Fusjon betyr at to lette kjerner smelter sammen til én tyngre kjerne. Fusjon, eller termonukleære reaksjoner mellom lette grunnstoffer, er de typiske reaksjonene som foregår i Sola og andre stjerner. I Sola blir det faktisk hvert sekund smeltet sammen 657 millioner tonn hydrogen til 653 millioner tonn helium. De 4 millioner tonnene i masseforskjell omdannes til stråling – og det er slik Sola skinner. Den ekstreme temperaturen og det høye trykket skaper en tilstand av sterkt ionisert materie som kalles plasma, og som holdes sammen av gravitasjonskreftene.

En fusjonsreaksjon der det frigjøres en relativt stor mengde energi (27,7 MeV), er den der fire reagerende protoner fører til at det dannes en heliumkjerne (en alfapartikkel). Siden det er hydrogenisotoper som smelter sammen i denne prosessen, og hydrogen finnes praktisk talt overalt rundt oss, er ideen om å utvinne energi fra fusjon av hydrogen svært tiltalende: Den gir en tilsynelatende ubegrenset energikilde for framtidige generasjoner!

Fusjonsreaksjoner er imidlertid ikke lette å få til på Jorda. Man må huske at temperaturene som kreves, er ekstremt høye, vanligvis i størrelsesorden hundrevis av millioner kelvin. Og når det varme plasmaet først er skapt, er det på ingen måte enkelt å opprettholde det.

Her er en liste over fusjonsreaksjoner mellom lette kjerner som kan være aktuelle for praktiske anvendelser:

For å starte en fusjonsreaksjon må man overvinne Coulomb-frastøtningen mellom kjernene. Derfor må de ha høy bevegelsesenergi når de kolliderer (fra noen få keV til flere hundre keV) (vi kommer senere tilbake til en annen mulighet for å starte fusjon ved lave temperaturer, nemlig såkalt myonkatalysert fusjon). Det er lett å akselerere lette partikler til slike energier. Men energien som trengs for å drive akseleratorene, er langt større enn energien man vinner ved fusjonen. Det er mer praktisk å gå en annen vei: Reaktantenes bevegelsesenergi kan komme fra den høye temperaturen i en gass av partiklene. Ved temperaturer på titalls eller hundrevis av millioner kelvin rives elektronene løs fra atomene, slik at reaktantene finnes som et varmt plasma. Det er derfor man snakker om «termonukleære» reaksjoner.

Det største tekniske problemet er å skape de ekstremt høye temperaturene og trykkene i den ioniserte gassen, plasmaet, og å holde det innestengt lenge nok til å starte fusjonen og dermed energifrigjøringen. Når dette først er oppnådd, og det foregår tilstrekkelig mange fusjonsreaksjoner, kan forholdene i prinsippet opprettholde seg selv, det vil si at tilførsel av nytt brensel vil gi en kontinuerlig energiproduksjon.

Betingelsen for at en termonukleær reaktor skal kunne avgi energi, er gitt ved det såkalte Lawson-kriteriet. Det sier at produktet av kjernetettheten i plasmaet og tiden plasmaet holdes innestengt ved riktig tenningstemperatur, må overstige en bestemt terskelverdi. For eksempel for D-T-fusjonsreaksjonen:

n_eτ_E ≥ 1.5 × 10²⁰ s/m³

Kravet om høye temperaturer betyr at plasmaet ikke kan komme i kontakt med veggmaterialet. Derfor må man utvikle spesielle teknikker for å stenge plasmaet inne.

Det finnes tre metoder for å stenge inne plasma: gravitasjonell, magnetisk og treghetsinnestenging. I stjernene skyldes innestengingen gravitasjonsfeltet deres, som skaper et tilstrekkelig høyt trykk. Denne typen innestenging kan imidlertid ikke brukes på Jorda. I stedet kan man bruke sterke magnetfelt til å fange plasmaet med metoden magnetisk innestenging, eller man kan, med det som kalles treghetsinnestenging, presse sammen hydrogenkuler ved hjelp av enten en kraftig laser eller partikkelstråler.

Ved magnetisk innestenging, der partikkeltettheten er større enn omtrent 10²⁰/m³, må innestengingstiden ifølge Lawson-kriteriet være lengre enn 1s. Ved treghetsinnestenging er den typiske plasmatettheten for eksempel ≈ 10³¹/m³, og innestengingstiden må være av størrelsesorden 10^-11s.

Den reaksjonen som er mest aktuell for praktiske anvendelser, er fusjon av deuterium og tritium, D + T → ⁴He + n + 17,58 MeV, selv om man også vurderer deuterium-deuterium-reaksjoner. Deuterium finnes lett tilgjengelig i vann (30 gram per kubikkmeter). Tritium må derimot enten framstilles i en kjernereaktor eller avles fram i en fusjonsreaktor fra litium, et grunnstoff som finnes i store mengder i jordskorpa.

Dette kan oppnås ved å omgi reaktorkjernen med et relativt tykt (omtrent 1m) litiumteppe som også inneholder beryllium. Litium absorberer nøytroner som bremses opp i teppet, og omdannes til tritium og helium. Den frigjorte energien varmer opp teppet, og dermed starter en konvensjonell energiproduksjon. Berylliumets rolle er å opprettholde et tilstrekkelig antall nøytroner i systemet.

Ladde partiklers bevegelse i et plasma kan styres med et ytre magnetfelt. I lukkede magnetiske innestengingssystemer, såkalte tokamakreaktorer, varmer man opp og stenger inne plasmaet (for eksempel D-T) ved tettheter på opptil 10²¹ partikler per kubikkmeter. Magnetfeltet er utformet for å holde partiklene borte fra beholderens vegger. Ellers ville plasmaet øyeblikkelig ‘kjøles ned’, og fusjonsreaksjonene ville stoppe.

I tillegg til den svært høye temperaturen er også det magnetiske trykket som kreves for å stenge plasmaet inne, imponerende. Ved en partikkeltetthet som i atmosfæren (omtrent 10²⁷ partikler per kubikkmeter) og en termisk energi på 10keV må det magnetiske trykket overstige 10⁸ hPa. Feltspolene og deres mekaniske oppheng tåler ikke slike trykk! For å senke trykket må man redusere partikkeltettheten. For å oppfylle Lawson-kriteriet må man da holde det varme plasmaet innestengt lenger.

Den mest effektive magnetfeltkonfigurasjonen har vist seg å være den toroidale. Reaktorkammeret har form som en smultring og danner en lukket «magnetisk flaske». For å sikre plasmaets stabilitet følger magnetfeltlinjene faktisk en skrueformet bane. Slik innestenging skjer i anlegg kjent som tokamaker, stellaratorer og reverse field pinch (RFP).

I en tokamak er en rekke spoler plassert rundt det torusformede kammeret. Transformatorkjernen går gjennom tokamakens sentrum, mens strømmen i plasmaet utgjør en sekundærkrets. Det vinkelrette, såkalt poloidale feltet induseres både innenfra, av strømmen som drives i plasmaet, og utenfra, av poloidale feltspoler som er plassert rundt beholderens omkrets.

Denne strømmen varmer også opp plasmaet til den nødvendige høye temperaturen på omtrent 10 millioner K. Ideen bak tokamaken stammer fra de russiske fysikerne Andrej Sakharov og Igor Tamm. Tokamakenes største ulempe er det relativt smale driftsområdet for parametrene. Den største tokamaken som er bygd til nå, var Joint European Torus (JET).

I en stellarator reguleres plasmaforholdene av strømmer som går utenfor plasmaet. De skrueformede feltlinjene i stellaratorene skapes av en rekke spoler som selv er skrueformede.

Den største stellaratoren, Large Helical Device (LHD), som vises på bildet nedenfor, ble satt i drift i 1998 ved Japans National Institute for Fusion Science. Siden det ikke induseres noen strøm i plasmaet i stellaratorer, må oppvarmingen skje på andre måter, for eksempel ved å tilføre plasmaet elektromagnetisk stråling. En slik teknikk er planlagt i Greifswald i Tyskland. Disse anleggene ligner tokamaker når det gjelder de toroidale og poloidale feltene. Strømmene er imidlertid mye sterkere, og i tillegg er retningen på det toroidale feltet inne i plasmaet snudd ved plasmaets kant. Denne typen system brukes blant annet i Padova i Italia.

Teknikken med treghetsinnestengt fusjon (ICF) bygger på en forberedt brenselkule av D-T som deretter varmes raskt opp for å nå den temperaturen og det trykket som trengs for å danne et plasma.

Dette oppnås ved å presse kula sammen ved å beskyte den med kraftige, godt fokuserte laserpulser. Under slike forhold fordamper kulas overflate og danner en plasmakrone. Plasmaet utvider seg og skaper en innadgående kompresjonsfront som får kula til å implodere, slik at det skjer en øyeblikkelig fusjonsreaksjon.

Det mest avanserte fusjonssystemet basert på treghetsinnestenging er NOVA ved Lawrence Livermore Laboratory i USA. Forskere ved NOVA har vist at man ved kompresjon kan oppnå tettheter som er 600 ganger høyere enn tettheten til en flytende D-T-blanding og 20 ganger høyere enn tettheten til bly.

Det europeiske fellesskap startet programmet Joint European Torus – JET i 1978. Hovedmålet med JET var å gjøre forsøk med fusjon, plasmafysikk og stabilitetsforhold. Culham i Storbritannia ble valgt som sted for JET.

Anlegget, som faktisk er den største tokamaken som er bygd til nå, var klart til drift i 1983, og den første kontrollerte fusjonseffekten ble produsert i november 1991. Rekordeffekten på 16 MW ble oppnådd i ett sekund i 1997 med blandet deuterium-tritium-brensel. JET-eksperimentet viste at kontrollert fusjon er mulig.

Etterfølgeren er ITER, et internasjonalt forsknings- og ingeniørprosjekt som nå bygger verdens største eksperimentelle fusjonsreaktor av tokamaktypen i Cadarache i Frankrike. ITER-prosjektet har som mål å ta det etterlengtede steget fra eksperimentelle studier av plasmafysikk til fullskala fusjonskraftverk som produserer elektrisitet.

National Ignition Facility (NIF) i California, USA, er verdens største og mest energirike laseranlegg, og et av målene er for første gang å oppnå fusjon med energigevinst i laboratoriet – i bunn og grunn å skape en miniatyrstjerne på Jorda.

NIF bruker kraftige lasere til å varme opp og presse sammen en liten mengde hydrogenbrensel til det oppstår fusjonsreaksjoner. NIF er det største og mest energirike ICF-anlegget som er bygd til nå, og det første som ventes å nå det lenge ettertraktede målet om «tenning», der det produseres mer energi enn det som ble tilført for å starte reaksjonen. Anleggets oppgave er å oppnå fusjon med stor energigevinst i laboratoriet og å støtte vedlikehold og konstruksjon av kjernevåpen ved å studere hvordan materie oppfører seg under forholdene inne i kjernevåpen.

De ekstreme temperaturene og trykkene som skapes inne i NIFs målkammer, gjør det mulig for forskerne å utføre eksperimenter uten sidestykke innen høyenergitetthetsfysikk og få ny innsikt i astrofysiske fenomener som supernovaer, kjempeplaneter og sorte hull.

Fusjon er på en måte den motsatte reaksjonen av fisjon. Ved fisjon dannes kjerner med mindre masse fra en tung kjerne, og summen av massene som dannes, er mindre enn massen til den tunge kjernen. Ved fusjon er massen til den tyngre kjernen mindre enn summen av de opprinnelige massene til de lettere kjernene.

Det er lett å se at for å starte en slik reaksjon må den relative energien til kjernene som kolliderer (husk at de er positivt ladd!), være høy nok til å overvinne den elektriske frastøtningen mellom dem. For å danne heliumatomer ved for eksempel fusjon av deuterium og tritium må brenselet derfor holdes under ekstremt høy temperatur og høyt trykk.

