Plasma i reaktor - Ny reaktor viser vejen til fusionsenergi

Plasma – Hvad er plasma?

Fast, flydende og gas er de tre tilstandsformer, vi kender fra hverdagen. Men den fjerde tilstandsform, plasma, udgør faktisk 99 procent af det synlige univers. Plasma er Solens brændstof, og en dag kan plasma måske give os uendelig energi.

Fast, flydende og gas er de tre tilstandsformer, vi kender fra hverdagen. Men den fjerde tilstandsform, plasma, udgør faktisk 99 procent af det synlige univers. Plasma er Solens brændstof, og en dag kan plasma måske give os uendelig energi.

UK Atomic Energy Authority

Hvad er plasma?

Hver gang vi ser et lyn, ser vi faktisk også plasma. Det er den fjerde og ofte glemte tilstandsform ved siden af de velkendte tre – fast, flydende og gas.

Alle stoffer ændrer tilstand, i takt med at temperaturen stiger. Det kendes fra fx vand. Når temperaturen er under nul grader er vandet fast is, hvilket vil sige, at atomerne sidder fastlåst i et gitter.

Over frysepunktet bliver vandet flydende – gitteret går i stykker og molekylerne bevæger sig rundt mellem hinanden.

Når vandet opvarmes til kogepunktet på 100 grader, bliver det til en gas i form af vanddamp: Molekylerne bevæger sig helt frit rundt i tre dimensioner.

Så langt så godt – det er de tre alment kendte tilstandsformer.

Men hvis vi fortsætter opvarmningen op over 1000 grader, begynder vandmolekylerne at gå i stykker i iltatomer og brintatomer. Og så, helt oppe omkring 10.000-12.000 grader, sker forvandlingen til den fjerde tilstand: Varmen rykker elektroner fri af atomkernerne og omdanner dermed gassen til plasma.

I denne tilstand bevæger positive ioner, der består af protoner og neutroner, og negative elektroner, sig frit rundt imellem hinanden, hvilket gør plasma elektrisk ledende.

Lyn skaber plasma, fordi de opvarmer luften til op mod 25.000 grader. Den intense varme skræller elektronerne af kvælstof- og iltatomerne i luften, der således bliver omdannet fra gas til et hvidt lysende plasma.

Når temperaturen stiger, går alle stoffer fra fast form til flydende, gas og til sidst plasma, hvor atomerne splittes ad i kerner og elektroner, for eksempel metallet aluminium, som vi kender bedst i fast form.

Sådan bliver aluminium til plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Fast form: Atomer sidder fast i et gitter

Aluminium, som bliver brugt i alt fra øldåser til fly, er ved normale temperaturer et fast stof, hvor atomerne sidder fastlåst i et krystalgitter. Gitteret holder sin form op til smeltepunktet.

Sådan bliver aluminium til plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Flydende form: Atomer vrister sig fri fra gitteret

Aluminium smelter ved 660 grader og bliver til en væske. Det vil sige, at krystalgitteret går i stykker, så atomerne kan flyde rundt mellem hinanden, men stadig inden for et afgrænset volumen.

Sådan bliver aluminium til plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Gas: Atomer flyver ubegrænset rundt

Ved en temperatur på 2470 grader fordamper aluminium og bliver til en gas. Atomerne flyver frit rundt mellem hinanden, og volumen er ubegrænset. Det er derfor, gas opbevares i lukkede beholdere.

Sådan bliver aluminium til plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Plasma: Høj varme splitter atomerne ad

Ved 5400 grader river varmen de negative elektroner fri fra de positive atomkerner, og dermed bliver gassen til et elektrisk ledende plasma, hvor kernerne og elektronerne flyver frit rundt mellem hinanden.

Plasma dominerer Universet

Faktisk består over 99 procent af det synlige univers – de lysende stjerner og brintskyerne i og mellem galakserne – af plasma.

Brintskyerne er ekstremt tynde, men plasma kan også være ekstremt kompakt, selvom det er så varmt, at atomerne bliver revet fra hinanden. Det er tilfældet i hjertet af stjerner som Solen, som udelukkende består af plasma.

I Solens 15 millioner grader varme kerne er trykket hele 250 milliarder gange trykket ved Jordens overflade.

Det enorme tryk presser brintplasmaet så tæt sammen, at brintkernerne overvinder deres indbyrdes elektriske frastødning og fusionerer til helium, hvilket skaber den energi, som får Solen til at lyse.

Stenplaneter som Jorden, der omkredser deres stjerne i den beboelige zone, hvor vand flyder på overfladen, er faktisk en sjælden undtagelse i et univers domineret af plasma.

Et lyn opvarmer typisk luften til op mod 25.000 grader. Varmen betyder, at luftens elektroner rives væk fra deres atomkerner, og dermed ændrer luften tilstand til plasma.

© Shutterstock

Solens plasma kan mørklægge Jorden

På Jorden mærker vi plasmaet i Solens over en million grader varme ydre atmosfære, den såkaldte korona.

Herfra løber en konstant strøm af plasma i form af protoner og elektroner, som rammer Jordens øvre atmosfære og skaber nordlys og sydlys over polerne.

Men Solen har også deciderede plasmabomber på repertoiret ved de største soludbrud, de såkaldte koronale masseudkastninger, hvor en gigantisk boble med mange milliarder tons varmt plasma bliver skudt ud af koronaen og nogle gange har kurs direkte mod Jorden.

I værste fald kan boblen skære tværs gennem Jordens magnetfelt, så store mængder af elektrisk ladede partikler vælter dybt ind i Jordens atmosfære.

I vort højteknologiske samfund kan den efterfølgende geomagnetiske storm slukke for strømmen og telekommunikationen på flere kontinenter.

Solen består udelukkende af plasma. Inde i kernen betyder plasmaets ekstreme varme, at brintatomkerner fusionerer og bliver til helium, hvilket frigiver store mængder energi.

© Shutterstock

Plasma kan blive en uendelig energikilde

Forskere og ingeniører udnytter allerede i dag plasmas unikke egenskaber i fx plasmaskærere og plasmafjernsyn, men vi er kun lige begyndt at forstå og tæmme plasmaets enorme energi.

Plasma kan for eksempel komme til at afløse jetbrændstof i passagerfly. Det mener kinesiske forskere, som har udviklet en motor, der kun bruger luft og strøm til at skabe plasma, som bliver skudt ud gennem et rør.

Plasmamotorer er også udset en afgørende rolle i koloniseringen af Solsystemet, fordi motorerne er effektive over lange afstande, hvor luftmodstand og tyngdekraft ikke bremser rumfartøjerne.

Men det måske største perspektiv er fusionsenergi – hvis fysikerne kan manipulere den turbulente tilstandsform præcist nok, kan plasma blive en praktisk talt uudtømmelig energikilde.

Fusionskraftværker skal holde et 100-200 mio. grader varmt plasma fanget i et magnetisk bur, så dets atomer kan fusionere og skabe energi – ligesom de processer, der foregår inde i Solen – uden at plasmaet rører reaktorvæggen og afkøles.

Tre teknikker konkurrerer om førertrøjen: Tokamakken, kugletokamakken og stellaratoren.

Verdens største tokamak skal efter planen indvies I Frankrig I 2025, mens kugletokamakken kan komme til at indgå I kraftværker fra 2040’erne – stellaratoren er en “dark horse”, fordi teknologien er ekstremt svær og dyr at konstruere sammenlignet med de andre to teknikker.