Kernefusion betyder, at to lette kerner smelter sammen til én tungere kerne. Fusion, eller termonukleare reaktioner mellem lette grundstoffer, er de typiske reaktioner, der foregår i Solen og andre stjerner. I Solen fusioneres der faktisk hvert sekund 657 millioner tons brint til 653 millioner tons helium. De 4 millioner tons i masseforskel omdannes til stråling – og det er sådan, Solen skinner. Den ekstreme temperatur og det høje tryk skaber en tilstand af stærkt ioniseret stof, der kaldes plasma, og som holdes sammen af tyngdekræfterne.

En fusionsreaktion, hvor der frigøres en relativt stor mængde energi (27,7 MeV), er den, hvor fire reagerende protoner fører til dannelsen af en heliumkerne (en alfapartikel). Da det er brintisotoper, der fusioneres i denne proces, og der er brint stort set overalt omkring os, er idéen om at udvinde energi fra fusion af brint yderst tiltalende: Den byder på en tilsyneladende ubegrænset energikilde for fremtidige generationer!

Fusionsreaktioner er dog ikke lette at opnå på Jorden. Man skal huske på, at de nødvendige temperaturer er ekstremt høje, som regel i størrelsesordenen flere hundrede millioner kelvin. Og når først det varme plasma er skabt, er det på ingen måde trivielt at opretholde det.

Her er en liste over fusionsreaktioner mellem lette kerner, der kunne komme på tale til praktiske anvendelser:

For at sætte en fusionsreaktion i gang skal man overvinde Coulomb-frastødningen mellem kernerne. Derfor skal de have høj kinetisk energi, når de støder sammen (fra nogle få keV til flere hundrede keV) (vi vender senere tilbage til en anden mulighed for at sætte fusion i gang ved lave temperaturer, nemlig den såkaldte myon-katalyserede fusion). Det er let at accelerere lette partikler til sådanne energier. Men den energi, der skal til for at drive acceleratorerne, er langt større end den energi, man vinder ved fusionen. Det er mere praktisk at gå en anden vej: Reaktanternes kinetiske energi kan stamme fra den høje temperatur i en gas af partiklerne. Ved temperaturer på titusinder eller hundreder af millioner kelvin rives elektronerne løs fra atomerne, så reaktanterne findes som et varmt plasma. Derfor taler man om “termonukleare” reaktioner.

Det største tekniske problem er at skabe de ekstremt høje temperaturer og tryk i den ioniserede gas, plasmaet, og at holde det indesluttet længe nok til at sætte fusionen og dermed energifrigørelsen i gang. Når det først er lykkedes, og der finder tilstrækkeligt mange fusionsreaktioner sted, kan forholdene i princippet opretholde sig selv, dvs. at en tilførsel af nyt brændsel vil give en kontinuerlig energiproduktion.

Betingelsen for, at en termonuklear reaktor kan afgive energi, er givet ved det såkaldte Lawson-kriterium. Det siger, at produktet af kernetætheden i plasmaet og den tid, plasmaet holdes indesluttet ved den rette antændelsestemperatur, skal overstige en bestemt tærskelværdi. For eksempel for D-T-fusionsreaktionen:

n_eτ_E ≥ 1.5 × 10²⁰ s/m³

Kravet om høje temperaturer betyder, at plasmaet ikke må komme i kontakt med væggenes materiale. Derfor må man udvikle særlige teknikker til at indeslutte plasmaet.

Der findes tre metoder til indeslutning af plasma: gravitationel, magnetisk og inertiel. I stjernerne skyldes indeslutningen deres tyngdefelt, som skaber et tilstrækkeligt højt tryk. Den slags indeslutning kan dog ikke anvendes på Jorden. I stedet kan man bruge stærke magnetfelter til at fange plasmaet med metoden magnetisk indeslutning, eller man kan med det, der kaldes inertiel indeslutning, presse brintkugler sammen ved hjælp af enten en kraftig laser eller partikelstråler.

