Fuusioreaktoreita kehitettäessä tavoitteena on rakentaa sähköntuotantoon soveltuva fuusiovoimalaitos. Tavoitteena olevissa fuusioreaktoreissa vetyatomeja yhdistetään heliumatomeiksi, jolloin vapautuu energiaa. Tällaisia reaktoreita on pyritty kehittämään jo noin 50 vuoden ajan. Aluksi on ollut tavoitteena saada aikaiseksi reaktori, joka edes lyhyen hetken ajan tuottaa enemmän tehoa kuin siihen fuusioreaktioiden aikaansaamiseksi syötetään. Seuraavaksi yritetään rakentaa laite, jossa fuusio jatkuu pitempään, ja samalla pyritään osoittamaan, että toimivan fuusiovoimalaitoksen rakentaminen on teknisesti mahdollista. Suurin käynnissä olevista laitehankkeista on eteläiseen Ranskaan rakennettava ITER. Fuusioreaktoreihin liittyvästä kehitystyöstä kertoi MAL-lehdelle VTT:llä työskentelevä tekniikan tohtori Antti Hakola.
Tulevaisuuden energiaratkaisu?
Kevään kuntavaaleihin liittyvässä ohjelmassa Vihreiden puheenjohtaja maalaili tulevaisuutta, jossa sähkö tuotetaan aurinko- tai tuulivoimalla. Vaikka jätettäisiin pois öljyllä ja kivihiilellä tuotettu sähkö, niin ainakin tietyn pituisen välivaiheen aikana meillä on käytössä myös perinteisiä fissioon perustuvia sähkövoimalaitoksia. Joidenkin vuosikymmenten kuluttua energiapaletissa saattaa olla myös fuusioon perustuvia voimalaitoksia.
Fuusioon perustuvien voimalaitosten etuna on, että ne ovat turvallisempia kuin käytössä olevat fissioon perustuvat ydinreaktorit. Ennen kaikkea ne ovat radioaktiivisten jätteiden osalta varsin saasteettomia fissioon perustuviin voimalaitoksiin verrattuna. ”Polttoaine”, vety, on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine.
Täysin ydinsaasteetonta ei fuusiovoimakaan ole. Reaktorin ennustetaan saastuvan ajan myötä, koska fuusioreaktori säteilee neutroneja huomattavasti enemmän kuin fissioreaktori. Nämä aiheuttavat ympärillä olevissa materiaaleissa reaktioita, jotka muuttavat ne radioaktiivisiksi. Tällä tavoin mahdollisesti syntyvien isotooppien arvellaan kuitenkin olevan melko lyhytikäisiä. On arvioitu, että reaktori olisi vaarallisen radioaktiivinen muutamia satoja vuosia.
Suuri kehitys- ja tutkimusprojekti
ITER-hanke alkoi vuonna 1985 eurooppalaisen EURATOM:in, Yhdysvaltojen ja sittemmin myös Neuvostoliiton ja Japanin välisenä yhteistyönä. Aluksi hankkeessa tehtiin fuusion fysiikkaan liittyvää tutkimusta ja kehitettiin fuusioon liittyvää tekniikkaa. Fuusiotekniikan kehitystyö loi perustan plasman käyttäytymisen mallintamiselle. ITER:in rinnalla toimii materiaalien tutkimuslaitos International Fusion Materials Irradiation Facility eli IFMIF, jossa kehitetään mahdollisissa tulevaisuuden fuusiovoimalaitoksissa käytettäviä äärimmäisiä olosuhteita kestäviä materiaaleja. Tällä hetkellä ITERissä on seitsemän valtiollista osapuolta: Euroopan unioni, Yhdysvallat, Japani, Venäjä, Intia, Kiina ja Etelä-Korea.
Suomi osallistuu ITER-projektiin muun muassa eri yliopistoissa tehtävällä plasma- ja materiaalifysiikan tutkimuksella. Tutkimusta tehdään VTT:llä, Aalto-yliopistossa, Helsingin yliopistossa, Tampereen yliopistossa ja Lappeenrannan–Lahden teknillisessä yliopistossa LUT:ssa. Suomessa toimintaa johtaa ja koordinoi VTT, jossa työhön osallistuu noin 50 asiantuntijaa. Myös koordinointityötä rahoittaa TEM.
ITERin toimintaperiaate – lopuksi keitetään vettä…
ITERissä fuusioitava vety kuumennetaan korkealämpöiseksi plasmaksi, jota pidetään koossa magneettikentillä ”magneettisessa pullossa”. Plasmassa positiivisesti varautuneet atomiytimet ja elektronit ovat irti toisistaan, eli plasma on ionisoitunutta kaasua.
Plasman käyttäytymisen mallintamisessa ei käytetä kvanttimekaniikkaa, vaan klassista fysiikan teoriaa, jossa mallit ovat huomattavia yksinkertaistuksia. Plasmatilassa oleva fuusiopolttoaine on niin kuumaa ja aine niin harvaa, että kvanttimekaaninen lähestymistapa ei toisi mitään uutta ja ihmeellistä. Tällä rajalla klassisen fysiikan antamat ennusteet ovat täsmälleen samat kuin periaatteessa tarkemmat kvanttifysiikan mukaiset ennusteet. Plasman mallintaminen on silti haastavaa matematiikkaa.
