reaktionen omedelbart av sig själv, och i reaktorn finns bara en liten mängd bränsle åt gången. I en fissionsreaktor finns däremot bränsle för lång tid, och kedjereaktionen måste hela tiden regleras med styrstavar. Fusion är alltså svårare att få igång men svårare att få ur kontroll.
Tror att solen är på väg att explodera som en bomb
Solens fusion är en stabil, självreglerande process: om kärnan expanderar och svalnar lite saktar fusionen in, och tyngdkraften drar då ihop kärnan igen tills temperaturen stiger och fusionen tar fart på nytt. Det är en jämn balans mellan tryck och gravitation under miljarder år, inte en okontrollerad kedjereaktion som i ett vapen.
Tror att fusionsforskningen redan ger mer energi ut än den använder totalt
Ett genombrott kan innebära att energin från själva fusionsreaktionen överstiger den laserenergi som riktades mot bränslekapseln, men hela anläggningens elförbrukning, inklusive att driva lasrarna, är fortfarande mycket större än energin som kommer ut. Praktisk fusionskraft som ger nettovinst för hela systemet är ännu inte uppnådd.
I verkligheten
Solen är en naturlig fusionsreaktor som drivit allt liv på jorden i miljarder år
I solens kärna, vid omkring femton miljoner kelvin, fusionerar väte till helium i en serie steg. Energin som frigörs når jorden som ljus och värme och är den ursprungliga källan till nästan all energi som används på planeten.
Forskningsanläggningar som ITER och National Ignition Facility försöker tämja fusion på jorden
ITER bygger en jättelik tokamak i Frankrike som ska hålla plasma inneslutet med magnetfält, medan National Ignition Facility i USA använder lasrar för att komprimera bränslekapslar. Båda angreppssätten testar olika sätt att övervinna samma grundproblem: att hålla het väteplasma tätt och varmt nog, länge nog, för nettoenergi.
Tips
- Se Coulombbarriären som ett berg kärnorna måste klättra över innan den starka kraften kan ta vid. Temperaturen är farten de klättrar med: ju varmare, desto lättare tar de sig över.
- Jämför fission och fusion i en egen tabell: riktning (klyvs eller slås ihop), bränsle (tung eller lätt kärna), och vad som blir kvar som avfall. Att se dem bredvid varandra gör skillnaderna tydligare än att läsa om dem var för sig.
- När du läser nyheter om fusionsframsteg, fråga alltid: mer energi jämfört med vad, bränslet eller hela anläggningen? Den skillnaden avgör om det är ett labbresultat eller ett faktiskt kraftverk.
Testa dig själv
1. Varför krävs det en extremt hög temperatur för att fusion ska kunna ske?
Två kärnor som ska fusionera är båda positivt laddade och stöter bort varandra genom Coulombbarriären. Bara om de rör sig mycket snabbt kan de komma tillräckligt nära för att den starka kraften, som verkar på extremt kort avstånd, ska ta över och binda dem samman. Hög temperatur betyder att partiklarna rör sig snabbare, vilket är just vad som krävs för att ta sig över barriären. I solen räcker inte ens det fullt ut, utan den sista biten tar sig kärnorna igenom med kvantmekanisk tunneleffekt.
2. Varför brukar fusion beskrivas som svårare att starta men säkrare att hantera än fission?
Fusion kräver extrema förhållanden med hög temperatur och tryck för att komma igång alls, vilket gör den svår att starta. Men om förhållandena försvinner, till exempel om plasman kyls ner eller läcker ut ur inneslutningen, stannar reaktionen omedelbart av sig själv. I en fissionsreaktor finns däremot bränsle för lång tid, kedjereaktionen måste hela tiden regleras, och även efter avstängning avger klyvningsprodukterna värme som måste kylas bort.
3. Vad var milstolpen vid National Ignition Facility i december 2022, och varför betyder den inte att fusionskraft nu är ett löst problem?
Forskarna fick för första gången ut mer energi från själva fusionsreaktionen än den laserenergi som riktades mot bränslekapseln. Det var ett viktigt vetenskapligt bevis på att fusion kan ge nettoenergi i den delen av processen. Men hela anläggningens elförbrukning, inklusive allt som krävs för att driva lasrarna, var fortfarande mycket större än energin som kom ut, så ett praktiskt, självförsörjande fusionskraftverk är fortfarande långt bort.
Ur kursplanen
- Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Universums uppkomst, uppbyggnad och utveckling samt förutsättningar för att finna planeter och liv i andra solsystem.
- Fysik nivå 1a2 · Universum, materien och strålning
Kärnreaktioner, fusion och fission, bindningsenergi och massaenergiekvivalensen.
- Fysik nivå 1b · Universum, materien och strålning
Kärnreaktioner, fusion och fission, bindningsenergi och massaenergiekvivalensen.
- Fysik nivå 2 · Universum, materien och strålning
Huvuddragen i universums utveckling och struktur, till exempel stjärnbildning och exoplaneter.
Källa: Skolverket, centralt innehåll.
Hänger ihop med
Bygger på
Träna vidare – gratis
Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: