Fusjon

Ordet fusjon kommer av det latinske ordet fusio, som betyr smelting. I fysikk brukes ordet om sammensmelting av atomkjerner. Ved fusjon kombineres to atomkjerner til én ny, tyngre atomkjerne. I næringslivet brukes ordet fusjon om sammenslåing av bedrifter eller selskaper.

Hva er fusjon?

I kjernefysikk er fusjon en prosess hvor to atomkjerner smeltes sammen til én kjerne. Det er det motsatte av fisjon (link), som er det som skjer når atomer spaltes og frigjør energi. Fusjonsprosessen avgir en betydelig mengde energi, men samtidig krever den svært mye energi i form av enormt høye temperaturer for å kunne foregå. Frigjøring eller opptak av energi avhenger av atomkjernenes masse. Fusjon av to atomkjerner som er lettere enn jern og nikkel vil frigjøre energi, mens fusjon av tyngre atomkjerner krever energi.

Fusjonsenergi er resultatet av utveksling mellom den elektrostatiske kraften som får ladede partikler til å frastøte hverandre og den sterke kjernekraften som holder atomkjerner sammen. Protoner er positivt ladede. Når to protoner nærmer seg hverandre, vil derfor den elektrostatiske kraften få dem til å frastøte hverandre. Den sterke kjernekraften virker kun på veldig korte avstander. Derfor trenger protoner veldig mye energi for å kunne komme tett nok på hverandre til å bindes sammen av kjernekraft.

Bindingsenergi

Kjernekraften er mye kraftigere enn den elektrostatiske kraften, så når kjernene fusjonerer, avgir de energi. Vi kaller denne energien for bindingsenergi. Dette er den samme energien som skal til for å splitte kjernen igjen.

Atomkjerner består av proton og nøytroner. Siden nøytroner ikke har ladning, har den elektrostatiske kraften ingen virkning på dem. Det skal en viss energi til for å holde to protoner sammen. Når to protoner kommer tett nok på hverandre, så den sterke kjernekraften kan virke, blir de bundet av en så sterk energi at den overstiger den energien som skal til for å holde en kjerne med to protoner sammen. To protoner har hver for seg ingen bindingsenergi. Men når de smelter sammen og blir til en heliumkjerne (som har to protoner), kreves det en bindingsenergi som er mindre enn summen av de to protonene hver for seg.

Einsteins masseenergilov

En annen måte å beskrive det på, er ved Einsteins masseenergilov, med den berømte formelen E = mc². Formelen relaterer energien E til et legeme eller et system av partikler til en ekvivalent masse m når et legeme taper energi ved å sende ut stråler. I formelen står c for lysets hastighet. Summen av massen av to protoner er større enn massen av en heliumkjerne. Derfor vil den resterende massen bli omdannet til energi. Og som Einsteins ligning viser, skal det ikke stor masse til for å skape veldig mye energi.

Kjernefusjon

Fusjon i kjernefysikk, også kalt kjernefusjon, er den prosessen som gjør at solen stråler ut betydelige energimengder som gir oss sollys, uten at solen avkjøles. Inne i solen fusjoneres 4 hydrogenkjerner til en heliumkjerne.

Solen består stort sett av atomer av grunnstoffene hydrogen og helium. Inne i midten av solen er det uhyre varmt. På grunn av den høye temperaturen beveger atomene seg med stor fart. Når de kolliderer, treffer de hverandre med stor hastighet. Når fire hydrogenatomer kolliderer med hverandre i solens indre, smelter de sammen og danner et nytt atom, et heliumatom. I denne prosessen avgir fusjonen 2 positroner (e⁺), to nøytroner ν og energien ε. Energien i denne prosessen er 26,7 megaelektronvolt.

Det finnes også mange andre prosesser hvor fusjon kan forekomme. Alle kjerner lettere enn jern og nikkel, det vil si med et lavere atomnummer, vil frigjøre energi når de fusjonerer, mens alle tyngre kjerner vil absorbere energi. Dette skyldes at bindingsenergien faller for de tyngre kjernene.

Fusjonsenergi

Den atomkraften vi bruker i dag, og som vi kjenner fra atomkraftverk, blir dannet ved fisjon. Fusjon og fisjon er motsatte mekanismer. Fisjon skjer når atomkjerner splittes, mens fusjon skjer når atomkjerner smelter sammen. Fusjon er mye vanskeligere å utløse enn fisjon. For at atomkjernene skal oppnå så stor hastighet at en fusjon kan finne sted, kreves det enormt høy temperatur, en temperatur på flere millioner grader. Vi har foreløpig ikke utviklet teknologi for å kunne utløse en fusjonsprosess, med det utføre mye forskning for å utvikle en fusjonsreaktor.

Eksempel på beregning av fusjonsenergi

Vi forestiller oss at vi vil lage en liten miniatyrsol i et laboratorium. Miniatyrsolen vår har et volum på 1 kubikkcentimeter, som tilsvarer en kule med en diameter på 1,24 centimeter.

Solens kjerne har en tetthet på 150 g per cm³. Hvis vi forestiller oss at de 150 grammene består utelukkende av hydrogenatomer, og vi bruker vekten av et hydrogenatom, kan vi finne mengden av hydrogenatomer. Vekten av et hydrogenatom er 1,67Â · 10^-24 g.

La oss altså forestille oss at vi får plass til 8,96Â · 10²⁵ hydrogenatomer i den lille solen, og at vi så setter i gang fusjonsprosessen. Fusjon virker kraftigere jo høyere temperaturen er, så vi kan innstille solens effekt ved å endre på temperaturen.

Vi vil nå regne ut hvor mye energi vi samlet kan få ut av miniatyrsolen. Vi har  8,96Â · 10²⁵ hydrogenatomer. Vi trenger 4 hydrogenatomer for hver fusjon, og hver fusjon gir energien 26,7 MeV.

For å kunne forestille oss hvor mye energi dette tilsvarer, beregner vi hvor mange lyspærer vi kan få til å lyse uavbrutt i ett år med denne energien. En 100 watt pære bruker, ut fra definisjonen av en watt, 100 joule per sekund, som er 6,24Â · 10²⁰ eV.

Det er 60Â · 60Â · 24Â · 365 sekunder i et år. Altså:

Den lille solen vår har altså nok energi til å lade over 30.000 100-watts pærer som lyser uavbrutt i et år.