Plasma i reaktor - Ny reaktor viser vei til fusionsenergi

Plasma – Hva er plasma?

Fast stoff, væske og gass er de tre aggregattilstandene vi kjenner fra hverdagen. Men den fjerde aggregattilstanden, plasma, utgjør faktisk 99 prosent av det synlige universet. Plasma er solens drivstoff, og en dag kan plasma kanskje gi oss uendelig energi.

Fast stoff, væske og gass er de tre aggregattilstandene vi kjenner fra hverdagen. Men den fjerde aggregattilstanden, plasma, utgjør faktisk 99 prosent av det synlige universet. Plasma er solens drivstoff, og en dag kan plasma kanskje gi oss uendelig energi.

UK Atomic Energy Authority

Hva er plasma?

Hver gang vi ser et lyn, ser vi faktisk også plasma. Det er den fjerde og ofte glemte aggregattilstanden, ved siden av de tre velkjente – fast stoff, væske og gass.

Alle stoffer endrer tilstand når temperaturen stiger. Vann er et godt eksempel.

Når temperaturen er under null grader, er vannet is, noe som vil si at atomene sitter fastlåst i et gitter.
Over frysepunktet blir vannet flytende – gitteret går i stykker, og molekylene beveger seg rundt mellom hverandre.

Når vannet varmes opp til kokepunktet på 100 grader, blir det til en gass i form av vanndamp: Molekylene beveger seg helt fritt rundt i tre dimensjoner. Så langt er alt godt – det er de tre vanlige aggregattilstandene.

Men hvis vi fortsetter oppvarmingen over 1000 grader, begynner vannmolekylene å gå i stykker. De blir til oksygenatomer og hydrogenatomer.

Og så, når temperaturen når 10 000–12 000 grader, skjer forvandlingen til den fjerde tilstanden: Varmen river elektroner løs fra atomkjernene og gjør dermed gassen om til plasma.

I denne tilstanden beveger positive ioner – som består av protoner og nøytroner – og negative elektroner seg fritt rundt mellom hverandre, noe som gjør at plasma leder strøm.

Lyn skaper plasma ved å varme opp luften til rundt 25 000 grader. Den intense varmen skreller elektronene av nitrogen- og oksygenatomene i luften, som altså blir gjort om fra gass til et hvitt lysende plasma.

Når temperaturen stiger, går alle stoffer fra fast form til flytende, gass og til slutt plasma, der atomene splittes i kjerner og elektroner, for eksempel metallet aluminium, som vi kjenner best i fast form.

Slik blir aluminium til plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Fast: Atomer sitter fast i et gitter

Aluminium, som blir brukt i alt fra ølbokser til fly, er ved normale temperaturer et fast stoff, der atomene sitter fastlåst i et krystallgitter. Gitteret holder formen – opp til smeltepunktet.

Slik blir aluminium til plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Flytende: Atomer river seg løs fra gitteret

Aluminium smelter ved 660 grader og blir til en væske. Det vil si at krystallgitteret går i stykker, slik at atomene kan flyte rundt mellom hverandre, men fortsatt innen et avgrenset volum.

Slik blir aluminium til plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Gass: Atomer flyr ubegrenset rundt

Ved en temperatur på 2470 grader fordamper aluminium og blir til en gass. Atomene flyr fritt rundt mellom hverandre, og volumet er ubegrenset. Det er derfor gass oppbevares i lukkede beholdere.

Slik blir aluminium til plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Plasma: Høy varme splitter atomene

Ved 5400 grader river varmen de negative elektronene fri fra de positive atomkjernene, og dermed blir gassen til et elektrisk ledende plasma, der kjernene og elektronene flyr fritt rundt mellom hverandre.

Plasma dominerer universet

Faktisk består over 99 prosent av det synlige universet – de lysende stjernene og hydrogenskyene i og mellom galaksene – av plasma.

Hydrogenskyene er ekstremt tynne, men plasma kan også være veldig kompakt, selv om det er så varmt at atomene blir revet fra hverandre. Det er tilfellet i hjertet av stjerner som solen, som utelukkende består av plasma.

I solens 15 millioner grader varme kjerne er trykket hele 250 milliarder ganger det vi opplever på jordens overflate.

Det enorme trykket presser hydrogenplasmaet så tett sammen at hydrogenkjernene overvinner sin innbyrdes elektriske frastøting og fusjonerer til helium, noe som skaper den energien som får solen til å lyse.

Steinplaneter som jorden, som går i bane rund stjernen sin i den beboelige sonen, der vann flyter på overflaten, er faktisk et sjeldent unntak i et univers dominert av plasma.

Lyn skaper plasma

Et lyn varmer typisk opp luften til opp mot 25.000 grader. Varmen betyr at elektronene i luften rives vekk fra sine atomkjerner, og dermed endrer luften tilstand til plasma.

© Shutterstock

Solens plasma kan mørklegge jorden

På jorden merker vi plasmaet i solens over en million grader varme ytre atmosfære, den såkalte koronaen.

Herfra går det en konstant strøm av plasma i form av protoner og elektroner, som treffer jordens øvre atmosfære og skaper nordlys og sørlys over polene.

Men solen har også veritable plasmabomber på repertoaret ved de største solutbruddene, de såkalte koronamasseutbruddene, der en gigantisk boble med mange milliarder tonn varmt plasma blir skutt ut av koronaen og noen ganger har kurs direkte mot jorden.

Denne sætning: I verste fall kan boblen skjære tvers gjennom Jordens magnetfelt, slik at store mengder av partikler med elektrisk ladning suser inn i jordens atmosfære.

I vårt høyteknologiske samfunn kan den geomagnetiske stormen som følger, skru av strømmen og bryte telekommunikasjonen på flere kontinenter.

Plasma i solen kan merkes på jorden

Solen består utelukkende av plasma. Inne i kjernen betyr den ekstreme varmen at hydrogenatomkjerner fusjonerer og blir til helium, noe som frigir store mengder energi.

© Shutterstock

Plasma kan bli en uendelig energikilde

Forskere og konstruktører utnytter allerede plasmaets egenskaper i for eksempel plasmaskjærere og plasmafjernsyn, men vi har bare så vidt begynt å forstå og temme plasmaets enorme energi.

Plasma kan for eksempel komme til å avløse jetdrivstoff i passasjerfly. Det mener kinesiske forskere som har utviklet en motor som bare bruker luft og strøm for å lage plasma som blir skutt ut gjennom et rør.

Plasmamotorer har også en avgjørende rolle i koloniseringen av solsystemet, fordi motorene er effektive over lange avstander, der luftmotstand og tyngdekraft ikke bremser romfartøyene.

Men den kanskje største muligheten er fusjonsenergi – hvis fysikerne kan behandle den turbulente aggregattilstanden presist nok, kan plasma bli en praktisk talt uuttømmelig energikilde.

Fusjonskraftverk må holde plasma med en temperatur på 100–200 millioner grader fanget i et magnetisk bur, slik at atomene kan fusjonere og skape energi – akkurat som de prosessene som foregår inne i solen – uten at plasmaet berører reaktorveggen og dermed avkjøles.

Tre teknikker konkurrerer om ledertrøya: tokamaken, kuletokamaken og stellaratoren.

Verdens største tokamak skal etter planen innvies i Frankrike i 2025, mens kuletokamaken kan komme til å inngå i kraftverk fra 2040-tallet – stellaratoren er en «dark horse» fordi reaktoren er ekstremt vanskelig og dyr å konstruere sammenlignet med de to andre typene.