Ved magnetisk indeslutning, hvor partikeltætheden er større end omkring 10²⁰/m³, skal indeslutningstiden ifølge Lawson-kriteriet være længere end 1s. Ved inertiel indeslutning er den typiske plasmatæthed for eksempel ≈ 10³¹/m³, og indeslutningstiden skal være af størrelsesordenen 10^-11s.

Den reaktion, der er mest sandsynlig til praktiske anvendelser, er fusion af deuterium og tritium, D + T → ⁴He + n + 17,58 MeV, selvom man også overvejer deuterium-deuterium-reaktioner. Deuterium findes let i vand (30 gram pr. kubikmeter). Tritium skal derimod enten fremstilles i en atomreaktor eller avles i en fusionsreaktor ud fra lithium, et grundstof, der findes i store mængder i jordskorpen.

Det kan opnås ved at omgive reaktorkernen med et relativt tykt (omkring 1m) lithiumtæppe, som også indeholder beryllium. Lithium absorberer neutroner, der bremses op i tæppet, og omdannes til tritium og helium. Den frigjorte energi opvarmer tæppet, og dermed sættes en konventionel energiproduktion i gang. Berylliums rolle er at opretholde et tilstrækkeligt antal neutroner i systemet.

Ladede partiklers bevægelse i et plasma kan styres med et ydre magnetfelt. I lukkede magnetiske indeslutningssystemer, de såkaldte tokamakreaktorer, opvarmer og indeslutter man plasmaet (for eksempel D-T) ved tætheder på op til 10²¹ partikler pr. kubikmeter. Magnetfeltet er udformet, så det holder partiklerne væk fra beholderens vægge. Ellers ville plasmaet øjeblikkeligt ‘køle af’, og fusionsreaktionerne ville ophøre.

Ud over den meget høje temperatur er også det magnetiske tryk, der skal til for at indeslutte plasmaet, imponerende. Ved en partikeltæthed som i atmosfæren (omkring 10²⁷ partikler pr. kubikmeter) og en termisk energi på 10keV skal det magnetiske tryk overstige 10⁸ hPa. Feltspolerne og deres mekaniske ophæng kan ikke modstå et sådant tryk! For at mindske trykket må man nedsætte partikeltætheden. For at opfylde Lawson-kriteriet må man så holde det varme plasma indesluttet i længere tid.

Den mest effektive magnetfeltkonfiguration har vist sig at være den toroidale. Reaktorkammeret har form som en donut og danner en lukket “magnetisk flaske”. For at sikre plasmaets stabilitet følger magnetfeltlinjerne faktisk en skrueformet bane. Denne form for indeslutning opnås i anlæg kendt som tokamakker, stellaratorer og reverse field pinch (RFP).

I en tokamak er en række spoler placeret rundt om det torusformede kammer. Transformerkernen går gennem tokamakkens centrum, mens strømmen i plasmaet udgør et sekundært kredsløb. Det vinkelrette, såkaldt poloidale felt induceres både indefra, af den strøm, der drives i plasmaet, og udefra, af poloidale feltspoler, der er placeret rundt om beholderens omkreds.

Denne strøm opvarmer også plasmaet til den nødvendige høje temperatur på omkring 10 millioner K. Idéen til tokamakken stammer fra de russiske fysikere Andrej Sakharov og Igor Tamm. Tokamakkernes største ulempe er det relativt snævre driftsområde for parametrene. Den største tokamak, der er bygget indtil nu, var Joint European Torus (JET).

I en stellarator reguleres plasmaforholdene af strømme, der løber uden for plasmaet. De skrueformede feltlinjer i stellaratorerne frembringes af en række spoler, som selv er skrueformede.

Den største stellarator, Large Helical Device (LHD), som ses på billedet nedenfor, blev sat i drift i 1998 ved Japans National Institute for Fusion Science. Da der ikke induceres nogen strøm i plasmaet i stellaratorer, må opvarmningen ske på andre måder, for eksempel ved at tilføre plasmaet elektromagnetisk stråling. En sådan teknik er planlagt i Greifswald i Tyskland. Disse anlæg minder om tokamakker, hvad angår de toroidale og poloidale felter. Strømmene er dog meget stærkere, og desuden er det toroidale felts retning inde i plasmaet vendt om ved plasmaets kant. Denne type system anvendes blandt andet i Padova i Italien.

