Hjemmegjort fusion


Plasmafysikgruppen på DTU Fysik har nu fået gang i en simpel fusionsreaktor, der først og fremmest skal anvendes til undervisning af studerende i plasmafysik.

Foto: Nikhita Singhal

FORSKNING
Af Jens Ramskov  22. jan 2018 kl. 11:55

Med genbrug og småindkøb har DTU bygget sin egen lille fusionsreaktor

Eksperimenter med fusion af deuterium til helium er normalt store og dyre at gennemføre, men det er faktisk muligt med en relativ simpel opstilling at bygge sin egen fusionsreaktor – en såkaldt fusor.

En fusor baserer sig delvist på samme fysik som i store anlæg, men vil dog aldrig – som det er håbet med de mere komplicerede anlæg med en magnetisk indeslutning af plasmaet – kunne levere mere energi, end den forbruger, selv om der dog med en størrelse på flere kilometer i princippet kunne være en teoretisk mulighed for det.

Læs også: Teknisk gymnasium bygger Danmarks første fusionsreaktor

De simple fusorer har dog tiltrukket både amatører og professionelle forskere.

I Danmark var Viborg Tekniske Gymnasium først til at bygge en fusor, da gymnasielærer Bernhard Lind Schistad lod sine elever deltage i designet af den lille reaktor, som derefter blev bygget og taget i brug.

Plasmafysikgruppen på DTU Fysik fremstiller bl.a. diagnostikudstyr til flere større fusionsreaktorer i verden, bl.a. den nye stellarator W7-X i Tyskland, og har også fået opgaven med at designe et tilsvarende udstyr til Iter, som er helt kritisk for bestemmelsen af hastighedsfordelingen af ioner i plasmaet, og dermed den temperatur og de fusionsrater, der kan opnås.

Læs også: Nu tages fusionsreaktoren på Viborg Tekniske Gymnasium i brug

Men gruppen ville naturligvis ikke stå tilbage for Viborg, når det gælder de simple fusorer.

Forskningsingeniør Thomas Jensen har sammen med forsker Jesper Rasmussen stået for opbygningen af DTU’s fusor, som bl.a. er stykket sammen af dele, som var blevet til overs fra tidligere eksperimenter på DTU.

Det gælder ikke mindst reaktionskammeret, som tidligere har været anvendt af nu pensioneret docent Jørn Bindslev Hansen til sputtering-eksperimenter, hvor atomer dampes af et emne via ion-bombardement for at kunne deponeres som en tynd film på et andet materiale. Andre dele har Thomas Jensen skaffet billigst muligt, så den samlede omkostning står i ca. 64.000 kr, hvoraf højspændingskomponenter og sikkerhedsburet står for omtrent halvdelen.

Det er først og fremmest højspændingsforsyningen, der er med til at karakterisere fusorens størrelse. På DTU kan man gå op til 60 kV, mens Viborg-fusoren er begrænset til 40 kV.

»Fusoren skal først og fremmest bruges til undervisning, men det er også planen at benytte den til forskning inden for plasmafysik,« fortæller Jesper Rasmussen.

DTU-forskerne har bl.a. kontakt til en forskningsgruppe på det tekniske universitet i Eindhoven i Holland, der også har en fusor med henblik på at udveksle erfaringer.

foto: WikiHelper2134/Wikicommon

Fusor

Det centrale del i en fusor er et vakuumkammer med to elektroder i form af gitre.

Det ydre gitter holdes på jordpotentiale, mens det indre gitter er tilkoblet en højspænding.

Når der lukkes en lille smule deuteriumgas ind i vakuumkammeret, vil det stærke elektriske felt mellem elektroderne ionisere gassen.

De positive deuteriumkerner accelereres ind mod det indre gitter. De fleste deuteriumkerner vil smutte gennem gitteret, hvor de vil kunne mødes med andre deuteriumkerner, der kommer fra den anden side.

På grund af den høje kinetiske energi kan kernerne smelte sammen i midten af reaktoren. Dette kan illustreres på denne måde:

I det lysende område inden for højspændingsgitteret sker fusion af deuteriumpartikler. Man vil umiddelbart forvente, at processerne er sfærisk symmetriske, men i dette tilfælde ses en jet i en bestemt retning. Forskerne vil i fremtiden undersøge mere præcist, hvad der betinger, at noget sådant opstår.
Foto: DTU Fysik

Studerende måler fusoren igennem

Som led i et kursus i laboratoriearbejder for studerende i fysik og nanoteknologi skal førsteårsstuderende udføre små ‘konsulentopgaver’, hvor de løser en konkret måleteknisk opgave inden for et tidsrum på 3 x 3 timer.

Plasmafysikgruppen ved DTU ville gerne have bestemt de betingelser, der skal til for at opnå fusion, så de inviterede tre studerende, Andreas Goltermann, Mathias Bundgaard-Nielsen og Oliver Christensen, til at foretage dette i januar.

To parametre styrer, hvornår der opnås fusion i reaktorkammeret: Spændingen påtrykt det indre gitter og trykket i kammeret.

Under de rette betingelser vil deuteriumgassen i kammeret ionisere, så der dannes et plasma med positivt ladede deuteriumioner og negativt ladede elektroner.

Ionerne vil blive trukket ind mod centrum af kammeret fra forskellige retninger. Her vil nogle af dem støde sammen og fusionere til nye atomkerner.

Der opstår to fusionsprodukter nogenlunde i forholdet 50:50. Den ene proces fører til dannelse af helium-3 og en fri neutron, den anden proces til tritium og en fri proton.

De frie neutroner vil bevæge sig ud mod kammerets kant, hvor de kan opfanges med en neutrondetektor.

Registrering af neutroner er derfor en indikation på fusion i kammeret og dannelsen af et plasma.


Gammel lov

Betingelserne, der fører til dannelsen af et plasma, er beskrevet med Paschens lov, som er opkaldt efter den tyske fysiker Friedrich Paschen, der i 1889 eksperimentelt undersøgte, hvornår der opstod en gnist mellem to elektroder som funktion af elektrodeafstanden, spændingen og trykket.

For fastholdt afstand, som det er tilfældet i fusoren, vil breakdown-spændingen, der skal til for at ionisere gassen, stige med stigende tryk. Men det gælder kun over et bestemt tryk, ved meget lave tryk, stiger breakdown-spændingen, når trykket falder.

I DTU's fusor er kammeret cylindrisk og gitteret tilnærmet sfærisk. Det gør det vanskeligt at definere afstande, så derfor er man nødt til at bestemme sammenhængen mellem breakdown spænding og tryk for den givne konfiguration.

​​​​​​​De studerendes opgave var at bestemme denne sammenhæng, og dermed også den mindste breakdown-spænding, der kan give anledning til fusion i reaktorkammeret.
Ingeniøren var tilstede under en del af deres projekt, og deres arbejde med fusoren kan ses i denne lille video.

Breakdown-spænding som funktion af produktet af tryk og afstand for forskellige gasarter 

Foto: wikicommons