Fuusioplasman tarkka mallintaminen on hyvin laskentaintensiivistä. Näin on etenkin, jos ongelmaa ei voida yksinkertaistaa yhteen tai kahteen dimensioon, vaan mallissa ovat mukana kaikki kolme koordinaattia, tai jos plasman pienetkin röyhtäisyt ja turbulenssi halutaan ottaa mukaan, kuten nykyään halutaan tehdä. Vaikeustaso on tällöin sama kuin ilmakehää tai vaikkapa avaruuden aurinkotuulta mallinnettaessa.
Kuluneiden vuosikymmenten aikana on kerätty runsaasti tietoa kuuman fuusioplasman käyttäytymisestä. Kun tähän liitetään numeeristen mallinnustyökalujen ja supertietokoneiden laskentakapasiteetin voimakas kehitys, voidaan mallien avulla ennustaa, mitä tulevaisuuden voimalaitoksessa tapahtuu sen käytön aikana.
Höyrykattilavoimalaitoksessa paineistettua vettä höyrystetään höyrykattilassa. Tämän jälkeen höyry ohjataan turbiiniin, jossa höyryn lämpö- ja paine-energiaa muutetaan turbiinin pyörimisenergiaksi. Turbiini puolestaan pyörittää generaattoria, joka synnyttää sähkövirran. Myös fissiovoimalaitoksissa höyrystetään vettä, sillä kertaa ydinenergialla. Ja näin aiotaan tehdä myös fuusiovoimalaitoksissa! Äkkiseltään tämä saattaa kuulostaa vanhanaikaiselta – voisi kuvitella, että kun fuusioenergiaa pyritään valjastamaan sähköntuotantoon, varsinainen sähkökin tuotettaisiin jollakin hieman modernimmalla tavalla. Vedenkeiton perinteen jatkamiseen on Hakolan mukaan vahvat perusteet, mutta tässäpä kuitenkin pohdittavaa nuorille fyysikoille…
kuva: Unsplash
ITERin perspektiivi
Heinäkuussa 2020 esitetyn aikataulun mukaan reaktoria rakennetaan vaiheittain. Tavoitteena on, että reaktori saadaan toimimaan vuonna 2025. Varsinainen tutkimustoiminta alkaa reaktorin lisärakentamisen jälkeen 2029. Tarkoituksena on saavuttaa täysi teho vuonna 2035.
ITER:in ja IFMIF:in tuloksia on tarkoitus käyttää demonstraatiofuusiovoimalaitoksen eli DEMOn kehittämisessä. Tämän on tarkoitus olla ensimmäinen fuusiosähköä tuottava laitos. DEMOn jälkeen seuraavana on vuorossa PROTO, joka olisi ensimmäinen kokonaisen fuusiovoimalaitoksen prototyyppi. Sillä on jo tarkoitus osoittaa, että fuusiovoimalaitosta voidaan käyttää kaupallisesti. Nopeimman etenemisarvion mukaan ensimmäinen varsinainen voimalaitos liitettäisiin verkkoon vuonna 2050. Fossiilisten polttoaineiden alasajon avuksi fuusiovoima ei siis ennätä.
ITER ja Suomi
Vuonna 2014 perustettiin EUROfusion-konsortio, jossa on 30 jäsentä. Suomen edustajana konsortiossa on VTT, joka myös koordinoi Suomessa tehtävää tutkimusta. Suomessa ns. kolmansia osapuolia ovat Aalto-yliopisto, Helsingin yliopisto, Tampereen ja Lappeenrannan teknilliset yliopistot, Åbo Akademi ja Fortum.
Suomen fuusiotutkimus on organisoitu FinnFusion-konsortioksi, joka on laaja yritysten, tutkimuslaitosten ja yliopistojen verkosto. ITER-projektiin Suomi osallistuu muun muassa eri yliopistoissa tehtävällä plasma- ja materiaalifysiikan tutkimuksella sekä luomalla testiympäristön ITERin reaktorin huoltojärjestelmälle.
Erikoistutkija, tekniikan tohtori Antti Hakola (vas.) kertoi fuusioreaktoreiden kehitystyöstä MALin Ilkka Norrokselle (oik.) ja Martti Annanmäelle.
Mahdollisuuksia nuorille fyysikoille
”Pelastetaan maailma” on yleinen slogan fuusiotutkijoiden parissa. Maailman pelastaminen annetaan monesti tavoitteeksi myös yrittäjiksi haikaileville. Tulee keksiä semmoinen tuote, että sillä ratkaistaan jokin iso maailmanlaajuinen ongelma ja samalla pelastetaan maailma.
Fuusiotutkimuksessa tarvitaan uusia osaajia sen kaikilla osa-alueilla: fyysikoita, matemaatikoita, tietojenkäsittelijöitä jne. Fuusiotutkimus ja fuusiovoimalaitosten kehittäminen ja rakentaminen tuottavat kaiken aikaa uusia aihepiirejä tutkittavaksi. Hakolan mukaan fuusioon liittyvät tutkimus- ja rakennushankkeet takaavat työmahdollisuuksia useiksi vuosikymmeniksi. ”Tämä on kortti, joka kannattaa katsoa”, hän sanoo. •
Lähteet:
Erikoistutkija Antti Hakola, VTT ATS Ydintekniikka, 4/2017, Vol. 46. Suomen atomiteknillinen seura – Atomtekniska sällskapet i Finland.
Martti Annanmäki ja Ilkka Norros