Teknikken med inertiel indeslutningsfusion (ICF) bygger på en forberedt brændselskugle af D-T, som derefter opvarmes hurtigt for at nå den temperatur og det tryk, der skal til for at danne et plasma.

Det opnås ved at presse kuglen sammen ved at beskyde den med kraftige, velfokuserede laserpulser. Under disse forhold fordamper kuglens overflade og danner en plasmakrone. Plasmaet udvider sig og skaber en indadgående kompressionsfront, som får kuglen til at implodere, så der sker en øjeblikkelig fusionsreaktion.

Det mest avancerede fusionssystem baseret på inertiel indeslutning er NOVA ved Lawrence Livermore Laboratory i USA. Forskere ved NOVA har vist, at man ved kompression kan opnå tætheder, der er 600 gange større end tætheden af flydende D-T-blanding og 20 gange større end tætheden af bly.

Det Europæiske Fællesskab startede programmet Joint European Torus – JET i 1978. JET’s hovedformål var at udføre forsøg med fusion, plasmafysik og stabilitetsforhold. Culham i Storbritannien blev valgt som hjemsted for JET.

Anlægget, som faktisk er den største tokamak, der er bygget indtil nu, var klar til drift i 1983, og den første kontrollerede fusionseffekt blev produceret i november 1991. Rekordeffekten på 16 MW blev opnået i ét sekund i 1997 med blandet deuterium-tritium-brændsel. JET-eksperimentet viste, at kontrolleret fusion er mulig.

Dets efterfølger er ITER, et internationalt forsknings- og ingeniørprojekt, som i øjeblikket bygger verdens største eksperimentelle tokamak-fusionsreaktor i Cadarache i Frankrig. ITER-projektet har som mål at tage det længe ventede skridt fra eksperimentelle studier af plasmafysik til fuldskala fusionskraftværker, der producerer elektricitet.

National Ignition Facility (NIF) i Californien, USA, er verdens største og mest energirige laseranlæg, og et af dets mål er for første gang at opnå kernefusion med energigevinst i laboratoriet – i bund og grund at skabe en miniaturestjerne på Jorden.

NIF bruger kraftige lasere til at opvarme og sammenpresse en lille mængde brintbrændsel, indtil der finder kernefusionsreaktioner sted. NIF er det største og mest energirige ICF-anlæg, der er bygget til dato, og det første, man forventer vil nå det længe eftertragtede mål om “antændelse”, hvor der produceres mere energi, end der blev tilført for at starte reaktionen. Anlæggets opgave er at opnå kernefusion med stor energigevinst i laboratoriet og at støtte vedligeholdelse og design af kernevåben ved at studere stoffets opførsel under de forhold, der findes inde i kernevåben.

De ekstreme temperaturer og tryk, der skabes inde i NIF’s målkammer, gør det muligt for forskerne at udføre hidtil usete eksperimenter inden for højenergitæthedsvidenskab og få ny indsigt i astrofysiske fænomener som supernovaer, kæmpeplaneter og sorte huller.

Fusion er på en måde den modsatte reaktion af kernespaltning (fission). Ved fission dannes der kerner med mindre masse ud fra en tung kerne, og summen af de dannede masser er mindre end den tunge kernes masse. Ved fusion er den tungere kernes masse mindre end summen af de lettere kerners oprindelige masser.

Det er let at se, at for at sætte en sådan reaktion i gang skal de sammenstødende kerners relative energi (husk, at de er positivt ladede!) være høj nok til at overvinde deres elektriske frastødning. For at danne heliumatomer ved for eksempel fusion af deuterium og tritium skal brændslet derfor holdes under ekstremt høj temperatur og højt tryk.