Det dannes et nøytron i reaksjonen som nettopp er beskrevet. Dette nøytronet har svært høy bevegelsesenergi, som avgis mens det bremses opp. Denne energien kan omdannes til varme for å lage damp, som igjen kan drive en turbin og en elektrisk generator. Nøytronene som dannes i slike fusjonsreaksjoner, kan også brukes til å framstille kjernebrensel fra utarmet uran, det vil si uran som inneholder mindre ²³⁵U enn naturlig uran (0,72 %).

Omtrent ett av hver 6000 hydrogenatomer rundt oss (også hydrogenet i vann) er et deuteriumatom. Denne forekomsten er en sterk drivkraft for å konstruere en eller annen form for fusjonsanlegg – det ville i praksis gi menneskeheten en energiforsyning i kanskje milliarder av år!

Til sammenligning: For å produsere 1 GW-år elektrisk energi trenger man omtrent 35 tonn UO₂ ved fisjon, men omtrent 100kg deuterium pluss 150kg tritium ved fusjon. Noe annet som gjør fusjon attraktivt, er det nesten fullstendige fraværet av radioaktive biprodukter. Særlig vil det ikke oppstå materiale som kan brukes til å lage kjernevåpen når et fusjonskraftverk er i drift. I motsetning til kjernereaktorer som bruker fisjon, er en eksplosjon i anlegget dessuten praktisk talt umulig: Hvis det skulle skje en eksplosjon, ville plasmaet utvide seg og kjøles ned, noe som automatisk ville stoppe fusjonsprosessen.

Det betyr ikke at det ikke finnes noen farer knyttet til fusjonsreaktorer. Man må særlig huske på den store produksjonen av nøytroner og av radioaktivt tritium. Forekomsten av smeltede litiumsalter og av det kreftfremkallende berylliumet ville også være et problem.

Som i fisjonsreaktorer dannes det mye ioniserende stråling (særlig nøytroner) i fusjonsreaktorer. Man regner derfor med at et av hovedproblemene blir skjerming mot indusert radioaktivitet i hele anlegget. Faren knyttet til en mulig ulykke i magnetsystemet, som lagrer ekstremt store mengder energi, må tas på alvor. I 1992 ble det opprettet en gruppe kalt European Safety and Environmental Assessment of Fusion Power (SEAFP). Gruppens formål er å arbeide med utformingen av fusjonskraftverk, sikkerhetsforholdene deres og vurderingen av miljøpåvirkningen deres. Ifølge SEAFPs vurderinger består fusjonens største fordeler sammenlignet med fisjonskraftverk i at utslippet av stråling selv i verste fall aldri vil nå et nivå som tvinger folk til å evakuere. Dessuten henfaller det radioaktive avfallet fra fusjonskraftverk relativt raskt og trenger ikke å isoleres fra omgivelsene. Et spesielt problem er knyttet til et mulig utslipp av radioaktivt tritium til miljøet. Denne radioaktive gassen trenger svært lett gjennom materialer, løses lett i vann og kan fortsatt være farlig lang tid etter at den er dannet (halveringstiden til tritium er omtrent 12 år).

Hittil har alle løfter og forhåpninger om energiproduksjon vist seg å være forhastede – det er først for ikke så lenge siden at den produserte energien har vært like stor som energien som ble tilført systemet (først i amerikanske TFTR og japanske JT60 og ved Joint European Torus – JET). De største utfordringene er: å opprettholde en stabil plasmakonfigurasjon, å finne materialer som tåler de intense nøytronstrømmene som dannes, å hente ut energien til nyttige formål og å produsere vesentlig mer energi enn det som tilføres.

I spissen for arbeidet med å gjøre fusjonsenergi kommersiell står i dag ITER, som går tilbake til 1985. Prosjektet fikk ny fart etter at ITER-organisasjonen ble opprettet i 2007 med Kina, EU, India, Japan, Sør-Korea, Russland og USA som medlemmer. Anlegget bygges nå i Cadarache i Frankrike, med mål om å oppnå en effekt på 500MW og en fusjonsforsterkningsfaktor Q=5-10 innenfor prosjektets tidsramme på 30 år.

Grunnmuren legges for den kommende tokamakbygningen – Cadarache, februar 2014.

Dessverre har termonukleær energi (i likhet med andre energiformer) allerede blitt brukt til militære formål i den såkalte hydrogenbomben.