Der dannes en neutron i den netop beskrevne reaktion. Denne neutron har meget høj kinetisk energi, som afgives, mens den bremses op. Denne energi kan omdannes til varme til at producere damp, som igen kan drive en turbine og en elgenerator. Neutronerne fra sådanne fusionsreaktioner kan også bruges til at fremstille kernebrændsel ud fra udarmet uran, dvs. uran, der indeholder mindre ²³⁵U end naturligt uran (0,72 %).

Omkring ét ud af hver 6000 brintatomer omkring os (også brinten i vand) er et deuteriumatom. Denne forekomst er et stærkt incitament til at konstruere en eller anden form for fusionsanlæg – for det ville reelt give menneskeheden en energiforsyning i måske milliarder af år!

Til sammenligning: For at producere 1 GW-år elektrisk energi skal man bruge omkring 35 tons UO₂ ved fission, men omkring 100kg deuterium plus 150kg tritium ved fusion. Et andet forhold, der gør fusion attraktiv, er det næsten fuldstændige fravær af radioaktive biprodukter. Især vil der ikke opstå materiale, som kan bruges til fremstilling af kernevåben, ved driften af et fusionskraftværk. I modsætning til atomreaktorer, der bruger fission, er en eksplosion af anlægget desuden praktisk talt umulig: Hvis der skete en eksplosion, ville plasmaet udvide sig og køle af, hvilket automatisk ville standse fusionsprocessen.

Det betyder ikke, at der ikke er nogen farer forbundet med fusionsreaktorer. Man skal især huske på den massive produktion af neutroner og af radioaktivt tritium. Tilstedeværelsen af smeltede lithiumsalte og af det kræftfremkaldende beryllium vil også være et problem.

Ligesom i fissionsreaktorer dannes der en hel del ioniserende stråling (især neutroner) i fusionsreaktorer. Man forventer derfor, at et af hovedproblemerne bliver afskærmning mod induceret radioaktivitet i hele anlægget. Den fare, der er forbundet med et muligt uheld i magnetsystemet, som lagrer ekstremt store mængder energi, skal tages alvorligt. I 1992 blev der nedsat en gruppe kaldet European Safety and Environmental Assessment of Fusion Power (SEAFP). Gruppens formål er at arbejde med design af fusionskraftværker, deres sikkerhedsforhold og vurdering af deres påvirkning af miljøet. Ifølge SEAFP’s vurderinger består fusionens største fordele frem for fissionskraftværker i, at udslippet af stråling selv i det værst tænkelige scenarie aldrig vil nå et niveau, der kræver evakuering af befolkningen. Desuden henfalder det radioaktive affald fra fusionskraftværker relativt hurtigt og behøver ikke at blive isoleret fra omgivelserne. Et særligt problem er forbundet med et muligt udslip af radioaktivt tritium til miljøet. Denne radioaktive gas trænger meget let igennem materialer, opløses let i vand og kan stadig være farlig lang tid efter, den er dannet (tritiums halveringstid er omkring 12 år).

Indtil nu har alle løfter og forhåbninger om energiproduktion vist sig at være forhastede – det er først for ikke så længe siden, at den producerede energi har svaret til den energi, der blev tilført systemet (først i det amerikanske TFTR og det japanske JT60 og ved Joint European Torus – JET). De største udfordringer er: at opretholde en stabil plasmakonfiguration, at finde materialer, der kan modstå de kraftige neutronstrømme, der dannes, at udvinde energien til nyttige formål og at producere væsentligt mere energi, end der tilføres.

I spidsen for bestræbelserne på at gøre fusionsenergi kommerciel står i dag ITER, som går tilbage til 1985. Projektet fik nyt skub, efter at ITER-organisationen blev oprettet i 2007 med Kina, EU, Indien, Japan, Sydkorea, Rusland og USA som medlemmer. Anlægget er nu under opførelse i Cadarache i Frankrig med det mål at opnå en effekt på 500MW og en fusionsforstærkningsfaktor Q=5-10 inden for projektets tidsramme på 30 år.

Fundamentet lægges til den kommende tokamakbygning – Cadarache, februar 2014.

Desværre er termonuklear energi (ligesom andre energiformer) allerede blevet brugt til militære formål i den såkaldte brintbombe.